基于颜色传感器的酚酞碱度自动测量装置

黄大昌，史宝库，刘 冰，马汝东

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

0 引言

碱度是指水中能与强酸发生中和作用的物质的总量，这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等［1-2］。在工业水处理领域，碱度是衡量循环冷却水和锅炉用水质量的指标之一。水中的碱度和硬度在很大程度上决定了水中结垢倾向和腐蚀倾向，而水处理配方也是主要针对水中的碱度而配制的［3］。因此，对碱度的分析测定是水质分析中的基础项目。

碱度测量的方法主要有目视比色法、电位滴定法和分光光度法。目视比色法分析原理比较简单，但易引入人为误差。电位滴定法依靠电极电位的突跃来指示滴定终点，精确度较高，即使水体浑浊或者自带颜色也不影响滴定终点的判断［4］，但是滴定过程长，操作繁琐费时，数据处理复杂［5-6］。分光光度法是根据朗伯-比耳定律计算溶液中物质浓度，这种方法设备复杂，测量中信号灵敏度受多个环节影响，被测物质溶液颜色与测量的吸光度值之间由于光源的复色也会造成偏差。因此，本文利用颜色检测技术，设计开发了一套酚酞碱度自动测量装置。它以目视比色法原理为基础，利用TCS230传感器替代人类视觉，结合图像检测技术自动识别滴定终点，实现酚酞碱度自动测量。

1 测量装置工作原理

该装置硬件主要包括计算机、蠕动泵、图像采集与磁力搅拌器控制模块、数字图像传感器、无影稳压光源等，其结构如图1所示。

蠕动泵采用保定兰格恒流泵BQ50-1J，具有RS485通信功能，可通过上位机控制其启、停、转速、转向。图像采集和磁力搅拌器控制模块将采集颜色数据发送至上位机，并根据上位机要求控制磁力搅拌器转速;无影稳压光源是大恒图像系列背景光源，它将LED环绕在扩展板周围，高密度排列在一起，且通过特殊设计，可发出均匀稳定的光线;光线从有色溶液后面照射，为摄像头提供稳定的溶液颜色信息;暗室采用自制的不透明金属盒，以排除外界光线对溶液图像产生的干扰。

图1 碱度测量装置示意图

图2为整套测量装置的原理框图。在整套装置中，TCS230颜色传感器和单片机组成颜色采集单元;直流电动机、信号放大器、光电耦合电路和单片机组成磁力搅拌器控制单元;单片机、RS232串口以及上位机LabVIEW组成通信单元;以恒流泵为主组成的自动加药单元。首先，上位机开启恒流加药泵加药，以PIC单片机为核心的下位机采集和控制单元根据上位机的指令实时采集加药过程中待测样本的颜色，然后上位机对颜色数据进行处理、显示、保存，自动判断酚酞碱度的滴定终点。滴定过程中，上位机依据颜色的变化，发送指令至单片机以控制磁力搅拌器转速。

2 硬件结构

主要介绍颜色采集单元和磁力搅拌器控制单元。

2.1 颜色采集

图2 酚酞碱度自动测量系统原理框图

TCS230是TAOS公司推出的光电频率的转换器，它在单一芯片上集成了红绿蓝三种滤光器，把可配置的硅光二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上。当选定一个颜色滤波器时，TCS230只允许某种特定的颜色通过，阻止其他原色通过。TCS输出的信号是数字量，可以驱动标准的TTL和CMOS逻辑输入，也可以直接与微处理器或者其他逻辑电路连接。TCS230具有每个颜色通道10位以上的转换精度，且输出为数字量，所以不需要A/D转换电路，使电路变得更简单，TCS230的引脚和原理框图如图3所示。

图3 TCS230引脚封装和功能框图

2.2 磁力搅拌器控制单元

磁力搅拌器利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁性搅拌子转动。本装置利用小型直流电机驱动条形永磁体旋转，产生变化的磁场推动搅拌子转动。直流电动机的转速决定磁场的变化速度，进而决定了磁力搅拌子的转速。本单元的的核心就是用单片机实现小型直流电动机的调速控制。

单片机采用Microchip公司生产的8位单片机产品PIC16F877。芯片采用精简指令集(RISC)技术和哈佛总线结构。该单片机集成了多个外围模块，有3个定时器(TMR0、TMR1、TMR2);2个输入捕捉/输出比较/脉宽调制模块(CCP1、CCP2);10位A/D转换器;通用同步/异步收发器(USART);以及5个双向I/O端口等。

改变直流电动机的方法主要有励磁控制法和电枢电压控制法。在电枢电压控制法中，脉宽调制技术需用的大功率可控器件少，线路简单，调速范围宽，功率因数高，电流波形好，附加损失小，因此得到广泛应用［7］。CCP1模块和 CCP2模块是PIC16F877芯片的重要组成部分，它们有3种工作方式(捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式)。当处于脉宽调制工作方式时，可以在两个引脚(RC1、RC2)输出两路分辨率高达10位的PWM信号，用程序语句控制PWM信号的周期和高电平持续时间，从而控制电机电枢电压，达到调速目的。

