带有温度补偿的浊度变送器设计与实现

赵健ZHAO Jian；张伟新ZHANG Wei-xin；张欣ZHANG Xin

（无锡商业职业技术学院，无锡 214153）

0 引言

在环境质量问题中，水环境质量与人们的生活密切相关，尤其是水中悬浮物浓度，能够直观体现水源质量。目前，以监测浊度值来衡量水质的应用较为广泛，比如通过监测湖泊水质浊度时空变化来判断湖泊水生态环境；通过监测黄河水浊度来判断黄河上游水土流失情况；以及通过长期监测水产养殖场水体浊度研究对鱼类生长的影响等[1]。目前，很多学者开展了水质浊度监测技术的研究与应用，比如，针对浊度不同测量原理的研究[2]，针对不同应用场景下浊度仪的设计[3]，以及基于无线通信技术的浊度仪设计等。

一般的应用研究未考虑温度对浊度监测的影响，适合在理想环境中运行，当温度发生大范围变化时需要提前进行校准或重新标定，使用过程较为繁琐。针对这些问题，本文提出一种带有温度补偿的浊度变送器设计，使用热敏电阻监测待测水样温度值，通过分析固定浊度下浊度监测电压模拟量值与温度值之间的关系，分析浊度传感器的温度特性，进行温度补偿，达到抑制温度影响的效果。

1 浊度传感器的监测原理

本设计采用TSW-30 浊度传感器，该传感器基于光线通过溶液时的散射和透光率反映水的浊度。TSW-30 内壁包含一个红外线发射管和一个光敏接收管，发射管发射的光线穿过待测水样时，光线的透过量与水样的浊度成反比例关系，浊度越高透光量越少。接收管把透过的光强弱转换成对应强度的电流信号输出，透光越多电流越大，利用采样电路将TSW-30 输出的电流信号转换成电压信号，再通过单片机控制的A/D 转换器读取该电压信号，经过转换后得到所测水样的浊度值。TSW-30 可以监测0～1000NTU范围内的浊度，能够满足大多数的应用场景。

2 系统设计

2.1 系统组成

浊度变送器内部模块及其连接关系见图1。浊度变送器由电源电路、按键电路、LCD 液晶显示电路、温度传感器电路、浊度传感器电路、串口通信电路、继电器电路、电压/电流转换电路和单片机最小系统电路组成。电源电路输入12V DC，输出5V DC 和3.3V DC，为各功能模块供电；按键电路输出5 路离散量至单片机，用于变送器参数设置；LCD 显示电路通过SPI 总线与单片机通信，用于显示浊度和温度等参数；温度传感器电路输出1 路电压模拟量信号至单片机，用于采样、计算水样温度；浊度传感器输出1 路电压模拟量至单片机，用于计算浊度数值；串口通信电路连接单片机串口和上位机，用于接收上位机控制命令并输出系统参数；继电器电路受单片机输出离散量控制，用于输出报警离散量信号；电压/电流转换电路受单片机内部D/A 转换器输出量控制，转换成4～20mA 恒流源输出。

图1 浊度变送器系统组成图

2.2 硬件开发与实现

2.2.1电源电路

电源电路将系统输入12V DC 转换成5V DC 和3.3V DC，同时12V DC 为模拟电路供电，转换后的5V DC 为浊度传感器供电，3.3V DC 为数字电路供电。电源电路采用LM7805 三端稳压器将12V DC 转换成5V DC，再使用AZ1117H-3.3 电源芯片将5V DC 转换成3.3V DC，以满足整个系统的供电需求。

2.2.2按键电路

系统通过5 个按键实现控制命令的输入，5 个按键通过5 路离散量接入单片机I/O 口，分别实现“菜单”、“确定”、“取消”、“循环加”和“循环减”的功能。

2.2.3液晶显示电路

本系统使用的液晶显示模块分辨率为256×128，可实现汉字和图形的显示，采用4 线制SPI 接口与单片机连接，用于结合按键实现人机交互，可显示浊度值、温度值、变送电流值和通信状态等信息。

2.2.4温度传感器电路

温度传感器电路如图2 所示，本系统使用NTC10K 热敏电阻温度传感器测量水样温度，温度传感器与10kΩ 电阻串联分压后接入单片机内部A/D 转换器，NTC10K 测温范围-45～85℃，具有防水功能，适合本系统使用。

图2 温度传感器电路

2.2.5浊度传感器电路

浊度传感器电路如图3 所示，TSW-30 浊度传感器输出电压0～5V，经电阻R58、R59 分压后输出至滤波器，R49和C9 组成低通滤波器对浊度传感器输出电压模拟量进行滤波，截止频率为20.8Hz，用于滤除传感器信号中的工频干扰和数字电路高频噪声，再经电压跟随器增加驱动能力后接入单片机内部A/D 采样。

