專利名稱：基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測技術領域的過氧化氫濃度檢測儀，特別是一種基于電分 析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀。
背景技術：
目前測定過氧化氫的方法主要有電分析法、分光光度法、極譜法、流動注射 法、熒光分析法和化學發光法。其中電分析法應用較廣泛。現有的電分析法是在 電解池中進行的。電解池內置有陰極、陽極和參比電極，以及含有催化劑(辣根 過氧化物酶，Horseradish Peroxidase, HRP)、苯胺類電子傳遞物質的電解液。 含過氧化氫的樣品滴入電解池以后，在催化劑作用下發生氧化還原反應，形成的 氧離子在電極之間產生電流。檢測時，需要在陰陽電極上施加強度按一定規則變 化的激勵電位，測量不同電位激勵下的電^l響應進而計算過氧化氫濃度，此即循 環伏安法。 一般而言，基于循環伏安法的儀器造價較高，使用不方便，不利于非 專業人員使用。
經對現有的技術文獻檢索后發現，中國發明專利《過氧化氫的檢測方法》(申 請號200710021821.3， 2007年10月17日公開)介紹了一種基于電分析法的過氧 化氫濃度檢測方法，其原理是在CHI660電化學工作站上，以飽和甘汞電極，鉑電 極和納米級硫化亞鐵修飾玻碳電極分別作為參比電極。測試時，對工作電極施加 初始電壓為-400mV、變化速率為100mV/s的線性變化的電壓，得到工作電極上的
電流響應，進而計算出對應的過氧化氫濃度。該方法采用三電極工作，反應在電 解池當中進行，須與PC機連接才能工作，硬件結構較復雜、成本也較高，不便于 現場檢測。該發明采用的是循環伏安法原理。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于電分析法的便攜式過 氧化氫濃度檢測儀，是基于恒定電位激勵的、以試紙條為檢測單元的全自動過氧 化氫濃度檢測儀，該儀器能夠定量測定一定范圍內的過氧化氫濃度，同時具有歷
史數據存儲管理、數據上傳、數據回溯和在線校準功能。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括單片計算機、存儲器、時 鐘管理器、液晶顯示器、運算放大器、模數轉換器、電源管理器、反應測試信號 端口、按鍵模塊及串口通訊模塊。連接關系為電池通過電源管理器為反應測試 信號端口提供恒定電位激勵，反應測試信號端口經運算放大器與模數轉換器相 連，模數轉換器的三個I/0引腳——串行時鐘輸入引腳CLK、串行數據輸出引腳
Dout和片選端引腳CS分別與單片計算機中的三個I/0口ADCLK、ADDout、ADCS相違， 用SPI協議通訊，液晶顯示器的五個I/0引腳——片選端引腳CS、數據/命令選擇 引腳D/C、串行數據引腳SD0、復位引腳RST和串行時鐘輸入引腳SCK分別與單片計 算機中的五個I/0口LCDCS、 LCDDC、 LCDSDO、 LCDRST、 LCDSCK相連，存儲器的寫 保護引腳WP接地，使存儲器始終處于可讀寫狀態，存儲器的串行時鐘引腳SCL和 串行敷據引腳SDA分別與單片計算機的兩個I/0口EESCL、 EESDA相連，時鐘管理器 的三個I/0引腳——串行時鐘瑜入引腳SCLK、輸入/輸出引腳I/0和復位引腳RESET 分別與單片計算機的三個I/0口CSCLK、 CIO、 CRESET相連，按鍵模塊與單片計算 機的I/0口BUTTON相連，串口通訊模塊與單片計算機的I/0口的發送數據引腳TxD、 接收數據引腳RxD相連，其中
所述電源管理器分三部分， 一部分是9V輸入5V輸出，另一部分轉換為5V輸入 3.3V輸出，這兩部分主要為各個芯片提供電源。對于工作電壓范圍比較寬的器件， 采用3.3V的低壓供電可以使該器件的功耗降低近一半，以實現儀器的低功耗。最 后一部分是通過穩壓二極管與電阻分壓電路產生兩個恒定電壓， 一個恒定電壓作 為反應測試信號端口的恒定電位激勵，另一個電壓作為模數轉換器的參考電壓。
所述的液晶顯示模塊的引腳PS0(接口協議選擇)和PS1(接口協議選擇)分別 通過10K電阻連接到高電平和地。
所述的存儲器的引腳SCL(串行時鐘輸入)、SDA(串行數據)需要接4.7K的上拉 電阻。