在磁力搅拌器控制单元中，为提高系统的抗干扰性，在单片机电路和电机驱动放大电路之间用光电耦合器(TLP521)实现电气隔离。放大单片机输出信号采用集成电路L298，在其内部集成了2个H桥以及桥臂上开关管的推动电路、防止桥臂直通的控制逻辑电路。L298芯片内有两个相同的模块，可以控制两个直流电机，使用两路PWM信号对其施加调速控制。每个模块有3个控制输入端:一个使能端和两个方向控制端。3个输入端的控制电平与电机转动状态的关系如表1所示。其中H表示高电平，L表示低电平，X表示高电平或低电平。

表1 L298控制信号与直流电机转向关系表

3 实验方法

以酚酞为指示剂测量水的酚酞碱度，当pH大于8.3时，溶液呈粉红色，pH值越高，颜色越深。滴定过程中，随着pH值不断降低，粉红色的溶液其颜色逐渐变浅，最终变为无色，即在白色背景光源下，同一样本在滴加酚酞之前和达到滴定终点之后的所呈现的颜色应该是基本一致的。

在RGB颜色空间中，欧氏距离是描述颜色相似性的简单度量之一［8］。设有两个颜色值(r1，g1，b1)、(r2，g2，b2)它们的欧氏距离由下式给出:

D越小表明颜色相似性越高。加药过程中，如果磁力搅拌器搅拌速度太快，测定池中间会形成较大漩涡，影响采集到颜色值的稳定性和准确性;如果搅拌速度过慢，滴定速度太快，就会导致反应不够充分，出现较长延迟;如果滴定速度较慢，就会导致测定时间较长，仪器测量的快捷性较差。为了解决仪器准确性与快捷性之间的矛盾，本装置将蠕动泵的转速和搅拌器的速度分别设为高、中、低三档，测量过程中，根据颜色相似程度，自动进行档位之间的切换。在开始阶段，由于碱度值较高，采集到颜色值稳定性要求不高，可以快速加药，快速搅拌。在快要接近滴定终点时，慢速加药，慢速搅拌，以求获得较为准确稳定的溶液颜色值。

酚酞碱度自动测量装置的总体工作流程如图4所示。

图4 工作流程图

测量的具体步骤如下:

1)取200 mL待测样本加入测定池，采集颜色值作为参考。

2)手工加入酚酞指示剂。

3)蠕动泵转速50 r/s;滴加药品;搅拌子高速旋转;采集颜色值每秒1次，计算颜色相似性。

4)如果颜色相似性小于 25，蠕动泵转速30 r/s;搅拌子中速旋转;采集颜色值每秒1次，计算颜色相似性。

5)如果颜色相似性小于 10，蠕动泵转速10 r/s;搅拌子低速旋转;采集颜色值每秒1次，计算颜色相似性。

6)颜色相似性小于3，停止加药，停止搅拌，停止采样。

7)计算酚酞碱度，显示结果。

装置以0.05 mol/L的H+(HCl)溶液作为滴加药品，在实验之前分别标定蠕动泵高、中、低速下的滴加速度。酚酞碱度计算公式为

式中:(JD)酚酞为酚酞碱度，mmol/L;CH+为盐酸标准溶液的氢离子浓度，mol/L;V为滴定终点酸溶液消耗的体积，mL;单位V样为所取水样的体积，mL。

4 结论

本文设计了以TCS230颜色传感器检测前端的酚酞碱度自动测量装置，通过对被滴定溶液的颜色值与初始值的相似性来判断滴定终点。实践表明，该装置测量循环水酚酞碱度，方便快捷，准确度高能够取代目视比色法对工业冷却循环水酚酞碱度自动测量，提高了电厂循环水水质监测的自动化程度。

［1］郑书忠.循环冷却水水质及水处理剂标准应用指南［M］.北京:化学工业出版社，2003(10):15.

［2］王丽华，叶文红，戴万红.循环冷却水中碱度、钙和总硬快速测定法研究［J］.包钢科技，2005，31(6):25-27.

［3］刘汉波.工业循环冷却水水质分析中的硬度和碱度测定［J］.冶金动力，2005(2):62-65.

［4］周晓平.浅议基于电位分析法的煤中氟氯含量测定算法［J］.中国仪器仪表，2008(10):81-83.

［5］姚小红，张涤，柳莉.用电位滴定法测定工业用氢氧化钠中氢氧化钠和碳酸钠的含量［J］.现代科学仪器，2006(4):96-97.

［6］冯俊贤，李素娟，郄文娟，等.两点电位滴定法及其应用［J］.分析化学，2002，30(3):337-341.

［7］张红娟，李维.基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统［J］.机电工程，2005，22(2):10-12.

［8］Rafacel C.Gonzalez，Richard E.Woods.数字图像处理［M］.阮秋琦，阮宇智等译.北京:电子工业出版社，2007，263.