一种生活饮用水浑浊度检测装置的制作方法

本实用新型涉及水质检测领域，特别是一种生活饮用水浑浊度检测装置。

背景技术：

水对人类生产生活有巨大的作用，是生命之源，人类的用水安全已经关系到国民的切身利益。浊度是对水质的一种衡量准则，测量水的混浊度，可以验证饮用水的安全。浊度是表达水中不同大小和比重以及悬浮物和胶体物质、微生物等对光造成的效果的用语。国外的公共卫生协会等机构把其定义为：水的样本使光散射和吸收的光学性质的用语，浊度测量在饮用水行业和部门有着广泛的用途，浊度是确保供水质量的重要依据之一，水厂评估水质量的一部分。浑浊度表示水的物理外观，在保障人民的身体健康上有非常重要的作用。天然浑水对人体的影响一般不大，但是生活污水往往是危险的，居民饮用水应该是清澈的，不含有重金属和有害的有机物，给人以安全性和舒适性。

以前浊度测量水质检测一般采用人工取样，如用比色法测定杂质的比重和一些其他的方法来获取这些信息，这些测量常常是随机的，离散的，由比较大的误差。有些采用机械的指针显示浑浊度，体积笨重，测量方法单一，精度不够，传统的测试方法已经不能满足新的水净化流程自动化的要求。现代水净化技术和生产管理水平的提高，需要进行水质的连续测量，数据应当立即被转换为电信号，实现联网，保证水质量分析工具的准确度和精度。目前很多水厂，使用主机系统，自动控水，操作人员可以轻松工作，并能技术了解各方面的运行状态，连续的监测制造过程。然而对于中小型水厂，这种检测成本过高，如何在保证水质前提下，降低生产成本，已经成为一个迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的结构的问题，本实用新型提供一种生活饮用水浑浊度检测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种生活饮用水浑浊度检测装置，包括外壳，模拟信号采集模块，模拟信号处理模块，模数转换模块，生活饮用水浑浊度显示模块，通讯接口以及单片机，其中：

所述外壳采用黑色塑料材质，易于加工，吸收杂散光，减少了外界光线的影响，耐水防腐蚀，所述外壳表面涂敷红外透光层，外壳中间设置PCB印制电路板，下部封装引出信号线和电源线中间设置用于检测生活饮用水浑浊度的PCB印制电路板，下部封装引出信号线和电源线；

所述模拟信号采集模块包括探测头，所述探测头包括多个发光管以及一个或多个接收管，所述多个发射管分别发射红外光线，将一个或多个接收管接收到的光强度取平均值，从而消除单个红外发光管的不稳定造成的误差；

所述模拟信号处理模块包括高阻抗传感器信号调理电路、具有噪声过滤的光电探测前置放大电路以及选频电路；

所述生活饮用水浑浊度显示模块采用LED液晶显示屏；

采用单片机的串口通信接口完成数据传输以及计算机指令和数据的接收，使用MAX3232 进行单片机串口电压的转换，使其符合RS232通信协议标准。

优选的，所述发光管为三个，所述接收管为一个，所述三个发光管在不同的时间发光，从而使三个发光管互不干扰，接收管分别接收到的光强为对射光，散射光以及另外的散射光；或者所述发光管和所述接收管为两个，两个发光管对射两个接收管，每个接收管分时接收对应发光管的透射光和散射光。

优选的，所述发光管以及接收管包括含有聚焦系统的LED，所述接收管以及所述发光管的LED前分别增加一个聚焦透镜，从而增加所接收的光的强度。

优选的，所述发光管的透镜外径为5mm，所述接收管的透镜外径为6mm，所述发光管以及所述接收管通过孔轴配合工艺固定在外壳的特定槽内，为了使孔和轴之间具有一定的预紧力，本实施例采用过渡配合工艺固定。

优选的，所述发光管配置发射电路，单片机控制LED的发射电路，使其发射光强可调，在发光强度降低后自动增加PWM波的占空比。

优选的，驱动电路采用直接驱动，电路内增加电阻限流，所述电阻的阻值根据LED的额定功率计算；或者驱动电路采用在发光管两端增加一个脉冲信号从而红外发光管发射一个特定频率的红外管，采用选频器件将所得到的信号进行选频，获得有用的信号，无频率的干扰噪声被过滤，所述接收管采用光敏电阻，在一定频率红外的作用下，电阻不会突变，会产生相应的频率振荡电压，有用的振荡电压信号可以通过频率选择性电路筛选出来，再通过放大器、整流器、滤波器进行隔直、放大、整流、滤波处理就可以得到直流电压信号输出。

