采用C8051F060的水質(zhì)重金屬在線監(jiān)測(cè)儀的研制

摘要：針對(duì)目前水質(zhì)重金屬實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法的不足，研制了一款靈敏度高、檢出限低、性能穩(wěn)定的實(shí)時(shí)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)儀。該儀器以C8051F060作為下位機(jī)主控芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器、恒電位儀和信號(hào)采集處理，以基于WindowsCE的ARM9作為上位機(jī)完成泵閥控制和數(shù)據(jù)處理，以穩(wěn)定的BDD電極作為工作電極的三電極體系，三大部分共同構(gòu)成穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此監(jiān)測(cè)儀在測(cè)試不同濃度重金屬鉛、鉻、鎳離子溶液時(shí)得到了良好的響應(yīng)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203223.htm

關(guān)鍵詞：重金屬在線檢測(cè)；C8051F060；恒電位儀；BDD電極

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.008

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬對(duì)水質(zhì)的污染越來(lái)越嚴(yán)重，微量的重金屬就可以使人體產(chǎn)生中毒和其它危害癥狀，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)重金屬的含量成為當(dāng)務(wù)之急。光譜、質(zhì)譜、中子活化、分光光度等幾種方法在連續(xù)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方面受到很大限制，電化學(xué)伏安法[1]得到的是直接可以測(cè)量的電信號(hào)，儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。以電化學(xué)分析方法作為測(cè)試方法，開發(fā)研制低成本、高精度、實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的儀器是環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

水質(zhì)重金屬監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)及工作原理

水質(zhì)重金屬自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀包括簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器、恒電位儀[2]、弱電流采集處理部分、三電極體系、單片機(jī)系統(tǒng)及外擴(kuò)部分、泵閥的控制部分、上位機(jī)及人機(jī)界面，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該檢測(cè)儀中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓通過(guò)恒電位儀加載到三電極系統(tǒng)，使工作電極（WE）的電壓精確保持在需要的電壓上，采集對(duì)電極（CE）與工作電極（WE）回路產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)，并記錄過(guò)程中的伏安曲線，并通過(guò)上下位機(jī)記錄存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)。根據(jù)電化學(xué)溶出伏安法，曲線中峰電流的大小在一定條件下與被測(cè)離子的濃度成正比，峰電位與被測(cè)離子的種類特性有關(guān)，從而定性定量地分析出重金屬離子的種類和濃度[3]。

簡(jiǎn)單函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器有幾種實(shí)現(xiàn)方法，可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，但是功能較少，精度不高，調(diào)節(jié)方式不夠靈活，也可以利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片[5]的函數(shù)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生任意波形，但成本較高。

為了給恒電位儀提供多種類、易實(shí)現(xiàn)的電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可行、精度高、成本低的簡(jiǎn)單函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)利用C8051F060單片機(jī)的I/O口模擬SPI通信口來(lái)控制16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8831[6]，DAC根據(jù)預(yù)先輸入的D/A控制字將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，結(jié)合外部運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)單極性（0～VREF）和雙極性（-VREF～+VREF）兩種輸出模式，恒電位儀中使用有正負(fù)兩種極性的電壓，故采用雙極性輸出。

恒電位儀設(shè)計(jì)

恒電位儀就是維持參比電極與工作電極之間的電位差恒定的電子設(shè)備。把工作電極接虛地，可以防止寄生信號(hào)的干擾，從而提高了電路中電流和電壓的穩(wěn)定度和精度。這樣恒電位儀就變成了保證參比電極沒(méi)有電流流過(guò)的前提下，把參比電位加到比較器的反向輸入端，在運(yùn)放的同向輸入端加控制電壓作為基準(zhǔn)電位，運(yùn)放的輸出端接對(duì)電極形成電壓閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反向輸入端的電位隨同向輸入端的電位變化而變化，因此同向輸入端電壓恒定時(shí)，電極中電流變化時(shí)，參比電極電位相對(duì)于工作電極電位任何微小變化均將為電路的電壓負(fù)反饋所糾正，從而達(dá)到自動(dòng)恒定的目的[7]。

弱電流采集處理

檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)時(shí)序

檢測(cè)儀上下位機(jī)通過(guò)Modbus協(xié)議[10]進(jìn)行通訊，完成儀器檢測(cè)整個(gè)過(guò)程。時(shí)序流程圖如圖4所示。

提高檢測(cè)儀的檢測(cè)能力

通過(guò)軟件的編寫控制DAC芯片產(chǎn)生不同的電壓掃描波形[11]：線性、差分脈沖等波形[12]，為了提高儀器檢測(cè)重金屬離子的檢出限，采用差分脈沖電壓掃描方式消除背景電流的影響，提高監(jiān)測(cè)儀在檢測(cè)低濃度重金屬溶液的能力，差分脈沖波形如圖5所示。

在Keil軟件中編制差分脈沖掃描部分軟件如下：

void scan（uint dac_begin，uint dac_ end，uint speed，uint step，uint dac_basic）

{

adcnum0=0；

控制精度測(cè)試

通過(guò)調(diào)整電壓數(shù)字量來(lái)改變模擬輸出電壓值，使用Thurlby 1905a對(duì)系統(tǒng)電壓Vout輸出端進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)設(shè)電壓與實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

由表1分析可知，系統(tǒng)Vout輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)-4.096V～+4.096V連續(xù)變化，且實(shí)際誤差小于等于0.2%，分辨率也可達(dá)到1mV，完全滿足恒電位儀中高速掃描對(duì)線性度、穩(wěn)定度及分辨率的要求。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在0.1mol/L的鹽酸電解質(zhì)下，測(cè)試不同濃度的重金屬鉛離子溶液響應(yīng)的伏安曲線和線性度如圖6所示。

由檢測(cè)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的重金屬監(jiān)測(cè)儀測(cè)試的重金屬鉛離子溶液時(shí)有明顯的伏安曲線響應(yīng)，檢測(cè)濃度可以達(dá)到0.2ppm，實(shí)現(xiàn)了低濃度水質(zhì)重金屬的電化學(xué)方法檢測(cè)。

結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)得知，自行設(shè)計(jì)的基于C8051F060的重金屬檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)在線、價(jià)格低廉、檢測(cè)速度快、檢出限低等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)研究實(shí)時(shí)自動(dòng)在線的水質(zhì)重金屬檢測(cè)儀領(lǐng)域開辟了新路徑。

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