便攜式銨氮熒光檢測儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型的便攜式銨氮熒光檢測儀，其功能模塊包括樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊共五個模塊；樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連接，電源模塊分別連接著上述四個模塊；信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。該檢測儀通過檢測熒光強度來定量檢測待測液中的銨氮濃度，體積小，能夠便攜使用，滿足了便攜式檢測儀的小型化和集成化要求。
【專利說明】便攜式銨氮熒光檢測儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種水體銨氮檢測儀，具體是一種便攜式銨氮熒光檢測儀。
【背景技術】
[0002]氮的化合物是水體生物所必須的最重要的營養物質。銨氮是水體中浮游植物可直接利用的最重要的無機氮形態，其它形態的氮首先需轉化為銨氮才可被浮游植物所利用。水體中的銨氮可作為水體受到含氮有機物污染程度的指標。因此，銨氮的現場快速測定在工業、環境評估、水產養殖業、大氣和污水控制等領域都具有重要意義。
[0003]熒光光譜法是目前測定銨氮最為靈敏的方法。現有的便攜式銨氮測定儀多采用分光光度法，總體精度偏低，熒光光譜法還未在便攜式銨氮檢測儀中推廣。在環境監測儀朝著專用化、小型化、便攜化、現場化的發展大背景下，將高靈敏的熒光光譜法推廣到實際應用中來是近年的發展趨勢。
實用新型內容
[0004]為了將高靈敏的熒光光譜法推廣到實際應用中，為銨氮的現場快速測定在工業、環境評估、水產養殖業、大氣和污水控制帶來便利，本專利的目的在于基于熒光光譜法提供一種便攜式銨氮熒光檢測儀，實現高精度、低檢測限、低成本、體積小、能夠便攜使用的目標。
[0005]本實用新型所述的便攜式銨氮熒光檢測儀包括機箱和功能模塊，其特征在于:包括樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊共五個模塊；
[0006]樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連接，電源模塊分別連接著上述四個模塊；
[0007]上述的順序連接為:樣品檢測模塊中的娃光電二極管的輸出窗口與信號放大與壓頻轉換模塊中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊中的壓頻轉換裝置連接測頻模塊，測頻模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置；
[0008]樣品檢測模塊中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與硅光電二極管之間設置濾光片；
[0009]為使儀器布局滿足便攜式檢測儀的小型化和集成化要求，本實用新型的信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。
[0010]樣品檢測模塊作用在于將熒光信號轉換成微弱電流信號，等效于一個光電傳感器。該模塊還設置比色池架為骨架，嵌入了激發光源、比色皿、濾光片和硅光電二極管。激發光源照射試樣池中的待測溶液，激發其發射熒光。熒光信號經窄帶濾光片濾光后射入硅光電二極管接收窗口，被轉換成微弱電流信號后輸出，其電流大小與突光強度成正比。其中的比色池架用3D打印技術制成。
[0011]為使儀器專用化、小型化，故選用波段寬、單色性好、穩定性好、體積小、功耗低、壽命長的LED作為激發光源。在比色皿與硅光電二極管之間放置窄帶干涉濾光片，濾掉476.5nm以下和493.5 nm以上的干擾光，確保硅光電二極管只接收熒光。使用3D打印技術加工比色池架，使比色池架不僅能夠放置比色皿，還能將激發光源、濾光片、硅光電二極管都鑲嵌在比色池架壁上。
[0012]為了避免干擾，提高檢測的準確度，本實用新型中采用了如下措施:首先是選用兩個LED相對放置，通過提高激發光強度，以期激發出光強更強的熒光。其次，在保證激發光源的光不進入硅光電二極管的情況下，激發光源需盡可能的靠近比色皿，兩個激發光源、濾光片均與比色皿直接接觸，硅光電二極管與濾光片直接接觸。還包括將激發光源放置在一個不透光的空心套管內，并一同塞入在中空螺絲中，通過比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進比色池架壁，以及將硅光電二極管與濾光片一起放置在一個不透光的空心套筒內，濾光片緊貼在光電二極管前，確保只讓通過濾光片之后的光射入光電二極管；也包括使得激發光源與比色皿的連線垂直于硅光電二極管與比色皿的連線，減少散射光進入硅光電二極管。
