專利名稱：生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，屬生物儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
·
目前，電導(dǎo)儀和pH計廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)制藥等相關(guān)成分的檢測和分析。在生物分離純化過程中，使用電導(dǎo)儀和PH計來識別已分離的生物成品是ー個必不可少的環(huán)節(jié)。國內(nèi)生物分離樣品已開始量產(chǎn)，有替代國外產(chǎn)品趨勢。但是針對生物分離式的成分檢測的相關(guān)設(shè)備還大都配備國外產(chǎn)品，如GE公司的pH計和電導(dǎo)儀、紫外分光檢測設(shè)備，具有小型、功能強(qiáng)等特點，但是價格昂貴。而國內(nèi)產(chǎn)品大都是只具有単獨的電導(dǎo)率檢測或PH檢測功能，雖然有價格優(yōu)勢，但還沒有針對生物分離純化后的檢測系統(tǒng)，無法同時測量電導(dǎo)和PH等多個參數(shù)。本研究著眼于功能更強(qiáng)大、體積更小、價格適中的用于生物分離純化過程中的電導(dǎo)PH檢測系統(tǒng)，研究是具有針對的實際意義的。本測量儀器選用低功耗、高性能、價格低的單片機(jī)作為主芯片；分別采用DJS-10鉬金電導(dǎo)電極和E-201-9 pH電極作為電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器；配備高精度的A/D轉(zhuǎn)換器和CMOS模擬通道保證了測量的靈敏度和準(zhǔn)確度；采用單總線DS18B20對溫度采樣，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計；并通過合適的軟件補(bǔ)償對測量誤差進(jìn)行修正，以提高測量精度。除此之夕卜，本儀器還增添了一些新功能，實現(xiàn)了儀器的智能化，具有良好的人機(jī)界面，可以對儀器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；同時還提供儀器與上位機(jī)通信功能，方便了上位機(jī)對測量數(shù)據(jù)管理和分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供ー種生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，通過測量電導(dǎo)率和pH值來識別生物樣品。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
ー種生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，包括激勵信號電路、pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器、PH信號放大電路及濾波電路、電導(dǎo)率信號放大電路、量程切換電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、溫度傳感器、顯示電路、按鍵電路、微控制器、電源電路、RS-232電路以及數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于所述信號激勵電路經(jīng)電導(dǎo)率傳感器和電導(dǎo)率信號放大電路后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路連接微控制器，所述PH傳感器經(jīng)過pH信號放大電路及濾波電路后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路連接微控制器，所述溫度傳感器、RS-232電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲器和顯示電路連接微控制器，所述微控制器通過量程切換電路連接所述電導(dǎo)率信號放大電路，所述電源電路為各組成提供工作電源。所述電源電路的結(jié)構(gòu)是外部輸入的士 12V的直流電壓通過三端穩(wěn)壓集成電路芯片7809、7909后，再經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片7805、7905，為內(nèi)部電路提供電源。所述電導(dǎo)率傳感器是由上海羅素科技有限公司生產(chǎn)的DJS-10E型號的鉬黑電導(dǎo)電極，該電極的ー個引腳接信號激勵信號電路中的芯片CD4051，另ー個引腳接電導(dǎo)率信號放大電路中的TL084。所述pH傳感器是由上海羅素科技有限公司生產(chǎn)的E-201-9型號的塑殼不可填充式復(fù)合電極，該電極的的兩個弓I腳接PH信號放大電路及濾波電路中的芯片INAl 16。