檢測河水濁度傳感器的設計

來源：http://m.ssygc.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2018-12-26

　　隨著城市的發展，水資源問題越來越成為我們關注的焦點，洞庭湖藍藻事件、造紙廠偷排污水、建筑工地偷排泥漿……這些事件無一不牽動著人們的心。

　　因為學校身處三峽濕地旁，我們曾多次發現河水被排放的建筑泥漿污染，渾濁不堪。

　　據說不良企業甚至會使用船只在夜里偷偷排放泥漿，環保部門的確難以管理。

　　通過互聯網搜索，我們發現如今的河水濁度監測設備動輒過萬，而且水質監測一般以實驗室檢測為主，但這種人工采集的形式不能實時了解水質信息，難以防范不法分子的行為。能否利用網絡，在濕地區域選擇多個無人監測點，實現實時監測河水的渾濁度?

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，甚至上萬元的傳感器探頭，要么是數十元的洗衣機、洗碗機專用的污水傳感器，如圖1所示。

洗衣機濁度傳感器

　　通過文獻查找，水質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，通過測量水樣中微粒的散射光強度來實現的。毫無疑問，洗衣機專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小，僅1～2cm，對水質濁度的變化不敏感，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，自己動手做一個濁度傳感器并不復雜。動手能力好的，可以用一個LED、光敏電阻和幾個電阻，接好線就行。簡要的電路如圖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，這個電路怎么這么眼熟，不就是在傳統的環境光傳感器上加了個LED嗎?對啊，其實，給普通的光敏電阻加上恒定的光源就是一個濁度傳感器了。如果光敏電阻的阻值發生變化，肯定是水里有微粒阻擋了光線的通過。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。

　　明白了這個道理，我們甚至不用自己畫電路、接線來制作傳感器了。找個普通的環境光傳感器，外加一個LED直射就可以了。當然，你也可以找個常見的灰度傳感器來修改，把上面的LED焊下來，把接線延長就可以了。灰度傳感器依靠光線反射而獲得物體表面的信息(如圖3)，濁度傳感器則靠光線通過來得到水樣的透光率，原理是一致的。

　　為了容易安放，我們設計了兩個相互垂直的同心圓環探頭來固定傳感器，同心環內部空心，方便鋪設光敏模塊的電路。然后實用熱熔膠和其他防水材料封閉縫隙，防止線路進水。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，一個傳感器中有兩組光源和光敏電阻，通過兩個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?我們也通過多次的實驗測試，經過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

　　在核心控制板方面，我們當然選擇Arduino。濁度傳感器通過模擬口接入到Arduino控制板。因為這個濁度傳感器設置有兩個發射和接收模塊，需要占用兩個模擬口，然后由控制板對這兩個數據進行取平均值處理，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();

　　}

　　代碼很簡單，用ArduBlock也能編寫，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，還需要將數據實時上傳到服務器，進行監測和分析。雖然Yeelink、樂聯網和DFrobot廠商等都提供了物聯網平臺，可以將傳感器數據直接上傳到這些網絡平臺，即可快速實現實時監測的目的。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，還是要自己寫個數據采集系統比較合適。于是我們用VB編寫了一個采集數據的客戶端，將數據存在數據庫中(如圖6)。此外，為了方便查詢，還寫了Web查詢界面(如圖7)。

　　● 傳感器的效果測試

　　我們制作了濁度傳感器，并且在學校周邊的水域做了水質監控的實驗。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主板及太陽能電池板等安裝在水面以上，通過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、更換其某些關鍵部件或者結構，或許就能實現其他的用途。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。“物聯天下，傳感先行。”物聯網時代，傳感器是核心應用，將滲透于未來生活的各個層面。讓學生研究傳感器的設計，當然是很有必要的。

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