[0013]信號放大與壓頻轉換模塊把弱電流信號轉換成直流電壓信號并放大，經濾波、壓頻轉換處理后以頻率信號輸出。選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運算放大器，采用T型網絡互阻放大將微弱電流信號Id轉成電壓信號Fwit并放大。選用低功耗、低噪聲、雙極性的雙通道運算放大器AD706搭建濾波電路。其中一個通道搭建電壓跟隨電路以提高帶負載能力；另一個通道搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他干擾信號得到直流信號。壓頻轉換是模數轉換的重要形式之一，相對于直接測電壓具有更高的準確度。本發明使用壓頻轉換芯片把電壓信號轉換成頻率信號，以便對其進行測量。其設計參照CN 203364965 U:基于等精度測頻的光信號檢測裝置。
[0014]測頻模塊基于STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。待測頻率信號Fx既是輸入信號又是D觸發器的時鐘信號，從AD650芯片輸出，傳給D觸發器的輸入端，此時，D觸發器使測定Fj^P參考脈沖信號Ftl的兩個定時器開啟計數，當測定Fx的定時器計滿或計到設定值時，輸出信號到D觸發器，D觸發器使這兩個定時器結束計數。讀取此時的兩計數器寄存器中的計數值，按G=進行運算便可得出待測頻率值Fx。其中Fx為待測頻率信號，Nx為待測頻率信號脈沖數，F0為參考脈沖信號，N0為參考脈沖信號脈沖數。其設計參照CN 203364965 U:基于等精度測頻的光信號檢測裝置。
[0015]數據顯示與存儲模塊,選用有機發光二極管(Organic Light - Emitting D1de,簡稱OLED)顯示模塊作為顯示器。OLED具有對比度高、視角廣、反應快、厚度薄、使用溫度范圍廣等優點，且不需要背光源。此外，本儀器還帶有一個USB轉串口的接口，可把數據傳輸到上位機顯示。
[0016]電源模塊中，使用9 V電源適配器或者9 V碳性電池供電，AMSl117-5將9 V電壓轉換成5 V電壓，但是當USB 口與電腦連接進行調試或者串口通訊時，由電腦USB 口供應5V電壓，AMSl117-5不工作。然后，使用AMS1117-3.3將5 V電壓轉換成3.3 V電壓供樣品檢測模塊的LED和STM32F103RBT6使用。同時，使用MAX743把5 V電壓轉換成正負15 V電壓供信號放大與壓頻轉換模塊的AD795、AD706、AD650芯片使用。
[0017]本發明所述的檢測儀在機箱內放置主板，機箱外配置按鍵和顯示屏，機箱右側固定樣品檢測模塊；以及還在機箱內設置備用電池盒，用于放置備用電池，和在機箱底部設置孔，用于將儀器與外部設施固定。
[0018]本發明的便攜式銨氮熒光檢測儀體積小、低成本、能夠便攜使用。試驗證實，其具有良好的基線穩定性和較好的恒定信號響應穩定性，能準確測量銨氮濃度在50(Γ4000nmo 1/L范圍內的水樣，可應用與實際水體中銨氮濃度的測定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是儀器整體結構圖。
[0020]圖2是儀器布局正視圖。
[0021]圖3是儀器布局頂視圖。
[0022]圖4是樣品檢測模塊俯視剖圖。
[0023]圖5是測頻模塊關鍵引腳原理圖。
[0024]圖6是SD卡驅動電路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]見圖1。
[0026]便攜式銨氮熒光檢測儀，包括樣品檢測模塊1、信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻模塊3、數據顯與存儲模塊4和電源模塊5共五個模塊；
[0027]樣品檢測模塊1、信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻模塊3、數據顯示與存儲模塊4順序連接，電源模塊5分別連接著上述四個模塊；
[0028]上述的順序連接為:樣品檢測模塊I中的硅光電二極管的輸出窗口與信號放大與壓頻轉換模塊2中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊3中的壓頻轉換裝置連接測頻模塊，測頻模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置；
[0029]樣品檢測模塊I中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與硅光電二極管之間設置濾光片。
[0030]信號放大與壓頻轉換模塊2:放大器、濾波器、壓頻轉換芯片順序連接。
[0031]測頻模塊3基于STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。
[0032]數據顯示與存儲模塊4 =OLED顯示器或通過USB轉串口的接口把數據傳輸到上位機顯示。采用SD卡作為儀器外部數據存儲器。
[0033]電源模塊5，可以為電池、USB或適配器。
[0034]見圖2。本實用新型所述的檢測儀在機箱6內放置主板7(PCB主板)，機箱外配置按鍵和顯示屏，機箱6右側固定樣品檢測模塊I ;以及還在機箱6內設置備用電池盒8，用于放置備用電池，和在機箱底座9設置固定孔12 (見圖3)，用于將儀器與外部設施固定。
[0035]信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻模塊3、數據顯示與存儲模塊4和電源模塊5集成在一塊主板7 (PCB主板)上。