所述激勵信號電路的結(jié)構(gòu)是 芯片MC1403產(chǎn)生IV的恒定電壓經(jīng)過雙極性運(yùn)算放大器0P07正相放大兩倍和反向放大兩倍后，接入芯片⑶4051 ;NE555型芯片產(chǎn)生頻率為2KHz的方波信號，這個方波信號控制CD4051型芯片對± 2V的恒定電壓源切換產(chǎn)生方波脈沖信號。所述量程切換電路和電導(dǎo)率信號放大電路的結(jié)構(gòu)是電導(dǎo)電極的ー個引腳接激勵信號，另ー個引腳輸出的電壓信號接入電導(dǎo)率信號放大電路。采用四選ー的模擬開關(guān)實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的量程自動切換，采用TL084實現(xiàn)對電導(dǎo)率傳感器采集到的微弱電壓信號的放大功能。經(jīng)放大后的信號再經(jīng)過ー個電壓跟隨器TL084后，再接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的 CHl通道。所述pH信號放大電路及濾波電路的結(jié)構(gòu)是pH傳感器采集到的信號被儀表放大器INAl 16放大以及經(jīng)過2200uF的大電容C29濾除エ頻干擾后，接入電壓跟隨器TL084緩沖，然后接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的CHO通道。所述模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換電路，采用MAX197實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)過電壓跟隨器TL084的兩路模擬信號分別接入MAX197的通道O和通道I轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再接入微控制器。所述RS-232電路采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)微控制器與上位機(jī)的連接，微控制器的TXD引腳和RXD引腳分別接MAX232的TlIN引腳和RlOUT，MAX232的引腳TlOUT和引腳RlIN分別接串行通信接ロ RS232的2腳和3腳。所述顯示電路采用的是IXD1602液晶顯示器，IXD1602的輸入/輸出引腳接微控制器的數(shù)據(jù)總線PO，微控制器通過控制74HC138和74HC32使能LCD1602，而且LCD1602的指令和數(shù)據(jù)的寫入或?qū)懗鲆彩峭ㄟ^微控制器進(jìn)行控制。所述數(shù)據(jù)存儲器采用的是HM62256A型存儲芯片，微控制器的PO和P2 ロ為存儲器提供地址總線，微控制器的PO ロ為存儲器提供數(shù)據(jù)總線，74HC373芯片對PO進(jìn)行地址鎖存實現(xiàn)PO的分時復(fù)用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步
本發(fā)明中激勵信號電路以交流方波激勵信號驅(qū)動電導(dǎo)率傳感器，克服了電導(dǎo)傳感器的極化現(xiàn)象；PH傳感器采集的微弱電壓信號，經(jīng)差分放大器放大并且在放大器輸出部分接入了ー個大電容，可以有效的濾除エ頻干擾；中央處理器嵌置溫度補(bǔ)償程序，補(bǔ)償了溫度變化引起的誤差，提高了測量精度及檢測的實時性；上位機(jī)電路實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通ィ目。


圖I是本發(fā)明一個實施例的生物分離純化過程中電導(dǎo)率pH檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖2是圖I系統(tǒng)框圖中系統(tǒng)電源的具體電路圖。圖3是圖I系統(tǒng)框圖中MCU的具體電路圖。圖4是圖I系統(tǒng)框圖中信號激勵電路的具體電路圖。
圖5是圖I系統(tǒng)框圖中電導(dǎo)率信號放大和量程自動切換的具體電路圖。圖6是圖I系統(tǒng)框圖中pH信號放大和濾波的具體電路圖。圖7是圖I系統(tǒng)框圖中IXD顯示的具體電路圖。圖8是圖I系統(tǒng)框圖中數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)的具體電路圖。圖9是圖I系統(tǒng)框圖中溫度測量的具體電路圖。圖10是圖I系統(tǒng)框圖中上位機(jī)的具體電路圖。圖11是圖I系統(tǒng)框圖中存儲器的具體電路圖。
具體實施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例結(jié)合附圖進(jìn)ー步敘述如下
實施例一
