专利名称：基于led的便携式水质分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种环保监测、分析检测仪器，特别是基于LED的便携式水质分析仪。
背景技术：
国内目前对水质分析普遍采用实验室分光光度计，由于分光光度计体积大，需要市电供电，操作步骤多，且需要经过专业分析人员进行取样、显色、测定、校正、计算等步骤，测定过程复杂、耗时长，分析一个样品一般需要1-2个小时，因而对现场和野外的分析操作，分光光度计就不能满足使用上的要求。
近年来国外各种便携式的微型水质分析仪器已开始进入国内市场，如美国HACH公司的便携式色度计，它可测量数十个分析指标，且操作简便快速，非专业技术人员也可完成全部分析工作，因而在市场上受到技术人员的普遍欢迎，但由于其仪器和试剂售价高昂(COD测试仪2万多元，试剂每套25元)，限制了其推广使用。
技术内容本实用新型的目的是研制开发一种基于LED的便携式水质分析原理的、适于实验室或野外现场快速测定的便携式多参数水质分析仪。
它包括单片机1、接口电路2、显示屏3、键盘4、系统监控电路5、A/D转换电路6、控制电路7、单色光源电路8、待测溶液容器9和光电传感器10；所述单片机1的显示信号输出端与显示屏3相连；所述系统监控电路5和键盘4分别与单片机1相应端口相连接；所述接口电路2与单片机1的数据接收和发送端口相连接，并通过标准RS232接口可以与外部计算机相连；其特征还在于所述单片机1的一个控制单色光源强弱的信号输出端口与控制电路7相连，该控制电路7与特定波长的发光二极管单色光源8相连接，使其根据需要发光强度适当的单色光源；所述待测溶液容器9置于单色光源8和光电传感器10之间，且单色光源8的发光点与光电传感器10的接收点之间准确对准、光程保持一个固定值，该待测溶液容器9是一个暗室结构；所述A/D转换电路6连接于光电传感器10的模拟信号输出端与单片机1的数字信号输入端之间；根据光吸的Lambert-Beer定律，在一定波长处，溶液中被测组分浓度在一定范围与吸光度A成线性关系。
A＝lg(I0/It)＝εbc这是分光光度法定量分析的理论基础。其中I0为 入射光强度It为 透射光强度ε为系统常量b为 光程长度
c为 成分浓度溶液中被测水质成分对一定波长光的吸收A与被测成分浓度c和光程长度b成正比，即A＝εbc。当仪器使用一定大小的比色皿时，b一定，所以A＝kc(k为比例系数)。Lambert-Beer定律是光度法定量分析的理论基础。
本实用新型以DC6V或AC220V为电源，采用一定波长微型光源和高集成度的光电检测元件，没有分光系统，仪器结构大大简化，从而实现了仪器的微型化和适用于现场分析的要求。它用以单片机为核心的硬件和软件系统和与被测成分相对应的特定化学试剂盒，完成需要专业人员操作的标准溶液制备、校正、测量、计算等一系列工作，具有智能化和傻瓜机的特点，十分适用于缺乏分析化学专业技术人员的测定场合。
图1为本实用新型原理框图；图2为本实用新型的单色光源电路8、待测溶液容器9和光电传感器10示意图；图3为本实用新型电路原理图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示它包括单片机1、接口电路2、显示屏3、键盘4、系统监控电路5、A/D转换电路6、控制电路7、单色光源电路8、待测溶液容器9和光电传感器10；
