一种水中六价铬便携式检测仪硬件系统的设计

2023-10-07邓明哲樊全水

电子技术应用 2023年9期

邓明哲，郭震，雷磊，樊全水，陈浩

（北京新风航天装备有限公司，北京 100854）

0 引言

六价铬是一种吸入性和吞入性致毒物，可通过消化道、呼吸道和皮肤黏膜进入人体，极容易被人体吸收。其对人体可能造成多种危害及反应，如皮肤刺激、组织细胞损伤、消化或呼吸系统损伤、骨骼生长受阻、肝肾毒性等[1]。六价铬已广泛存在于电镀、金属加工、制革、钢铁和化工等工业废水中，被认为是一种重要的环境污染物质[2-4]。

由于六价铬对人体具有巨大的毒性，并且对人体有严重的致癌作用，若其超过10 mg/L 对水生动物也具有致死作用[5],因此，研制水中六价铬便携式检测仪，并准确分析出水中六价铬的含量，对治理水污染、保障人民饮水安全、促进社会经济发展有重要作用。

目前，水中六价铬的检测方法主要包括基于二苯碳酰二肼显色剂的分光光度法、化学发光分析法、原子吸收分光光度法、电化学法、离子色谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等[6-8]。这些检测方法虽能较准确地检测出六价铬的浓度，但同时也存在操作复杂、需有机溶剂多次萃取、所需检测仪器体积大等缺陷，不能对水质进行现场快速检测。本文依据朗伯-比尔定律，以二苯碳酰二肼为显色剂，结合显色反应与分光光度法实现对水中六价铬浓度的检测。与其他水中六价铬检测仪器相比，该六价铬便携式检测仪具有体积小、重量轻、操作简单、可靠性高等优点，可对水质进行快速、准确的现场检测，满足了目前野外水质检测的迫切需求。

1 检测仪工作原理

1.1 朗伯-比尔定律

检测仪的工作原理是基于朗伯-比尔定律，即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，如图1 所示，其吸光度(Absorbance，A)与吸光物质的浓度(Concentration，C)及吸收层厚度(Length，L)成正比[9]。

图1 光垂直照射并穿过比色皿

朗伯-比尔定律又称吸收定律[10-11]，其公式如下：

式中，A为吸光度；I0为入射光光强度；I1为透射光光强度；ε为摩尔吸光系数，单位为L/(mg·cm)；L为溶液厚度，单位为cm；C为吸光物质溶液的浓度，单位为mg/L。

对特定波长的光，物质溶液的摩尔吸光系数ε是一个常数。根据式(1)可知，当入射光的波长和物质溶液的厚度恒定时，物质溶液的吸光度与物质溶液的浓度成正比。因此，若已知物质溶液的摩尔吸光系数、溶液厚度，通过测定物质溶液的吸光度即可计算出物质溶液的浓度。

由于检测系统中存在测量误差，因此在式(1)中加入补偿值e。经补偿后，得到[12]：

1.2 水中六价铬的检测方法

基于朗伯-比尔定律的六价铬检测方法是国际上对水中六价铬浓度的标准检测方法。该方法原理是在酸性溶液中加入显色剂二苯碳酰二肼，二苯碳酰二肼被氧化成二苯缩二氨基脲；将二苯缩二氨基脲加入含有六价铬的溶液中，二苯缩二氨基脲与六价铬反应形成紫红色的络合物。该络合物的最大吸收波长为540 nm，吸光度与浓度的关系符合朗伯-比尔定律。因此，通过测量络合物的浓度即可间接测量出六价铬的浓度[13-15]。

2 便携式检测仪组成

六价铬便携式检测仪如图2 所示，由光学检测模块、打印机模块、键盘模块、显控模块、电源模块及箱体组成。

图2 六价铬便携式检测仪

光学检测模块、打印机模块、键盘模块、显控模块、液晶屏模块、电源模块的接口关系如图3 所示。显控模块是检测仪的核心控制模块。键盘模块通过GPIO 接口连接到显控模块，向显控模块发送指令。光学检测模块用于检测溶液吸光度，通过发光二极管接口和模拟量接口与显控模块连接。打印机模块用于打印检测结果，通过RS232 与显控模块连接。液晶屏模块用于显示检测结果，通过EMIF 接口与显控模块相连。电源模块将DC12 V 直流输入电源转换为其他模块所需的电源。

图3 六价铬检测实验系统框图

2.1 光学检测模块

光学检测模块如图4 所示，由光路平台、光电传感器、发光二极管、压紧盖等组成。检测仪测试时，盛有待测溶液的比色管插入到比色管孔，发光二极管发出中心波长为520～525 nm 的光束，该光束穿过试验舱和比色管到达光电传感器，光电传感器将透射光的光强转换为电流信号，并将电流信号传给显控模块。

图4 光学检测模块

LED 发光二极管为F5 圆头翠绿光LED，驱动电压为3.0～3.2 V，额定电流为20 mA，亮度为18 000～20 000 mcd。图5 为LED 的波长与亮度关系曲线。

图5 波长与亮度关系曲线

光电传感器采用硅光电池，是一种直接将光能转换成电能的半导体器件。其有一个大面积的PN 结，当光照射到PN 结上时，PN 结两端产生电动势，在电极之间就能输出一定的电流和电压[16-17]。系统中硅光电池型号为2DU10，光敏面积为10×10 mm2；峰值波长为700 nm；100 Lx 光照射时，短路电流不小于20 μA，开路电压不小于300 mV。图6 为2DU10 外形图，图7 为2DU10 光谱特性曲线。

