檢測河水濁度傳感器的設計
來(lái)源:http://thesierramadre.com/ 作者:余氯檢測儀 時(shí)間:2018-12-26
隨著(zhù)城市的發(fā)展,水資源問(wèn)題越來(lái)越成為我們關(guān)注的焦點(diǎn),洞庭湖藍藻事件、造紙廠(chǎng)偷排污水、建筑工地偷排泥漿……這些事件無(wú)一不牽動(dòng)著(zhù)人們的心。
因為學(xué)校身處三峽濕地旁,我們曾多次發(fā)現河水被排放的建筑泥漿污染,渾濁不堪。
據說(shuō)不良企業(yè)甚至會(huì )使用船只在夜里偷偷排放泥漿,環(huán)保部門(mén)的確難以管理。
通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搜索,我們發(fā)現如今的河水濁度監測設備動(dòng)輒過(guò)萬(wàn),而且水質(zhì)監測一般以實(shí)驗室檢測為主,但這種人工采集的形式不能實(shí)時(shí)了解水質(zhì)信息,難以防范不法分子的行為。能否利用網(wǎng)絡(luò ),在濕地區域選擇多個(gè)無(wú)人監測點(diǎn),實(shí)現實(shí)時(shí)監測河水的渾濁度?
投入式濁度傳感器
● 濁度傳感器的設計
要監測河水濁度,首先需要河水濁度的傳感器。在淘寶上能找到的濁度傳感器,要么是數千元,甚至上萬(wàn)元的傳感器探頭,要么是數十元的洗衣機、洗碗機專(zhuān)用的污水傳感器,如圖1所示。
洗衣機濁度傳感器
通過(guò)文獻查找,水質(zhì)濁度檢查一般都使用超聲,測量超聲信號在不同水樣中的衰減;也有利用比濁法原理,通過(guò)測量水樣中微粒的散射光強度來(lái)實(shí)現的。毫無(wú)疑問(wèn),洗衣機專(zhuān)用的濁度傳感器就是利用后面的原理。但是因為這種傳感器光源和敏感電阻的間距過(guò)小,僅1~2cm,對水質(zhì)濁度的變化不敏感,只能在洗衣機、洗碗機中檢測污水,用在河水的日常檢測就不合適了。
其實(shí),自己動(dòng)手做一個(gè)濁度傳感器并不復雜。動(dòng)手能力好的,可以用一個(gè)LED、光敏電阻和幾個(gè)電阻,接好線(xiàn)就行。簡(jiǎn)要的電路如圖2所示,核心是采用高亮LED作為光源,用光敏電阻監測光強度。電路中R1和R2形成一個(gè)分壓電路,在input端可以測出R2兩端的電壓,而這一電壓是由R2受到的光照強度決定的。
慢著(zhù),這個(gè)電路怎么這么眼熟,不就是在傳統的環(huán)境光傳感器上加了個(gè)LED嗎?對啊,其實(shí),給普通的光敏電阻加上恒定的光源就是一個(gè)濁度傳感器了。如果光敏電阻的阻值發(fā)生變化,肯定是水里有微粒阻擋了光線(xiàn)的通過(guò)。我們自己做的傳感器,好處就在于可以自定義光源和光敏電阻之間的距離,以達到最佳的檢測效果。
明白了這個(gè)道理,我們甚至不用自己畫(huà)電路、接線(xiàn)來(lái)制作傳感器了。找個(gè)普通的環(huán)境光傳感器,外加一個(gè)LED直射就可以了。當然,你也可以找個(gè)常見(jiàn)的灰度傳感器來(lái)修改,把上面的LED焊下來(lái),把接線(xiàn)延長(cháng)就可以了?;叶葌鞲衅饕揽抗饩€(xiàn)反射而獲得物體表面的信息(如圖3),濁度傳感器則靠光線(xiàn)通過(guò)來(lái)得到水樣的透光率,原理是一致的。