所述的時鐘管理器的引腳SCLK(串行時鐘輸入)、1/0(輸入/輸出)、RESET(復 位)需要接10K的上拉電阻。
所述的運算放大器的反饋電阻采用誤差等級為W的47K金屬膜電阻，反饋電 容采用3000pF的獨石電容。
所述液晶顯示模塊采用點陣液晶顯示模塊。
工作時，首先由按鍵模塊控制開機，開機后通過判斷是否有按鍵按下、按鍵 時間長短來選擇測試、數據庫管理或修改參數；測試時，通過反應測試信號端口 在酶電極兩端施加恒定電位激勵，反應開始后由反應測試信號端口導出酶電極的 反應電流，經運算放大器放大后送入模數轉換器轉換為數字量，再由單片計算機 讀取轉換結果，單片計算機再讀取數據存儲器中的試條參數，計算出待測液的過 氧化氫濃度，然后由液晶顯示模塊顯示測試結果，并提示結果是否偏高，同時將 測量結果及測量時間存儲在數據存儲器中；數據上傳或修改參數時，用九針串口 線連接PC機與單片計算機，利用上位機程序控制下位機進行數據的上傳或參數的 修改。
本發明采用了六項技術措施確保了便攜式過氧化氫濃度檢測儀的先進性1) 用恒定電位激勵代替循環伏安法，降低了電路的復雜度；2)接受試條作為檢測 單元，和電解池相比，儀器結構得到大大簡化；3)在實現所需功能的前提下， 采用了功能強、結構緊湊且價格低廉的元器件；4)部分硬件功能用軟件實現， 如用軟件濾波代替硬件濾波，此外選取小封裝元器件，減小儀器的整體體積；5) 優化電源管理模塊設計，選用低功耗芯片，降低整機功耗；6)具有串口通訊功 能，可實現數據庫上傳和在線校準。采用上述技術的便攜式過氧化氫濃度檢測儀 具有結構簡單緊湊、檢測時間短、操作簡便等特點，適合于非專業人員便攜使用。
圖l為本發明結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保 護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括單片計算機l、液晶顯示模塊2、時鐘管理器3、 按鍵模塊4、串口通訊模塊5、存儲器6、模數轉換器7、電源管理器8、反應測試 信號端口9、運算放大器IO。
其中，反應測試信號端口經運算放大器與模數轉換器相連，模數轉換器的 三個I/0引腳——串行時鐘輸入引腳CLK、串行數據輸出引腳Dout和片選端引腳CS
分別與單片計算機中的三個I/0口ADCLK、 ADDout、 ADCS相連，用SPI協議通訊， 液晶顯示器的五個I/0引腳——片選端引腳CS、數據/命令選擇引腳D/C、串行數 據引腳SD0、復位引腳RST和串行時鐘輸入引腳SCK分別與單片計算機中的五個1/0 口LCDCS、 LCDDC、 LCDSDO、 LCDRST、 LCDSCK相連，存儲器的寫保護引腳WP接地， 使存儲器始終處于可讀寫狀態，存儲器的串行時鐘引腳SCL和串行數據引腳SDA 分別與單片計算機的兩個I/0口EESCL、 EESDA相連，時鐘管理器的三個I/0引腳一 一串行時鐘輸入引腳SCLK、輸入/輸出引脾I/0和復位引腳RESET分別與單片計算 機的三個I/0口CSCLK、 CIO、 CRESET相連，按鍵模塊與單片計算機的I/0口BUTTON 相連，串口通訊模塊與單片計算機的I/0口的發送數據引腳TxD、接收數掘引腳RxD 相連。
所述的時鐘管理器3的引腳SCLK(串行時鐘輸入)、1/0(輸入/輸出)、 RESET (復位)需要接10K的上拉電阻。
所述的液晶顯示模塊4的引腳PS0(接口協議選擇)和PS1(接口協議選擇)分 別通過10K電阻連接到高電平和地。
所述的存儲器6的引腳SCL(串行時鐘輸入)、SDA(串行數據)需要接4. 7K的上 拉電阻。
所述電源管理器8分三部分， 一部分是9V輸入5V輸出，另一部分轉換為5V輸 入3.3V輸出，還有一部分通過穩壓二極管與電阻分壓電路產生兩個恒定電壓一 路用2.5V穩壓二極管、1K電阻和10K可調電阻產生恒定電壓，為反應測試信號端 口9提供恒定電位激勵，另一路用2.5V穩壓二極管、100歐電阻和10K可調電阻產 生恒定電壓，為模數轉換器7提供精確參考電壓。
所述的運算放大器9的反饋電阻采用誤差等級為iy。的47K金屬膜電阻，反饋 電容采用3000pF的獨石電容。
本實施例中
所述單片計算機l采用EL緒公司的EM78P447SAS芯片。
所述液晶顯示模塊2采用點陣顯示模塊，能夠顯示中英文彩色操作界面、測 試結果以及濃度過高的彩色警報；
