一种矿用高精度浊度传感器_汪学明.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 一种矿用高精度浊度传感器 汪学明 1,2 （1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015； 2.天地 （常州） 自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015） 摘要 提出了一种煤矿井下高精度浊度传感器设计方法， 重点介绍了浊度传感器的软、 硬件设 计。传感器采用进口光电二极管和高精密运放等集成电路设计， 通过 MATLAB 软件工具对测量 曲线进行拟合， 对测量数据修正补偿， 大大提高了传感器的测量精度， 减少测量误差； 传感器采 用低功耗设计， 特别是 OLED 显示技术替代传统的数码管或 LCD 液晶； 在数字接口通讯设计上 采用了抗干扰设计， 通过电磁兼容性试验测试， 非常适合在煤矿井下电磁环境复杂的场合使用。 关键词 浊度传感器； 光散射； OLED 显示； 电磁干扰； MATLAB 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 08-0124-04 A Mine High-precision Turbidity Sensor WANG Xueming1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China; 2.Tiandi（Changzhou）Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China） Abstract The design is put forward for the high-precision turbidity sensor in underground coal mine, and the software and hardware design of turbidity sensor are mainly introduced. The sensor adopts the integrated circuit design such as the imported photodiode and high-precision operational amplifier. The measurement curve is fitted by MATLAB software tool, and the measurement data is corrected and compensated, which greatly improves the measurement accuracy of the sensor and reduces the measurement error. The sensor uses the low-power design, especially the OLED display technology replaces the traditional digital tube or LCD liquid crystal. In terms of digital interface communication design, the anti-interference design is adopted, and through the EMC test, the results show that the sensor is very suitable for the complex electromagnetic environment in underground coal mine. Key words turbidity sensor; light scattering; OLED display; electromagnetic interference; MATLAB 浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程 度，是一种在用水企业生产过程中能够间接反应设 备使用情况的重要参数[1]。随着近年来煤矿自动化 水平不断提高，相继引入了井下水文监测、井下水 坝水质在线监测、 矿井水质在线监测、 井下设备/冷 却水在线监测等系统[2]， 所以亟需一种矿用水浊度 检测技术对井下用水的浊度进行检测，从而间接了 解设备的使用情况，采取不同的水处理措施，达到 提供远程监控或提高自动化管理水平的目的。 1矿用水质浊度传感器 光散射浊度检测传感器主要通过前端的硅电池 接收光强度信号，硅电池将光信号转换为微弱的电 信号，再通过后级信号放大调理电路处理，再通过 A/D 模数转换芯片进行模数转换，最后进入到内部 微处理器进行数据的运算和补偿计算，再将最后计 算的结果在液晶上进行数据显示和信号输出等。 1.1水质浊度传感器硬件 传感器硬件部分主要由 4 个部分组成，包括电 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.026 汪学明.一种矿用高精度浊度传感器 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 124-127. WANG Xueming. A Mine High-precision Turbidity Sensor ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8 ） 124-127. 