一种抗干扰低浊度检测装置

技术领域

本发明涉及水质检测设备技术领域，特别是一种抗干扰、适用于低浊度检测、减小干扰因子对检测结果影响的抗干扰低浊度检测装置。

背景技术

此设计是基于流通式浊度检测方法来设计，测量原理是利用光的散射现象。当光线穿过水中的悬浮颗粒物时，会发生散射现象，使得光线的传播方向发生改变。散射光的强度与颗粒物的数量和大小相关，颗粒物越多，散射光的强度就越大。因此，通过测量散射光的强度，就可以确定水中悬浮颗粒物的浓度，从而得到浊度值。

在低浊度的测量中，由于溶液的颗粒浓度很小，这样导致光源发射的光线折射到光电二级管上的光束很少，导致原始信号值很小，浊度检测主要选择平行性较好的部分用来做光源，光源发射出的夹角较大的部分光束可能会经过多次折射，对测量结果造成影响，同时发射光源的亮度不能过大,这样也会影响器件的使用寿命。

用于检测光信号的光电二极管本身存在干扰因子，在电路点表现为在没有光的情况下也会有较小电流信号，由于在检测低浊度时本身的信号值就很小，这样就会对测量信号的影响就不能忽略。

在硬件电路上运算放大器本身就存在一定的干扰，在本电路中运算放大器的干扰因子就对信号采集造成一定的影响，主要在信号放大采集阶段，由于光电二极管检测出来的信号很小，所以就很有必要把信号进行放大后再采集，因此在把信号放大的过程中同样也把干扰因子也进行了放大，这样也导致了测量数据的准确性。

需要一种抗干扰、适用于低浊度检测、减小干扰因子对检测结果影响的抗干扰低浊度检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种一种抗干扰、适用于低浊度检测、减小干扰因子对检测结果影响的抗干扰低浊度检测装置。

一种抗干扰低浊度检测装置，其特征在于，包括：

发射LED，所述发射LED一端连接电源VCC，一端连接发射光源驱动电路，所述发射光源驱动电路连接主控制器MCU；

测试光电二极管，所述测试光电二极管和参比光电二极管分别连接信号采集电路，所述信号采集电路分别连接ADC转换器和主控制器MCU；

所述发射LED、测试光电二极管和参比光电二极管位于光电池内部，所述测试光电二极管和参比光电二极管相互平行，所述发射LED分别同测试光电二极管和参比光电二极管空间垂直。

优选的，所述发射光源驱动电路依次为电压输出电路、分压电路、电压跟随器U2、模拟开关U3、恒流源电路，所述恒流源电路连接发射LED，所述模拟开关U3连接主控制器MCU。

优选的，所述电压输出电路的电阻R1一端连接电源VCC，另一端分别连接稳压器U1的第1接口、稳压器U1的第2接口、电阻R2、电容C1，所述稳压器U1的第3接口接地，所述电容C1接地；

所述分压电路的电阻R2分别连接电阻R3、电压跟随器U2的第3接口，所述电阻R3接地；

所述电压跟随器U2的第2接口分别连接电压跟随器U2的第1接口、模拟开关U3的第1接口，所述模拟开关U3的第2接口和第3接口分别接地，所述模拟开关U3的第5接口连接电源VCC，所述模拟开关U3的第6接口连接主控制器MCU的IO1接口，所述模拟开关U3的第4接口连接电压跟随器U4的第5接口；

所述恒流源电路的电压跟随器U4的第6接口分别连接电压跟随器U4的第7接口、场效应管Q1的第1接口，所述场效应管Q1的第2接口连接发射LED，所述场效应管Q1的第3接口连接电阻R4后接地。

优选的，所述信号采集电路依次为滤波电路、采样保持电路、差分放大电路，所述差分放大电路分别连接两路放大电路和转换电路后，分别连接测试光电二极管和参比光电二极管，所述采样保持电路连接主控制器MCU。

优选的，所述测试光电二极管一端接地，一端分别连接转换电路的电阻R5、电容C2、放大器U5的第2接口，所述放大器U5的第3接口接地，所述放大器U5的第1接口、电阻R5、电容C2连接后，分别连接放大电路的电阻R6、电阻R7、放大器U6的第5接口，所述电阻R6连接电源VCC，所述电阻R7接地，所述放大器U6的第6接口分别连接电阻R8、电阻R9、电容C3，所述电阻R8接地，所述电阻R9、电容C3、放大器U6的第7接口连接后，分别连接差分放大电路的电阻R15、电阻R16，所述电阻R15接地，所述电阻R16连接放大器U9的第5接口；

