【文章內(nèi)容簡介】 Ai 為各階躍信號的強度。 I 為按一定頻率變化光源光強，其表達式為： I0=I(b+cos(?0t))， 因光強為正， b1 為光強的幅值 ， 把此式和（ 4）式代入（ 3） 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 式得： u(t)=C+a1KTIcos(?0t)+a1(ΣAi\u(t))exp(KTL) （ 5） 式中 C=a1( KTI+exp(KTL))+a0，濁度 T 變化很慢，所以把 C 可以看 作常量。 將（ 5）式變換到頻域： U(?)=2πCδ(?)+ π a1K9TI[δ(?+?0)+δ(??0)]+ a1ΣAiπ[δ(?)+1/j?]exp(j?ti) 由此可見 u(t)的幅值與濁度 T 成正比，不受環(huán)境光的強弱及其變化影響。此信號經(jīng)整流，低通濾波 ， 標定儀器時確定常量系數(shù)，就可計算出濁度。對于透射測濁度法原理相同，只不過將 上述的 KTI 換為 exp(KTL)。 非線性的校正方法 上述原理在光電信號轉(zhuǎn)換是線性的情況下才能成立。如果轉(zhuǎn)換是非線性的，只要轉(zhuǎn)換函數(shù)是單調(diào)函數(shù)，我們就可以作校正處理，把非線性函數(shù)線性化。同樣可用上述的方法。為作校正處理，必須找出轉(zhuǎn)換的特性，即探測器上的光強信號與它轉(zhuǎn)換為電信號的關(guān)系。雖然可用照度計測量不同光強對應(yīng)濁度儀上的電信號，找出轉(zhuǎn)換的特性，但我們要濁度儀自身具有校正能力，以便濁度儀定期校正。按以下方法進行線性化： 1. 濁度儀設(shè)置兩個光源，一個光源 I 可以調(diào)節(jié)強度（可以把測量濁度的光源 兼作此用），另一光源 ?I 只有開、關(guān)兩態(tài)， ?I 盡量小，且穩(wěn)定。先將光源 I調(diào)節(jié)到探測器能分辨的最低光強。 2. 光源 I 單獨照射濁度儀的探測器，產(chǎn)生電信號 U1， 然后打開光源 ?I，兩個濁度儀的探測器，產(chǎn)生電信號 U19。 3. 向上調(diào)節(jié)強度光源 I，反復(fù)步驟 2，得（ U1， U19） ，（ U2， U29） …… （ Un，Un9），直到 Un 大于測量濁度的光和最大容許環(huán)境光作用于探測器所產(chǎn)生的 U。 4. 用多項式插值，把（ U19， X2）插入以上點得到 X2，再把（ X2， X3）點得到 X，以此類推， X5…… Xn +1Un9。令 X0=U1=U19。如圖 。 X0， X1，X2Xn就是轉(zhuǎn)換的特性參數(shù)。由于轉(zhuǎn)換函數(shù)是單調(diào)函數(shù)， XoX1， X2…… Xn 也應(yīng)單調(diào)。 第 3 步，也可以調(diào)節(jié)強度光源 I 使 Ui=Ui19， 第 步的插值，而直接取 X0=U1，X1=U2……Xi=Ui+1 。 對光強為 I 的光照射探測器，經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換得到 U，因為 X0， X1， X2…… Xn 是單調(diào)的，對應(yīng) U 有唯一的 i 使 XiUXi+1 則 : S=i+(UXi)/(Xi+1–Xi) XiUXi+1 S 與探測器上光 強 I 近似線性關(guān)系。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 以上過程不涉及具體的光強 I，不需要照度計，可用計算機編程配合硬件自動完成，作為濁度儀功能的一部分。 UIU1U139。U2U239。UiUi’UIX 0X 1X 2X 3X i?????? ?????? 圖 非線性校正原理 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 儀器的整體設(shè)計 根據(jù) 2 節(jié)的原理設(shè)計的濁度儀結(jié)構(gòu)原理如圖 31。該實現(xiàn)的硬件部分以單片機為硬件核心，單片機控制多路開關(guān)和光源信號發(fā)生電路從而實現(xiàn)儀器光源的測量狀態(tài)和線性校正狀態(tài)之間的切換，另一方面與 A/D 轉(zhuǎn)換器和計算機連接，單機的端口提供給 A/D 轉(zhuǎn)換器所需的各種信號，并 控制采樣時間，將采樣的行數(shù)據(jù)通過 RS232 口串行送入計算機，作為 A/D 轉(zhuǎn)換器與 PC 計算機數(shù)據(jù)間的橋梁。