CN113834789B - 一种多通道重金属检测装置及检测方法 - Google Patents

一种多通道重金属检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道重金属检测装置及检测方法，其中多通道重金属检测装置包括半导体激光器、比色池和检测终端；所述检测终端包括电源、光电转换模块、通道选择器、温度传感器、AD转换器、DA转换器、单片机、按键控制模块、显示器和PC端连接模块；其中光电转换模块包括对数放大器和光电二极管。本发明设计简化传感采集光路，从而降低成本，减小系统体积，能够实现便携功能；通过多通道与神经网络结合，降低检测误差，降低检测限，增加稳定性，克服了非线性效应对检测的影响，提高检测准确率；利用电压差标定吸光度，减少系统运算量；检测终端可实时监测电压信号，以精确获得光照强度，提高检测分辨率。

Description

一种多通道重金属检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及重金属检测领域，具体涉及一种多通道重金属检测装置及检测方法。
背景技术
到目前为止，水环境的重金属污染依然是世界环保工作面临的最大问题之一。重金属元素在水中很难降解，且易在某些水生生物体内富集，因此，重金属不但会使水体遭到污染，水生态遭到破坏，还会影响到人类的身心健康。目前市面上的水环境重金属检测仪器运用的检测原理主要分为两类，光学传感和非光学传感。常见的非光学传感方式有阳极溶出伏安法(电化学)，具有灵敏度高，操作简便等特点。但该方法易受水中有机物的干扰且容易造成二次污染。光学传感方式具有非接触检测的特点，避免检测仪器受到污染。较为常用的有原子吸收光谱法和分光光度法。原子吸收光谱法具有检测快、灵敏度高、抗干扰能力强等特点，但一般一次只能分析一种元素，检测限相对较高，仪器设备价格昂贵。目前市面上使用分光光度法检测水环境重金属的仪器有很多，对于高精度分光光度仪器，检测限低、灵敏度高，但仪器笨重且价格昂贵。对于重金属光学检测仪器，具有检测时抗干扰性强、且可避免与待测物检测、消耗样品少等优点。但目前大多数光学检测仪器存在以下问题：A、目前高精密度的光谱仪等光学传感仪器价格昂贵，且存在体积较大，难以携带进行实地测量等问题。B、市面上便携式分光光度计检测限不足够低、且检测速度较慢。C、目前大部分仪器对重金属溶液检测(量程)只针对线性区域上，没法对一些具有非线性浓度区域进行检测。D、目前便携式仪器，还有一些检测仪器只是负责检测传感并显示，针对性较为明显，不具有在线分析的功能。
现有的分光光度计是利用不同重金属离子所对应的特征峰信号检测溶液的浓度，其本质还是使用单波长信号的吸收特性进行检测，忽略了特征峰波长附近的其他光信号响应。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种多通道重金属检测装置及检测方法解决了已有技术成本高、体积大、效率低和无法检测特征峰波长附近的其他光信号的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种多通道重金属检测装置，其包括半导体激光器、比色池和检测终端；检测终端包括电源、光电转换模块、通道选择器、温度传感器、AD转换器、DA转换器、单片机、按键控制模块、显示器和PC端连接模块；其中光电转换模块包括对数放大器和光电二极管；
光电二极管的输出端与的对数放大器输入端相连；光电二极管的输入端与通道选择器的输出端相连，对数放大器的输入端与通道选择器的输出端相连；通道选择器的输入端与单片机的第一输出端相连；通道选择器的输出端与单片机的第一输入端相连；对数放大器的输出端与AD转换器的第一输入端；单片机与AD转换器相连；AD转换器的第二输入端与温度传感器的输出端相连；AD转换器的第三输入端与DA转换器的输出端相连；DA转换器的输入端与单片机的第二输出端相连；单片机的第二输入端与按键控制模块的输出端相连；单片机与PC端连接模块相连；PC端连接模块与PC相连；单片机的第二输出端与显示器的输入端相连。
进一步地：电源包括直流插座DC、TPS5430芯片和asm1117-3.3芯片；
直流插座DC的第一端口分别与开关SW的一端和接地有极性电容C6的正极相连；开关SW的另一端分别与TPS5430芯片的第7引脚和LED灯D3的正极相连；LED灯D3的负极与接地电阻R7相连；
