摘要:針對蔬菜基地存在的重金屬污染,,設(shè)計(jì)了一種重金屬離子濃度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于離子選擇膜技術(shù),,研制了微小型的Cu+-ISE,,利用電勢測定法研究ISE的電化學(xué)響應(yīng)性能,并結(jié)合一元線性回歸建立電極電勢與離子濃度的數(shù)學(xué)模型,?;?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/STC89C52" title="STC89C52" target="_blank">STC89C52單片機(jī)和AD620運(yùn)放器,設(shè)計(jì)了硬件檢測電路和檢測程序,,實(shí)現(xiàn)了對離子濃度的測量,、顯示和存儲等操作。最后,,通過對Cu+離子溶液的試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測儀的精確性,。
關(guān)鍵詞:蔬菜基地;重金屬離子,;離子選擇電極,;能斯特方程
隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和人口的持續(xù)增長,鉛,、銅,、鋅等重金屬污染已成為全球性的問題。農(nóng)用土壤是受人類活動強(qiáng)烈影響的一類特殊土壤,,其環(huán)境質(zhì)量與人們的身體健康密切相關(guān),。土壤污染源主要來自工業(yè)“三廢”和農(nóng)藥、化肥的大量使用,,污染物可通過灌溉水進(jìn)人土壤,,也可通過大氣污染,、空中的顆粒物(含重金屬和致癌物質(zhì)等)干濕沉降造成土壤污染,隨著時間的推移,,農(nóng)田表層土壤鉛,、銅、鋅等重金屬含量有增加的趨勢,。由于農(nóng)作物的吸收作用,,重金屬元素從土壤中遷移轉(zhuǎn)化到農(nóng)作物根莖葉及果實(shí)中去,從而連帶造成農(nóng)作物的重金屬污染,,危及人們的健康水平,。因此,如何快速而又簡便地實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)基地土壤重金屬含量的在線測量成為了一個至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)問題,。
本離子濃度檢測儀的系統(tǒng)控制電路是以單片機(jī)為核心進(jìn)行擴(kuò)展的,,擴(kuò)展電路由儀用的放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路,、18B20溫度測量電路,、液晶顯示電路、鍵盤電路以及數(shù)據(jù)存儲電路等組成,。設(shè)計(jì)中選擇的單片機(jī)處理器為STC89C52RC+,,鍵盤模塊為一對一按鍵模式,液晶模塊為12864液晶,,溫度傳感器為單總線18B20,,數(shù)據(jù)存儲電路為外接EEPROM。
1 離子濃度檢測原理
離子選擇性電極是一種電勢型電化學(xué)傳感器,,離子選擇性電極的關(guān)鍵部分是離子選擇膜,,在離子選擇膜上不會發(fā)生電子得失,但由于存在離子濃度差異,,在離子選擇膜的兩側(cè)表面上會發(fā)生離子交換,,形成濃差膜電勢,膜電勢與待測溶液中的特定離子濃度服從能斯特方程如下:
能斯特方程即為離子選擇性電極的工作原理,。
由于離子選擇性電極內(nèi)參溶液的離子活度aj保持恒定,,因此膜電勢可以表示為:
式中:EM為膜電勢(V);R=8.314 J/(K·mol)為氣體常數(shù),;T=t+273.15為絕對溫度(K),;F為法拉第常數(shù)(96 487c/mol);z為離子電荷數(shù)(這里,,z=1),;a為待測離子活度,這樣膜電位就成為離子濃度對數(shù)的函數(shù),。
2 檢測儀硬件設(shè)計(jì)
檢測儀硬件電路主要對離子電極產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行采集,、濾波和放大,,使之變換成適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號,并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,,同時理由溫度傳感器讀取環(huán)境溫度信號,,二者由單片機(jī)讀取并處理后,將經(jīng)溫度補(bǔ)償后的檢測結(jié)果進(jìn)行顯示,、存儲,、傳輸和測量結(jié)果打印等操作。據(jù)此,,檢測儀硬件電路主要由離子電極電壓信號采集與處理,、通信、電源,、存儲器和顯示等模塊組成,,如圖1所示。
3 檢測儀軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件總體概述