[0036]見圖3。外配的矩陣鍵盤10和OLED顯示屏11位于機箱6的頂部，機箱底座9設置四個固定孔12，樣品檢測模塊I位于機箱6右側。
[0037]本實用新型樣品檢測模塊I中，兩個激發光源13選用臺灣統佳光電科技股份有限公司生產的TJ-LF5WVGYMC-AC型LED。比色皿18使用RF-5301PC型熒光分光光度計配套的比色皿。米用日本濱松集團生產的S1226-8BK型娃光電二極管15作為光電傳感器。選用上海兆九光電技術有限公司生產的BP485/9K型窄帶干涉濾光片14放置在比色皿18與硅光電二極管15之間，濾掉476.5 nm以下和493.5 nm以上的干擾光。比色池架17具備較高的硬度和較好的質密性，能夠放置比色皿18，并且壁上鑲嵌有激發光源13、濾光片14和硅光電二極管15，顏色為黑色。激發光源13放置在一個不透光的空心套管19內，并一同塞入在中空螺絲中，通過比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進比色池架壁，硅光電二極管15與濾光片14 一起放置在一個不透光的空心套筒16內。使用Solidworks軟件繪制3D圖，采用3D打印技術加工比色池架17。具體見圖4。
[0038]選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運算放大器，采用T型網絡互阻放大將微弱電流信號轉成電壓信號Ftjut并放大。選用低功耗、低噪聲、雙極性的雙通道運算放大器AD706搭建濾波電路。其中一個通道搭建電壓跟隨電路以提高帶負載能力；另一個通道搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他干擾信號得到直流信號。
[0039]測頻模塊基于STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。待測信號從AD650芯片的第8腳輸出，接到D觸發器芯片74LS74的CLK腳和HM1_CH1(PA8)。觸發器的輸入腳(D)以及定時器EN控制(觸發器輸出腳Q)均連接在STM32F103RBT6的5 V兼容1 口。觸發器輸入端接PC11，觸發器輸出端接PC12。另外，將參考脈沖信號產生引腳(PA2)和--Μ3定時器對應計數通道引腳(PD2)連接。見圖5。
[0040]數據顯示與存儲模塊，選用ALINETEK生產的有機發光二極管(Organic Light -Emitting D1de，簡稱0LED)顯示模塊作為顯示器。OLED具有對比度高、視角廣、反應快、厚度薄、使用溫度范圍廣等優點，且不需要背光源。本儀器中，OLED采用8080并行接口方式與STM32連接，OLED數據口與STM32的GP1 口的連接順序如表I所示。此外，本儀器還帶有一個USB轉串口的接口，可把數據傳輸到上位機顯示。
[0041 ] 表I OLED數據口與STM32的GP1 口的連接順序
[0042]
OLED ISTM32 1LED ISTM32 1LED ISTM32
D7 ~PB7 D2~ PBl ' 0LED_Rff PC7
D6.PB6 ΡΓ~ PBO — OLED—RD PC6
D5 ' ΡΒ5 D0~ PC5 ' RST 復位腳
D4.PB9 0LED_CS PC9 '
D3 |PB8 I OLED—RS |pC8
[0043]本實用新型還選擇SD卡作為儀器外部數據存儲器。SD卡具有拔插方便、容量范圍寬、占用主控芯片引腳資源少、價格便宜等優點，是專為安全性和容量的考慮而設計的。其電原理圖見圖6
[0044]電源模塊，樣品檢測模塊的LED和STM32F103RBT6需要3.3 V電壓，信號放大及壓頻轉換模塊的AD795、AD706、AD650芯片均需要正負15 V電壓，USB轉串口的PL2303芯片需要5 V電壓。使用由9 V電源適配器或者9 V碳性電池供電時，使用AMSl 117-5將9 V電壓轉換成5 V電壓；iUSB 口與電腦連接進行調試或者串口通訊時，由電腦USB 口供應5V電壓，AMSl117-5不工作。使用AMSl117-3.3將5 V電壓轉換成3.3 V電壓；同時，使用MAX743把5 V電壓轉換成正負15V電壓。
[0045]產品尺寸方面，為了滿足便攜式檢測儀的小型化和集成化要求，將信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、顯示與存儲模塊及電源模塊集成在一塊1cmX 1cm的PCB主板上。
[0046]主板板載資源如下:
[0047]CPU:STM32F103RBT6, LQFP64, FLASH:128KB, SRAM:20KB ；
[0048]I個標準的JTAG/SW調試下載口 ；
[0049]2個電源指示燈:MCU上電指示(紅色)，放大電路及3.3V輸出指示(綠色)；
[0050]2個狀態指示燈:DS1 (白色)，DS2 (橙色)；
[0051]I 個 OLED 模塊接口；
[0052]I個USB串口，可用于程序下載和代碼調試；
[0053]I個USB SLAVE接口，可用于USB通信；
[0054]I 個 SD 卡接口 ；
[0055]I組9V電源供應/接入口 ；
[0056]I組5V電源供應/接入口 ；
[0057]I組3.3V電源供應/接入口 ；