TPS5430芯片的第1引脚与电容C1的一端相连；电容C1的另一端分别与TPS5430芯片的第8引脚、接地二极管D2的负极和电感L1的一端相连；电感L1的另一端分别与电阻R1的一端、有极性电容C3的正极、LED灯D1的正极和asm1117-3.3芯片的第3引脚相连；电阻R1的另一端分别与TPS5430芯片的第4引脚和接地电阻R5相连；LED灯D1的负极与接地电阻R6相连；TPS5430芯片的第7引脚分别与开关SW的另一端和接地有极性电容C2的正极相连；TPS5430芯片的第6引脚和第9引脚接地；
asm1117-3.3芯片的第3引脚分别与电感L1的另一端和接地有极性电容C7的正极相连；asm1117-3.3芯片的第2引脚分别与asm1117-3.3芯片的第4引脚、接地有极性电容C8的正极和LED灯D4的正极相连；LED灯D4的负极与接地电阻R8相连；asm1117-3.3芯片的第1引脚接地。
进一步地：单片机的第1引脚分别与3.3V电压和接地电容C18相连；单片机的第8引脚分别与晶振X的一端和接地电容C21相连；单片机的第9引脚分别与晶振X的另一端和接地电容C22相连；单片机的第29引脚和第30引脚分别与AD转换器相连；单片机的第28引脚、第31引脚和第32引脚分别与DA转换器相连；单片机的第44引脚、第49引脚、第50引脚和第51引脚分别与通道选择器相连；单片机的第58引脚分别与开关key1的一端、接地电容C26和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端接3.3V电压；开关key1的另一端与接地电阻R22相连；单片机的第62引脚和第63引脚接地；单片机的第64引脚分别与3.3V电压和接地电容C19相连。
进一步地：通道选择器包括74HC4051芯片；74HC4051芯片的第13引脚、第14引脚、第15引脚、第12引脚和第3引脚分别与对数放大器相连；74HC4051芯片的第11引脚与单片机的第49引脚相连，74HC4051芯片的第10引脚与单片机的第50引脚相连，74HC4051芯片的第9引脚与单片机的第51引脚相连，74HC4051芯片的第6引脚与单片机的第44引脚相连；74HC4051芯片的第7引脚和第8引脚接地；74HC4051芯片的第16引脚分别与5V电压和接地电容C23相连。
进一步地：对数放大器包括ad8304芯片；
ad8304芯片的第1引脚、第2引脚和第14引脚接地；ad8304芯片的第3引脚分别与ad8304芯片的第5引脚和接地电容C20相连；ad8304芯片的第4引脚分别与电容C17的一端和74HC4051芯片的第3引脚相连；电容C17的另一端与接地电阻R12相连；ad8304芯片的第13引脚分别与接地电阻Rb1和电阻Ra1的一端相连；ad8304芯片的第12引脚分别与ad8304芯片的第10引脚、接地电容C15、接地电容C16和5V电压相连；ad8304芯片的第11引脚分别与电阻Ra1的另一端和电容Ca1的一端相连，并作为光电转换模块的输出端；ad8304芯片的第9引脚分别与接地电容Cb1和电阻Rd1的一端相连；ad8304芯片的第8引脚分别与电容Ca1的另一端和电阻Rd1的另一端相连；
ad8304芯片的第6引脚分别与插排XH1的第3引脚、插排XH2的第3引脚、插排XH3的第3引脚、插排XH4的第3引脚、接地电容C32、接地电容C33、接地电容C34和接地电容C35相连；插排XH1的第3引脚与第一光电二极管的负极相连，插排XH2的第3引脚与第二光电二极管的负极相连、插排XH3的第3引脚与第三光电二极管的负极相连、插排XH4的第3引脚与第四光电二极管的负极相连；插排XH1的第2引脚、插排XH2的第2引脚、插排XH3的第2引脚和插排XH4的第2引脚接地；插排XH1的第1引脚分别与第一光电二极管的正极和74HC4051芯片的第13引脚相连，插排XH2的第1引脚分别与第二光电二极管的正极和74HC4051芯片的第14引脚相连；插排XH3的第1引脚分别与第三光电二极管的正极和74HC4051芯片的第15引脚相连；插排XH4的第1引脚分别与第四光电二极管的正极和74HC4051芯片的第12引脚相连。
