水下低功耗浊度仪系统

当前，我国正面临着水污染加重、生态环境恶化的窘况。据新华网”报道：我国70%水体遭受污染，75%的江河、湖泊遭受水体富营养化影响。污染物的排放量远远超过水环境的容量，而水污染最直接表现之-就是水体的浑浊度。浊度仪可以检测水体的浑浊度，因此浊度仪的研制对水体环境的监测具有重要而深远的意义。

国外浊度仪发展起步早，技术也比较成熟，特别是进入20世纪90年代以后，国外的许多仪器仪表公司都推出了技术先进、性能优良的浊度仪，目前已占据了我国主要市常其主要代表有美国哈希公司生产的2100p型浊度仪 ，德 国WTW仪器公司的Turb355T/收稿日期：2012-1l-12基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)资助项目(21012R407043)作者简介：叶彦雷(1991-)，男，甘肃天水人，主要从事机械设计制造及其自动化方面的研究.E-mail：zhangqi650418###163.corn通信联系人：秦华伟，男，副教授，博士，硕士生导师.E-mail：qinhw###hdu.edu.cn第5期 叶彦雷，等：水下低功耗浊度仪系统 .575 。

355IR型便携式浊度仪，英国ABBKent公司研制的4600型浊度仪nq 。这些浊度仪测量范围在0-l 100 NTU，精度-般都在±2%，测试值分辨率在0.01 NTU，且能够长时间稳定工作，但是其价格也是相当昂贵，并且部分技术对我国是保密的。相对于国外来说，国内的研究起步较晚，其可靠性、灵敏度、稳定性相比国外同类产品也具有较大差距。国内大部分的同类产品，其测量范围在0～1 000 NTU，基本误差在 ±2.5%，测试值 分辨率在0.1 NUT左右，且-般在水下工作时间短，稳定性不高。

综上所知，国内浊度仪发展虽然取得了-定的成绩，但是与国外相比，我国浊度仪整体水平有着明显的劣势，其测量精度低，工作时间短，同时可靠性和稳定性也需要极大的提高。

基于以上原因，基于MSP430F149 单片机，本研究设计-种用于浊度测量的水下低功耗浊度仪。

1 浊度的测量原理目前，浊度探测方法有3大类：分光光度法、直接观测法、仪器观测法。其中分光光度法和直接观测法通过配比溶液进行浊度观测比对，这两种方法测量精度低，且不适合用于深海浊度检测。第3种仪器观测法按光接收方式进行分类，可以分为透射法、散射法、透射-散射法。因为散射测量法具有高灵敏度且检测方便容易，愈来愈适应于水下浊度的测量。其中散射浊度法按照入射光与反射光的夹角，分为直角散射(9O。或270。)、锐角散射(<9O。)和钝角散射(>90。) 。

本研究采用90。直角散射法作为测量原理，其测量原理图如图l所示。

图1 散射法测量原理图由丁锋尔效应(Tyndl efect)可知，散射光强与液体的浊度成正比，故本研究通过对散射光的测量就可以计算出浊度的大小，即：.I。97 r2V2 N ( 7：2 To。2-]式中： -散射光强；Io-入射光强； 每个粒子的体积；Ⅳ-单位体积内粒子数目；A-波长； 探测器与被测样品间的距离； -粒子折射率； -溶液折射率。

2 系统的总体电路设计低功耗浊度仪的系统组成如图2所示。该系统由浊度信号的检测、滤波与放大、实时时钟控制、数据信号存储、信号的通讯传输等拈组成。其工作原理是：将采集到的浊度信号经过滤波和放大后，输入到主控制器MSP430F149单片机自带的12位A/D转换模块中，从而实现模拟信号和数字信号的转换 ]。与此同时 ，主处理器将从实时时钟芯片中读取采样时间，将上述数据编码通过 SPI通讯模式储存到Flash芯片中。该系统通过控制 LTC1385芯片来达到与外计算机的 RS232通讯的目的，实现采集浊度数据的任务。

固 /圆 /图 -固 l皇 I I旦运信I囱 囱 l电源l l pr加I控制 l图2 系统总体电路设计系统的设计要求为该系统能够在水下连续工作20天以上，便携轻巧，电源供给不能使用体积过大的电池，因此，需要对系统进行低功耗设计，来降低电能的消耗，延长系统的使用时间。本研究通过硬件和软件两方面来实现对浊度仪的低功耗的设计。