图3 浊度传感器电路

2.2.6串口通信电路

串口通信电路采用TD541S485H 作为RS485 隔离收发器，接收上位机的控制命令，向上位机传输浊度和温度数据，传输采用Modbus-RTU 协议。

2.2.7继电器电路

继电器电路如图4 所示，使用三极管Q1 作为开关器件，单片机输出1 路离散量控制Q1 的工作状态，输出高电平时Q1 导通，继电器线圈通电，外部报警电路接通；输出低电平时报警电路断开。

图4 继电器电路

2.2.8电压/电流转换电路

电压/电流转换电路见图5，该电路将单片机内部D/A输出的电压转换成电流输出至负载电阻。该电路由运放AR2、三极管Q2、采样电阻R56 和负载电阻R57 组成，运放AR2、电阻R52～R55 构成差分比例运算电路，使D/A 输出电压与R56 两端电压一致，从而设定输出电流值。三极管Q2 构成共射放大电路，集电极电阻R50 用于调整三极管的管压降，使三极管工作在合适的状态。

图5 电压/电流转换电路

2.2.9单片机最小系统电路

单片机最小系统电路通过单片机内部A/D 转换器采集温度、浊度2 路电压模拟量；通过内部D/A 转换器输出1 路电压模拟量设置输出电流；通过1 路UART 与上位机通信；输出1 路离散量控制继电器输出报警信号；通过5路离散量读取按键状态；通过1 路4 线SPI 控制LCD 显示浊度、温度数据。

2.3 软件开发与实现

浊度变送器软件流程图如图6 所示。系统上电后软件对系统进行初始化，初始化内容包括配置系统时钟，初始化定时器、看门狗、串口、A/D 转换器、D/A 转换器，配置输入输出管脚，初始化系统数据；读取NTC10K 采样电路输出的电压模拟量并计算出电阻值，通过查表获取水样当前温度值，读取浊度传感器采样电路输出的电压模拟量，将当前温度值和浊度电压值代入式（1）计算25℃时浊度电压值，将该电压值代入式（2）计算补偿后实际浊度值；调用按键控制子程序，如有按键输入则进入菜单设置画面；调用串口通信子程序，将浊度值、温度值发送至上位机，如果收到上位机控制命令则执行相应操作；调用显示子程序，将浊度值、温度值和输出变送电流值显示在屏幕上，同时将浊度值转换成4～20mA 电流输出，结束后开始下一采集周期。

图6 浊度变送器软件流程图

3 系统测试

系统测试水样取自城区河道水，水质中悬浮物浓度较高。在测试过程中均使用同一次取样的水样。为了研究浊度传感器输出电压的温度特性，测试时在0～80℃水温范围内选取9 个测试点，分别读取9 个测试点对应温度条件下，传感器实测电压值，数值见表1。由表1 可以看出，在相同的浊度条件下，随着温度升高采样电压呈下降趋势，经过曲线拟合可以得出温度对浊度的影响关系见式（1），式（1）中u25℃表示当前温度条件下的采样电压经温度补偿后得到25℃条件下的电压值，单位V，t 为采样温度值，单位℃，ut为温度t 条件下浊度采样电压值，单位V。

表1 不同温度条件下浊度传感器实测电压值

25℃条件下浊度值与传感器采样电压值对应关系见式（2），该公式由TSW-30 传感器手册中得出，式（2）中u25℃计算方法见式（1），Tur 为浊度值，单位NTU。

以河道水浊度监测为例，将0～80℃范围内9 个测试点的采样温度和电压值依次代入式（1），计算出温度补偿后的浊度电压值，再将该电压值代入式（2），计算出补偿后的浊度值，为对比分析，将未补偿的浊度值也计算出来，以上计算所得数据见表2，可以看出未补偿时，数据受温度影响很大，只有在20～30℃范围内的浊度值有参考价值，经温度补偿后数据趋于稳定，受温度影响较小。

表2 河道水不同温度条件下温度补偿和未补偿的浊度值对比

4 结论

为了提高水质参数中浊度监测的精度，本文设计了一种带有温度补偿的浊度变送器，通过NTC10K 热敏电阻监测待测水样温度值，通过采集TSW-30 浊度传感器输出电压获取待测水样的浊度电压值，通过分析相同浊度不同温度下浊度电压值与温度值之间的关系，得出浊度传感器的温度特性，进而得出温度补偿公式，对浊度电压值进行温度补偿后，利用浊度电压值与浊度值之间的函数关系计算出温度补偿后的浊度值。文中最后通过实验验证温度补偿能够有效抑制温度对浊度的影响，补偿后数据较为稳定。该方法原理简单，容易操作，可应用于洗衣机、洗碗机等家庭用水污染程度的监测，工业现场用水悬浮物浓度监测，也可用于环境中水源浑浊程度的监测，具有一定的实用价值和推广价值。