进一步地：AD转换器包括ads1115芯片；ads1115芯片的第1引脚和第3引脚接地；ads1115芯片的第2引脚与电阻R13的一端相连；ads1115芯片的第10引脚分别与电阻R14的一端和电阻R19的一端相连，电阻R19的另一端与单片机的第29引脚相连；ads1115芯片的第9引脚分别与电阻R15的一端和电阻R20的一端相连，电阻R20的另一端与单片机的第30引脚相连；电阻R13的另一端、电阻R14的另一端和电阻R15的另一端共同接5V电压；ads1115芯片的第8引脚分别与5V电压、接地电容C24和接地电容C25相连；ads1115芯片的第4引脚分别与接地电容C27和DA转换器相连；ads1115芯片的第5引脚分别与接地电容C28和对数放大器的输出端相连；ads1115芯片的第6引脚与接地电容C29相连；ads1115芯片的第7引脚与接地电容C30相连。
进一步地：DA转换器包括DAC8552芯片、REF3433芯片和OPA2188芯片；
DAC8552芯片的第1引脚分别与5V电压、接地电容C5和接地有极性电容C4的正极相连；DAC8552芯片的第2引脚分别与接地电容C9、REF3433芯片的第6引脚、REF3433芯片的第5引脚和接地电容C14相连；DAC8552芯片的第3引脚与电阻R24的一端相连；DAC8552芯片的第4引脚与电阻R10的一端相连；DAC8552芯片的第5引脚与电阻R4的一端相连；DAC8552芯片的第6引脚与电阻R3的一端相连；DAC8552芯片的第7引脚与电阻R2的一端相连；DAC8552芯片的第8引脚接地；
REF3433芯片的第2引脚和第1引脚接地；REF3433芯片的第3引脚分别与REF3433芯片的第4引脚、5V电压和接地电容C13相连；
电阻R24的另一端与OPA2188芯片的第5引脚相连；电阻R10的另一端与OPA2188芯片的第3引脚相连；OPA2188芯片的第1引脚分别与OPA2188芯片的第2引脚和电阻R9的一端相连；电阻R9的另一端分别与接地电容C10、电阻R25的一端和ads1115芯片的第4引脚相连，电阻R25的另一端与接地LED灯D6的正极相连；OPA2188芯片的第4引脚接地；OPA2188芯片的第6引脚分别与OPA2188芯片的第7引脚和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端分别与接地电容C31和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与接地LED灯D5的正极相连；OPA2188芯片的第8引脚分别与接地电容C11、接地有极性电容C13的正极和5V电压相连。
提供一种多通道重金属检测方法，其包括以下步骤：
S1、搭建多通道重金属检测装置，并把检测终端封装到多通道重金属检测装内部；
S2、通过半导体激光器向各个空白比色池发射不同波长的激光，并通过不同的光电二极管进行信号采集，获取各个空白比色池对应的电压信号；
S3、将相同浓度的待检测重金属溶液置于比色池中，通过半导体激光器向各个比色池发射不同波长的激光，并通过不同的光电二极管进行信号采集，获取各个非空白比色池对应的电压信号；
S4、利用空白比色池和非空白比色池对应的电压信号计算电压差；
S5、采用已知的重金属溶液浓度，与该待测重金属溶液浓度对应的在不同激光波长下检测得到的不同电压差作为训练数据训练神经网络，得到训练后的神经网络；
S6、将电压差和该电压差对应的波长数据输入训练后的神经网络，利用训练后的神经网络计算出待检测溶液所对应的浓度。
本发明的有益效果为：
1、本发明设计简化传感采集光路，从而降低成本，减小系统体积，能够实现便携功能；
2、本发明通过多通道与神经网络结合，降低检测误差，降低检测限，增加稳定性，克服了非线性效应对检测的影响，提高检测准确率；
3、本发明通过单片机与神经网络结合，能够实现系统的在线分析；
4、本发明通过电路与对应算法结合，提高系统运算速度，减少检测时间，提高检测效率，在尽可能提高系统灵敏度的情况下，避免了工作环境造成的检测时的波长偏移；
5、本发明直接利用电压差标定吸光度，减少系统运算量；
6、本发明的检测终端可实时监测电压信号，以精确获得光照强度，提高检测分辨率；
7、本发明多通道重金属检测装置的比色池直接放置在光源与检测器之间，避免空气在空气中损耗。
附图说明
图1为多通道重金属检测装置的检测终端图；
图2为多通道重金属检测装置的电源电路图；
图3为多通道重金属检测装置的单片机电路图；
图4为多通道重金属检测装置的通道选择器电路图；
图5为多通道重金属检测装置的对数放大器电路图；
图6为多通道重金属检测装置的AD转换器电路图；
图7为多通道重金属检测装置的DA转换器电路图；
图8为多通道重金属检测装置的检测台结构图；
图9为多通道重金属检测方法的流程图；
