一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀的制作方法
【專利摘要】一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀包括微控制器模塊、恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、串口通信模塊、攪拌電機(jī)模塊、電源模塊。恒電位儀可補(bǔ)償電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中工作電極電勢(shì)的波動(dòng)，穩(wěn)定工作電極電壓；電流電壓轉(zhuǎn)換放大模塊采用兩級(jí)負(fù)反饋放大電路；控制器模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)恒電位儀的監(jiān)控，及時(shí)采集并保存工作電極上的信號(hào)。該檢測(cè)儀體積小，成本低，功耗低，性能穩(wěn)定，具有較好的精確度。
【專利說(shuō)明】一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及農(nóng)業(yè)信息獲取【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于電化學(xué)分析的土壤重金屬快速檢測(cè)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的本源所在，農(nóng)田土壤保護(hù)是保障糧食與食品安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，大量的工業(yè)廢棄物、生活污染物的排放，以及化肥農(nóng)藥過(guò)量地使用，使農(nóng)田土壤遭受到嚴(yán)重的污染。土壤中的重金屬不能被微生物降解，相反卻能在農(nóng)作物體內(nèi)富集，影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)人類健康產(chǎn)生不良影響。從農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地出發(fā)，運(yùn)用先進(jìn)、高效、適用的技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田土壤重金屬污染物含量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境的監(jiān)測(cè)和污染防治，對(duì)我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)有著重要的實(shí)際意義。
[0003]目前土壤重金屬的檢測(cè)方法主要有光譜法、電化學(xué)方法以及新興的生物檢測(cè)技術(shù)。其中，電化學(xué)分析法因其具有簡(jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前快速檢測(cè)土壤重金屬的重要方法。電化學(xué)法檢測(cè)重金屬主要包括離子選擇性電極法、極譜法和伏安法。其中伏安法因其成本低廉、操作簡(jiǎn)單、精確度高成為最常用的重金屬分析方法。其原理是在恒電位及攪拌條件下預(yù)電解土壤浸提液數(shù)分鐘后，讓溶液靜止30?60s，然后從負(fù)電位掃描到較正的電位，富集在電極上的物質(zhì)因發(fā)生氧化反應(yīng)而重新溶出。溶出過(guò)程產(chǎn)生的電流信號(hào)呈峰狀，其峰電流與土壤浸提液中重金屬離子濃度成正比。若浸提液中有多種重金屬離子共存時(shí)，富集過(guò)程按沉積電壓大小依次沉積，溶出時(shí)，先沉積的離子后析出。
[0004]目前土壤重金屬的檢測(cè)的電化學(xué)工作站價(jià)格昂貴、體積龐大，不易完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)土壤重金屬大面積快速檢測(cè)的要求。因此，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，基于陽(yáng)極溶出伏安法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤浸提液中重金屬含量的快速檢測(cè)。該檢測(cè)儀具有低成本、低功耗、體積小、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于農(nóng)田土壤重金屬的快速檢測(cè)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，設(shè)計(jì)并集成多種模塊，其操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、精確度高、體積小、成本低。
[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，包括微控制器模塊、恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、串□通信模塊、攪拌電機(jī)模塊、電源模塊。
[0007]—種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，所述檢測(cè)儀對(duì)電解池中的土壤浸提液進(jìn)行快速檢測(cè)，電解池中布置有攪拌棒、參比電極、輔助電極以及工作電極；其特征在于:
[0008]包括微控制器模塊、恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、串口通信電路、攪拌電機(jī)模塊、電源模塊；
[0009]微控制器模塊包括CPU，UART模塊，D/A模塊和A/D模塊；[0010]電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸入端與工作電極連接，輸出端與A/D模塊相連，用于將工作電極上產(chǎn)生的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)化、濾波、放大，使之變?yōu)榭杀徊杉拇箅妷盒盘?hào)；
[0011]恒電位儀模塊的控制輸入端與所述微控制器模塊中的D/A模塊相連，輸出端連接輔助電極，反饋輸入端與參比電極相連，通過(guò)溶液電阻構(gòu)成負(fù)反饋回路。用于保證參比電極無(wú)電流通過(guò)的情況下，控制參比電極與工作電極間的電勢(shì)差；
[0012]UART模塊通過(guò)串口通信電路與上位機(jī)連接，用于所述微控制器模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)指令，并向上位機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；
[0013]攪拌電機(jī)模塊與所述微控制器模塊相連，用于控制攪拌棒，對(duì)土壤浸提液進(jìn)行攪拌;
