CN109655502A - 一种便携式多通道电化学检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式多通道电化学检测系统，包括USB供电模块、系统电源模块、STM32微控制器、片内DAC模块、片内ADC模块、电流采集模块、电压激励模块、多通道电极接口、SD卡存储电路、蓝牙传输模块、智能手机，智能手机通过蓝牙传输模块与STM32微控制器通信连接，通过蓝牙传输模块，智能手机可以操控系统并接收数据进行显示，让系统的操作更加简单便捷，同时由于系统不再通过按键和液晶显示模块进行人机交互，从而减少了体积，而且系统采用多通道检测，可满足更多场景的多元检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及电化学传感检测领域，具体涉及一种便携式多通道电化学检测系统。
背景技术
随着电化学理论的不断完善和发展，电化学检测技术已被广泛应用于食品、环境、医疗等领域。典型的电化学反应，是在三电极体系中进行的（工作电极、参比电极、对电极，浸入到电解质溶液中），电化学检测方法需要向电极/电解质溶液施加恒定的激励电压，溶液中物质在电化学催化条件下发生氧化还原反应，导致电荷转移，从而产生电流。由于氧化还原反应产生的电流与靶标物浓度成比例关系，因此可通过电流信号实时检测靶标物的浓度。
作为一种常见的定性和定量分析手段，电化学检测技术具有快速、灵敏、稳定的优点。专利号200610113140.5的专利公开了一种手持型电化学分析仪，专利号200710027808.9的专利公开了一种便携式双通道电化学分析设备，这些电化学检测分析设备携带方便，通过按键和液晶显示模块进行人机交互，摆脱了以往电化学分析测试仪器价格贵、体积大，并且需要配合上位机才能使用的缺陷。
但是这些电化学检测分析仪器仅采用单通道或者双通道检测，且受按键和液晶显示屏的限制，体积仍然偏大。
发明内容
本发明提供一种便携式多通道电化学检测系统，支持多通道电化学检测，且体积小。
一种便携式多通道电化学检测系统，包括：USB供电模块、系统电源模块、STM32微控制器、片内DAC模块、片内ADC模块、电流采集模块、电压激励模块、多通道电极接口、SD卡存储电路、蓝牙传输模块、智能手机；
所述USB供电模块外接外部USB电源、内接所述系统电源模块，为所述系统电源模块供电；
所述STM32微控制器分别与所述电流采集模块、所述电压激励模块、所述SD卡存储电路、所述蓝牙传输模块连接；
所述多通道电极接口连接多通道工作电极、对电极、参比电极；所述电流采集模块通过所述多通道电极接口与所述多通道工作电极连接；所述电压激励模块通过所述多通道电极接口与所述对电极、所述参比电极连接；
所述智能手机通过所述蓝牙传输模块与所述STM32微控制器通信连接；所述智能手机通过所述蓝牙传输模块向所述STM32微控制器发送电化学检测的设置参数，所述STM32微控制器按照所述设置参数控制所述片内DAC模块与所述片内ADC模块工作；
所述电压激励模块接收所述片内DAC模块的输出电压并通过所述多通道电极接口输出恒定的激励电压到所述对电极和所述参比电极；所述电流采集模块实时采集所述多通道工作电极产生的电流信号，将电流信号转换成电压信号，输出到所述片内ADC模块；
所述STM32微控制器将所述片内ADC模块输出的电压信号转换回电流信号，通过所述蓝牙传输模块发送数据到所述智能手机，所述智能手机接收数据并显示数据;
所述智能手机通过所述蓝牙传输模块指示所述STM32微控制器控制所述SD卡存储电路工作，将数据存储至SD卡。
在本发明中，智能手机通过蓝牙传输模块与STM32微控制器通信连接，通过蓝牙传输模块，智能手机可以操控系统并接收数据进行显示，让系统的操作更加简单便捷，同时由于系统不再通过按键和液晶显示模块进行人机交互，从而减少了体积，而且系统采用多通道检测，可满足更多场景的多元检测需求。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种便携式多通道电化学检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中的一种便携式多通道电化学检测系统中电流采集模块的电路图；
图3是本发明实施例中的一种便携式多通道电化学检测系统中电压激励模块的电路图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种便携式多通道电化学检测系统，具体进行八通道电化学检测。以下进行详细说明。
参见图1，便携式多通道电化学检测系统包括：USB供电模块101、系统电源模块102、STM32微控制器103、片内DAC模块104、片内ADC模块105、电流采集模块106、电压激励模块107、多通道电极接口108、SD卡存储模块109、蓝牙传输模块110、智能手机111。