图10为本发明的神经网络结构图；
其中，1、半导体激光器；2、光电二极管；3、比色池；4、固定激光器的可调支柱；5、光电二极管固定支架；6、光电二极管信号连接端口。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该多通道重金属检测装置包括半导体激光器、比色池和检测终端；检测终端包括电源、光电转换模块、通道选择器、温度传感器、AD转换器、DA转换器、单片机、按键控制模块、显示器和PC端连接模块；其中光电转换模块包括对数放大器和光电二极管；
光电二极管的输出端与的对数放大器输入端相连；光电二极管的输入端与通道选择器的输出端相连，对数放大器的输入端与通道选择器的输出端相连；通道选择器的输入端与单片机的第一输出端相连；通道选择器的输出端与单片机的第一输入端相连；对数放大器的输出端与AD转换器的第一输入端；单片机与AD转换器相连；AD转换器的第二输入端与温度传感器的输出端相连；AD转换器的第三输入端与DA转换器的输出端相连；DA转换器的输入端与单片机的第二输出端相连；单片机的第二输入端与按键控制模块的输出端相连；单片机与PC端连接模块相连；PC端连接模块与PC相连；单片机的第二输出端与显示器的输入端相连。
如图2所示，电源包括直流插座DC、TPS5430芯片和asm1117-3.3芯片；
直流插座DC的第一端口分别与开关SW的一端和接地有极性电容C6的正极相连；开关SW的另一端分别与TPS5430芯片的第7引脚和LED灯D3的正极相连；LED灯D3的负极与接地电阻R7相连；
TPS5430芯片的第1引脚与电容C1的一端相连；电容C1的另一端分别与TPS5430芯片的第8引脚、接地二极管D2的负极和电感L1的一端相连；电感L1的另一端分别与电阻R1的一端、有极性电容C3的正极、LED灯D1的正极和asm1117-3.3芯片的第3引脚相连；电阻R1的另一端分别与TPS5430芯片的第4引脚和接地电阻R5相连；LED灯D1的负极与接地电阻R6相连；TPS5430芯片的第7引脚分别与开关SW的另一端和接地有极性电容C2的正极相连；TPS5430芯片的第6引脚和第9引脚接地；
asm1117-3.3芯片的第3引脚分别与电感L1的另一端和接地有极性电容C7的正极相连；asm1117-3.3芯片的第2引脚分别与asm1117-3.3芯片的第4引脚、接地有极性电容C8的正极和LED灯D4的正极相连；LED灯D4的负极与接地电阻R8相连；asm1117-3.3芯片的第1引脚接地。
如图3所示，单片机的第1引脚分别与3.3V电压和接地电容C18相连；单片机的第8引脚分别与晶振X的一端和接地电容C21相连；单片机的第9引脚分别与晶振X的另一端和接地电容C22相连；单片机的第29引脚和第30引脚分别与AD转换器相连；单片机的第28引脚、第31引脚和第32引脚分别与DA转换器相连；单片机的第44引脚、第49引脚、第50引脚和第51引脚分别与通道选择器相连；单片机的第58引脚分别与开关key1的一端、接地电容C26和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端接3.3V电压；开关key1的另一端与接地电阻R22相连；单片机的第62引脚和第63引脚接地；单片机的第64引脚分别与3.3V电压和接地电容C19相连。
如图4所示，通道选择器包括74HC4051芯片；74HC4051芯片的第13引脚、第14引脚、第15引脚、第12引脚和第3引脚分别与对数放大器相连；74HC4051芯片的第11引脚与单片机的第49引脚相连，74HC4051芯片的第10引脚与单片机的第50引脚相连，74HC4051芯片的第9引脚与单片机的第51引脚相连，74HC4051芯片的第6引脚与单片机的第44引脚相连；74HC4051芯片的第7引脚和第8引脚接地；74HC4051芯片的第16引脚分别与5V电压和接地电容C23相连。
如图5所示，对数放大器包括ad8304芯片；
ad8304芯片的第1引脚、第2引脚和第14引脚接地；ad8304芯片的第3引脚分别与ad8304芯片的第5引脚和接地电容C20相连；ad8304芯片的第4引脚分别与电容C17的一端和74HC4051芯片的第3引脚相连；电容C17的另一端与接地电阻R12相连；ad8304芯片的第13引脚分别与接地电阻Rb1和电阻Ra1的一端相连；ad8304芯片的第12引脚分别与ad8304芯片的第10引脚、接地电容C15、接地电容C16和5V电压相连；ad8304芯片的第11引脚分别与电阻Ra1的另一端和电容Ca1的一端相连，并作为光电转换模块的输出端；ad8304芯片的第9引脚分别与接地电容Cb1和电阻Rd1的一端相连；ad8304芯片的第8引脚分别与电容Ca1的另一端和电阻Rd1的另一端相连；
