CN203732497U - 一种便携式土壤重金属快速检测仪 - Google Patents

Abstract

一种便携式土壤重金属快速检测仪，该检测仪包括微控制器模块、恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块、串口通信模块、搅拌电机模块、电源模块。恒电位仪可补偿电化学反应过程中工作电极电势的波动，稳定工作电极电压；电流电压转换放大模块采用两级负反馈放大电路；控制器模块可以实现对恒电位仪的监控，及时采集并保存工作电极上的信号。该检测仪体积小，成本低，功耗低，性能稳定，具有较好的精确度。

Description

一种便携式土壤重金属快速检测仪

技术领域

本实用新型涉及农业信息获取技术领域，特别涉及基于电化学分析的土壤重金属快速检测技术。

背景技术

土壤是从事农业生产的本源所在，农田土壤保护是保障粮食与食品安全的重要物质基础。随着现代工业的飞速发展，大量的工业废弃物、生活污染物的排放，以及化肥农药过量地使用，使农田土壤遭受到严重的污染。土壤中的重金属不能被微生物降解，相反却能在农作物体内富集，影响农产品的质量，进而对人类健康产生不良影响。从农产品产地出发，运用先进、高效、适用的技术进行农田土壤重金属污染物含量检测，实现对农产品产地环境的监测和污染防治，对我国的农产品安全生产有着重要的实际意义。

目前土壤重金属的检测方法主要有光谱法、电化学方法以及新兴的生物检测技术。其中，电化学分析法因其具有简单、灵敏、准确、快速的特点，已经成为当前快速检测土壤重金属的重要方法。电化学法检测重金属主要包括离子选择性电极法、极谱法和伏安法。其中伏安法因其成本低廉、操作简单、精确度高成为最常用的重金属分析方法。其原理是在恒电位及搅拌条件下预电解土壤浸提液数分钟后，让溶液静止30～60s，然后从负电位扫描到较正的电位，富集在电极上的物质因发生氧化反应而重新溶出。溶出过程产生的电流信号呈峰状，其峰电流与土壤浸提液中重金属离子浓度成正比。若浸提液中有多种重金属离子共存时，富集过程按沉积电压大小依次沉积，溶出时，先沉积的离子后析出。

目前土壤重金属的检测的电化学工作站价格昂贵、体积庞大，不易完成农业生产过程中对土壤重金属大面积快速检测的要求。因此，本实用新型设计一种便携式土壤重金属快速检测仪，基于阳极溶出伏安法，可以实现对土壤浸提液中重金属含量的快速检测。该检测仪具有低成本、低功耗、体积小、操作简单、工作稳定、精确度高等优点，适用于农田土壤重金属的快速检测。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种便携式土壤重金属快速检测仪，设计并集成多种模块，其操作简单、工作稳定、精确度高、体积小、成本低。

为了解决上述现有技术的问题，本实用新型提供了一种便携式土壤重金属快速检测仪，包括微控制器模块、恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块、串口通信模块、搅拌电机模块、电源模块。

一种便携式土壤重金属快速检测仪，所述检测仪对电解池中的土壤浸提液进行快速检测，电解池中布置有搅拌棒、参比电极、辅助电极以及工作电极；其特征在于：

包括微控制器模块、恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块、串口通信电路、搅拌电机模块、电源模块；

微控制器模块包括CPU，UART模块，D/A模块和A/D模块；

电流电压转换及放大模块的输入端与工作电极连接，输出端与A/D模块相连，用于将工作电极上产生的小电流信号转化、滤波、放大，使之变为可被采集的大电压信号；

恒电位仪模块的控制输入端与所述微控制器模块中的D/A模块相连，输出端连接辅助电极，反馈输入端与参比电极相连，通过溶液电阻构成负反馈回路。用于保证参比电极无电流通过的情况下，控制参比电极与工作电极间的电势差；

UART模块通过串口通信电路与上位机连接，用于所述微控制器模块与上位机进行通信，接收上位机指令，并向上位机发送采集到的数据；

搅拌电机模块与所述微控制器模块相连，用于控制搅拌棒，对土壤浸提液进行搅拌；

所述电源模块分别与所述微控制器模块、恒电位仪模块以及电流电压转换及放大模块相连，用于为微控制器模块提供3.3V工作电源及4.096V参考电源，为恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块提供5V、-5V工作电源。

