趙金寶 馬永躍

摘要：為了提高液位定量管中液面檢測(cè)精度。設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)裝置，精確測(cè)量液面經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器的過(guò)程中，光電信號(hào)的變化特征曲線。

Abstract： In order to improve the detection accuracy of the liquid level in the liquid level quantitative tube. A set of testing device is designed to measure the change characteristic curve of the photoelectric signal when the liquid level passes the photoelectric detector.

關(guān)鍵詞： 液位定量管；水質(zhì)分析儀；光電技術(shù)

Key words： liquid level quantitative tube；water quality analyzer；photoelectric technology

中圖分類號(hào)：X851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0121-02

0 引言

定量系統(tǒng)是水質(zhì)分析儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。定量系統(tǒng)的定量精度直接影響分析儀的測(cè)量精度。目前定量系統(tǒng)采用的定量技術(shù)主要有定量環(huán)、定量泵、注射泵和液位定量管等。液位定量管主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。因此液位定量管在水質(zhì)分析儀中的應(yīng)用比較廣泛。但定量精度和對(duì)不同溶液的穩(wěn)定性一直是困擾液位定量管應(yīng)用的難題。

本文采用高精度抗干擾的紅外對(duì)管測(cè)量電路，對(duì)定量管中凹液面不同位置對(duì)紅外線透射率的影響，進(jìn)行精確測(cè)量。從凹液面的特征曲線中找出凹液面底部的特征，從而對(duì)凹液面底部進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)定量管的精確定量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光信號(hào)測(cè)量單元、液路控制單元和MPU控制單元組成。

其中的光路測(cè)量單元由一對(duì)紅外對(duì)管、信號(hào)調(diào)制與測(cè)量電路組成。紅外對(duì)管的安裝位置如圖1所示。本系統(tǒng)光學(xué)測(cè)量單元采用紅外對(duì)管，可以排除外界可見(jiàn)光干擾。紅外對(duì)管的驅(qū)動(dòng)采用高頻調(diào)制信號(hào)，可以提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

液路輸送單元由液位定量管、蠕動(dòng)泵、泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及水管組成。蠕動(dòng)泵通過(guò)水管將不同液體輸送到液位定量管。MPU控制單元，由STM32103RB微控器，RS232接口芯片和IO接口組成。控制單元通過(guò)RS232接口芯片與上位機(jī)通信，將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到PC機(jī)。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)

第一步將液體抽至紅外對(duì)管上部約1厘米處。

第二步控制水泵，使液體以0.5mm/s的速度下降，同時(shí)以1ksps的速率采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至PC機(jī)。

第三步液面低于紅外對(duì)管約1厘米時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集。

第四步重復(fù)前三步驟，采集下一組數(shù)據(jù)。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用16位ADC，串口發(fā)送采用無(wú)校驗(yàn)，一位停止位模式，如果滿足1ksps的采樣率，則串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB單片機(jī)內(nèi)置有UART串口，最高波特率可達(dá)到4.5Mbits/s[6]。在實(shí)際使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全滿足設(shè)計(jì)需求。本文重點(diǎn)介紹其他關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光源調(diào)制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用紅外對(duì)管，可以減小外界可見(jiàn)光干擾。為了進(jìn)一步減少外界背景紅外光的干擾，本系統(tǒng)對(duì)紅外二極管采用ASK調(diào)制，從而剔除背景紅外光的信號(hào)。同時(shí)為了光源的穩(wěn)定，本系統(tǒng)電路還對(duì)紅外二極管的電流采用恒流控制。實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路

由于紅外LED采用的ASK調(diào)制，信號(hào)檢測(cè)需要通過(guò)均值濾波還原紅外光信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)在電壓放大之前應(yīng)進(jìn)行工頻陷阱濾波以及低通巴特沃斯濾波，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。然后根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)放大電壓信號(hào)，此裝置選擇的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用單5V工作電源，內(nèi)部包括采樣及保持電路，通過(guò)三線式串行I/O進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度及穩(wěn)定性能較好。最終由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4為信號(hào)檢測(cè)原理框圖。

3 測(cè)試結(jié)果（如圖5 所示）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果曲線可以看出，本測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性和一致性非常好，通過(guò)判斷數(shù)據(jù)變化率，可以精準(zhǔn)判斷凹液面的位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣宗文，儲(chǔ)青，孔力.光電液位檢測(cè)技術(shù)研究[J].檢測(cè)與控制裝置，1996，23（2）：41-44.

[2]田學(xué)隆，林芳?xì)J.基于光電傳感器的液位檢測(cè)方法與裝置[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（10）：73-74.

[3]馬曉璐，黃世杰.基于PM的多功能超寬帶調(diào)制技術(shù)的研究[J].紅外與激光工程，2015，44（8）：2423-2428.

[4]王功利，劉景.紅外對(duì)管及其在測(cè)量滴流速度方面的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1996（5）：31-35.

[5]劉新紅. 一種基于包絡(luò)檢測(cè)的ASK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（6）：35-38.

[6]STM32F101xx， STM32F102xx， STM32F103xx， STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM■-based 32-bit MCUs.

[7]Tanpowpong K， Chiratthiti C. Efficacy of the ramathibodi nasal filter in a simulated human airway evaluated by a laser diode portable dust monitor under low laser smoke particle concentration[J]. Journal of the Medical Association of Thailand= Chotmaihet thangphaet， 2002， 85（2）： 195-199.

[8]Kamrani E， Lesage F， Sawan M. Low-noise， high-gain transimpedance amplifier integrated with SiAPD for low-intensity near-infrared light detection[J]. IEEE Sensors Journal， 2014， 14（1）： 258-269.

[9]Van Hoi T， Long H D， Duong B G. "High gain low noise amplifier design used for RF front end application"[C]//The 2013 IEICE International Conference on Intergrated Circuits， Design， and Verification. 2013： 243-247.

[10]鄧軍，單江東，張娜，等.大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器的研究與設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2003，24（5）：319-320.

[11]符永宏，潘國(guó)平，盛占石，等.基于 CPLD 與單片機(jī)的激光脈沖控制卡設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（5）： 561-566.

[12]Ahmed M， El-Sayed N Z， Ibrahim H. Chaos and noise control by current modulation in semiconductor lasers subject to optical feedback[J]. The European Physical Journal D， 2012， 66（5）： 1-10.

[13]HU Y， YE Y， WU Y， et al. Design of Constant Current Source of Semiconductor Laser Based on Single-chip Microcomputer[J]. Experiment Science & Technology， 2008， 1： 004.

[14]Zivojinovic P， Lescure M， Tap-Béteille H. Design and stability analysis of a CMOS feedback laser driver[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2004， 53（1）： 102-108.

[15]Waite M， Prata S， Martin D. C primer plus[M]. Sams， 1987.

[16]Prata S. C++ primer plus[M]. SAMS publishing， 2002.

[17]Jeon H K， Kim H R， Choi J M， et al. High speed serial interface for mobile LCD driver IC[C]//2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE， 2008： 157-160.