參見圖1，本新型生物分離純化過程中電導(dǎo)率pH檢測系統(tǒng)包括激勵信號電路(1)、ρΗ傳感器(2 )、電導(dǎo)率傳感器(3 )、pH信號放大電路及濾波電路(4)、電導(dǎo)率信號放大電路(5 )、量程切換電路(6)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(7)、溫度傳感器(12)、顯示電路(8)、按鍵電路(9)、中央處理器(10)以及電源電路(ll)，RS-232電路(13)以及數(shù)據(jù)存儲器(14)。其特征在于所述信號激勵電路(I)經(jīng)電導(dǎo)率傳感器(3)和電導(dǎo)率信號放大電路(5)后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路(7)連接微控制器(10)，所述pH傳感器(2)經(jīng)過pH信號放大電路及濾波電路(4)后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路(7)連接微控制器(10)，所述溫度傳感器(12)、RS-232電路(13)、按鍵電路
(9)、數(shù)據(jù)存儲器(14)和顯示電路(8)連接微控制器(10)，所述微控制器(10)通過量程切換電路(6 )連接所述電導(dǎo)率信號放大電路(5 )，所述電源電路(11)為各組成提供工作電源。實施例ニ
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
參見圖2，系統(tǒng)電源通過三端穩(wěn)壓集成電路芯片7809、7909將接入的土 12V直流電壓轉(zhuǎn)換成± 9V直流電壓，供系統(tǒng)內(nèi)部部分電路使用，再通過三端穩(wěn)壓芯片7805、7905將士 9V直流電壓轉(zhuǎn)換成± 5V直流電壓，同樣也是供系統(tǒng)內(nèi)部部分電路使用。參見圖3，本實例采用AT89S52作為微控制器，微控制器與系統(tǒng)其他部分管腳接ロ將在后面進(jìn)一步描述。參見圖4，為了減少極化效應(yīng)對電導(dǎo)率測量的影響，本測量儀器采用頻率2KHz幅度為± 2V的脈沖信號作為電導(dǎo)電極的激勵信號。高準(zhǔn)確度、低溫漂的帶隙基準(zhǔn)源MC1403產(chǎn)生IV基準(zhǔn)電壓，經(jīng)TL084緩沖后，再經(jīng)過0P07運(yùn)放同相放大和反向放大得土 2V的精密恒壓源，然后分別將土 2V恒壓源接入模擬開關(guān)⑶4051的XcpX1通道；NE555產(chǎn)生2KHz方波控制信號；將此方波控制信號接入⑶4051對± 2V的恒定電壓源切換，即可產(chǎn)生頻率為2KHz幅度為± 2V的脈沖信號(output)。參見圖5，電導(dǎo)電極(Jll)的一個引腳接激勵信號(output)，另ー個引腳輸出的電壓信號接入電導(dǎo)率信號放大電路。采用4選ー的模擬開關(guān)CD4052實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的量程自動切換，采用TL084實現(xiàn)對電導(dǎo)率傳感器采集到的微弱電壓信號的放大功能。經(jīng)放大后的信號再經(jīng)過ー個電壓跟隨器(TL084)后，再接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的CHl通道。參見圖到6，pH傳感器的參比電極接芯片INA116的引腳3，測量電極接INA116的引腳6。此pH傳感器采集到的微弱電壓信號經(jīng)差分放大后，經(jīng)大電容C29濾除エ頻干擾，再經(jīng)過緩沖器TL084，最后接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的CHO通道。參見圖7，顯示器采用的是IXD1602液晶顯示器，本系統(tǒng)中IXD1602的輸入/輸出引腳DBcTDB7接微控制器的PO. (ΓΡ0. 7，用于傳輸待顯示的數(shù)據(jù)，微控制器的P2. 5、P2. 6、
P2. 7分別連接譯碼器74HC138的輸入引腳A、B、C，引腳！^接四組兩輸入端或門74HC32，通
過選通W使能IXD1602。IXD1602的Vss和Vee接地，Vcc接+5V電壓，RS和麗分別接微控
制器的Pl. I和Pl. 2用于控制指令或數(shù)據(jù)的寫入和輸出。另外，IXD1602的背光電源正、負(fù)極分別接+5V和地，若背光電源正極接+5V由于電流過大而引起電源發(fā)熱，則可以將其也接地，即IXD背光不用。參見圖8，選用MAX197芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，兩路模擬信號ー電導(dǎo)率測量電壓信號(signall)和pH測量電壓信號(signal2)分別接入通道O和通道1，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成12位
的數(shù)字量，送入微處理器運(yùn)算。微控制器的PO. (ΓΡ0. 7與MAX197的D(TD7相連；SHDNB
接高電平，選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式；采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，REF、REFADJ均通過電容接地，使用內(nèi)部基準(zhǔn)方式吋，內(nèi)部經(jīng)過微調(diào)的2. 5V基準(zhǔn)通過REFADJ緩沖放大以便在REF端提供4. 096V電壓；在CLK引腳和“地”之間接上ー個IOOpF的電容，采用內(nèi)部時鐘模
