一種手持型電化學分析儀的製作方法
2023-06-14 23:35:56
專利名稱：一種手持型電化學分析儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種環境監測儀器，特別是關於一種在野外使用，連接該類電化學傳感器，可用於現場快速水質分析的手持型(Micro Controller Unit即MCU)電化學分析儀。
背景技術：
電化學傳感器/生物傳感器是發展歷史最長，應用最為廣泛的一類傳感器。傳統的電化學分析儀，通常包括一個執行控制電極電位的恆電位儀，和一個產生擾動信號的函數發生器，以及可以測量和顯示極化電流i、極化電位E和時間t的記錄和顯示系統。在現代儀器中，恆電位儀以及放大器和其他用於控制電流和電壓的模塊，採用運算放大器實現。隨著計算機技術的發展，函數發生器通常採用計算機產生的數位訊號通過數—模轉換器轉換後輸入到恆電位儀中，得到的電流信號通過模—數轉換器傳入計算機。在這種思路下，出現了一些這樣的電化學分析儀，如美國化學儀器(CHI)公司的電化學工作站，荷蘭益科開米(Eco Chemie)公司生產的AutoLab系列電化學工作站等。近年來，隨著環境汙染控制和食品安全管理的發展，要求分析儀器可以隨身攜帶，並能在現場工作。這一需求在理論上是可以得到目前迅速發展的計算機技術(尤其是嵌入式系統)作為支撐。嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，並且軟硬體可裁剪，適用於應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬體設備、嵌入式作業系統以及用戶的應用程式等四個部分組成，用於實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。
實時嵌入式系統發展於20世紀80年代，從1981年Ready System發展了世界上第一個商業嵌入式實時內核(VRTX32)，到今天已經有近20年的歷史。目前，嵌入式系統已經在電信部門、消費電子領域得到一定程度的應用。韓國和日本的一些企業都推出了基於嵌入式林尼克思(即Linux)作業系統的手持設備。嵌入式Linux作業系統得到了相當廣泛的半導體廠商的支持和投資，如英特爾和摩託羅拉公司。並且隨著技術的進一步發展，人們普遍認為嵌入式系統將廣泛進入到社會生活的各個領域。在監測技術上，也已出現了可攜式分析儀器，例如可攜式紅外線一氧化碳分析系統。
由於電化學傳感器/生物傳感器是環境監測和食品安全領域最重要的分析技術之一，因此，需要按照當前計算機技術發展趨勢，構建新型的便攜型電化學分析儀，滿足現實檢測需求。
發明內容
本發明的目的是提供了一種基於現代精簡指令集機器(Advanced RISCMachines，簡稱ARM)和LINUX的手持型電化學分析儀。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種手持型電化學分析儀，其特徵在於它包括一殼體，所述殼體內設置有一恆電位器、一控制器，和電源，所述殼體外表面上設置有與所述控制器連接的液晶屏、按鍵及存儲卡接口；所述控制器通過接口與所述恆電位器連接；一電極，一端通過引線連接所述恆電位器，另外一端裸露在所述殼體外面。
所述恆電位器包括一電路板，所述電路板上設置有恆電位器微控制器、光藕元件、模數轉換器、數模轉換器、多個小功耗繼電器和三電極外圍運放電路，所述電極通過接插件與所述三電極外圍運放電路相連；所述恆電位器微控制器通過所述光藕元件連接所述模數轉換器和數模轉換器，所述模數轉換器將所述恆電位器微控制器發出的指令發送給所述三電極外圍運放電路，所述三電極外圍運放電路檢測的數據通過所述數模轉換器和繼電器傳遞至所述光藕元件再輸入所述恆電位器微控制器。
所述恆電位器微控制器採用C8051F系列單片機。
所述恆電位器還連接一極低壓差穩壓模塊。
所述控制器包括一主板，所述主板上設置有一微控制器，所述微控制器通過所述主板上設置的LCD接口模塊、按鍵模塊、CF卡接口模塊與所述液晶屏、按鍵及存儲卡連接，所述主板上還設置有串口模塊，以通過RS232接口與所述恆電位器連接。