[0014]所述電源模塊分別與所述微控制器模塊、恒電位儀模塊以及電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊相連，用于為微控制器模塊提供3.3V工作電源及4.096V參考電源，為恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊提供5V、-5V工作電源。
[0015]所述微控制器模塊還包括晶振電路、復(fù)位電路、JTAG接口，優(yōu)選地，所述微控制器選用MSP430F169混合信號(hào)處理器。
[0016]所述恒電位儀在參比電極的負(fù)反饋回路中引入電壓跟隨器。
[0017]電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊包括兩級(jí)放大電路和帶有偏置電源的電壓跟隨器電路。所述兩級(jí)放大電路均包括AD8625模擬放大器構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，每級(jí)放大電路均連接有4通道的模擬多路轉(zhuǎn)換器ADG1404實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆?，工作電極與第一級(jí)放大電路中AD8625的反向輸入端連接，第一級(jí)放大電路還包括由電阻、電容構(gòu)成的低通濾波電路。
[0018]所述攪拌電機(jī)模塊采用額定電壓為5V的直流電機(jī)。
[0019]所述電源模塊包括LM7805、LM1117_3.3、MAX829及ADR292芯片，以及相應(yīng)的外圍電路。
[0020]本實(shí)用新型的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀有如下效果:
[0021]一、采用的MSP430F169混合信號(hào)處理器具有超低功耗，內(nèi)部功能模塊在待機(jī)狀態(tài)時(shí)可以關(guān)閉，同時(shí)各個(gè)輸入端口漏電流遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的總功耗。
[0022]二、采用低噪聲小功率精密參考電壓源ADR292產(chǎn)生的高精度的4.096V電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的參考電源，提高了精度。
[0023]三、將電壓跟隨器引入恒電位儀參比電極的反饋環(huán)中，使參比電極不需要承載反饋電流。
[0024]四、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊采用兩級(jí)增益可調(diào)放大電路，可根據(jù)電流信號(hào)大小選擇放大倍數(shù)，減小運(yùn)放因放大倍數(shù)過(guò)大產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，從而利于高效提取有效信號(hào)。
[0025]五、通過(guò)串口通信模塊可與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高檢測(cè)精度。
[0026]六、將所有模塊集成一體，設(shè)備整體體積減小，便于攜帶，且操作方便。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1 一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2恒電位儀模塊電路原理圖；
[0029]圖3電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)放大模塊電路原理圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。
[0031]如圖1所示，本實(shí)施例記載了一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，包括微控制器模塊、恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、串口通信模塊、攪拌電機(jī)模塊、電源模塊。
[0032]該便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀是對(duì)電解池中的土壤浸提液進(jìn)行快速檢測(cè)，電解池中布置有攪拌棒、參比電極、輔助電極以及工作電極。
[0033]微控制器模塊包括CPU，UART模塊，D/A模塊和A/D模塊，另外，微控制器模塊還包括晶振電路(圖中未示出)、復(fù)位電路以及JTAG接口。優(yōu)選地，微控制器模塊采用MSP430F169混合信號(hào)處理器。該處理器具有超低功耗，內(nèi)部功能模塊在待機(jī)狀態(tài)時(shí)可以關(guān)閉，同時(shí)各個(gè)輸入端口漏電流遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)，可降低整個(gè)系統(tǒng)的總功耗。
[0034]電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊(I/V轉(zhuǎn)換放大電路)的輸入端與工作電極連接，輸出端與A/D模塊相連，用于將工作電極上產(chǎn)生的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)化、濾波、放大，使之變?yōu)榭杀徊杉拇箅妷盒盘?hào)，其電路圖如圖3所示。該電路采用兩級(jí)放大，運(yùn)放采用高輸入阻抗的AD8625模擬放大器，兩級(jí)均采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋。每級(jí)放大電路均連接有4通道的模擬多路轉(zhuǎn)換器ADG1404，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。工作電極虛地連接，從一級(jí)運(yùn)放的反向輸入端輸入，一級(jí)放大利用RC負(fù)反饋回路進(jìn)行濾波處理。兩級(jí)放大之后的電壓信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器與偏置電壓相加，得到的AD電壓與微控制器模塊的A/D模塊相連，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，微控制器模塊中的CPU對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集。多路模擬轉(zhuǎn)換器ADG1404的控制端分別與微控制器模塊控制管腳連接，可根據(jù)需要切換放大倍數(shù)。根據(jù)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，AD電壓與MSP430F169的P65管腳連接，進(jìn)入A/D模塊中，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。多路模擬轉(zhuǎn)換器ADG1404的控制端分別與MSP430F169的P40?P45管腳連接，MSP430F169可根據(jù)需要改變P40?P45上的電位，從而改變多路模擬轉(zhuǎn)換器ADG1404放大倍數(shù)。