式；HBEN引腳與P2. O連接；MM分別與微控制器的麗、麗連接;片選端反與譯碼器74HC138的巧連接；互牙與微控制器的P3. 3 (Wf0 )相連。參見圖9，DS18B20采用外部電源供電的方式，將DS18B20數(shù)據(jù)雙向傳輸端DQ與微處理器的一位雙向端ロ P3. 2相連，即可完成溫度的采集，由于DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和內(nèi)部存儲拷貝時，工作電流必須達(dá)到I. 5mA以上，故數(shù)據(jù)線通過了 4. 7K的上來電阻來提供電流。參見圖10，上位機(jī)電路如圖10所示，本發(fā)明儀器采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接ロ實現(xiàn)上位機(jī)和微處理器的串行通信功能，采用MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平和CMOS電平的轉(zhuǎn)換。參見圖11，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲選用的芯片是HM62256A，容量是32K，用于存儲的生物分離純化后的樣品的PH值和電導(dǎo)率值。地址總線由AT89S52的Ptl提供低8位地址AcTA7,P2 ロ提供高7為地址A8I14, PO ロ是地址總線低8位和8位數(shù)據(jù)總線復(fù)用ロ，只能分時用作地址線。所以PO ロ輸出的低8位地址AcTA7必須用鎖存器鎖存，本系統(tǒng)選用74HC373進(jìn)行地址鎖存，由AT89S52的ALE引腳輸出的控制信號進(jìn)行控制。AT89S52的M引腳和M引
腳分別接存儲器的_和^!引腳，這兩個引腳的時序由硬件自動完成。
權(quán)利要求
1.ー種生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，包括激勵信號電路(I )、pH傳感器(2 )、電導(dǎo)率傳感器(3 )、pH信號放大電路及濾波電路(4)、電導(dǎo)率信號放大電路(5 )、量程切換電路(6)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(7)、溫度傳感器(12)、顯示電路(8)、按鍵電路(9)、微控制器(10)、電源電路(11)、RS-232電路(13)以及數(shù)據(jù)存儲器(14)，其特征在于所述信號激勵電路(I)經(jīng)電導(dǎo)率傳感器(3)和電導(dǎo)率信號放大電路(5)后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路(7)連接微控制器(10)，所述pH傳感器(2)經(jīng)過pH信號放大電路及濾波電路(4)后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路(7 )連接微控制器(10 )，所述溫度傳感器(12 )、RS-232電路(13 )、按鍵電路(9 )、數(shù)據(jù)存儲器(14)和顯示電路(8)連接微控制器(10)，所述微控制器(10)通過量程切換電路(6)連接所述電導(dǎo)率信號放大電路(5 )，所述電源電路(11)為各組成提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述電源電路(11)的結(jié)構(gòu)是外部輸入的土 12V的直流電壓通過三端穩(wěn)壓集成電路芯片7809、7909 (Q8、Q9)后，再經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片7805,7905 (Q10、Q11)，為內(nèi)部電路提供電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 電導(dǎo)率傳感器(3)是由上海羅素科技有限公司生產(chǎn)的DJS-10E型號的鉬黑電導(dǎo)電極，該電極的ー個引腳接信號激勵信號電路(I)中的芯片CD4051 (U10)，另ー個引腳接電導(dǎo)率信號放大電路(5)中的TL084 (U12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和PH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述PH傳感器(2)是由上海羅素科技有限公司生產(chǎn)的E-201-9型號的塑殼不可填充式復(fù)合電極，該電極的的兩個引腳接pH信號放大電路及濾波電路(4)中的芯片INA116 (AlO)0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述激勵信號電路(I)的結(jié)構(gòu)是芯片MC1403 (U3)產(chǎn)生IV的恒定電壓經(jīng)過雙極性運(yùn)算放大器0P07正相放大兩倍和反向放大兩倍后，接入芯片CD4051 (UlO) ;NE555型芯片(U2)產(chǎn)生頻率為2KHz的方波信號，這個方波信號控制⑶4051型芯(UlO)片對± 2V的恒定電壓源切換產(chǎn)生方波脈沖信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述量程切換電路(6)和電導(dǎo)率信號放大電路(5)的結(jié)構(gòu)是電導(dǎo)電極(Jll)的一個引腳接激勵信號(output )，另ー個引腳輸出的電壓信號接入電導(dǎo)率信號放大電路； 采用4選ー的模擬開關(guān)CD4052實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的量程自動切換，采用TL084實現(xiàn)對電導(dǎo)率傳感器采集到的微弱電壓信號的放大功能； 經(jīng)放大后的信號再經(jīng)過ー個電壓跟隨器(TL084)后，再接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的CHl通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述PH信號放大電路及濾波電路(4)的結(jié)構(gòu)是pH傳感器采集到的信號被儀表放大器INAl 16(AlO)放大以及經(jīng)過2200uF的大電容C29濾除エ頻干擾后，接入電壓跟隨器TL084 (U12)緩沖，然后接入A/D轉(zhuǎn)換器MAX197 (Ul)的CHO通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換電路(7)，采用MAX197 (Ul)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)過電壓跟隨器TL084(U12)的兩路模擬信號分別接入MAX197的通道O和通道I轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再接入微控制器(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述RS-232電路(10)采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)微控制器(10)與上位機(jī)的連接，微控制器(10)的TXD引腳和RXD引腳分別接MAX232的TlIN引腳和R10UT,MAX232的引腳TlOUT和引腳RlIN分別接串行通信接口 RS232 (Jl)的2腳和3腳。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述顯示電路(8)采用的是IXD1602(J7)液晶顯示器，IXD1602的輸入/輸出引腳接微控制器(10)的數(shù)據(jù)總線PO，微控制器(10)通過控制74HC138 (U8)和74HC32 (U14)使能LCD1602，而且IXD1602的指令和數(shù)據(jù)的寫入或?qū)懗鲆彩峭ㄟ^微控制器(10)進(jìn)行控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物分離純化過程中電導(dǎo)率和PH檢測系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲器(14)采用的是HM62256A型存儲芯片，微控制器(10)的PO和P2 口為存儲器提供地址總線，微控制器(10)的PO 口為存儲器提供數(shù)據(jù)總線，74HC373芯片(U6)對PO進(jìn)行地址鎖存實現(xiàn)PO的分時復(fù)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物分離純化過程中電導(dǎo)率和pH檢測系統(tǒng)，屬生物儀器領(lǐng)域。它由電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、量程切換電路、放大電路、激勵信號電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、中央處理器、顯示電路、按鍵電路、上位機(jī)通信電路以及電源電路組成；激勵信號電路以交流方波激勵信號驅(qū)動電導(dǎo)率傳感器，克服了電導(dǎo)傳感器的極化現(xiàn)象；pH傳感器采集的微弱電壓信號，經(jīng)差分放大器放大并且在放大器輸出部分接入了一個大電容，可以有效的濾除工頻干擾；中央處理器嵌置溫度補(bǔ)償程序，補(bǔ)償了溫度變化引起的誤差，提高了測量精度及檢測的實時性；上位機(jī)電路實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信。
文檔編號G01N27/00GK102854388SQ20121033070
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者劉書朋, 盧桂云, 張洪, 何培忠 申請人:博格隆(上海)生物技術(shù)有限公司