所述微控制器模块还包括晶振电路、复位电路、JTAG接口，优选地，所述微控制器选用MSP430F169混合信号处理器。

所述恒电位仪在参比电极的负反馈回路中引入电压跟随器。

电流电压转换及放大模块包括两级放大电路和带有偏置电源的电压跟随器电路。所述两级放大电路均包括AD8625模拟放大器构成负反馈放大电路，每级放大电路均连接有4通道的模拟多路转换器ADG1404实现可变增益，工作电极与第一级放大电路中AD8625的反向输入端连接，第一级放大电路还包括由电阻、电容构成的低通滤波电路。

所述搅拌电机模块采用额定电压为5V的直流电机。

所述电源模块包括LM7805、LM1117_3.3、MAX829及ADR292芯片，以及相应的外围电路。

本实用新型的便携式土壤重金属快速检测仪有如下效果：

一、采用的MSP430F169混合信号处理器具有超低功耗，内部功能模块在待机状态时可以关闭，同时各个输入端口漏电流远低于其他系列单片机，降低了整个系统的总功耗。

二、采用低噪声小功率精密参考电压源ADR292产生的高精度的4.096V电压作为模数转换和数模转换的参考电源，提高了精度。

三、将电压跟随器引入恒电位仪参比电极的反馈环中，使参比电极不需要承载反馈电流。

四、电流电压转换模块采用两级增益可调放大电路，可根据电流信号大小选择放大倍数，减小运放因放大倍数过大产生的噪声信号，从而利于高效提取有效信号。

五、通过串口通信模块可与上位机相连，通过上位机软件对数据进行处理，提高检测精度。

六、将所有模块集成一体，设备整体体积减小，便于携带，且操作方便。

附图说明

图1一种便携式土壤重金属快速检测仪结构示意图；

图2恒电位仪模块电路原理图；

图3电流电压转换级放大模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本实用新型作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型的实施方式，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实施例记载了一种便携式土壤重金属快速检测仪，包括微控制器模块、恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块、串口通信模块、搅拌电机模块、电源模块。

该便携式土壤重金属快速检测仪是对电解池中的土壤浸提液进行快速检测，电解池中布置有搅拌棒、参比电极、辅助电极以及工作电极。

微控制器模块包括CPU，UART模块，D/A模块和A/D模块，另外，微控制器模块还包括晶振电路（图中未示出）、复位电路以及JTAG接口。优选地，微控制器模块采用MSP430F169混合信号处理器。该处理器具有超低功耗，内部功能模块在待机状态时可以关闭，同时各个输入端口漏电流远低于其他系列单片机，可降低整个系统的总功耗。

电流电压转换及放大模块(I/V转换放大电路)的输入端与工作电极连接，输出端与A/D模块相连，用于将工作电极上产生的小电流信号转化、滤波、放大，使之变为可被采集的大电压信号，其电路图如图3所示。该电路采用两级放大，运放采用高输入阻抗的AD8625模拟放大器，两级均采用电压串联负反馈。每级放大电路均连接有4通道的模拟多路转换器ADG1404，可根据需要调节放大倍数。工作电极虚地连接，从一级运放的反向输入端输入，一级放大利用RC负反馈回路进行滤波处理。两级放大之后的电压信号，通过电压跟随器与偏置电压相加，得到的AD电压与微控制器模块的A/D模块相连，转化为数字信号，微控制器模块中的CPU对该数字信号进行采集。多路模拟转换器ADG1404的控制端分别与微控制器模块控制管脚连接，可根据需要切换放大倍数。根据本实用新型的示例性实施例，AD电压与MSP430F169的P65管脚连接，进入A/D模块中，转化为数字信号。多路模拟转换器ADG1404的控制端分别与MSP430F169的P40～P45管脚连接，MSP430F169可根据需要改变P40～P45上的电位，从而改变多路模拟转换器ADG1404放大倍数。

