工业发展进步在带给人类便捷的同时也破坏着大自然环境的平衡,首当其冲的便是工业废水对人类赖以生存的水资源的污染。为解决污水问题,众多科学家随即提出了多种解决方案,但却都伴随一定的缺陷。随着技术发展,研究人员发现可以利用半导体的光催化性来降解污水,即在只消耗太阳光而不会产生其余废弃物的条件下实现净化污水。TiO2的光学特性是当前的研究热点,但纯粹的TiO2只能吸收紫外光,对阳光的利用效率仅有二十分之一,光催化效率极低。研究表明金属元素掺杂TiO2可以拓宽其吸收光谱,从而提高对可见光的利用率。为此,本课题研究了 Au掺杂TiO2的改性,并结合图像处理和FPGA技术,设计了污水检测系统。对于Au掺杂锐钛矿TiO2的性质研究,首先使用Material Studio8.0建立了Ti1-mAumO2材料计算模型,采用基于交换关联泛函理论HSE06框架下的第一性原理计算,并运用CASTEP模块进行计算。本文的主要研究内容有:1)能带间隙:从微观角度,分析光催化发生的机理,研究晶体的性质变化;2)态密度:通过分析Au掺杂锐钛矿TiO2的态密度图,研究各元素对晶体能带结构的贡献以及电子分布变化;3)晶格结构:通过分析掺杂晶格结构变化,研究锐钛矿TiO2晶体光学性质的影响;4)掺杂浓度:通过研究合适的掺杂浓度,选择合适的Au掺杂浓度,获得最佳的锐钛矿TiO2晶体光学性质。研究发现,虽然晶格结构的变化对光催化性能存在影响,但并不占主要原因;Au掺杂可以使晶体的禁带宽度减小,并且使TiO2的光吸收系数发生红移;掺杂浓度较低时明显增大了对可见光吸收的范围,而较高时不仅增大了可见光吸收范围,还增强了光吸收强度,红移现象更为明显,对提高应用于污染水光降解具有一定的指导意义。为检测污水最终处理效果,在理论上设计了一套基于FPGA的图像处理污水检测系统。利用FPGA作为主要处理器,把防水摄像头采集到的污水图像进行一系列数字化处理,根据水和污染颗粒对光不同的反射特性,运用算法处理采集到的污水图像,计算出悬浮颗粒在污水中的浓度值。然后,将计算结果报给操作者,以便控制实现污水的自动化处理。对Au掺杂TiO2光吸收特性计算分析得出,Au掺杂TiO2可以改善其光吸收谱宽度,极大提高了对光的利用效率。因而,通过掺杂Au可以提高TiO2对污水的光降解处理能力。同时为了方便实时检测污水处理效果,利用基于FPGA的图像处理方法,在不接触污水的条件下实现检测控制,为污水的处理以及检测提供了一定的参考和借鉴意义。