所述微控制器採用ARM7系列晶片。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於採用嵌入式系統，體積小，結構簡單，操作方便，成本低；2、能獨立在野外工作；3、可快速進行電流分析。
圖1是本發明的結構示意2是本發明的結構框3是恆電位器嵌入式軟體結構4是基於uCLinux的軟體結構5是本發明用於檢測水中膽鹼含量的標準曲線圖6是本發明用於檢測水中對硫磷含量的標準曲線具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明包括一殼體1，殼體1的前面板上設置有液晶屏2、按鍵3，側面設置有CF卡接口4，殼體1內裝設有恆電位器5、控制器6、電極7和電源8。
如圖2所示，恆電位器5採用單板設計，在電路板上設置有恆電位器微控制器51，光藕元件52，模數轉換器53，數模轉換器54，多個小功耗繼電器55，和三電極外圍運放電路56。其中的微控制器51為51C8051F微控制器，光藕元件52採用TLP112或TLP521，模數轉換器53採用AD7714模數轉換器，數模轉換器54採用DAC8531數模轉換器，三電極外圍運放電路56採用基於加法控制放大器的四運放結構，電路比傳統的三運放結構增加了一級，就是在三電極中的參比電極輸入運放前增加了一級運放，提供加法電路，以保證輸入電位的穩定性。四運放輸出後的電流放大器與模數轉換器53和數模轉換器54在同一電路板上，並且通過極低壓差穩壓器57提供電源。整個系統的設計精度為0.1nA的電流。
由於恆電位器的檢測精度、抗幹擾特性受電源影響較大，而集成了數字電路和模擬電路的恆電位器需要不同電壓的電源，因此加設了極低壓差穩壓器9，把各類不同性質的電源和地線分開。
如圖2所示，控制器6是基於ARM7系列晶片為核心的嵌入式微控制器，包括一主板61，主板61上設置微控制器62。為滿足控制、顯示、數據處理的需要，主板61上還設置有LCD接口模塊63、按鍵模塊64、CF卡接口模塊65、FLASH存儲器模塊66、串口模塊和電源模塊。通過LCD接口模塊63、按鍵模塊64和CF卡接口模塊65便可連接殼體1上設置的液晶屏2、按鍵3及CF卡接口4。其中，FLASH存儲器用於存儲系統引導程序和μCLinux作業系統，而CF卡可用於存儲應用程式和數據文件。控制器6通過RS232接口連接恆電位器5，控制恆電位器5的極化電位和極化電流的採集。
電極7一端通過引線接入殼體1，再通過接插件與三電極外圍運放電路56相連；另外一端裸露在外面，通過手工滴加溶液進行檢測。
電源8採用電池，可以是乾電池或充電電池，以滿足手持式儀器輕便、可移動使用的要求。
如圖3所示，恆電位器5的程序結構軟體採用C語言編寫，首先判斷是否有數據收到，沒有則說明程序已在運行，判斷需要延時，需要則設置採樣延時、採樣時間、AD採樣頻率等參數，不需要延時則說明已延時了，接下來根據AD運行狀況進行判斷，當AD處於停止時則啟動AD，當AD處於運行狀態則開始數據轉換。然後啟動DA轉換。數據採集採集過程中先判斷是否有數據收到，進一步判斷是否為啟動命令和參數數據，答案肯定就轉到設置延時、AD、DA參數等，等待上一次數據發送完發送應答命令。如果只是啟動AD命令和參數，則設置和啟動AD，如果只是啟動DA命令和參數，則啟動DA命令和參數，如果接收到沒有預先定義的命令一律復位系統。整個程序是處在無限循環中。
如圖5所示，控制器6的軟體構建於μCLinux之上，圖形界面採用迷你圖形接口(簡稱MINIGUI)。系統上電後自動加載各個串口驅動、鍵盤驅動、CF卡驅動，初始化設置串口參數和運行整個程序主界面。主界面上有自定義的坐標圖形控制項，按鈕控制項。一個按鈕控制啟動打開串口並向下位機發送啟動和參數命令。一個按鈕是向下位機發送停止命令，一個按鈕是彈出參數設置界面。在發送啟動下位機的命令後，立即能收到下位機的應答命令和採集數據。上位機發送命令的同時也做好數據的準備。在每接收一次數據後，數據需要轉換成實際電流大小，並顯示在圖形控制項上，而且要保存到CF卡裡。
