CN212255181U - 基于三电极复合探头的氨氮检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水质检测技术领域，涉及一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统。该系统包括氨氮在线检测平台、微控制器模块、信号接收处理模块和三电极复合探头检测模块。所述微控制器模块包括JTAG接口、复位电路、串口通讯模块、主控芯片、阀门控制模块和电源模块；所述信号接收处理模块包括温度补偿电路、ADC转换电路、电源隔离电路和电极缓冲电路；所述三电极复合探头检测模块包括温度电极、PH电极和氨气敏电极。本实用新型具有成本低、精度较高、可靠性好等优点，能够对水体中氨氮含量进行有效快速的检测，可降低养殖户的人工和时间成本，可通过氨氮浓度预警来避免鱼群大范围死亡，具有较好的应用前景。

Description

基于三电极复合探头的氨氮检测系统

技术领域

本实用新型属于水质检测技术领域，具体涉及一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，大量污染物未经严格处理就直接排放至江河湖海中，导致水质环境遭到破坏，居民饮水环境也受到威胁，极大的影响了人民生活生产的水质环境。为避免因水质污染引起的水质环境的破坏，有必要对水质环境进行分析和检测，并采取有效的手段保护并改善水质环境，为人民生活和水产养殖提供更加良好健康的水质环境。

水体的氨氮含量是反映水体质量的一个重要参数指标，氨氮含量是指水体中以游离态NH₃和铵离子NH₄ ⁺形式存在的氮。在氧气充足的情况下，氨氮可被微生物氧化为亚硝酸盐氮，进而分解成硝酸盐氮，亚硝酸盐氮与蛋白质结合生成亚硝胺，这种物质对人体有致癌和致畸的作用。同样氨氮对鱼类也有较大的危害，它对鱼类的毒性是当它们进入血液后，将血红蛋白分子中的Fe₂ ⁺氧化成为Fe₃ ⁺，抑制了血液的载氧能力所致，严重时可引起鱼类窒息、死亡。即使是低浓度的氨，长期接触也会损害鳃组织，出现鳃小片弯曲、粘连或融合现象。因此，水体的氨氮含量检测对日常生活与养殖生产有着重要意义和广阔的应用前景。

水质氨氮检测大多数采用电极式传感器对水中的铵离子NH₄ ⁺和游离氨NH₃进行检测，多数都是通过电极表面物质材料与铵离子或NH₃分子发生电化学反应，从而引起检测电路中电压或者电流发生变化，通过检测电路中的电压值与电流值的变化来检测水体中氨氮含量。目前的氨氮检测系统有一些不足与缺点：仪器造价高昂，检测成本较高，操作复杂，检测精度不高，体积大，携带不便，电极易损坏等缺点。因此，在氨氮检测系统中，如何有效的克服现有氨氮检测系统的缺点，提高测量精度，降低测量成本与操作难度成为急需解决的问题。

基于此，本实用新型以水体的氨氮含量为检测对象，设计了一种操作简单，成本低、自动化程度高的基于三电极复合探头的氨氮检测系统，具有较好的应用价值。

实用新型内容

本实用新型为了适应现实的需要，设计了一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统，包括氨氮在线检测平台、微控制器模块、信号接收处理模块和三电极复合探头检测模块；所述氨氮在线检测平台，用于对微控制器模块进行信号控制，将采集到的参数进行数据上传，最终以数据可视化的形式显示到用户界面；所述微控制器模块包括JTAG接口用于连接外部设备给主控芯片烧录程序，所述复位电路用于系统程序出现故障时，使系统恢复初始状态，所述串口通讯模块用于主控芯片与氨氮在线检测平台进行数据传输，所述阀门控制模块用于控制蠕动泵与电磁阀的通断，执行水样采集流程与添加碱化屏蔽试剂流程，所述电源模块分成三部分分别对阀门控制模块、微控制器模块和信号接收处理模块供电；所述信号接收处理模块，通过电极缓冲电路连接三电极复合探头检测模块进行水体氨氮数据的采集处理，所述温度补偿电路用于减小输出信号随温度变化而产生的漂移，所述ADC转换电路接收电极缓冲电路的缓冲处理过的电化学信号，并将该信号转换成模拟电信号，所述电源隔离电路用于隔离逻辑信号和ADC转换电路中的电源反馈路径；所述三电极复合探头检测模块包括温度电极用于测量水样温度通过温度补偿电路提升系统检测精度，所述PH电极检测水样当前PH值，所述氨气敏电极检测水样中氨氮浓度。

所述串口通讯模块使用USB转RS-485串口连接氨氮在线检测平台。

所述JTAG接口用于系统程序的编辑、调试和升级，连接JLINK调试器后可在电脑上在线调试，可将程序烧录到主控芯片中。

所述阀门控制模块用于控制蠕动泵取用待测水样和添加碱化屏蔽剂，通过控制电磁阀完成废液排出功能。

优选地，所述电源模块的包括三个电压级别：背景输入电压为+12V，用于阀门控制模块完成对蠕动泵和电磁阀的控制；+12V电压经LM7805降压后输出+5V电压，用于主控芯片向信号接收处理模块发送氨氮参数采集的控制命令；+5V电压经LM1117降压后输出+3.3V电压，用于电极缓冲电路减小三电极复合探头检测模块采集信号的误差。

