一种基于近红外光的投入式浊度仪的设计与实现

摘要

水是人类日常生产、生活中不可或缺的宝贵资源，但目前全球范围的水污染都非常严重。浊度是指光线通过溶液时所受到的阻碍程度。很多疾病的传播就是由于一些病毒以及细菌附着在这些细小的颗粒上降低了臭氧、氯离子等对水的杀菌消毒作用所导致的。因此，水环境的保护与改善已经成为一个全球性的问题，而浊度作为水质检测中重要的指标之一，实现对浊度的准确测量就显得尤为重要。　　针对上述问题，本文设计了一种测量范围为0-1000NTU的基于近红外光的直接投入式浊度仪，主要完成的研究工作如下：　　① 介绍了浊度测量的基本原理，包括朗伯-比尔定律与水样对光的散射作用。研究了浊度检测的方法，包括透射法、散射法以及比值法并作对比分析，选取了适合本文的测量方法。　　② 完成了光源和光电探测器的选型，利用软件SolidWorks设计了该浊度仪测试探头的结构，并完成了该测试探头的密封。　　③ 根据该浊度仪的要求，选取了 STM32 单片机作为本系统的主芯片，其适合高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计。利用软件Altium Designer完成了该浊度仪的硬件系统设计，硬件电路主要由I/V 转换电路、放大电路、滤波电路、显示电路以及E2PROM电路构成。　　④基于KeiluVision4环境开发了该浊度仪的软件系统设计，主要模块包括初始化模块、采样与数据处理模块、标定模块以及人机交互界面模块。　　⑤ 完成了浊度仪的外壳设计和浊度标准液的配制，对测试探头进行了稳定性试验并作分析，完成了仪器的标定工作并进行了该浊度仪的性能测试与分析。　　与传统的浊度仪相比，该浊度仪具有测量方法简便，电路结构简单、功耗低等优点，且实验结果表明：该仪器灵敏度高、测量重复性好、测量精度高，有利于实际应用。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 浊度的基本概念

1.3 国内外发展历史及现状

1.3.1 国外浊度仪的现状

1.3.2 国内浊度仪的现状

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

2 测量原理及方法

2.1 测量原理

2.1.1 朗伯-比尔定律

2.1.2 水样对光的散射作用

2.2 测量方法

2.2.1 透射法

2.2.2 散射法

2.2.3 比值法

2.3 测量方法的选取

2.4 本章小结

3 浊度仪的硬件系统设计

3.1 硬件系统总体结构

3.2 测试探头整体设计

3.2.1 光源的选型

3.2.2 光电转换器的选型

3.2.3 测试探头结构设计

3.3 复位及晶振电路

3.3.1 复位电路

3.3.2 晶振电路

3.4 电源模块设计

3.5 信号获取及处理电路

3.5.1 前置信号处理电路的设计

3.5.2 I/V转换电路设计

3.5.3 放大电路的设计

3.6 E2PROM电路设计

3.7 LCD显示电路设计

3.8 JTAG电路设计

3.9 串口通信电路设计

3.10 本章小结

4 浊度仪的软件系统设计

4.1 开发环境介绍

4.2 软件系统总体流程图

4.3 初始化模块

4.4 采样与数据处理模块

4.5 标定模块

4.6 字模获取模块

4.7 人机交互界面设计

4.8 本章小结

5 实验结果和分析

5.1 浊度液的配制

5.2 测试探头的稳定性实验

5.3 浊度仪的标定实验

5.4 浊度仪的性能测试及分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