ad8304芯片的第6引脚分别与插排XH1的第3引脚、插排XH2的第3引脚、插排XH3的第3引脚、插排XH4的第3引脚、接地电容C32、接地电容C33、接地电容C34和接地电容C35相连；插排XH1的第3引脚与第一光电二极管的负极相连，插排XH2的第3引脚与第二光电二极管的负极相连、插排XH3的第3引脚与第三光电二极管的负极相连、插排XH4的第3引脚与第四光电二极管的负极相连；插排XH1的第2引脚、插排XH2的第2引脚、插排XH3的第2引脚和插排XH4的第2引脚接地；插排XH1的第1引脚分别与第一光电二极管的正极和74HC4051芯片的第13引脚相连，插排XH2的第1引脚分别与第二光电二极管的正极和74HC4051芯片的第14引脚相连；插排XH3的第1引脚分别与第三光电二极管的正极和74HC4051芯片的第15引脚相连；插排XH4的第1引脚分别与第四光电二极管的正极和74HC4051芯片的第12引脚相连。
如图6所示，AD转换器包括ads1115芯片；ads1115芯片的第1引脚和第3引脚接地；ads1115芯片的第2引脚与电阻R13的一端相连；ads1115芯片的第10引脚分别与电阻R14的一端和电阻R19的一端相连，电阻R19的另一端与单片机的第29引脚相连；ads1115芯片的第9引脚分别与电阻R15的一端和电阻R20的一端相连，电阻R20的另一端与单片机的第30引脚相连；电阻R13的另一端、电阻R14的另一端和电阻R15的另一端共同接5V电压；ads1115芯片的第8引脚分别与5V电压、接地电容C24和接地电容C25相连；ads1115芯片的第4引脚分别与接地电容C27和DA转换器相连；ads1115芯片的第5引脚分别与接地电容C28和对数放大器的输出端相连；ads1115芯片的第6引脚与接地电容C29相连；ads1115芯片的第7引脚与接地电容C30相连。
如图7所示，DA转换器包括DAC8552芯片、REF3433芯片和OPA2188芯片；
DAC8552芯片的第1引脚分别与5V电压、接地电容C5和接地有极性电容C4的正极相连；DAC8552芯片的第2引脚分别与接地电容C9、REF3433芯片的第6引脚、REF3433芯片的第5引脚和接地电容C14相连；DAC8552芯片的第3引脚与电阻R24的一端相连；DAC8552芯片的第4引脚与电阻R10的一端相连；DAC8552芯片的第5引脚与电阻R4的一端相连；DAC8552芯片的第6引脚与电阻R3的一端相连；DAC8552芯片的第7引脚与电阻R2的一端相连；DAC8552芯片的第8引脚接地；
REF3433芯片的第2引脚和第1引脚接地；REF3433芯片的第3引脚分别与REF3433芯片的第4引脚、5V电压和接地电容C13相连；
电阻R24的另一端与OPA2188芯片的第5引脚相连；电阻R10的另一端与OPA2188芯片的第3引脚相连；OPA2188芯片的第1引脚分别与OPA2188芯片的第2引脚和电阻R9的一端相连；电阻R9的另一端分别与接地电容C10、电阻R25的一端和ads1115芯片的第4引脚相连，电阻R25的另一端与接地LED灯D6的正极相连；OPA2188芯片的第4引脚接地；OPA2188芯片的第6引脚分别与OPA2188芯片的第7引脚和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端分别与接地电容C31和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与接地LED灯D5的正极相连；OPA2188芯片的第8引脚分别与接地电容C11、接地有极性电容C13的正极和5V电压相连。
多通道重金属检测装置包括控制台和检测台，检测台如图8所示，本发明装置共设置四个比色池及其对应贴合连接的四个不同波长的半导体激光器，半导体激光器发射的激光穿过比色池到达半导体激光器正对位置的光电二极管，通过光电二极管接收信号，本装置可选择进行多通道检测(将相同浓度的重金属溶液放入不同的比色池中)或单通道检测(选择其中一个比色池使用)。
如图9所示，该多通道重金属检测方法包括以下步骤：