USB供电模块101外接外部USB电源、内接系统电源模块102，为系统电源模块102供电；在本实施例中，系统电源模块102包括±5V模块、+3.3V模块、+1.5V模块。
多通道电极接口108连接外部电极，外部电极包括多通道工作电极1080、对电极1081、参比电极1082，电流采集模块106与多通道工作电极1080连接；电压激励模块107与对电极1081、参比电极1082连接。系统采用多通道检测可满足更多场景的多元检测需求。
在本实施例中，电流采集模块106包括多通道微电流检测电路1061、加法运算电路1062和电压跟随器二1063，加法运算电路1062分别与多通道微电流检测电路1062和电压跟随器二1063连接。多通道工作电极1080产生的电流信号通过多通道微电流检测电路1061转换为电压信号，通过加法运算电路1062将电压信号调节至非负范围，再通过电压跟随器二1063输出电压信号到片内ADC模块105。图2是用于八通道电化学检测的电流采集模块106的电路图。
电压激励模块107包括恒电位电路1071、减法运算电路1072和电压跟随器一1073，减法运算电路1072分别与恒电位电路1071和电压跟随器一1073相连接。电压跟随器一1073提高片内DAC模块104的输出带负载能力，减法运算电路1072进行电压的平移调节，通过恒电位电路1071将激励电压恒定地施加给对电极1081与参比电极1082。图3是电压激励模块107的电路图。
STM32微控制器103分别与电流采集模块106、电压激励模块107相连，具体为：电压跟随器二1063与片内ADC模块105连接，电压跟随器一1073与片内DAC模块104相连接。
STM32微控制器103还与SD卡存储模块109以及蓝牙传输模块110连接。STM32微控制器103是单处理器，片内ADC模块104和片内DAC模块105在STM32微控制器103内，STM32微控制器103比双处理器更加精简、价格低廉，而且STM32微控制器103的片上资源丰富，可以增强系统的稳定性，缩小系统的体积，更加便携化；同时，系统采用片内DAC模块104，外围电路简单稳定，无需额外的费用，片内DAC模块104具有DMA功能，能够提高CPU的效率。
智能手机111通过蓝牙传输模块110与STM32微控制器103通信连接；智能手机111通 过蓝牙传输模块110向STM32微控制器103发送电化学检测的设置参数，STM32微控制器103按照设置参数控制片内DAC模块104与片内ADC模块105工作。
电压激励模块107接收片内DAC模块104的输出电压并通过多通道电极接口108输出恒定的激励电压到对电极1081和参比电极1082；电流采集模块106实时采集多通道工作电极1080产生的电流信号，将电流信号转换成电压信号，输出到片内ADC模块105。
STM32微控制器103将片内ADC模块105输出的电压信号转换回电流信号，通过蓝牙传输模块110发送数据到智能手机111，智能手机111接收数据并显示数据。
智能手机111通过蓝牙传输模块110指示STM32微控制器103控制SD卡存储模块109工作，将数据存储至SD卡。
STM32微控制器103将片内ADC模块105输出的电压信号按照电压电流比例关系转换回相应的电流信号，然后通过排序算法将电流信号进行排序；智能手机111通过蓝牙传输模块110接收并实时显示排序后的所述电流信号的最大值和最小值。
在图1中，进一步的，系统还包括系统复位模块112和系统指示灯113；系统复位模块112和系统指示灯113分别与STM32微控制器103连接；当检测结束后，智能手机111通过蓝牙传输模块110向STM32微控制器103发送复位指令，STM32微控制器103按照所述复位指令控制系统复位模块112工作，系统复位模块112将系统复位，等待下一次检测。
进一步的，智能手机111通过蓝牙传输模块110向STM32微控制器103发送控制指令，STM32微控制器103按照所述控制指令控制系统总电源的通断。
结合图1所示的便携式多通道电化学检测系统，系统的电化学检测过程如下：
步骤1：USB供电模块101通过USB线连接外部电源，系统电源模块102启动，给系统提供±5V、+3.3V、+1.5V稳压电源；
步骤2：系统进行初始化；
步骤3：初始化完毕，通过智能手机111显示的界面，在智能手机111上按照选择的电化学检测方法设置电化学检测的设置参数，同时，也可以选择读取SD卡中的数据，将其显示在智能手机111；
步骤4：片内DAC模块104根据智能手机111输入的设置参数向电压跟随器一1073输出相应的激励电压；