計算機通過 RS232 口向單片機發(fā)送命令，由單片機把命令解釋為控制信號，控制多路開關(guān)和光源信號發(fā)生電路。軟件部分，為保證實時數(shù)據(jù)的及時接受，計算機程序為多線程程序。主線程除負責數(shù)據(jù)的實時顯示、保存、打印、人機界面外，還啟動兩個工作線程，一個接收線程和一個計算線程。接收線程負責實時數(shù)據(jù)的接受。計算線程負責線性化和濾波的計算，把計算結(jié)果再傳給主線程。主線程在線性校正時，將校正數(shù)據(jù)保存以便計算線程應(yīng) 用這些數(shù)據(jù)作線性化。這里說明以下，線性校正和濾波的計算也可以放在單片機中進行，但計算機有強大的軟件開發(fā)平臺，可利用的豐富資源，使得程序設(shè)計更容易。所以本例的軟件主要是基于 PC 上的，而單片機的程序較為簡單， AT89C51 自代的 4K 存儲器夠了，節(jié)省了存儲器訪問電路，也節(jié)省了單片機端口。 多 時開 關(guān)光 源 信 號 接 收 電 路1 2 位 A / D 轉(zhuǎn) 換 單 片 機 A T 8 9 C 5 1接 收線 程計 算線 程主 線 程感 光 原 件 測 量 光 源開 關(guān) 電 源探 頭模 擬 量光 源 信 號數(shù) 據(jù)命 令計 算 機收 到 數(shù) 據(jù)控 制 信 號控制信號啟動啟動濁度值 圖 濁度儀的總體結(jié)構(gòu) 探頭采用 LED 發(fā)光管和光敏電阻自制，用絕緣膠木為體部。結(jié)構(gòu)簡單，由于本文的重點不在于此，未考慮探頭自動清洗機構(gòu)。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 第 4 章 硬件電路的設(shè)計 電源電路 GND1IRI2OUI3RE84CON5IHR6DI87VGG8U1 5551KR133KR27uFC1100uFC410uFC810uFC7D1 IN916D2 IN916INPUT1OUTPUT2COM3U27912INPUT1OUTPUT2COM3U3780518VGND100KR3C5C6C95V12V 圖 電源電路 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 單片 機 AT89C51 及其他元件需要 +5V 的電源， A/D 轉(zhuǎn)換器需要 +5V 和12V 的的電源。圖 為將 +18V 的輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 +5V 和 12V 輸出給各元件供電。由 555 構(gòu)成的無變壓器的直流 直流變換器，可將正電源電壓變成負電源電壓。通過定時器 555 產(chǎn)生方波輸出，方波的周期由下式?jīng)Q定： T=ln2(R1+2R2)C3 圖 41 中的元件值，可得到 2KHz 的方波，方波經(jīng)二級管整流得到負電壓，再經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器 7912 輸出穩(wěn)定的 12V 負電壓。圖中 C1 為耦合電容， C4 濾波電容。 +5V 電壓由 +18V 的輸入電壓經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器 7805 穩(wěn)壓后輸出。 信號采集和 A/D 轉(zhuǎn)換電路 AIN1VRDF2AGND3D114D105D96D87D78D69D510D411DGND12D3/1113D2/1014D1/915D0/816CLKIN17CLKOUT18HBEN19RD20C821BU8Y22Vff23Vdd24U1MAX172D2LED0D1LED01KR5Res Adj220KR4Res Adj21KR3Res Adj21KRRes21161KR6ARes Pack2Q1NPNGND2311411U2ALM324N300R1Res Tap10R7Res22KR2Res2GNDP05P06P07CLOCK+8VGNDGND5V12VP20P17P21P23P22P24P25P26P27LM224(14)5V 5V0Y1YP03 圖 信號采集和 A/D 轉(zhuǎn)換電路 如圖 ，發(fā)光管 D2 透射液體照射光敏電阻 R，光敏電阻 R 與 R6 構(gòu)成分壓電路，光敏電阻 R 的阻值隨透射光的強弱而變化，信號取自 R6 上的電壓。