S1、搭建多通道重金属检测装置，并把检测终端封装到多通道重金属检测装内部；
S2、通过半导体激光器向各个空白比色池发射不同波长的激光，并通过不同的光电二极管进行信号采集，获取各个空白比色池对应的电压信号；
S3、将相同浓度的待检测重金属溶液置于比色池中，通过半导体激光器向各个比色池发射不同波长的激光，并通过不同的光电二极管进行信号采集，获取各个非空白比色池对应的电压信号；
S4、利用空白比色池和非空白比色池对应的电压信号计算电压差；
S5、采用已知的重金属溶液浓度，与该待测重金属溶液浓度对应的在不同激光波长下检测得到的不同电压差作为训练数据训练神经网络，得到训练后的神经网络；
S6、将电压差和该电压差对应的波长数据输入训练后的神经网络，利用训练后的神经网络计算出待检测溶液所对应的浓度。
本发明直接利用电压差测定吸光度的推导过程为：
根据公式：
Figure BDA0003229072480000131
得到吸光度A；其中lg为以10为底的对数函数，T为透射比，Pt为透射光照强度，Pin为入射光照强度；
利用对数放大器基极到发射极电压与集电极电流之间的对数关系，以及AD8304输出电压与探测到的光功率损耗值的线性关系，根据公式：
Figure BDA0003229072480000132
得到AD8304的输出电压VOUT；其中PPD为检测到的光功率，mw为单位毫瓦，C2、K2、C1和K1均为电子网络常数，且
Figure BDA0003229072480000133
以及
Figure BDA0003229072480000134
根据公式：
ΔV＝Vin-Vt
＝K1(lg(Pin/1mw)-lg(Pt/1mw))
＝K1(lg(Pin/Pt))
Figure BDA0003229072480000141
得到与电压差关联的吸光度A′；其中ΔV为透射光与入射光的电压差，Vin为入射光功率对应的电压信号，即测空白比色池AD8304对应的输出电压信号，Vt透射光功率对应的电压信号，即测非空白比色池AD8304对应的输出电压信号，Pin为测空白比色池时检测到的光功率，Pt为测非空白比色池时检测到的光功率。
如图10所示，神经网络包括两个模块；第一个模块包括依次连接的一个输入层、两个隐含层和一个输出层；其中输入层的节点为4，输入四个数据，第一个隐含层的节点为5，第二个隐含层的节点为4，输出层的节点为3，输出三个数据；第二个模块包括依次连接的一个输入层、三个隐含层和一个输出层；其中输入层的节点为7，第一个隐含层的节点为5，第二个隐含层的节点为4，第三个隐含层的节点为4，输出层的节点为1，输出一个数据。
该网络的计算公式如下：
y_1＝W11*x_in+b11
y_2＝W12*y_1+b12
y_3＝W13*y_2+b13
x_in2＝x_in+y_3
y_4＝W21*x_in2+b21
y_5＝W22*y_4+b22
y_6＝W23*y_5+b23
y_out＝W24*y_6+b24
其中x_in为第一模块输入层，y_1为第一模块第一隐含层，y_2为第一模块第二隐含层，y_3为第一模块输出层，x_in2为第二模块输入层，y_4为第二模块第一隐含层，y_5为第二模块第二隐含层，y_6为第二模块第三隐含层，y_out为第二模块输出层，W11、W12和W13为第一模块的权值，W21、W22、W23和W24为第二模块的权值，b11、b12和b13为第一模块的阈值，b21、b22、b23和b24为第二模块的阈值。
本发明的装置通过利用峰值波长附近的多个波长信号同时对重金属离子浓度进行检测，并得到多个对应的电压差信号，实现了重金属离子的多个光学响应，同时结合神经网络算法，提升传感系统的性能。该装置有效提高了重金属离子检测的准确率和灵敏度，实现非线性区域的高精度传感，同时极大降低了重金属离子浓度的检测限。
此外，本发明的传感系统使用价格低廉的多个单波长激光器和光电二极管作为传感元件，避免了使用价格昂贵、体积大的光谱仪，从而极大降低了系统成本，缩小仪器体积，同时提升了测量的准确度和灵敏度，降低了系统的检测限。
本发明设计简化传感采集光路，从而降低成本，减小系统体积，能够实现便携功能；通过多通道与神经网络结合，降低检测误差，降低检测限，增加稳定性，克服了非线性效应对检测的影响，提高检测准确率；通过单片机与神经网络结合，能够实现系统的在线分析；系统通过电路与对应算法结合，提高系统运算速度，减少检测时间，提高检测效率，在尽可能提高系统灵敏度的情况下，避免了工作环境造成的检测时的波长偏移；利用电压差标定吸光度，减少系统运算量；检测终端可实时监测电压信号，以精确获得光照强度，提高检测分辨率；多通道重金属检测装置的比色池直接放置在光源与检测器之间，避免空气在空气中损耗。

