主题：【第十届原创】GDYS-101SC2水中臭氧测定仪原理及电路解析

      该仪器属于单光束光度计。光源采用520nm 高亮LED，为固定波长吸光度测量方式，不能进行波长扫描测量。适用于经臭氧消毒后的工业、生活饮用水及其水源水中臭氧的快速定量测定。剖析一台在用的仪器，为用户自己维护保养提供有关电路分析及绘制的电路图。
一、仪器外貌及技术指标
GDYS-101SC2型臭氧测定仪，放置在铝箱中，便于化验员携带到现场使用：


仪器底部，有电池仓、商标。这台仪器是长春吉大小天鹅仪器有限公司2015年12月生产的：

使用一只9V叠层电池供电：

技术指标：
测定下限：0.05mg/L
测定范围：0.00～2.50mg/L
精  度：±5％
测量方法：DPD法
光  源：520nm超高亮发光二极管
电    源：DC9V叠层电池


二、仪器测量原理
      采用KI（碘化钾）、DPD(4-氨基-N.N-二乙基苯胺) 显色法。其原理是：利用水中的臭氧能与碘化钾反应生成游离碘，在PH6.2～6.5时，DPD与游离碘反应生成红色化合物，在波长520nm处测量溶液的吸光度，其吸光度与溶液浓度成正比，从而测定水中臭氧的浓度。
      反应方程式如下：

绘出仪器工作原理框图：

仪器工作原理：根据按键指令，单片机将光源520nm LED点亮，光线通过比色槽中的比色瓶后，被光敏传感器接收并转换为频率信号，这个频率信号的频率与被测样品溶液颜色浓度成正比，送入单片机进行分析计算，其结果由液晶显示器显示出来。
仪器测量时使用的两种试剂，厂家用塑料管分装并密封好，便于简化操作，提高工作效率：



分析样品使用的10ml比色瓶：

按一下红色启动按钮，自检后，“- - - -”表示仪器处于准备状态，可以正常工作：

在比色槽空白状态下，按一下“调零”按钮，仪器进行调零并显示“0.00”：

按照操作规程准备好样品，将装有试样的比色瓶装入比色槽：

按下“浓度”按钮，仪器进行样品臭氧浓度检测（若有臭氧残留，会显示数字）：

当被样品臭氧浓度超过仪器测量范围，将显示 “X.XXc”；
当电池电压不足，将显示“Lo”，停止工作，应及时更换电池。

三、仪器拆解及电子元件功能识别
卸下底部左边两颗固定螺丝（另一边是卡口），即可打开：

仪器内部结构：

这是传感器组件：

位于光室一侧的发射光源板：

卸下光源发射板固定螺丝：

光源板只在中心安装一颗520nm高亮LED，其余未安装，看来光室采用的是通用模具或简化了电路：

这是光室另一侧，光传感器板：

卸下固定螺丝，光传感器板内部也非常简单，只有一枚光敏传感器（U1）：


      这枚光敏传感器是可编程光/频转换器，型号TSL230，是美国TAOS公司研制的智能光敏传感器，在单块芯片上集成信号调理、模数转换、跨导运放等电路，从而减少了系统设计对外围电路的需求，简化了传感器与微处理器、数字信号处理器的接口，提高了系统的可靠性。在低倍显微镜下观看，比以前的分光光度计采用的硅光电池的结构要复杂得多：

卸下两侧电路板后的光室，空空如也：

点亮LED看看，520nm是绿光范围的光谱:

这是在比色槽中的灯光情况：

电路主板，由于采用了智能光敏传感器，相当简洁。主板上有不少空位及两个空插针座，看来是简化版：

主板上，STC90C516RD+单片机是宏晶科技（STC）推出的新一代超高速/低功耗的单片机，内置分析程序，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。旁边的Xt是12MHz晶振，为单片机提供时钟基准：

CD4013BM（U2）是美国TI公司（德州仪器,Texas Instruments）的 4000 系列 CMOS 逻辑系列的双触发器和闩锁，这里只用一半（F/F 1），起到开关电源功能；下方的7250Q （U3）是TI公司的微功耗低压差（ LDO）5V稳压器，给光传感器、MCU及显示电路提供稳压电源：

蓝色元件（P1）是美国BOURNS（柏恩斯）公司的精密微调电位器（10KΩ），调节光源LED工作电流值：

卸下主板四颗固定螺丝，取下主板：

主板背面有四只微动按钮，机壳上固定的是液晶显示板：

液晶显示板上，HD44100H（U1）是日立公司的LCD显示器控制IC，旁边的HEF4093BT （U2）是四2输入端施密特触发器电路：



四、仪器电路原理分析

根据电路板，绘出仪器主板电路图（供参考）

电路工作原理：安装上9V电池后，U2处于微功耗工作状态，DC-DC电源芯片U3的控制脚（第4脚）为高电平，没有工作，无5V电压输出，整机不工作。按下电源开关按钮后，U2向U3的控制脚（第4脚）发出接通电源信号（低电平），U3工作输出5V，整机启动，自检通过后，可以开展检验工作。当按下面板上的功能键“调零”或“浓度”后，MCU接通LED约0.5秒钟（这样设计是为了避免传感器一直工作，延长寿命，节约电池），光敏传感器接受到光信号进行处理后，输出相应的频率信号，由MCU第10脚接收，并按照内置的程序进行分析后，显示出来。按下“选择”按钮，对显示的结果可以在小数点后两位或三位选择；当被样品臭氧浓度超过仪器测量范围，将显示“X.XXc”。检测完后，再按一下电源开关按钮，关机。如果MCU监测到电池电压低于要求， 将显示“Lo” 并停止工作，提示更换电池。
仪器电路关键点的参数（数字万用表实测，供检修时参考）：
      光源LED工作瞬时电流4.2mA左右（按下“浓度”按钮时）；可以通过测量R8(270欧姆)上的压降（约1.13V左右），换算得到（I=V/R），如果太小，可以调整P1，减小电阻值、增大电流。
      仪器主要工作电压为5V，给单片机、光源LED、显示板供电。可以测量稳压器（U3）1、7、8脚得到；
      光敏传感器（U1）正常工作时，LED亮灯瞬间（按下“浓度”按钮时），第6脚输出瞬时电压变化大约20mV（2.514V～2.494V），可以测量传感器排线插座的左上角插针得到。有条件，可以用示波器观察有无频率信号输出。

五、结束语
      该仪器结构比较简单、功能单一，使用9V电池供电，整机没有市电接入，经久耐用。使用1年多时间，还没有电路上的问题发生。但在使用中的注意事项较多，一些问题是没有按照使用说明书的要求操作产生的，应认真掌握使用说明书的要求，规范操作，定期校验。长期不用，将电池取出，避免跑碱漏液损坏仪器。
      近几年，智能光敏传感器的采用，使得光度计电路得以简化，精度及可靠性大大提高，这类国产仪器与进口仪器的差距缩小，性价比进一步提升，对广大用户是一件好事。
    （由于无损拆解有局限，难免没有错误，欢迎指正。）