所述参比光电二极管一端接地，一端分别连接转换电路的电阻R10、电容C4、放大器U7的第2接口，所述放大器U7的第3接口接地，所述放大器U7的第1接口、电阻R10、电容C4连接后，分别连接放大电路的电阻R11、电阻R12、放大器U8的第5接口，所述电阻R11连接电源VCC，所述电阻R12接地，所述放大器U8的第6接口分别连接电阻R13、电阻R14、电容C5，所述电阻R13接地，所述电阻R14、电容C5、放大器U8的第7接口分别连接差分放大电路的电阻R17；

所述电阻R17分别连接电阻R18、电容C6、放大器U9的第6接口，所述电阻R18、电容C6、放大器U9的第7接口连接后，连接采样保持电路的模拟开关U10的第6接口，所述模拟开关U10的第1接口接地，所述模拟开关U10的第3接口连接主控制器MCU的IO2接口，所述模拟开关U10的第5接口连接电源VCC，所述模拟开关U10的第2接口分别连接电容C7和地，所述模拟开关U10的第4接口分别连接电阻R19、放大器U11的第5接口，所述电阻R19连接电容C7，所述放大器U11的第6接口分别连接放大器U11的第7接口、滤波电路的电阻R20；

所述电阻R20一端连接电容C8后接地，一端连接ADC转换器。

优选的，所述测试光电二极管和参比光电二极管相同，所述测试光电二极管和参比光电二极管连接的两路放大电路和转换电路相同。

优选的，所述光电池的光电池壳体上，对应发射LED、测试光电二极管、参比光电二极管处分别设置导光孔，所述导光孔处密封设置玻璃罩，所述测试光电二极管靠近发射LED设置，所述参比光电二极管处设置遮挡的外壳。

优选的，所述发射LED处设置导光柱，所述导光柱正对发射LED的发射头，所述发射LED和测试光电二极管之间设置挡板，所述挡板不遮挡发射LED的直射光。

本发明解决在检测低浊度溶液时，由于颗粒物浓度低导致信号值小，于是很小的干扰信号也会对检测结果造成很大的影响，通过参比二极管的设置，将暗电流造成的干扰剔除，获取更准确的检测信号。

附图说明

图1是本发明的抗干扰低浊度检测装置结构示意图；

图2是本发明的控制关系图；

图3是本发明中发射光源驱动电路的流程框图；

图4是本发明中发射光源驱动电路；

图5是本发明中信号采集电路的流程框图；

图6是本发明中信号采集电路；

图中：

1-发射LED；

2-测试光电二极管；

3-参比光电二极管；

4-导光柱；

5-挡板；

6-外壳；

7-玻璃罩。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

本发明中若有方向性指示(诸如，上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解未指示或暗示其相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

一种抗干扰低浊度检测装置，包括：发射LED1，发射LED1一端连接电源VCC，一端连接发射光源驱动电路，发射光源驱动电路连接主控制器MCU；测试光电二极管2，测试光电二极管2和参比光电二极管3分别连接信号采集电路，信号采集电路分别连接ADC转换器和主控制器MCU；发射LED1、测试光电二极管2和参比光电二极管3位于光电池内部，测试光电二极管2和参比光电二极管3相互平行，发射LED1分别同测试光电二极管2和参比光电二极管3空间垂直。

发射光源驱动电路依次为电压输出电路、分压电路、电压跟随器U2、模拟开关U3、恒流源电路，恒流源电路连接发射LED1，模拟开关U3连接主控制器MCU。

电压输出电路的电阻R1一端连接电源VCC，另一端分别连接稳压器U1的第1接口、稳压器U1的第2接口、电阻R2、电容C1，稳压器U1的第3接口接地，电容C1接地；

分压电路的电阻R2分别连接电阻R3、电压跟随器U2的第3接口，电阻R3接地；

电压跟随器U2的第2接口分别连接电压跟随器U2的第1接口、模拟开关U3的第1接口，模拟开关U3的第2接口和第3接口分别接地，模拟开关U3的第5接口连接电源VCC，模拟开关U3的第6接口连接主控制器MCU的IO1接口，模拟开关U3的第4接口连接电压跟随器U4的第5接口；

恒流源电路的电压跟随器U4的第6接口分别连接电压跟随器U4的第7接口、场效应管Q1的第1接口，场效应管Q1的第2接口连接发射LED1，场效应管Q1的第3接口连接电阻R4后接地。