Claims (4)

1.一种多通道重金属检测装置，其特征在于：包括半导体激光器、比色池和检测终端；所述检测终端包括电源、光电转换模块、通道选择器、温度传感器、AD转换器、DA转换器、单片机、按键控制模块、显示器和PC端连接模块；其中光电转换模块包括对数放大器和光电二极管；
所述光电二极管的输出端与对数放大器输入端相连；所述光电二极管的输入端与通道选择器的输出端相连，所述对数放大器的输入端与通道选择器的输出端相连；所述通道选择器的输入端与单片机的第一输出端相连；所述通道选择器的输出端与单片机的第一输入端相连；所述对数放大器的输出端与AD转换器的第一输入端；所述单片机与AD转换器相连；所述AD转换器的第二输入端与温度传感器的输出端相连；所述AD转换器的第三输入端与DA转换器的输出端相连；所述DA转换器的输入端与单片机的第二输出端相连；所述单片机的第二输入端与按键控制模块的输出端相连；所述单片机与PC端连接模块相连；所述PC端连接模块与PC相连；所述单片机的第二输出端与显示器的输入端相连；
所述单片机的第1引脚分别与3.3V电压和接地电容C18相连；所述单片机的第8引脚分别与晶振X的一端和接地电容C21相连；所述单片机的第9引脚分别与晶振X的另一端和接地电容C22相连；所述单片机的第29引脚和第30引脚分别与AD转换器相连；所述单片机的第28引脚、第31引脚和第32引脚分别与DA转换器相连；所述单片机的第44引脚、第49引脚、第50引脚和第51引脚分别与通道选择器相连；所述单片机的第58引脚分别与开关key1的一端、接地电容C26和电阻R21的一端相连，所述电阻R21的另一端接3.3V电压；所述开关key1的另一端与接地电阻R22相连；所述单片机的第62引脚和第63引脚接地；所述单片机的第64引脚分别与3.3V电压和接地电容C19相连；
所述通道选择器包括74HC4051芯片；所述74HC4051芯片的第13引脚、第14引脚、第15引脚、第12引脚和第3引脚分别与对数放大器相连；所述74HC4051芯片的第11引脚与单片机的第49引脚相连，74HC4051芯片的第10引脚与单片机的第50引脚相连，74HC4051芯片的第9引脚与单片机的第51引脚相连，74HC4051芯片的第6引脚与单片机的第44引脚相连；所述74HC4051芯片的第7引脚和第8引脚接地；所述74HC4051芯片的第16引脚分别与5V电压和接地电容C23相连；
所述对数放大器包括ad8304芯片；所述ad8304芯片的第1引脚、第2引脚和第14引脚接地；所述ad8304芯片的第3引脚分别与ad8304芯片的第5引脚和接地电容C20相连；所述ad8304芯片的第4引脚分别与电容C17的一端和74HC4051芯片的第3引脚相连；所述电容C17的另一端与接地电阻R12相连；所述ad8304芯片的第13引脚分别与接地电阻Rb1和电阻Ra1的一端相连；所述ad8304芯片的第12引脚分别与ad8304芯片的第10引脚、接地电容C15、接地电容C16和5V电压相连；所述ad8304芯片的第11引脚分别与电阻Ra1的另一端和电容Ca1的一端相连，并作为光电转换模块的输出端；所述ad8304芯片的第9引脚分别与接地电容Cb1和电阻Rd1的一端相连；所述ad8304芯片的第8引脚分别与电容Ca1的另一端和电阻Rd1的另一端相连；
所述ad8304芯片的第6引脚分别与插排XH1的第3引脚、插排XH2的第3引脚、插排XH3的第3引脚、插排XH4的第3引脚、接地电容C32、接地电容C33、接地电容C34和接地电容C35相连；所述插排XH1的第3引脚与第一光电二极管的负极相连，插排XH2的第3引脚与第二光电二极管的负极相连、插排XH3的第3引脚与第三光电二极管的负极相连、插排XH4的第3引脚与第四光电二极管的负极相连；所述插排XH1的第2引脚、插排XH2的第2引脚、插排XH3的第2引脚和插排XH4的第2引脚接地；所述插排XH1的第1引脚分别与第一光电二极管的正极和74HC4051芯片的第13引脚相连，插排XH2的第1引脚分别与第二光电二极管的正极和74HC4051芯片的第14引脚相连；插排XH3的第1引脚分别与第三光电二极管的正极和74HC4051芯片的第15引脚相连；插排XH4的第1引脚分别与第四光电二极管的正极和74HC4051芯片的第12引脚相连。