檢測儀軟件采用模塊化設(shè)計(jì),,基于KeilC51軟件開發(fā)工具,,應(yīng)用C51高級語言進(jìn)行程序的編寫,通過串口完成對單片機(jī)程序的燒寫,,其主要程序包括:基本模塊驅(qū)動程序(即數(shù)據(jù)采集,、顯示、傳輸,、存儲和打印等模塊)和數(shù)據(jù)處理程序。各子程序是在主程序的控制下,,按預(yù)定的方式在各種觸發(fā)條件具備時響應(yīng)并執(zhí)行,。
系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。
3.2 AD轉(zhuǎn)換量
AD轉(zhuǎn)換電路在整個檢測系統(tǒng)中具有重要的作用,,其精度的高低將直接影響到整個系統(tǒng)的正確性,。所有在此系統(tǒng)中采用高精度的AD芯片ADS1100,它是一種全差分,,自校正,,16位A/D轉(zhuǎn)換器。ADS1100也因其精度高,,體積小,,使用方便而在高精度測量,工業(yè)控制過程等方面獲得廣泛的應(yīng)用,。ADS1100因?yàn)槭褂肐2C總線接口傳輸數(shù)據(jù),,所以這里也用到I2C的驅(qū)動程序。
下面是幾個重要的數(shù)據(jù)采集函數(shù):
1)從ADS1100讀一個字節(jié)in_data,,并返回該字節(jié),;
2)ADS1100連續(xù)讀取兩個字adc_h,、adc_l,并計(jì)算電壓值,,最后返回采集的電壓值,。
3.3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能就是使系統(tǒng)按照測量原理,按照給定的流程,,完成數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存,、液晶顯示等任務(wù),。本測量程序依據(jù)讀取的ADS1100轉(zhuǎn)換的數(shù)字量,經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算轉(zhuǎn)換為模擬量顯示在液晶上,,通過單總線接口讀取DS18B20的轉(zhuǎn)換數(shù)值,,得到溶液溫度,同時在測量的過程中會進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高儀器的測量精度,。測量過程中需注意的是,,在測量前需多次(至少3次以上)用待測溶液清洗電極以減小誤差。
下面為最后的電壓轉(zhuǎn)化函數(shù),,由此便可將電壓值record.Ads轉(zhuǎn)化為濃度值record.density,。
流程圖如圖3所示。
4 試驗(yàn)及結(jié)果討論
4.1 銅離子濃度檢測
室溫下,,將離子電極和參比電極與不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)銅離子溶液組成二電極體,,測量不同濃度下離子選擇性電極的電勢,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。
室溫下,,銅離子選擇性電極的電勢與銅離子濃度的關(guān)系,如圖4所示,,可知在濃度5.0x10-2~5.0x10-4mol/L之間電極電勢與離子濃度基本滿足能斯特關(guān)系,。
4.2 結(jié)果與討論
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)在5.0x10-2~5.0x10-4mol/L濃度范圍,結(jié)合式(2),,則待擬合電極電勢與離子濃度的對數(shù)之間的關(guān)系為:
其中,,K和S分別為待辨識參數(shù),分別表示截距和斜率,。
利用極大似然估計(jì)法來估計(jì)k和s,,即取k’和s’,使當(dāng)k=k’和s=s’時,,
為驗(yàn)證該離子濃度計(jì)算模型的性能,,以其余濃度測量值為驗(yàn)證數(shù)據(jù),計(jì)算出各濃度所對應(yīng)的模型值,,結(jié)果如下:
由表2結(jié)果可知,,離子濃度模型(9)的計(jì)算值與實(shí)際測量值的相對誤差小于2%,。這表明該檢測儀具有較好的測量精度和和實(shí)用價(jià)值。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于能斯特效應(yīng)的蔬菜基地重金屬離子濃度檢測系統(tǒng),,給出了檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和濃度檢測原理,,建立了離子濃度測量數(shù)學(xué)模型,利用單片機(jī)內(nèi)部及擴(kuò)展硬件資源,,實(shí)現(xiàn)了對蔬菜基地土壤重金屬離子的在線檢測,,測量過程自動化,有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)化驗(yàn)方法檢測時間長和檢測過程煩瑣等缺陷,,該技術(shù)在檢測領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際意義,。