优选地，所述电源隔离电路采用ADuM5401芯片用于隔离电源电压波动对信号采集的干扰。

优选地，所述ADC转换电路采用AD7793芯片用于连接电极缓冲电路，并将接收到的氨氮参数进行D/A转换、信号调理以及A/D转换。

优选地，所述电极缓冲电路采用AD8603芯片是微功耗及低噪声CMOS运算放大器，用于高输出阻抗的负载，减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。

优选地，所述氨气敏电极包括聚偏氟乙烯薄膜、屏蔽导线、电极帽、PH敏感玻璃电极和Ag-AgCl参比电极。

综上所述，本实用新型的有益效果是：

1.检测系统可对水体氨氮含量进行在线检测，实时显示当前水体的氨氮浓度，可避免鱼群由于氨氮浓度过高导致大范围死亡，避免养殖户遭受巨大损失；

2.采用温度补偿电路，可有效减小输出信号随温度变化而产生的信号漂移，提升系统检测精度；

3.采用样本自动进样，有效的降低了人工成本，提高了工作效率，自动化程度高；

4.整个检测系统结构简单，设计合理，便于携带。

附图说明

图1为本实用新型基于三电极复合探头的氨氮检测系统整体结构示意图。

图中：1.氨氮在线检测平台；2.微控制器模块；3.信号接收处理模块；4.三电极复合探头检测模块；21.JTAG接口；22.复位电路；23.串口通讯模块；24.主控芯片；25.阀门控制模块；26.电源模块；31.温度补偿电路；32.ADC转换电路；33.电源隔离电路；34.电极缓冲电路；41.温度电极；42.PH电极；43.氨气敏电极。

具体实施方式

现结合图1详细描述本实用新型的实施例，并对本实用新型进一步详细说明。

一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统，包括氨氮在线检测平台1、微控制器模块2、信号接收处理模块3和三电极复合探头检测模块4；所述氨氮在线检测平台1，用于对微控制器模块2进行信号控制，将采集到的参数进行数据上传，最终以数据可视化的形式显示到用户界面；所述微控制器模块2包括JTAG接口21用于连接外部设备给主控芯片24烧录程序，所述复位电路22用于系统程序出现故障时，使系统恢复初始状态，所述串口通讯模块23用于主控芯片24与氨氮在线检测平台1进行数据传输，所述阀门控制模块25用于控制蠕动泵与电磁阀的通断，执行水样采集流程与添加碱化屏蔽试剂流程，所述电源模块26分成三部分分别对阀门控制模块25、微控制器模块2和信号接收处理模块3供电；所述信号接收处理模块3，通过电极缓冲电路34连接三电极复合探头检测模块4进行水体氨氮数据的采集处理，所述温度补偿电路31用于减小输出信号随温度变化而产生的漂移，所述ADC转换电路32接收电极缓冲电路34的缓冲处理过的电化学信号，并将该信号转换成模拟电信号，所述电源隔离电路33用于隔离逻辑信号和ADC转换电路32中的电源反馈路径；所述三电极复合探头检测模块4包括温度电极41用于测量水样温度通过温度补偿电路31提升系统检测精度，所述PH电极42检测水样当前PH值，所述氨气敏电极43检测水样中氨氮浓度。

所述串口通讯模块23使用USB转RS-485串口连接氨氮在线检测平台1。

所述JTAG接口21用于系统程序的编辑、调试和升级，连接JLINK调试器后可在电脑上在线调试，可将程序烧录到主控芯片24中。

所述阀门控制模块25用于控制蠕动泵取用待测水样和添加碱化屏蔽剂，通过控制电磁阀完成废液排出功能。

所述电源模块26的包括三个电压级别：背景输入电压为+12V，用于阀门控制模块25完成蠕动泵和电磁阀的控制；LM7805降压后输出+5V，用于主控芯片24向信号接收处理模块3发送氨氮参数采集的控制命令；LM1117降压后输出+3.3V，用于电极缓冲电路34减小三电极复合探头检测模块4采集信号的误差。

所述电源隔离电路33用于隔离电源电压波动对信号采集的干扰。

所述ADC转换电路32用于连接电极缓冲电路34，并将接收到的氨氮参数进行D/A转换、信号调理以及A/D转换。

所述电极缓冲电路34是微功耗及低噪声CMOS运算放大器，用于高输出阻抗的负载，减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。