2.根据权利要求1所述的多通道重金属检测装置，其特征在于：所述电源包括直流插座DC、TPS5430芯片和asm1117-3.3芯片；
所述直流插座DC的第一端口分别与开关SW的一端和接地有极性电容C6的正极相连；所述开关SW的另一端分别与TPS5430芯片的第7引脚和LED灯D3的正极相连；所述LED灯D3的负极与接地电阻R7相连；
所述TPS5430芯片的第1引脚与电容C1的一端相连；所述电容C1的另一端分别与TPS5430芯片的第8引脚、接地二极管D2的负极和电感L1的一端相连；所述电感L1的另一端分别与电阻R1的一端、有极性电容C3的正极、LED灯D1的正极和asm1117-3.3芯片的第3引脚相连；所述电阻R1的另一端分别与TPS5430芯片的第4引脚和接地电阻R5相连；所述LED灯D1的负极与接地电阻R6相连；所述TPS5430芯片的第7引脚分别与开关SW的另一端和接地有极性电容C2的正极相连；所述TPS5430芯片的第6引脚和第9引脚接地；
所述asm1117-3.3芯片的第3引脚分别与电感L1的另一端和接地有极性电容C7的正极相连；所述asm1117-3.3芯片的第2引脚分别与asm1117-3.3芯片的第4引脚、接地有极性电容C8的正极和LED灯D4的正极相连；所述LED灯D4的负极与接地电阻R8相连；所述asm1117-3.3芯片的第1引脚接地。
3.根据权利要求2所述的多通道重金属检测装置，其特征在于：所述AD转换器包括ads1115芯片；所述ads1115芯片的第1引脚和第3引脚接地；所述ads1115芯片的第2引脚与电阻R13的一端相连；所述ads1115芯片的第10引脚分别与电阻R14的一端和电阻R19的一端相连，所述电阻R19的另一端与单片机的第29引脚相连；所述ads1115芯片的第9引脚分别与电阻R15的一端和电阻R20的一端相连，所述电阻R20的另一端与单片机的第30引脚相连；所述电阻R13的另一端、电阻R14的另一端和电阻R15的另一端共同接5V电压；所述ads1115芯片的第8引脚分别与5V电压、接地电容C24和接地电容C25相连；所述ads1115芯片的第4引脚分别与接地电容C27和DA转换器相连；所述ads1115芯片的第5引脚分别与接地电容C28和对数放大器的输出端相连；所述ads1115芯片的第6引脚与接地电容C29相连；所述ads1115芯片的第7引脚与接地电容C30相连。
4.根据权利要求3所述的多通道重金属检测装置，其特征在于：所述DA转换器包括DAC8552芯片、REF3433芯片和OPA2188芯片；
所述DAC8552芯片的第1引脚分别与5V电压、接地电容C5和接地有极性电容C4的正极相连；所述DAC8552芯片的第2引脚分别与接地电容C9、REF3433芯片的第6引脚、REF3433芯片的第5引脚和接地电容C14相连；所述DAC8552芯片的第3引脚与电阻R24的一端相连；所述DAC8552芯片的第4引脚与电阻R10的一端相连；所述DAC8552芯片的第5引脚与电阻R4的一端相连；所述DAC8552芯片的第6引脚与电阻R3的一端相连；所述DAC8552芯片的第7引脚与电阻R2的一端相连；所述DAC8552芯片的第8引脚接地；
所述REF3433芯片的第2引脚和第1引脚接地；所述REF3433芯片的第3引脚分别与REF3433芯片的第4引脚、5V电压和接地电容C13相连；
所述电阻R24的另一端与OPA2188芯片的第5引脚相连；所述电阻R10的另一端与OPA2188芯片的第3引脚相连；所述OPA2188芯片的第1引脚分别与OPA2188芯片的第2引脚和电阻R9的一端相连；所述电阻R9的另一端分别与接地电容C10、电阻R25的一端和ads1115芯片的第4引脚相连，所述电阻R25的另一端与接地LED灯D6的正极相连；所述OPA2188芯片的第4引脚接地；所述OPA2188芯片的第6引脚分别与OPA2188芯片的第7引脚和电阻R23的一端相连，所述电阻R23的另一端分别与接地电容C31和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与接地LED灯D5的正极相连；所述OPA2188芯片的第8引脚分别与接地电容C11、接地有极性电容C13的正极和5V电压相连。
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