實施例1採用手持型電化學分析儀檢測水中膽鹼含量有機磷農藥殘留。
檢測方法採用絲網印刷碳電極作為檢測電極，在碳電極上滴加20μL，1mM鐵氰化鉀的磷酸鹽溶液(pH＝7)，後滴加5μL 0.5mg/mL的AChE溶液，靜置5min後，啟動手持型電化學分析儀的測試程序，檢測時間—電流曲線，設置初始電位0.25V，檢測時間20秒，無靜置時間，靈敏度5×10-8A/V。啟動檢測後，存儲並顯示20秒時的電流I0，然後滴加20μL一定濃度的乙醯膽鹼溶液，靜置5min，再次啟動手持型電化學分析儀的測試程序，參數設置同上。啟動檢測後，存儲並顯示20秒時的電流I1，並兩次檢測的電流差值I1-I0作為計算依據，從內存中調入內建的標準曲線，換算膽鹼含量，檢測的曲線如圖5所示。由於儀器靈敏度為1nA，因此，0-10mM的檢測區間內，該方法檢測膽鹼的精度約為0.17mM。
實施例2採用手持型電化學分析儀檢測水中膽鹼含量有機磷農藥殘留。
檢測方法採用絲網印刷碳電極作為檢測電極，首先在碳電極上滴加20μL，1mm鐵氰化鉀的磷酸鹽溶液(pH＝7)，後滴加5μL 0.5mg/mL的AChE溶液，5μL待測的水樣，靜置5min後，然後滴加20μL 10mM的硫代乙醯膽鹼溶液，靜置5min後，啟動手持型電化學分析儀的測試程序，檢測時間—電流曲線，存儲並顯示20秒時的電流I0，其中參數設置如下初始電位0.25V，檢測時間20秒，無靜置時間，靈敏度5×10-8A/V。此後，按照如下公式計算抑制電流和抑制率。
I＝(I0-a)/b其中，a是內建參考值，分別為a＝100，b＝50。按照上述方法，採用飲用水加標實驗的方法，測量得到對硫磷(一種有機磷農藥)劑量-效應標準曲線，如圖6所示。
權利要求
1.一種手持型電化學分析儀，其特徵在於它包括一殼體，所述殼體內設置有一恆電位器、一控制器，和電源，所述殼體外表面上設置有與所述控制器連接的液晶屏、按鍵及存儲卡接口；所述控制器通過接口與所述恆電位器連接；一電極，一端通過引線連接所述恆電位器，另外一端裸露在所述殼體外面。
2.如權利要求1所述的一種手持型電化學分析儀，其特徵在於所述恆電位器包括一電路板，所述電路板上設置有恆電位器微控制器、光藕元件、模數轉換器、數模轉換器、多個小功耗繼電器和三電極外圍運放電路，所述電極通過接插件與所述三電極外圍運放電路相連；所述恆電位器微控制器通過所述光藕元件連接所述模數轉換器和數模轉換器，所述模數轉換器將所述恆電位器微控制器發出的指令發送給所述三電極外圍運放電路，所述三電極外圍運放電路檢測的數據通過所述數模轉換器和繼電器傳遞至所述光藕元件再輸入所述恆電位器微控制器。
3.如權利要求2所述的一種手持型電化學分析儀，其特徵在於所述恆電位器微控制器採用C8051F系列單片機。
4.如權利要求1或2或3所述的一種手持型電化學分析儀，其特徵在於所述恆電位器還連接一極低壓差穩壓模塊。
5.如權利要求1所述的一種手持型電化學分析儀，其特徵在於所述控制器包括一主板，所述主板上設置有一微控制器，所述微控制器通過所述主板上設置的LCD接口模塊、按鍵模塊、CF卡接口模塊與所述液晶屏、按鍵及存儲卡連接，所述主板上還設置有串口模塊，以通過RS232接口與所述恆電位器連接。
6.如權利要求5所述的一種手持型電化學分析儀，其特徵在於所述微控制器採用ARM7系列晶片。
全文摘要
本發明涉及一種手持型電化學分析儀。該手持型電化學分析儀包括一殼體，所述殼體內設置有一恆電位器、一控制器，和電源，所述殼體外表面上設置有與所述控制器連接的液晶屏、按鍵及存儲卡接口；所述控制器通過接口與所述恆電位器連接；一電極，一端通過引線連接所述恆電位器，另外一端裸露在所述殼體外面。本發明可用於現場快速水質分析，具有體積小，結構簡單，操作方便，成本低的優點。
文檔編號H05K1/18GK1920546SQ200610113140
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月15日 優先權日2006年9月15日
發明者何苗, 蔡強, 施漢昌 申請人:清華大學