信号采集电路依次为滤波电路、采样保持电路、差分放大电路，差分放大电路分别连接两路放大电路和转换电路后，分别连接测试光电二极管2和参比光电二极管3，采样保持电路连接主控制器MCU。

测试光电二极管2一端接地，一端分别连接转换电路的电阻R5、电容C2、放大器U5的第2接口，放大器U5的第3接口接地，放大器U5的第1接口、电阻R5、电容C2连接后，分别连接放大电路的电阻R6、电阻R7、放大器U6的第5接口，电阻R6连接电源VCC，电阻R7接地，放大器U6的第6接口分别连接电阻R8、电阻R9、电容C3，电阻R8接地，电阻R9、电容C3、放大器U6的第7接口连接后，分别连接差分放大电路的电阻R15、电阻R16，电阻R15接地，电阻R16连接放大器U9的第5接口；

参比光电二极管3一端接地，一端分别连接转换电路的电阻R10、电容C4、放大器U7的第2接口，放大器U7的第3接口接地，放大器U7的第1接口、电阻R10、电容C4连接后，分别连接放大电路的电阻R11、电阻R12、放大器U8的第5接口，电阻R11连接电源VCC，电阻R12接地，放大器U8的第6接口分别连接电阻R13、电阻R14、电容C5，电阻R13接地，电阻R14、电容C5、放大器U8的第7接口分别连接差分放大电路的电阻R17；

电阻R17分别连接电阻R18、电容C6、放大器U9的第6接口，电阻R18、电容C6、放大器U9的第7接口连接后，连接采样保持电路的模拟开关U10的第6接口，模拟开关U10的第1接口接地，模拟开关U10的第3接口连接主控制器MCU的IO2接口，模拟开关U10的第5接口连接电源VCC，模拟开关U10的第2接口分别连接电容C7和地，模拟开关U10的第4接口分别连接电阻R19、放大器U11的第5接口，电阻R19连接电容C7，放大器U11的第6接口分别连接放大器U11的第7接口、滤波电路的电阻R20；

电阻R20一端连接电容C8后接地，一端连接ADC转换器。

测试光电二极管2和参比光电二极管3相同，测试光电二极管2和参比光电二极管3连接的两路放大电路和转换电路相同。

光电池的光电池壳体上，对应发射LED1、测试光电二极管2、参比光电二极管3处分别设置导光孔，导光孔处密封设置玻璃罩7，测试光电二极管2靠近发射LED1设置，参比光电二极管3处设置遮挡的外壳6。

发射LED1处设置导光柱4，导光柱4正对发射LED1的发射头，发射LED1和测试光电二极管2之间设置挡板5，所述挡板5不遮挡发射LED1的直射光。

检测装置：依据比尔-兰伯特定律原理，即90度散射法测量浊度设计的抗干扰低浊度检测装置。

发射LED1用于发射光，测试光电二极管2和参比光电二极管3用于接收光，测试光电二极管2和参比光电二极管3具有完全相同的参数规格。发射LED1发射光路与测试光电二极管2、参比光电二极管3的接收光路垂直，测试光电二极管2和参比光电二极管3的接收光路彼此平行。参比光电二极管3用黑色拱形的外壳6包围，即容纳在黑色拱形外壳6之内。

发射LED1水平放置，发射水平光线，测试光电二极管2和参比光电二极管3竖直放置接收垂直的光线。

发射LED1、测试光电二极管2和参比光电二极管3置于L型光电池壳体内，光电池壳体表面设有发射光的导光孔，以及与发射导光孔互相垂直的两个检测导光孔，光电池壳体内设置水平腔用于容纳发射LED1，LED1发射端口对应发射通光孔，光电池壳体内也设置两个竖直腔用于容纳测试光电二极管2和参比光电二极管3，测试光电二极管2和参比光电二极管3的检测端口对准检测导光孔。参比光电二极管3外围设置黑色拱形的外壳6。

在另一实施例中，光电池壳体内通过挡板5分隔成水流通检测腔和浊度检测腔，发射LED1、测试光电二极管2和参比光电二极管3置于浊度检测腔内，检测腔内设置有进水口和出水口。挡板5上设置有发射导光孔，以及与发射导光孔互相垂直的两个检测导光孔，光电池腔内设置水平腔用于容纳发射LED1，LED1发射端口对应发射导光孔，浊度检测腔内也设置两个竖直腔用于容纳测试光电二极管2和参比光电二极管3，测试光电二极管2和参比光电二极管3的检测端口对准检测导光孔。参比光电二极管3外围设置黑色拱形的外壳6。