所述氨气敏电极43包括聚偏氟乙烯薄膜、屏蔽导线、电极帽、PH敏感玻璃电极和Ag-AgCl参比电极。

基于三电极复合探头的氨氮检测系统使用步骤如下：

a，打开电源模块26，检测系统开始工作；

b，用户使用氨氮在线检测平台1发出开始检测指令，指令通过串口通讯模块23作用于主控芯片24运行阀门控制模块25打开蠕动泵，使得待测水样与碱化屏蔽剂进入三电极复合探头检测模块4位置；

c，开始测量温度，PH值或氨氮浓度，电化学信号通过电极缓冲电路34进行信号放大处理，ADC转换电路32接收放大后的电化学信号，并将该信号转换成模拟电信号，反馈给主控芯片24；

d，通过温度电极PT-100采集到的水体温度值传输到温度补偿电路31进行温度补偿，可充当ADC基准电压，减小输出信号随温度变化而产生的信号漂移；

e，重复步骤c和d，对水体氨氮进行多次检测，保证数据的可靠性，测量结束后阀门控制模块25打开电磁阀，将废液排出检测装置；

f，主控芯片24对数据进行校验、有效性判断等算法后取均值，经串口通讯模块23将水样氨氮浓度与PH值发送给氨氮在线检测平台1；

g，停止检测，系统进入休眠模式；

h，根据需要设置采样间隔时间，重复步骤b-g，实现数据的实时检测。

上述通过附图所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制；对于本领域的技术人员而言，可以在不脱离本实用新型的原理和精神下对本实例进行变型和参数置换，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同确定。

Claims (9)

1.一种基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，该系统包括氨氮在线检测平台(1)、微控制器模块(2)、信号接收处理模块(3)和三电极复合探头检测模块(4)；所述氨氮在线检测平台(1)用于对微控制器模块(2)进行信号控制，将采集到的参数进行数据上传，最终以数据可视化的形式显示到用户界面；所述微控制器模块(2)包括JTAG接口(21)、复位电路(22)、串口通讯模块(23)、主控芯片(24)、阀门控制模块(25)和电源模块(26)；所述JTAG接口(21)用于连接外部设备给主控芯片(24)烧录程序，所述复位电路(22)用于系统程序出现故障时，使系统恢复初始状态，所述串口通讯模块(23)用于主控芯片(24)与氨氮在线检测平台(1)进行数据传输，所述阀门控制模块(25)用于控制蠕动泵与电磁阀的通断，执行水样采集流程与添加碱化屏蔽试剂流程，所述电源模块(26)分成三部分分别对阀门控制模块(25)、微控制器模块(2)和信号接收处理模块(3)供电；所述信号接收处理模块(3)包括温度补偿电路(31)、ADC转换电路(32)、电源隔离电路(33)和电极缓冲电路(34)；所述信号接收处理模块(3)通过电极缓冲电路(34)连接三电极复合探头检测模块(4)进行水体氨氮数据的采集处理，所述温度补偿电路(31)用于减小输出信号随温度变化而产生的漂移，所述ADC转换电路(32)接收电极缓冲电路(34)的缓冲处理过的电化学信号，并将该信号转换成模拟电信号，所述电源隔离电路(33)用于隔离逻辑信号和ADC转换电路(32)中的电源反馈路径；所述三电极复合探头检测模块(4)包括温度电极(41)、PH电极(42)和氨气敏电极(43)；所述温度电极(41)用于测量水样温度通过温度补偿电路(31)提升系统检测精度，所述PH电极(42)检测水样当前PH值，所述氨气敏电极(43)检测水样中氨氮浓度。

2.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述串口通讯模块(23)使用USB转RS-485串口连接氨氮在线检测平台(1)。

3.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述JTAG接口(21)用于系统程序的编辑、调试和升级，连接JLINK调试器后可在电脑上在线调试，可将程序烧录到主控芯片(24)中。

4.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述阀门控制模块(25)用于控制蠕动泵取用待测水样和添加碱化屏蔽剂，通过控制电磁阀完成废液排出功能。

5.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述电源模块(26)包括三个电压级别：背景输入电压为+12V，用于阀门控制模块(25)完成对蠕动泵和电磁阀的控制；+12V电压经LM7805降压后输出+5V电压，用于主控芯片(24)向信号接收处理模块(3)发送氨氮参数采集的控制命令；+5V电压经LM1117降压后输出+3.3V电压，用于电极缓冲电路(34)减小三电极复合探头检测模块(4)采集信号的误差。

6.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述电源隔离电路(33)用于隔离电源电压波动对信号采集的干扰。

7.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述ADC转换电路(32)用于连接电极缓冲电路(34)，并将接收到的氨氮参数进行D/A转换、信号调理以及A/D转换。

8.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述电极缓冲电路(34)是微功耗及低噪声CMOS运算放大器，用于高输出阻抗的负载，减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。

9.根据权利要求1所述基于三电极复合探头的氨氮检测系统，其特征在于，所述氨气敏电极(43)包括聚偏氟乙烯薄膜、屏蔽导线、电极帽、PH敏感玻璃电极和Ag-AgCl参比电极。

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