[0058]I個啟動模式選擇配置接口 ；
[0059]I個RTC后備電池座；
[0060]I個復位按鈕,可用于復位MCU及OLED ；
[0061]3個功能按鍵，其中2個普通按鍵和I個兼容喚醒功能；
[0062]3個電源開關，控制整個電板電源、放大電路電源及MCU電路電源；
[0063]I片D觸發器芯片，包含兩個D觸發器；
[0064]I個有源蜂鳴器；
[0065]I個ENC28J60網絡網線接口
[0066]I個放大電路，微弱電流信號放大濾波最終轉頻率信號輸出。
[0067]37 個 1 口引出。
[0068]主板、樣品檢測模塊、儀器外殼、電池及電源適配器組裝后成為一臺完整的便攜式銨氮熒光檢測儀。儀器外殼設計為立式，尺寸為200 X 163 X 90mm。從外觀看，儀器分為機箱和樣品檢測模塊兩個部分。機箱內放置主板及備用電池，箱外配置按鍵和OLED顯示屏；樣品檢測模塊固定在機箱右側；機箱底部留下4個螺絲孔，可將儀器固定在其他設備上。
[0069]儀器機箱用ABS塑料加工而成，具有抗沖擊性、耐熱耐低溫、防水、耐化學藥品、表面光澤度高的性能，使儀器具有美觀性和實用性。
[0070]本實用新型進行了對儀器的基線穩定性、恒定信號測量穩定性、儀器響應范圍、實際應用進行測試與分析。進行基線穩定性測試時，每隔一分鐘測量空白液一次，持續進行測量一個小時，結果顯示儀器在開機15分鐘后波形穩定。采用相同方法在給定光信號下進行穩定性測試，所測得熒光值同樣在開機15分鐘后進入穩定狀態，熒光值波動范圍在1.97%以內。進行儀器響應范圍測試時，配置濃度在50(T4000nmol/L范圍內的銨氮溶液，本儀器測定的響應值與濃度成良好的線性關系(R2=0.9962 )，與RF-530IPC熒光分光光度計測定的熒光強度顯著相關(R2=0.9913)。分別用本儀器和RF-5301PC熒光分光光度計對花江水樣和桂林電子科技大學花江校區內景觀湖水樣進行測定，本儀器測得的A銨氮濃度與RF-5301PC熒光分光光度計測得的銨氮濃度具有一定的相關性(R2=0.940)。可見，本儀器具有良好的基線穩定性和較好的恒定信號響應穩定性，能準確測量銨氮濃度在 50(T4000nmoI/L范圍內的水樣，可應用與實際水體中銨氮濃度的測定。
【權利要求】
1.便攜式銨氮熒光檢測儀，包括機箱和功能模塊，其特征在于:功能模塊包括樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊共五個模塊； 樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連接，電源模塊分別連接著上述四個模塊； 上述的順序連接為:樣品檢測模塊中的硅光電二極管的輸出窗口與信號放大與壓頻轉換模塊中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊中的壓頻轉換裝置連接測頻模塊，測頻模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置； 樣品檢測模塊中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與硅光電二極管之間設置濾光片； 信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。
2.根據權利要求1所述的檢測儀，其特征在于:樣品檢測模塊中還包括用3D打印技術制成的比色池架，比色皿、激發光源、濾光片、光電二極管均鑲嵌在比色池架內。
3.根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于:兩個激發光源、濾光片均與比色皿直接接觸，硅光電二極管與濾光片直接接觸。
4.根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于:濾光片為窄帶干涉濾光片。
5.根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于:激發光源放置在一個不透光的空心套管內，并一同塞入在中空螺絲中。
6.根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于:激發光源與比色皿的連線垂直于硅光電二極管與比色皿的連線。
7.根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于:硅光電二極管與濾光片一起放置在一個不透光的空心套筒內。
8.根據權利要求1所述的檢測儀，其特征在于:數據顯示與存儲模塊選用有機發光二極管顯示模塊作為顯示器，以及還包括設置一個USB轉串口的接口。
9.根據權利要求1所述的檢測儀，其特征在于:所述的檢測儀在機箱內放置主板，機箱外配置按鍵和顯示屏，機箱右側固定樣品檢測模塊；以及還在機箱內設置備用電池盒，用于放置備用電池，和在機箱底部設置孔，用于將儀器與外部設施固定。
【文檔編號】G01N21/64GK203981587SQ201420298933
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】梁英, 鄭蕓, 曹毅成, 嚴春梅 申請人:桂林電子科技大學