[0035]恒電位儀模塊的控制輸入端與所述微控制器模塊中的D/A模塊相連，輸出端連接輔助電極，反饋輸入端與參比電極相連，通過(guò)溶液電阻構(gòu)成負(fù)反饋回路。用于保證參比電極無(wú)電流通過(guò)的情況下，控制參比電極與工作電極間的電勢(shì)差。其電路如圖2所示，D/A模塊輸出電壓信號(hào)DA與偏置電壓相加后，通過(guò)運(yùn)放與輔助電極連接，并由參比電極和電壓跟隨器構(gòu)成負(fù)反饋回路。由于工作電極“虛地”連接，工作電極相對(duì)于參比電極的電壓與DA輸出電壓和偏置電壓之和相同。當(dāng)電解池中電流發(fā)生變化時(shí)，參比電極與工作電極電勢(shì)差的偏移，會(huì)通過(guò)負(fù)反饋得到補(bǔ)償，從而保持恒定。根據(jù)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，MSP430F169的DA模塊輸出電壓信號(hào)從P66管腳輸出。
[0036]所述攪拌電機(jī)模塊與所述微控制器模塊相連，用于控制攪拌棒。攪拌電機(jī)固定于電解池上蓋，連接的攪拌棒伸入土壤浸提液中，根據(jù)需要對(duì)土壤浸提液進(jìn)行攪拌。優(yōu)選地，攪拌控制信號(hào)通過(guò)繼電器控制。
[0037]UART模塊通過(guò)串口通信電路與上位機(jī)連接，用于所述微控制器模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)指令，并向上位機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。上位機(jī)可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出土壤浸提液中重金屬濃度。
[0038]所述電源模塊分別與所述微控制器模塊、所述恒電位儀模塊、所述電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊相連，用于提供5V、-5V、3.3V工作電源及高精度的4.096V參考電源。根據(jù)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，使用LM7805芯片將9V的外接電源電壓轉(zhuǎn)化為5V供電電壓；使用LM1117_3.3芯片將5V電壓降為3.3V供電電壓；使用MAX829芯片將5V電壓反轉(zhuǎn)為-5V電壓；使用ADR292芯片產(chǎn)生高精度的4.096V參考電壓，并用運(yùn)放產(chǎn)生_2.048V的偏置電壓。4.096V參考電壓從MSP430F169的PlO接入A/D和D/A模塊。
[0039]微控制器模塊電路還包括晶振電路、上電復(fù)位電路和JTAG接口。其中晶振電路包括32.768KHz的低頻晶振和8M的高頻晶振電路。
[0040]以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，所述檢測(cè)儀對(duì)電解池中的土壤浸提液進(jìn)行快速檢測(cè)，電解池中布置有攪拌棒、參比電極、輔助電極以及工作電極；其特征在于: 包括微控制器模塊、恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、串口通信電路、攪拌電機(jī)模塊、電源模塊； 微控制器模塊包括CPU，UART模塊，D/A模塊和A/D模塊； 電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸入端與工作電極連接，輸出端與A/D模塊相連，用于將工作電極上產(chǎn)生的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)化、濾波、放大，使之變?yōu)榭杀徊杉拇箅妷盒盘?hào)； 恒電位儀模塊的控制輸入端與所述微控制器模塊中的D/A模塊相連，輸出端連接輔助電極，反饋輸入端與參比電極相連，通過(guò)溶液電阻構(gòu)成負(fù)反饋回路，用于保證參比電極無(wú)電流通過(guò)的情況下，控制參比電極與工作電極間的電勢(shì)差； UART模塊通過(guò)串口通信電路與上位機(jī)連接，用于所述微控制器模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)指令，并向上位機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)； 攪拌電機(jī)模塊與所述微控制器模塊相連，用于控制攪拌棒，對(duì)土壤浸提液進(jìn)行攪拌； 所述電源模塊分別與所述微控制器模塊、恒電位儀模塊以及電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊相連，用于為微控制器模塊提供3.3V工作電源及4.096V參考電源，為恒電位儀模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊提供5V、-5V工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述微控制器模塊還包括晶振電路、復(fù)位電路、JTAG接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述微控制器為MSP430F169混合信號(hào)處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述恒電位儀在參比電極的負(fù)反饋回路中引入電壓跟隨器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，電流電壓轉(zhuǎn)換放大模塊包括兩級(jí)放大電路和帶有偏置電源的電壓跟隨器電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述兩級(jí)放大電路均包括AD8625模擬放大器構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，每級(jí)放大電路均連接有4通道的模擬多路轉(zhuǎn)換器ADG1404實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆妫ぷ麟姌O與第一級(jí)放大電路中AD8625的反向輸入端連接，第一級(jí)放大電路還包括由電阻、電容構(gòu)成的低通濾波電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述攪拌電機(jī)模塊采用額定電壓為5V的直流電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式土壤重金屬快速檢測(cè)儀，其特征在于，所述電源模塊包括芯片 LM7805、LM1117_3.3、MAX829 以及 ADR292。
【文檔編號(hào)】G01N27/416GK203732497SQ201420106352
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】劉剛, 張志豪, 王志強(qiáng), 王輝, 司永勝 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)