2.2 显控模块

显控模块选用的控制器为STM32F407ZGT。STM32F407ZGT 是一款微控制器单元，基于高性能ARM®Cortex® -M432 位RISC 内核，工作频率高达168 MHz[18-19]。Cortex-M4 内核具有浮点单元(FPU)单精度，支持所有ARM 单精度数据处理指令和数据类型。其实现了全套DSP 指令和增强应用程序安全性的内存保护单元(MPU)。所有器件均提供3 个12 位ADC、2 个DAC、1 个低功耗RTC、12 个通用16 位定时器，包括2 个PWM 定时器、2 个通用32 位定时器，图8 为显控模块的电路框图。

图8 显控模块电路框图

STM32F407 的系统时钟有外部振荡器、外部时钟、内部时钟3 种来源。检测仪采用内部时钟源，内部时钟源由内部16 MHz 的RC 振荡器产生，振荡频率在芯片出厂时进行了校正，精度为1%(25 ℃)。

STM32F407 通过地址重映射的方式实现了3 种启动方式，如表1 所示。复位后，STM32F407 会在SYSCLK的第4 上升沿采集BOOT1 和BOOT0 引脚电平，以确定系统的启动方式。由于检测仪的程序存储在Main Flash memory 上，因此将BOOT0 管脚通过4.7 kΩ 电阻拉低，将启动模式设置为Main Flash memory 启动模式。

表1 STM32F407 启动配置

STM32F407 的JTAG 调试接口包括JTRST、JTDI、JTMS、JTDO、RESET 5 个管脚。JTAG 管脚浮空时会将干扰引入芯片内部，因此STM32F407 在芯片内部将NJTRST、JTDI、JTMS/SWDIO 管脚上拉，将JTCK/SWCLK 下拉，图9 为显控模块JTAG 调试接口电路。

图9 JTAG 调试接口

2.2.1 光学匹配电路

光学匹配电路包括光源驱动电路和预处理电路两部分。光源驱动电路用于驱动发光二极管，预处理电路用于处理硅光电池的输出信号。

为了降低发光二极管驱动电流波动引入的干扰，发光二极管采用恒流源驱动方式，图10 为LED 发光二级管驱动电路。

图10 LED 发光二级管驱动电路

恒流源驱动芯片为SM2082G。SM2082G 是单通道LED 恒流驱动控制芯片，芯片结构简单，外围元件极少，成本低；输出电流由外接Rext电阻设置，且输出电流不随芯片OUT 端口电压而变化，有较好的恒流性能。

SM2082G 的电流由OUT 端口输出，电流的大小为：

式中，IOUT为端口输出电流,Rext为外接电阻。

发光二极管的额定电流为20 mA，根据式(1)即可计算出Rext电阻的阻值为300 Ω。

硅光电池在光源的照射下会产生短路电流，该短路电流较小不能直接采样，需要预处理电路进行电流的转换和放大，预处理电路如图11 所示。

图11 预处理电路

在该电路中，硅光电池连接运放的正、负输入端。由于运放正、负输入端的压差较小，可等效于短路，因此，硅光电池近似工作于短路状态。硅光电池受到光照产生的短路电流流过100 kΩ 的电阻后将完成电流到电压的转换及放大。输出电压VOUT与硅光电池短路电流I的关系为：

式中，VOUT为输出电压，I为硅光电池短路电流。

2.2.2 液晶屏

液晶屏采用7 英寸TFT LCD，驱动芯片为SSD1963，分辨率为800×480，刷屏速度为86 帧/s，板载背光电路，支持背光亮度控制、24 位色彩深度、6 位8080 并口连接，图12 为液晶屏的接口电路。

图12 液晶屏电路框图

2.3 键盘模块

检测仪键盘选用薄膜矩阵开关。薄膜矩阵开关以刚性或柔性印制电路板为基体，在基体上安装有手感或无手感按键，再覆以印刷有彩色装饰性图案的塑料（聚碳酸酯PC、聚酯PET 等）薄膜面板；其防水、防尘、防油、防有害气体侵蚀，性能稳定可靠，重量轻、体积小、寿命长，面板可洗涤而字符不受损伤，色彩丰富，美观大方。根据对检测仪的功能分析，检测仪需要上、下、左、右、确认、取消5 个按键。结合检测仪整体的结构布局，对键盘的布局、走线、色彩等进行综合设计，检测仪键盘的具体设计如图13 所示。

图13 检测仪薄膜矩阵开关

2.4 打印机模块

检测仪采用EM5820 嵌入式热敏打印机。热敏打印机的打印纸上覆盖有一层透明薄膜，将薄膜加热到一定温度后就会变成黑色或蓝色。热敏打印机的打印头是由微小的电子加热器组成的阵列。当打印机打印时，打印机驱动器就会驱动电子加热器阵列中相应的加热器，使被驱动的电子加热器组成的图形与要打印的图形相同，从而在打印纸上打印出相应的图形。EM5820 打印机的分辨率为203 dpi，工作电压为5～9 V，工作电流为2.5 A，打印速度为60 mm/s，打印寿命为50 km，通信接口有USB/RS232/TTL，图14 为打印机与显控模块的接口电路。