為了容易安放,我們設計了兩個(gè)相互垂直的同心圓環(huán)探頭來(lái)固定傳感器,同心環(huán)內部空心,方便鋪設光敏模塊的電路。然后實(shí)用熱熔膠和其他防水材料封閉縫隙,防止線(xiàn)路進(jìn)水。我們最終設計的傳感器,LED燈與光敏電阻相隔8cm。同樣,為了數據更加準確,一個(gè)傳感器中有兩組光源和光敏電阻,通過(guò)兩個(gè)方向的光敏電阻測量,取平均值,可得到較準確的數據。在圖4中,T2,T3為兩個(gè)LED放置位置,R2,R3分別為相對應的光敏接收探頭(光敏電阻),T1,R1清洗裝置的安裝位置。
LED燈與光敏電阻相隔為什么是8cm?傳感器在水里什么位置比較敏感?我們也通過(guò)多次的實(shí)驗測試,經(jīng)過(guò)統計分析得出這一結論。我們的試驗記錄表設計如下,最終確定傳感器的最佳固定位置為水下60cm左右。
● 檢測代碼的編寫(xiě)
在核心控制板方面,我們當然選擇Arduino。濁度傳感器通過(guò)模擬口接入到Arduino控制板。因為這個(gè)濁度傳感器設置有兩個(gè)發(fā)射和接收模塊,需要占用兩個(gè)模擬口,然后由控制板對這兩個(gè)數據進(jìn)行取平均值處理,測試代碼如下:
int _ABVAR_1_z1 = 0 ;
int _ABVAR_2_z2 = 0 ;
int _ABVAR_3_z = 0 ;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
_ABVAR_1_z1 = analogRead(1) ;
_ABVAR_2_z2 = analogRead(2) ;
_ABVAR_3_z = ( ( _ABVAR_1_z1 + _ABVAR_2_z2 ) / 2 ) ;
Serial.print(_ABVAR_3_z);
Serial.println();
}
代碼很簡(jiǎn)單,用ArduBlock也能編寫(xiě),參考代碼如圖5。
要監測河水濁度,傳感器設計僅僅是第一步,還需要將數據實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器,進(jìn)行監測和分析。雖然Yeelink、樂(lè )聯(lián)網(wǎng)和DFrobot廠(chǎng)商等都提供了物聯(lián)網(wǎng)平臺,可以將傳感器數據直接上傳到這些網(wǎng)絡(luò )平臺,即可快速實(shí)現實(shí)時(shí)監測的目的。但是利用這些平臺,數據畢竟在他人的平臺,如果要深入研究,還是要自己寫(xiě)個(gè)數據采集系統比較合適。于是我們用VB編寫(xiě)了一個(gè)采集數據的客戶(hù)端,將數據存在數據庫中(如圖6)。此外,為了方便查詢(xún),還寫(xiě)了Web查詢(xún)界面(如圖7)。
● 傳感器的效果測試
我們制作了濁度傳感器,并且在學(xué)校周邊的水域做了水質(zhì)監控的實(shí)驗。按照之前的研究結果,我們將濁度傳感器安裝在水下60cm處,監測設備的Arduino主板及太陽(yáng)能電池板等安裝在水面以上,通過(guò)水中木樁或其他方式固定在水面上。由于我們選擇的數傳模塊傳輸距離可達數百米,所以數據采集的電腦就安置在附近建筑物內,數據采集非常穩定。
● 知識拓展
設計一款傳感器,其實(shí)并不是一件很困難的事情。利用現有的傳感器,修改、更換其某些關(guān)鍵部件或者結構,或許就能實(shí)現其他的用途。僅僅光敏電阻能感知光照的強度這一原理,還可以用在很多方面,除了灰度、濁度檢測外,還能用在灰塵(顆粒物)檢測、轉速測量等方面。“物聯(lián)天下,傳感先行。”物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,傳感器是核心應用,將滲透于未來(lái)生活的各個(gè)層面。讓學(xué)生研究傳感器的設計,當然是很有必要的。
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