恒电位仪模块的控制输入端与所述微控制器模块中的D/A模块相连，输出端连接辅助电极，反馈输入端与参比电极相连，通过溶液电阻构成负反馈回路。用于保证参比电极无电流通过的情况下，控制参比电极与工作电极间的电势差。其电路如图2所示，D/A模块输出电压信号DA与偏置电压相加后，通过运放与辅助电极连接，并由参比电极和电压跟随器构成负反馈回路。由于工作电极“虚地”连接，工作电极相对于参比电极的电压与DA输出电压和偏置电压之和相同。当电解池中电流发生变化时，参比电极与工作电极电势差的偏移，会通过负反馈得到补偿，从而保持恒定。根据本实用新型的示例性实施例，MSP430F169的DA模块输出电压信号从P66管脚输出。

所述搅拌电机模块与所述微控制器模块相连，用于控制搅拌棒。搅拌电机固定于电解池上盖，连接的搅拌棒伸入土壤浸提液中，根据需要对土壤浸提液进行搅拌。优选地，搅拌控制信号通过继电器控制。

UART模块通过串口通信电路与上位机连接，用于所述微控制器模块与上位机进行通信，接收上位机指令，并向上位机发送采集到的数据。上位机可通过对数据的分析计算，得出土壤浸提液中重金属浓度。

所述电源模块分别与所述微控制器模块、所述恒电位仪模块、所述电流电压转换及放大模块相连，用于提供5V、-5V、3.3V工作电源及高精度的4.096V参考电源。根据本实用新型的示例性实施例，使用LM7805芯片将9V的外接电源电压转化为5V供电电压；使用LM1117_3.3芯片将5V电压降为3.3V供电电压；使用MAX829芯片将5V电压反转为-5V电压；使用ADR292芯片产生高精度的4.096V参考电压，并用运放产生-2.048V的偏置电压。4.096V参考电压从MSP430F169的P10接入A/D和D/A模块。

微控制器模块电路还包括晶振电路、上电复位电路和JTAG接口。其中晶振电路包括32.768KHz的低频晶振和8M的高频晶振电路。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种便携式土壤重金属快速检测仪，所述检测仪对电解池中的土壤浸提液进行快速检测，电解池中布置有搅拌棒、参比电极、辅助电极以及工作电极；其特征在于：

包括微控制器模块、恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块、串口通信电路、搅拌电机模块、电源模块；

微控制器模块包括CPU，UART模块，D/A模块和A/D模块；

电流电压转换及放大模块的输入端与工作电极连接，输出端与A/D模块相连，用于将工作电极上产生的小电流信号转化、滤波、放大，使之变为可被采集的大电压信号；

恒电位仪模块的控制输入端与所述微控制器模块中的D/A模块相连，输出端连接辅助电极，反馈输入端与参比电极相连，通过溶液电阻构成负反馈回路，用于保证参比电极无电流通过的情况下，控制参比电极与工作电极间的电势差；

UART模块通过串口通信电路与上位机连接，用于所述微控制器模块与上位机进行通信，接收上位机指令，并向上位机发送采集到的数据；

搅拌电机模块与所述微控制器模块相连，用于控制搅拌棒，对土壤浸提液进行搅拌；

所述电源模块分别与所述微控制器模块、恒电位仪模块以及电流电压转换及放大模块相连，用于为微控制器模块提供3.3V工作电源及4.096V参考电源，为恒电位仪模块、电流电压转换及放大模块提供5V、-5V工作电源。

2.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述微控制器模块还包括晶振电路、复位电路、JTAG接口。

3.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述微控制器为MSP430F169混合信号处理器。

4.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述恒电位仪在参比电极的负反馈回路中引入电压跟随器。

5.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，电流电压转换放大模块包括两级放大电路和带有偏置电源的电压跟随器电路。

6.根据权利要求5所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述两级放大电路均包括AD8625模拟放大器构成负反馈放大电路，每级放大电路均连接有4通道的模拟多路转换器ADG1404实现可变增益，工作电极与第一级放大电路中AD8625的反向输入端连接，第一级放大电路还包括由电阻、电容构成的低通滤波电路。

7.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述搅拌电机模块采用额定电压为5V的直流电机。

8.根据权利要求1所述的便携式土壤重金属快速检测仪，其特征在于，所述电源模块包括芯片LM7805、LM1117_3.3、MAX829以及ADR292。