减法运算电路1072的参考电压为系统电源模块102提供的+1.5V，电压跟随器一1073的输出电压与参考电压通过减法运算电路1072进行减法运算，将输出电压调节为±1.5V范围，满足电化学电极激励电压的要求；
激励电压通过恒电位电路1071恒定地施加在参比电极1082与对电极1081上，解决了多通道工作电极1080在极化过程中电流变化导致电压无法恒定的问题；
步骤5：多通道微电流检测电路1061将多通道工作电极产生的电流实时检测，通过运放和精密电阻转换为电压；转换的电压通过软件算法进行平滑处理，去除噪声干扰；
加法运算电路1062的参考电压为1.5V，多通道微电流检测电路1061采集的电流有正有负，多通道微电流检测电路1061转换的负电压无法通过片内ADC模块105处理，通过将多通道微电流检测电路1061输出电压与参考电压做加法运算，完成电压的非负调节；
电压跟随器二1063将加法运算电路1062的输出电压稳定地传输到片内ADC模块105；
片内ADC模块105将电压跟随器二1062输入的电压进行模数转换，STM32微控制器103再通过已知的电压电流比例关系，将模数转换后的电压转换为相应的电流，STM32微控制器103通过蓝牙传输模块110将数据发送给智能手机111，并在智能手机111上显示数据。
STM32微控制器103对电压转换后得到的电流进行排序，并将排序后的电流最大值、最小值通过蓝牙传输模块110传送给智能手机111，在智能手机111上显示电流最大值、最小值。
步骤6：在智能手机111上选择是否存储数据，如果是，STM32微控制器103接收智能手机111的指令通过SD卡存储模块109将数据保存到外部SD卡的.txt文件当中，可供外部PC读取处理。
下面再以一个三通道电化学检测的具体应用场景为例，详细说明本发明提供的便携式多通道电化学检测系统，具体如下：
电解池溶液为铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液，参比电极为银/氯化银电极，对电极为铂丝电极，多通道工作电极为三通道丝网印刷电极。参比电极、对电极以及多通道工作电极浸入电解池溶液中，电化学检测方法采用循环伏安法。
将恒电位电路通过多通道电极接口（鳄鱼夹接口）分别连接银/氯化银电极和铂丝电极，将多通道微电流检测电路通过多通道电极接口（鳄鱼夹接口）连接外部三通道丝网印刷电极；
USB供电模块通过USB线连接外部USB电源，系统电源模块启动，给系统提供±5V、+3.3V、+1.5V稳压电源；
根据智能手机显示界面，选择读取SD卡，查看上组检测的检测结果，可为此次检测的参数设置提供参考。查看完毕，退回到初始化界面；
在界面上选择循环伏安法作为电化学检测方法，设置循环伏安法的设置参数为：高电平为0.5V，低电平为-0.5V，扫描速率为50mV/s；
设置为完毕后，片内DAC模块根据智能手机输入的设置参数输出电压范围为+1V至+2V的三角波；经由电压跟随器一和减法运算电路，系统通过恒电位电路向银/氯化银电极和铂丝电极施加高电平为0.5V，低电平为-0.5V，电压增幅为50mV/s的稳定的三角波激励电压。
电解质溶液在稳定的电压激励下，电活性物质在三通道丝网印刷电极上发生氧化还原反应，溶液中电荷转移，会在三通道丝网印刷电极上产生电流。当激励电压从+0.5V至-0.5V进行扫描时，电活性物质在三通道丝网印刷电极上发生还原反应，智能手机显示的是还原电流峰；当激励电压从-0.5V至+0.5V进行扫描时，电活性物质在三通道丝网印刷电极上发生氧化反应，智能手机上显示的是氧化电流峰；因此，通过一个完整的三角波电压激励信号，三通道丝网印刷电极上产生一个循环的还原氧化峰。
多通道微电流检测电路通过低噪声、高精度运算放大器和精密电阻将电极表面上氧化还原产生的微电流信号转换为电压信号；电流信号大小与铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液的浓度有关，检测结果是-50μA至50μA的氧化还原峰；转换的电压信号与电路参数有关，电流电压比例关系由电阻大小、加法运算电路决定；如果电流电压比例关系为1μA对应10mV，加法运算电路（参考电压为+1.5V）输出电压范围为+1V至+2V的氧化还原曲线；
多通道微电流检测电路输出的电压波形可能包含噪声，通过软件算法去除噪声，使采集的波形信号更加平滑；电压跟随器二作为缓冲器，将加法运算电路的电压+1V至+2V，缓冲输出至片内ADC模块；
片内ADC模块接收电压波形（+1V至+2V的氧化还原曲线），STM32微控制器通过蓝牙传输模块在智能手机上显示接收的电压电流曲线；横坐标为电压激励信号值（三角波信号，+0.5V至-0.5V，每个点的电压间隔为50mV/s），每个点对应的纵坐标为接收的电流值（电流根据电路参数转换，由上可知，+1V至+2V的电压曲线对应-50μA至50μA的电流氧化还原峰）；