移动扫码阅读 基金项目中国煤炭科工集团天地科技创新创业资金专项资助项 目 （2018- TD- QN019） 124 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3RS485 总线接口电路 Fig.3RS485 bus interface circuit 源电路模块、光强电信号采集与调理电路模块、 显 示与输出电路模块和单片机微处理器模块等。浊度 传感器硬件模块主要组成图如图 1。 1） 光源电路。红外光发射部分采用进口红外 LED 反光二极管， 波长为 860 nm， 发光二极管光强 度与驱动电流成线性关系[3]， 光强度的大小与稳定 性直接影响到接收的信号强弱，对传感器测量精度 影响较大，故设计时采用高精度恒流驱动电路， 为 保证参考电压的稳定，选用微功耗高精度电压基准 芯片 LM285-2.5V， 该芯片温漂系数为 2010-6， 大大 提高了电压基准随环境波动的稳定性，提高恒流源 精度， 减少温度对浊度测量误差的影响。 2 ） 信号调理与处理电路。光电信号接收、 放大 与调理电路如图 2。硅电池将接收的光信号转为微 弱电信号[4]， 后级对该微弱信号进行调理， 主要采用 电流 I 到电压 U 转换电路实现，由于产生的光电流 信号非常微弱， 正常在 pA 到 μA 之间， 所以要求后 级集成运放芯片具有极低的偏置电流、超低噪声、 稳定性高等特性[5]， 采用高精度运算放大器 TLV2372 芯片做为信号调理放大芯片[6]， 该运放在数据放大 过程中存在一定的漂移和误差，为了提高测量精 度， 在设计过程中设计了一补偿电容 C1， 以减少漂 移和抑制电流噪声。通过放大调理输出信号进入到 后级模数转换电路后，再进入到微处理器处理。电 路中 A/D 模数转换器采用 16 位自校准高精度模数 转换器 ADS1100，支持软件可编程最大 8 倍增益信 号放大[7]， 内部放大器将前级差分信号进行放大后， 将电压信号调理到 A/D 采集允许范围内， 通过实验 测试转换器的电压测量有效精度可达到 12 位以上。 ADS1100 芯片和微处理器采用串行 I2C 串行总线通 信， 抗干扰能力强[4]， 微处理器采集模拟电压数据后 进行数字滤波， 包括中值滤波、 平均值滤波算法等， 再对测量结果对数据进行软件补偿。 3） 显示电路。为满足煤矿井下光线较差的特殊 环境要求， 传感器采用自发光 OLED 点阵液晶屏， 设 计采用清达光电 12864 点阵液晶屏 HGS128647， 该 液晶内置 SSD1305 控制器[8]， 通过串行总线为微处 理器实现数据读写，实现简单可靠，该液晶显示屏 工作温度范围较传统普通液晶宽，工作环境温度范 围为-40～85 ℃， 由于采用了自主发光显示， 显示时 需要点亮的点阵通电， 其他部分不通电， 液晶正常显 示时功耗为 30 mA 左右， 小功耗设计非常适合煤矿 井下本质安全供电和传输的要求。 4） 通讯电路。传感器 RS485 通讯总线接口电路 采用 MAX3072 芯片设计[9]， RS485 总线接口电路如 图 3， 电路中 V7三极管电路主要是让传感器上电时 处于接收数据状态，为提高总线通信抗电磁干扰能 力， 达到煤矿传感器设计要求的 2 级电磁辐射、 2 级 脉冲群抗和直流电源与信号端口 2 级浪涌 （冲击） 抗 扰度试验， 实现接口的可靠保护， 在总线 A、 B 线上 选用 3 个 TVS 管 SMBJ17CA 实现瞬变电压抑制钳 位保护，采用共模扼流圈用于增强抑制共模干扰能 力， 放电管主要用作过压、 雷电和静电保护[10]。传感 器设计 1 路电流输出接口，设计采用专用电流输出 芯片 AD5410 集成电路设计，接口电路简单信号输 出可靠。电流信号驱动输出电路如图 4。 5） 微处理器及外围电路。传感器微处理器采用 C805lF340， 该芯片为美国 Cygna 公司混合信号系统 图 1浊度传感器硬件模块主要组成图 Fig.1Main components of turbidity sensor hardware module 图 2硅电池光信号接收转换电路 Fig.2Silicon cell optical signal receiving and converting circuit 125 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 1.2水质浊度传感器软件 浊度传感器总体软件设计框图如图 6。 水质浊度传感器软件设计主要由单片机系统的 基本参数配置、 A/D 模数转换后信号的采集、 信号的 数字滤波处理、 计算与补偿、 数据显示、 总线通讯 和报警控制等部分组成。浊度传感器上电后微处理 器首先关内部看门狗操作，初始化配置各种系统参 数， 如时钟、 输入输出口状态、 定时器和中断源， 另 外还需对液晶驱动器进行初始化设置，浊度传感器 对模数转换芯片 ADS1100 通过 I2C 串行总线读写数 据，将读取的串行总线数据进行软件滤波处理， 采 用 MATLAB 仿真计算出的公式对滤波后的数据进 行拟合，最后将得出的数据进行比较判断，如果大 于传感器内部设定报警门限值，则驱动外部蜂鸣器 报警提示，并且将运行处理的数据在 OLED 液晶屏 上显示。 级芯 SoC[11]， 采用小型贴牌 48 脚 LQFP 封装， 供电电 压范围为 2.7～3.6 V， 设计时采用 3.3 V 电源供电。 同 时，该处理器芯片集成度高， I/O 端口支持可编程调 整， 在 PCB 布线时可根据实际情况调整， 该处理器支 持在线 C2 编程调试与在线仿真， 也支持脱机下载程 序， 而且过程简单、 操作方便。 处理器内部 FLASH 集 成了掉电存储可擦写数据存储单元[12]， 为保证存储 数 据 可 靠 ， 外 围 电 路 采 用 EEPROM 存 储 芯 片 CAT24C02 （N6 ） ， 实现存储数据的双备份， 保证存储的 数据可靠与安全。