优选的，所述高阻抗传感器信号调理电路采用配置外部的电阻和电压使得信号满足静态工作点的要求，在接收电路两侧加入反偏电压，并在两侧并联限流电阻。

优选的，所述具有噪声过滤的光电探测前置放大电路包括两级放大器，一级放大器在使用T型电阻的情况下进行放大，另一级放大器作为跟随电路，增加驱动能力，隔离放大电路和模数转换电路，所述具有噪声过滤的光电探测前置放大电路还包括电感L2，电容C27以及供电电源，信号进入后，电感L2和电容C27对电源Vcc进行滤波之后，接入到AVcc对ADC 进行供电，滤波电容滤除电源的噪声，ADC采用的参考电压为内部AVcc，AREF外接一个电容后接地处理。

优选的，所述选频电路采用滤波器采用电感和电容串联或是并联组成，形成具有谐振频率的电路，电感为6mH，电容为3000pF，谐振频率为4kHz。

优选的，采用LM257作为电源转换芯片，所述LM257的3管脚是电压监管。

与现有技术相比，本实用新型通过实验对饮用水浑浊度的参数进行定标，试验结果在一定意义上反应了光强和浑浊度之间的现行关系，数据显示系统的稳定性比较好，出现偏差过大的情况很小，最大偏差在10％以内，测量标准液情况下，满足对浊度测量的精度要求，且成本比常规浑浊度检测装置大大降低。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本实用新型的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置结构示意图。

附图2为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置发光管和接收管第一布置方式示意图。

附图3为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置发光管和接收管第二布置方式示意图。

附图4为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置发光管和接收管光路图。

附图5为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置LED与壳体装配示意图。

附图6为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置以单片机为处理核心的硬件设计图。

附图7为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置电流转化电压电路图。

附图8为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置具有噪声过滤的光电探测前置放大电路。

附图9为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置电源LM157电路结构图。

附图10为根据本实用新型实施例的一种生活饮用水浑浊度检测装置的MAX3232外围电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本实用新型的保护范围。

参见附图1，本实用新型实施例中，一种生活饮用水浑浊度检测装置，包括外壳，模拟信号采集模块，模拟信号处理模块，模数转换模块以及生活饮用水浑浊度显示模块，其中：外壳采用黑色塑料材质，易于加工，吸收杂散光，减少了外界光线的影响，耐水防腐蚀，所述外壳表面涂敷红外透光层，外壳中间设置PCB印制电路板，下部封装引出信号线和电源线中间设置用于检测生活饮用水浑浊度的PCB印制电路板，下部封装引出信号线和电源线；模拟信号采集模块包括探测头，所述探测头包括多个发光管以及一个或多个接收管；模拟信号处理模块包括高阻抗传感器信号调理电路、具有噪声过滤的光电探测前置放大电路以及选频电路；生活饮用水浑浊度显示模块采用LED液晶显示屏。

多个发光管分别发射红外光线，将一个或多个接收管接收到的光强度取平均值，从而消除单个红外发光管的不稳定造成的误差。

参见图2,发光管为三个，接收管为一个，三个发光管在不同的时间发光，从而使三个发光管互不干扰，接收管分别接收到的光强为对射光，散射光以及另外的散射光。

然而，这种设置的接收管不稳定也会导致系统的整体不稳定，因此参见图3,发光管和所述接收管为两个，两个发光管对射两个接收管，每个接收管分时接收对应发光管的透射光和散射光，最后在数据处理时乘上定标系数，取平均值后进行数字滤波处理，获得浑浊度，从而整个系统更加稳定，误差进一步变小。

参见图4,发光管以及接收管包括含有聚焦系统的LED，所述接收管以及所述发光管的LED 前分别增加一个聚焦透镜，从而增加所接收的光的强度。

参见图5,发光管的透镜外径为5mm，接收管的透镜外径为6mm，发光管以及接收管通过孔轴配合工艺固定在外壳的特定槽内，为了使孔和轴之间具有一定的预紧力，本实施例采用过渡配合工艺固定。