所述時鐘管理器3采用Holtek Semiconductor公司的HT1380芯片，能夠記錄 每次測試的時間；
所述串口通訊模塊5采用Maxim公司的MAX232A，通過DB9接口可將單片計算 機1與PC機相連，實現批量上傳歷史數據，修改試條參數以適應不同批次不同類 型的試條的測試。
所述存儲器EEPR0M6采用ATMEL公司的AT24C256芯片，作為EEPROM數據存儲 器，能夠存儲用于計算過氧化氫濃度的試條參數，實現簡單的數據庫管理；
所述模數轉換器7采用Analog Devices公司的AD7457。
所述運算放大器10采用Analog Devices公司的AD8603。
本實施例工作時，首先由按鍵模塊4控制儀器的開機，開機后通過判斷是否 有按鍵按下、按鍵時間長短來選擇測試、數據庫管理或修改參數；測試時，通過 反應測試信號端口9在酶電極兩端施加恒定電位激勵，反應開始后由反應測試信 號端口9導出酶電極的反應電流，經運算放大器10放大后送入模數轉換器7轉換為 數字量，再由單片計算機l讀取轉換結果，單片計算機1再讀取數據存儲器6中的 試條參數，計算出待測液的過氧化氫濃度，然后由液晶顯示模塊2顯示測試結果， 并提示結果是否偏高，同時將測量結果及測量時間存儲在數據存儲器6中；數據 上傳或修改參數時，需要用九針串口線連接PC機與單片計算機1，利用上位機程 序控制下位機進行數據的上傳或參數的修改。為了節約儀器體積，儀器中除了運 算放大器的反饋電阻及電解電容外，其余電阻電容均采用0805貼片封裝，除了單 片計算機外，所有芯片均采用管腳數少的串行接口的貼片封裝，大大減小了整機 的體積。
如圖1所示，本實施例除包括了基本測試電路外，還包括三個功能模塊，即 時鐘管理器3、串口通訊模塊5和存儲器6。這三個功能模塊的引入使得數據庫的 管理得以實現，即可以在下位機上查找測試記錄，又可以將歷史記錄批量上傳到 上位機。操作時只需通過按鍵4控制，按液晶顯示器上的提示就可進行下位機上 所有的操作。需要上傳歷史數據或修改試條參數時，只需利用按鍵4和上位機的 提示就可完成所有操作。測試結束后，不但會顯示本次測量結果，還能提示所得 濃度是否偏高。正常值和超標值用不同顏色標示。本發明采用了高分辨率的點陣 式液晶顯示模塊2，具有友好的中英文操作界面，適用于各個群體的用戶。
為了降低功耗，本發明設計了雙電源輸出， 一路電源提供5V， 一路電源提 供3. 3V。采用3. 3V的低壓供電可以使工作電壓范圍比較寬的器件降低近一半的功 耗，如單片計算機l、液晶顯示模塊2、時鐘管理器3、存儲器6。在選擇芯片的時 候，選擇靜態電流低的芯片，降低芯片不工作時的功耗，延長電池的使用時間。 為了降低儀器成本，在選擇元器件的時候，在滿足所需功能的前提下，盡 量選擇價格低的芯片。如單片計算機采用ELAN公司的EM78P447SAS，該芯片內部 沒有集成多余的功能，價格比其它單片計算機低很多。部分硬件功能采用軟件替 代，例如用軟件濾波代替硬件濾波。
權利要求
1. 一種基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其特征在于，包括單片計算機、存儲器、時鐘管理器、液晶顯示器、運算放大器、模數轉換器、電源管理器、反應測試信號端口、按鍵模塊及串口通訊模塊，反應測試信號端口經運算放大器與模數轉換器相連，模數轉換器的三個I/O引腳——串行時鐘輸入引腳(CLK)、串行數據輸出引腳(Dout)和片選端引腳(CS)分別與單片計算機中的三個I/O口(ADCLK、ADDout、ADCS)相連，用SPI協議通訊，液晶顯示器的五個I/O引腳——片選端引腳(CS)、數據/命令選擇引腳(D/C)、串行數據引腳(SDO)、復位引腳(RST)和串行時鐘輸入引腳(SCK)分別與單片計算機中的五個I/O口(LCDCS、LCDDC、LCDSDO、LCDRST、LCDSCK)相連，存儲器的寫保護引腳(WP)接地，使存儲器始終處于可讀寫狀態，存儲器的串行時鐘引腳(SCL)和串行數據引腳(SDA)分別與單片計算機的兩個I/O口(EESCL、EESDA)相連，時鐘管理器的三個I/O引腳——串行時鐘輸入引腳(SCLK)、輸入/輸出引腳(I/O)和復位引腳(RESET)分別與單片計算機的三個I/O口(CSCLK、CIO、CRESET)相連，按鍵模塊與單片計算機的I/O口(BUTTON)相連，串口通訊模塊與單片計算機的I/O口的發送數據引腳(TxD)、接收數據引腳(RxD)相連，其中電源管理器中一路用2.5V穩壓二極管、1K電阻和10K可調電阻產生恒定電壓，為反應測試信號端口提供恒定電位激勵，另一路用2.5V穩壓二極管、100歐電阻和10K可調電阻產生恒定電壓，為模數轉換器提供精確參考電壓。