信號電壓經(jīng)運算放大器 LM224 放大，輸入 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX172 的模擬信號輸入端 AIN，電位器 R1 調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 MAX172 是完全的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它具有高速、低能耗、片內(nèi)參考電壓等特點。轉(zhuǎn)換時間 10181。S，接近時間 90nS，功率 215mW。 24 窄雙列直插封裝有標準的與微處理器的界面。與 8 位微處理器和 16 位微處理器相連都很方便。當 HBEN 輸入為電平時，在 CS、 RD 的下降緣，轉(zhuǎn)換開始。一旦轉(zhuǎn)換開始 BUSY 輸出低電平轉(zhuǎn)換完成后 BUSY 輸出高電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，當 HBEN 輸入為低電平， MAX172 將轉(zhuǎn)換的 12 位結(jié)果的輸出到 D0—D11 引腳上。若與 16 位的微處理器相連此時可將 12 位數(shù)據(jù)一次讀出。若與 8 位 的微處理器相連，此時從 D0D7 引取低 8 位數(shù)據(jù)。當 HBEN 輸入為高電平， CS、 RD 輸入為低電平時，轉(zhuǎn)換果的高 4 位數(shù)據(jù)輸出到 D0D3 引腳上， D4D7 為邏輯 ―0‖，從長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 而 8 位的微處理器讀取高 4 位數(shù)據(jù)。 本應(yīng)用中，微處理器對 MAX172 的控制和數(shù)據(jù)讀取不采用內(nèi)存讀取方式，而直接用指令通過寫微處理器的端口輸入 HBEN、 CS、 RD 信號，查詢 BUSY 信狀態(tài)。讀引腳的方式讀取數(shù)據(jù)。采取此方法一是便于控制采樣周期，二是微處理不必訪問外部存儲器，它的 ALE 信號為微處理器時鐘頻 率 1/6 的周期信號，以作其他部件的時鐘。 MAX172 的時鐘就是微處理器 ALE 信號的二頻得到的這樣很大程度上簡化了電路，而且很容易實現(xiàn)同步。 半導(dǎo)體發(fā)光管 D2，有兩種用途，一用作測量濁度時的光源，二用作儀器線性正時的調(diào)節(jié)光源 (見 非線性校正的方法 )。通過模擬多路開關(guān) CD4052 實現(xiàn)兩種功能的切換。 0Y， 1Y 端是引入的電流負反饋，從而控制通過半導(dǎo)體發(fā)光管 D2 的電流。 0Y 端是測量濁度時的反饋回路， 1Y 端是儀器線性校正時的反饋回路通過模擬多路開關(guān) CD4052 實現(xiàn)兩種反饋回路的切 換。為了便于儀器的調(diào)試光源的亮度，兩反饋電阻 R R5 是可調(diào)的。 半導(dǎo)體發(fā)光管 D1 是用作儀器線性校正時的開關(guān)光源 (見 非線性校正的法 )，通過微處理器的指令置位和復(fù)位端口 P03 從而開和關(guān)半導(dǎo)體發(fā)光管 D1R3 為發(fā)光管的限流電阻，也調(diào)節(jié)發(fā)光管的亮度。三極管 Q1 只工作在截止和飽和兩種狀態(tài)。 單片機及其控制電路 123456789RST10(RXD)11(TXD)12(/INTO)13(/INTI)14(T0)15(T1)16(/WR)17(/RD)18XTAL219XTAL120GND21(A8)22(A9)23(A10)24(A11)25(A12)26(A13)27(A14)28(A15)29/PSEN30ALE/PROG31/EA(/VPP)32(AD7)33(AD6)34(AD5)35(AD4)36(AD3)37(AD2)38(AD1)39(AD0)40VCCAT80C51QA9QB7QC6QD5QE3QF2QG4QH13QI12QJ14QK15QL1CLR11CLK10CD4040B0X121X142X153X110Y11Y52Y23Y4A10B9INH6X13Y3CD4052CE2311411LM324D6VGNDD12EEEIGND5VP20P21P22P23P24P25P26P27P10P111212MXTALC030pFC130pFGNDR01KR1S0SWPB30nFC3+5VCD4040CD4052LM224P05P06P07P03Y0Y1CD4052G