2.1 硬件低功耗器件的选择在电子元器件中，同样功能的部件的低功耗差别却是非常大的，经过分析比较本研究最终选取低功耗元器件，作为系统的组成部分，如表l所示。

表1 低功耗元器件2.2 软件低功耗设计本研究所选用的浊度仪的数据采集和通信均采用中断方式，充分发挥了芯片的休眠低功耗功能。-旦到达采集时间点，MSP430单片机将被中断，从低功耗模式激发并开始工作，之后单片机发出控制电平将电源芯片打开，开始对系统供电。当完成数据采集任务光器射收散接、 7 1.1-.-I-氍 ～机 电 工 程 第3O卷后 ，开关芯片和带开关功能的数字芯片将关闭，MSP430F149将进入 LPM3低功耗模式，当处于 LMP3模式时，CPU中的 CPU、MCLK、SMCLK、DCO拈处于休眠状态，而ACLK拈处于活动状态。在浊度仪作为从机和主机进行 RS232数据传输时，该过程由主机发起，浊度仪的 USART拈直接接收来自主机的异步通信中断子程序，通过这种方法降低了功耗的同时又简化了软件流程。最后当所有中断服务子程序结束时，调用LPM3-EXIT函数，让MSP430单片机退出低功耗模式并且再次循环，进人主程序的处理中n ]。

3 水下低功耗浊度仪的机械壳体设计低功耗浊度仪系统的机械壳体主要由耐压壳体、浊度探头两部分组成。其总体结构如图3所示。

图3 浊度仪的总体封装设计压盖；2-探头镜片；3-光学测量探头；4-光敏二级管；5-. 1-发光二级管；6-圆柱筒壳体；7-MSP430主控制器；8-电池板 ；9-断面压盖；10-密封圈；1六角螺栓3.1 装置的壳体设计系统工作于水下0-6 000 m，抗压性和密封性则是在机械结构设计中最为重要的环节。为保证浊度仪能在高压环境下正常工作，本研究对浊度仪的内压腔及端部进行了抗压设计，圆柱筒壳体与两个端盖采用径向和轴向密封∏体设计标准如表2所示。

表2 壳体设计标准3.1.1 壳体壁厚计算屈服强度Or"。.：635 MPa，取n 2，则[0rs635/2317.5 MPa；抗拉强度 l 080 MPa，取 3，则trb] /n360 MPa；[0rJ>[or ]，许用应力[or[ ]317.5 MPa，焊接系数 1，壁厚M≥PD/(2[ ] -P) 6 mm，腐蚀余量为1.5 mm，加工余量为0.5 mm，断面密封l mm；壁厚设计为M8 mm；耐压壳体外径 D。D2M542×870mm。

3.1.2 端盖的设计端盖厚度ⅣD]O.31P/[o']C-18mm，取平盖外径 Dl100 mm。

3.1-3 壳体密封设计本研究在探头-端采用螺纹密封，且端面安装密封O圈。此外，在另-端采用轴向密封方式，端盖与腔体通过螺钉紧固，通过端盖上的水密接插件实现电路腔与PC机的通信。

3.2 装置的探头设计因浊度的测量采用直角散射法，笔者在设计探头光学线路时，让发光二极管与光敏二极管对称放置于浊度仪的两侧，其入射光与反射光之间的夹角成90。

(如图3所示)。选材时要求要有-定的抗压能力，且具有良好的光学性能，本研究选择有机玻璃作为浊度仪透明窗口材料。

其化学性能为：(1)透光率92.8%以上；(2)电绝缘性能良好，耐稀酸、碱、油脂；(3)软化温度大于135 oC。

4 实验室浊度标定本研究通过采用武汉沃特公司研制的WT-RCOT浊度仪对自制浊度仪进行了实验标定，wT-RCOT浊度仪的测量范围为0～2 000 NTU，测量精度为2.5%。

本研究使用高岭土配置出了19种不同浊度的标准液n ，让自制浊度仪和wT-RCOT浊度仪对标准液进行分别测量。根据标定测量数据，并绘制出了标定曲线如图4所示。通过图4可知，笔者所研制的浊度仪的线性度为0.993，测量精度为2.6%。该装置能够满足精度设计指标要求。

图4 采用wT-RCOT浊度仪标定图(下接第618页)O O O O 0 0 O O O O ∞ 加：2mf1 帮· 618 · 机 电 工 程 第30卷在实际的电力系统中，输电线路往往会受到雷电的冲击、开关的倒闸操作等多种扰动，这都会导致输电线路电流发生变化，影响到输电线路故障定位的可靠性。

所以在实际工作中，需要针对多种扰动情况进行大量的研究和分析工作，以提高输电线路故障定位的准确性。