发射LED1发射的光，通过待检测水，经散射由测试光电二极管2接收，而参比光电二极管3接收暗电流作为参比电流，通过扣除参比电流，获取真实可靠的数据。

发射LED1的发射端口、测试光电二极管2的检测端口、参比光电二极管3的检测端口分别密封设置有透明玻璃罩7，用于更好防止水的进入。由于在低浊度的测量中需要用到强光，为了提高LED的使用寿命和提高测量信号，在发射LED1的发射端口外设置一个导光柱4，用于加强发射出平行性较好的部分光源的导光性，从而提高测量信号的数值，在测试光电二极管2端口至导光柱4之间设置一个与测试光电二极管2平行的挡板5，用于过滤平行性不太好的部分光源，起到一个过滤作用。

浊度检测主要是靠平行性较好的光束折射后进行浊度检测。因此也起到了一个抗干扰的作用。由于光电二级管本身存在暗电流会对测量信号造成影响，因而设置了参比的光电二极管，端口外部为黑色拱形的外壳6，既可以流通水路也可以制造黑暗环境作为参比使用。

控制电路：主控制器MCU通过发射光源驱动电路驱动发射LED1发光，并将测试光电二极管2和参比光电二极管3的信号通过信号采集电路采集后接收并计算浊度。发射LED1发出光通过流通水路后被测试光电二极管2接收，与此同时，参比光电二极管3接收黑暗下暗电流。测试光电二极管2和参比光电二极管3经过同样的运算放大电路后，连接差分放大电路，并通过采样保持电路和ADC转换器后接入主控制器MCU。

发射LED1外接VCC电源，由电阻R1、发射二极管U1、电容C1组成一个精密的电压输出电路，输出电压为VREF，此电压再经电阻R2和电阻R3分压，分压后的电压为VREF(R3/(R2+R3))再连接电压跟随器U2和模拟开关U3，其通道的开关由主控制器MCU的IO1输出的高低电平来控制，后面连接电压跟随器U4、场效应管Q1、电阻R4组成的恒流源电路用于驱动发射LED1。由于发射光的强度很大，在设计中选择用脉冲信号来做发射信号，其脉冲由模拟开关U3的控制端口IO1来控制，通过开关的频率和各个时间来控制。其脉冲电流为VREF(R3/(R2+R3))/R4。

信号采集电路分为测量采集电路和参比采集电路，并分别接入差分放大电路、采样保持电路和ADC转换器后接入主控制器MCU。

测量采集和参比采集的连接的两路放大电路和转换电路相同。在测量采集上测试光电二极管2和放大器U5、电阻R5、电容C2组成一个把电流信号转换成电压信号的电路，再连接R6、R7用于把检测到的信号抬升到电路的可控范围内，可以更好的还原初始信号，再连接放大器U6、电阻R8、电阻R9、电容C3组成的同相放大电路把信号放大。参比采集的电路参数与测量采集部分相同，在参比采集的电路上测试光电二极管2和放大器U7、电阻R10、电容C4组成一个把电流信号转换成电压信号的电路，再连接R11、R12用于把检测到的信号抬升到电路的可控范围内，可以更好的还原初始信号，再连接放大器U8、电阻14、电阻R15、电容C5组成的同相放大电路把信号放大。电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C6、放大器U9组成差分放大电路用于把测量信号和参比信号做差后放大，由于光电二极管存在暗电流以及受环境影响通过差分运算可以减除这部分的影响，同时也可以减掉运算放大器本身的噪声。这样可以去掉一部分电路器件本身的误差，提高了系统的抗干扰性，同时再经过放大后可以提高单位信号的变化量的ADC值，再连接模拟开关U10、电阻R19、电容C7组成的采样保持电路，充放电过程由主控制器MCU的IO2来控制，最后连接放大器U11，电阻R20，电容C8，模数转换器U12组成ADC采集，最后和主控制器MCU通信,以SPI的通讯方式把数据传输给主控制器MCU。

为解决在检测低浊度溶液时，由于颗粒物浓度低导致信号值小，很小的干扰信号也会对检测结果造成很大的影响，为了减小干扰因子对检测结果的影响，基于以下三种问题，从传感器的结构上结合硬件电路设计上做出抗干扰性的设计。主要从传感器的模型设计以及硬件电路设计上着手，分别为传感器模型设计，发射光源电路，信号检测电路。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。