微处理器及外围接口电路如图5。 图 6浊度传感器总体软件设计框图 Fig.6Overall software design diagram of turbidity sensor 图 4电流信号驱动输出电路 Fig.4Current Signal Drive Output Circuit 图 5微处理器及外围接口电路 Fig.5Microprocessor and peripheral interface circuit 126 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 汪学明 （1983） ， 安徽太湖人， 高级工程师， 硕士， 2016 年毕业于中国科学技术大学，研究方向为矿山 自动化。 （收稿日期 2019-10-12； 责任编辑 李力欣） 标准 溶液/ NTU 补偿前 2 点 法测量值及 误差/NTU 补偿后测量值 及误差/NTU HACH 浊度 仪测量值及 误差/NTU 某主流国产浊 度仪测量值及 误差/NTU 0 200 400 600 800 1 000 0 226.34 443.68 625.77 813.32 1 000.00 0 26.34 44.68 25.77 13.32 0 -1.98 200.49 408.84 593.89 794.50 1 004.27 -1.98 0.49 8.84 -6.11 -5.50 4.27 0 200.2 403.5 602.4 805.7 1 005.8 0 0.2 3.5 2.4 5.7 5.8 2.02 202.54 406.83 609.53 789.82 1 012.3 2.02 2.54 6.83 9.53 -10.18 12.30 表 1传感器浊度测量数据对比分析 Table 1Comparison and analysis of sensor turbidity measurement data 2测量数据分析与 MATLAB 曲线拟合 浊度传感器通过配置福尔马肼标准浊度溶液来 标定与验证其测量精度和误差， 在 0～1 000 NTU 范 围内配置了 6 种浓度溶液， 在测量前采用 0 NTU 和 1 000 NTU 2 种溶液对传感器进行初始化 2 点标 定，再将标定后的传感器放入其他浓度溶液中测量 数据。理想状况下光强电信号应与浊度浓度成线性 关系， 根据 2 点标定法的关系式为 yx/15.004 （x 为 光强电信号强度值； y 为浊度浓度） 。试验中发现测 量误差较大，其中最大测量误差在 400 NTU 浓度 点， 最大误差值为 44.68 NTU， 为提高测量精度， 减 少测量误差， 通过 MATLAB 软件工具对在接收的光 强信号值与标准溶液浓度值的关系曲线进行拟合， 对标液浓度对应的光强信号值数据修正补偿[13-14]， 拟合公式为 y0.000 000 641 34x20.057 443x-1.98， 浊度传感器内部处理器按照补偿关系式处理后， 再 进行试验测试验证，传感器浊度测量数据对比分析 见表 1。 根据试验结果分析，通过曲线拟合后的传感器 测量误差明显减少，可大大提高浊度测量精度， 原 400 NTU 标液最大误差点传感器的测量数据为 408.84 NTU， 与标液相比误差减少为 8.84 NTU。设 计的传感器与美国 HACH 浊度仪 TSS Portable、 某国 产品牌浊度仪进行对比试验测试，测试结果表明设 计的传感器测量精度和误差明显优于被测的国产主 流产品性能， 但和进口 HACH 等传感器相比还有一 定差距。 3结语 通过对光学浊度检测工作原理等方面分析， 设 计了一种矿井水浊度传感器，该传感器前端采用硅 光电池做为光电转换部件，采用高精度运放电路和 A/D 模数转换器设计，人机交互方面采用低功耗 OLED 液晶显示， 数字接口 RS485 总线抗干扰设计， 满足煤矿井下复杂的电磁干扰环境，在数据补偿方 面采用 MATLAB 软件工具对测量曲线进行拟合， 有 效提高了浊度测量精度。 参考文献 ［1］ 毛维东， 周如禄， 郭中权.煤矿矿井水零排放处理技术 与应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （11） 205-210. ［2］ 何飞龙.葫芦素煤矿矿井水质特征及合适的水处理技 术 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （S2） 255-258. ［3］ 王丽.散射式水下浊度测量方法的研究 ［J］ .国外电子 测量技术， 2016， 31 （9） 27-30. ［4］ 何绪文， 钱大益， 谭远斌， 等.高浊度矿井水水质特性 ［J］ .北京科技大学学报， 2008 （8） 844-847. ［5］ 王志丹， 常建华， 朱成刚， 等.新型宽量程浊度传感器 设计 ［J］ .传感器与微系统， 2016， 35 （5） 77-79. ［6］ 宋启敏， 陆明刚.散射光式浊度测量的范围和非线性 研究 ［J］ .上海大学学报 （自然科学版） ， 1997， 3 （5） 564-569. ［7］ 颜自勇， 廖文良， 王辉堂， 等.基于 ADS1100 高精度智 能测力计 ［J］ .国外电子测量技术， 2006 （6） 34-35. ［8］ 盛强.散射光式浊度仪及信号处理技术的研究 ［D］ .太 原 太原理工大学， 2007. ［9］ 兰羽， 张顺星.一种直射式光电浊度计的设计 ［J］ .国外 电子测量技术， 2013， 32 （1） 53-55. ［10］ 汪学明， 张立斌， 蒋泽， 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