STM32微控制器将片内ADC模块转换后得到的电流进行排序，得到最大值、最小值，并将其显示在智能手机上；
在智能手机上选择存储数据（存储内容为：循环伏安法，+0.5V至-0.5V，扫描速率50mV/s，采集的所有电流值），STM32微控制器控制SD卡存储模块保存数据；
检测完毕，系统进入等待状态，系统复位即可进行下一次电化学检测。
以上对本发明实施例所提供的一种便携式多通道电化学检测系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想 ；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，包括：USB供电模块、系统电源模块、STM32微控制器、片内DAC模块、片内ADC模块、电流采集模块、电压激励模块、多通道电极接口、SD卡存储电路、蓝牙传输模块、智能手机；
所述USB供电模块外接外部USB电源、内接所述系统电源模块，为所述系统电源模块供电；
所述STM32微控制器分别与所述电流采集模块、所述电压激励模块、所述SD卡存储电路、所述蓝牙传输模块连接；
所述多通道电极接口连接多通道工作电极、对电极、参比电极；所述电流采集模块通过所述多通道电极接口与所述多通道工作电极连接；所述电压激励模块通过所述多通道电极接口与所述对电极、所述参比电极连接；
所述智能手机通过所述蓝牙传输模块与所述STM32微控制器通信连接；所述智能手机通过所述蓝牙传输模块向所述STM32微控制器发送电化学检测的设置参数，所述STM32微控制器按照所述设置参数控制所述片内DAC模块与所述片内ADC模块工作；
所述电压激励模块接收所述片内DAC模块的输出电压并通过所述多通道电极接口输出恒定的激励电压到所述对电极和所述参比电极；所述电流采集模块实时采集所述多通道工作电极产生的电流信号，将电流信号转换成电压信号，输出到所述片内ADC模块；
所述STM32微控制器将所述片内ADC模块输出的电压信号转换回电流信号，通过所述蓝牙传输模块发送数据到所述智能手机，所述智能手机接收数据并显示数据;
所述智能手机通过所述蓝牙传输模块指示所述STM32微控制器控制所述SD卡存储电路工作，将数据存储至SD卡。
2.根据权利要求1所述的便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，所述电压激励模块包括恒电位电路、减法运算电路和电压跟随器一；所述电压跟随器一与所述片内DAC模块相连接，所述减法运算电路分别与所述恒电位电路和所述电压跟随器一相连接；所述电压跟随器一提高所述片内DAC模块的输出带负载能力，所述减法运算电路进行电压的平移调节，通过所述恒电位电路输出恒定的激励电压。
3.根据权利要求1所述的便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，所述电流采集模块包括多通道微电流检测电路、加法运算电路和电压跟随器二；所述电压跟随器二与所述片内ADC模块连接，所述加法运算电路分别与所述多通道微电流检测电路和所述电压跟随器二连接；所述多通道工作电极产生的电流信号通过所述多通道微电流检测电路采集之后转换为电压信号，通过所述加法运算电路将电压信号调节至非负范围，再通过所述电压跟随器二输出电压信号到所述片内ADC模块。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，
所述STM32微控制器将所述片内ADC模块输出的电压信号按照电压电流比例关系转换回相应的电流信号之后，通过排序算法将所述电流信号进行排序；
所述智能手机通过所述蓝牙传输模块接收并实时显示排序后的所述电流信号的最大值和最小值。
5.根据权利要求4所述的便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，还包括系统复位模块和系统指示灯；所述系统复位模块和所述系统指示灯分别与所述STM32微控制器连接；所述智能手机通过所述蓝牙传输模块向所述STM32微控制器发送复位指令，所述STM32微控制器按照所述复位指令控制所述系统复位模块工作。
6.根据权利要求5所述的便携式多通道电化学检测系统，其特征在于，所述智能手机通过所述蓝牙传输模块向所述STM32微控制器发送控制指令，所述STM32微控制器按照所述控制指令控制系统总电源的通断；所述系统电源模块包括±5V模块、+3.3V模块、+1.5V模块。
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