2. 根據權利要求1所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其特 征是，所述按鍵模塊控制開機，開機后通過判斷是否有按鍵按下、按鍵時間長短 來選擇測試、數據庫管理或修改參數，測試時，通過反應測試信號端口在酶電極 兩端施加恒定電位激勵，反應開始后由反應測試信號端口導出酶電極的反應電 流，經運算放大器放大后送入模數轉換器轉換為數字量，再由單片計算機讀取轉 換結果，單片計算機再讀取數據存儲器中的試條參數，計算出待測液的過氧化氫 濃度，然后由液晶顯示模塊顯示測試結果，并提示結果是否偏高，同時將測量結 果及測量時間存儲在數據存儲^l中；數據上傳或修改參數時，用九針串口線連接 PC機與單片計算機，利用上位機程序控制下位機進行數據的上傳或參數的修改。
3. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀， 其特征是，所述液晶顯示模塊的接口協議選擇引腳(PS0、 PS1)分別通過10K 電阻連接到高電平和地，存儲器的串行時鐘輸入引腳(SCL)、串行數據引腳(SDA) 接4.7K的上拉電阻，時鐘管理器的串行時鐘輸入引腳(SCLK)、輸入/輸出引腳(1/0)、復位引腳(RESET)接10K的上拉電阻。
4. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其 特征是，所述液晶顯示模塊為顯示中英文彩色操作界面、測試結果以及濃度過高 的彩色警報的點陣式顯示模塊。
5. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其 特征是，所述存儲器采用ATMEL公司的AT24C256芯片。
6. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其 特征是，所述運算放大器的反饋電阻采用誤差等級為W的47K金屬膜電阻，反饋 電容采用3000pF的獨石電容。
7. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀， 其特征是，所述單片計算機CPU采用EM78P447SAS型芯片。
8. 根據權利要求1或2所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其 特征是，所述模數轉換器采用Analog Devices公司的AD7457。
9. 根據權利要求l所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其特 征是，所述時鐘管理器采用Holtek Semiconductor公司的HT1380芯片。
10. 根據權利要求1所述的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，其 特征是，所述串口通訊模塊通過DB9接口將單片計算機與PC機相連。
全文摘要
一種食品安全檢測技術領域的基于電分析法的便攜式過氧化氫濃度檢測儀，包括單片計算機、存儲器、時鐘管理器、液晶顯示器、運算放大器、模數轉換器、電源管理器、反應測試信號端口、按鍵模塊及串口通訊模塊，在檢測試條端口施以恒定電位激勵，反應電流信號經運算放大器后連接到模數轉換器，模數轉換器、液晶顯示器、存儲器、時鐘管理器、按鍵模塊、串口通訊模塊與單片計算機相連，電源管理器提供穩定電壓一路用于反應測試端口的恒定電位激勵，另一路為模數轉換器提供精確參考電壓。本發明性價比高、體積小、操作簡單、校準方便，適用于檢測原理類似的不同試條，能快速準確地完成輸出信號采集和數據處理，并能批量上傳歷史數據。
文檔編號G01N27/416GK101393163SQ20081020160
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者剛 劉, 劉海峰, 柴春彥, 潘細明, 袁景淇 申請人:上海交通大學