参见图6，发光管配置发射电路，由于红外探测的灵敏度跟光强有关，所以发射部分做成PWM波形式，可以调节光线的发射强度，避免在长期使用过程中LED的发光强度降低之后，接收到的光强也随之降低，从而导致读出的浑浊度偏低，由于单片机的驱动能力足够，所以设计单片机控制LED的发射电路，使其发射光强可调，在发光强度降低后自动增加PWM波的占空比。主要因为在工作时，红外发射源不仅是红外管，阳光或日光灯的红外光强度比红外 LED管红外光强度高，都可以使红外接收管产生相应的电压输出，红外接收管在各种红外的作用下输出电压对应了浊度的变化，但这种变化范围很小，很难从有用的散射光信号提取，以达到测量浑浊度的目的。

参见图7，驱动电路采用直接驱动，电路内增加电阻限流，电阻的阻值根据LED的额定功率计算。驱动电路还可以采用在发光管两端增加一个脉冲信号从而红外发光管发射一个特定频率的红外管，脉冲电流峰值在相同情况下是一样的，低功率情况下传输距离更远，由于是一种调制光，采用选频器件将所得到的信号进行选频，获得有用的信号，无频率的干扰噪声被过滤。红外接收管虽然也收到很多其他红外发射源发出的红外线，导致输出包含大量噪声信号，但是接收管是一种光敏电阻，在一定频率红外的作用下，电阻不会突变，所以会产生相应的频率振荡电压，但有用的振荡电压信号可以通过频率选择性电路筛选出来，再进行隔直、放大、整流、滤波处理就可以得到直流电压信号输出。通过PWM的频率和占空比选择，可以很好的滤除外界噪声和控制发光管老化。高频阻抗传感器信号调理电路采用配置外部的电阻和电压使得信号满足静态工作点的要求，在接收电路两侧加入反偏电压，并在两侧并联限流电阻。

参见图8，具有噪声过滤的光电探测前置放大电路包括两级放大器，一级放大器在使用T 型电阻的情况下进行放大，另一级放大器作为跟随电路，增加驱动能力，隔离放大电路和模数转换电路，所述具有噪声过滤得光电探测前置放大电路还包括电感L2，电容C27以及供电电源，信号从6口进入，电感L2和电容C27对电源Vcc进行滤波之后，接入到AVcc对ADC 进行供电，提高了AVcc的稳定性，滤波电容可以把电源的噪声滤出，ADC采用的参考电压为内部AVcc，AREF外接一个电容后接地处理，改进噪声特性，进一步稳定参考电压源。电路的放大倍数参考里面的电阻进行计算，后面的一个电路起到跟随作用，前面的是一个TIA，也就是跨阻放大电路，把电流转换成了电压，同时放大了电压，其跟随作用的放大器则隔离前端电路和后面的AD转换电路，因为放大器的输出阻抗和输入阻抗的特性，使系统更稳定，如此一个放大器放大，一个跟随的放大原理可以把皮安信号放大到毫安级别，因为T型电阻不但可以改善放大器的频率特性，并且避免在放大倍数过高的情况下使用很大的电阻，大电阻的精度不是很高使用不方便。选频电路采用滤波器采用电感和电容串联或是并联组成，形成具有谐振频率的电路，电感为6mH，电容为3000pF，谐振频率为4kHz。

参见图9，采用LM257作为电源转换芯片，LM257是一种精度高、低失调电压的电压转换芯片，低静态电流为240ua，具有较低的压差和更快的瞬态响应，用于低电压驱动程序中具有较低的损耗，并且提供了充分的反过电流保护，反向输入极性，扭转载荷插入和瞬态电压。芯片上的微调调整参考电压至1％，LM257的3管脚是电压监管。

参见图10，采用单片机的串口通信接口完成数据传输以及计算机指令和数据的接收，使用MAX3232进行单片机串口电压的转换，使其符合RS232通信协议标准，MAX3232芯片低电阻，频道之间平坦，但电源工作，功耗低，楼电流低，在温度为85摄氏度情况下快速交换保证闭合，并且与TTL/CMOS逻辑兼容。

与现有技术相比，本实用新型通过实验对饮用水浑浊度的参数进行定标，试验结果在一定意义上反应了光强和浑浊度之间的现行关系，数据显示系统的稳定性比较好，出现偏差过大的情况很小，最大偏差在10％以内，测量标准液情况下，满足对浊度测量的精度要求，且成本比常规浑浊度检测装置大大降低。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本实用新型的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。