所述单片机1的显示信号输出端与显示屏3相连；所述系统监控电路5和键盘4分别与单片机1相应端口相连接；所述接口电路2与单片机1的数据接收和发送端口相连接，并通过标准RS232接口可以与外部计算机相连；其特征还在于所述单片机1的一个控制单色光源强弱的信号输出端口与控制电路7相连，该控制电路7与特定波长的发光二极管单色光源8相连接，使其根据需要发光强度适当的单色光源；所述待测溶液容器9置于单色光源8和光电传感器10之间，且单色光源8的发光点与光电传感器10的接收点之间准确对准、光程保持一个固定值，该待测溶液容器9是一个暗室结构；所述A/D转换电路6连接于光电传感器10的模拟信号输出端与单片机1的数字信号输入端之间；所述单片机1为集成电路U1，型号为AT89C55，外接实时时钟集成电路U3，该实时时钟集成电路U3型号为DS1302，它供电电池BTY、晶体CYS2相连；单片机1与型号为81C55的带有扩展RAM、I/O和定时器的扩展集成电路U2相连；集成电路U1的三个端口P25、P26和P27还与解码集成电路U5A的三个输入端口相连，该解码集成电路U5A产生的片选信号与扩展集成电路U2的片选端口CE相连；型号为TLC1549的数据存储器U9与单片机1的外部存储数据端口P16、P17相连；所述接口电路2包括型号为MAX202的数据通信集成电路U8，该数据通信集成电路U8的发送端TXD、接收端RXD分别与单片机1的发送端TXD、接收端RXD相连，其输出信号端口SIN、SOUT与外界RS232接口插座LRS232相连；所述显示屏3采用液晶显示屏LLCD，该LLCD与扩展集成电路U2相连；所述键盘4为一个输入键盘LKEY，它与单片机1的键盘输入端口相连；所述单色光源电路8包括三个发出单色光的发光二极管；所述控制电路7包括场效应管MOS1、场效应管MOS2、场效应管MOS3，该三个场效应管的控制极分别与单片机1的控制信号输出端口CON1、CON2和CON3相连接，其中场效应管MOS1的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路8的第一发光二极管与可调电位器P3构成的第一串联电路；场效应管MOS2的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路8的第二发光二极管与可调电位器P4构成的第二串联电路；场效应管MOS3的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路8的第三发光二极管与可调电位器P5构成的第三串联电路；所述光电传感器10包括三个可以接收来自单色光源电路8的光信号、并将该光信号转换为电信号的光电转换器；这三个光电转换器的电信号输出端分别与型号为MAX4614的模拟开关集成电路U11的三个输入端相连，该模拟开关集成电路U11的输出端与A/D转换电路6的输入端相连，其三个选通控制端分别与单片机1的控制端口CON1、CON2和CON3相连；所述系统监控电路5包括型号为IMP813L的集成电路U7、场效应管MOS4、由电阻器R6和电阻器R7构成的串联电路，该串联电路的中间点与对电源电压进行监控的集成电路U7的输入端相连，集成电路U7的输出端与单片机1的中断信号输入端相连，其作用是避免由于电源电压偏低而造成系统工作不正常，所述集成电路U7的另一个信号输出端与控制指示灯LAM的场效应管MOS4的栅极相连；或者所述系统监控电路5是利用单片机1内部自带的看门狗电路，对软件的死循环进行处理；所述A/D转换电路6包括型号为TLC1549C的A/D转换集成电路U4和连接于基准电压V+和电源地之间、由电阻器R3和电阻器R4构成的串联电路，该串联电路的中间接点与转换集成电路U4的基准电压输入端相连；所述基准电压的输入先通过型号为TPS7248的集成电路U10对电源电压进行稳压，然后通过由电阻器R3和电阻器R4构成的串联电路电阻分压送到A/D转换集成电路U4的输入端；A/D转换集成电路U4的模拟信号输入端与所述光电传感器11的信号输出端相连，A/D转换集成电路U4的数字信号输出端与所述单片机1的相应端口相连；还包括一个所述光电传感器11的信号输出端相连的四选一寄存器集成电路U5B，其给CPU提供一个外部数据参考电压的输出端与单片机1相连；集成电路U6是电源电压芯片，外接电源通过U6的稳压以后输出4V电压提供给发光二极管和光采集芯片使用，另一方面做为A/D转换的基准电压；提供低电压检测信号且型号为TPS7248的低电压检测集成电路U10与低电压信号输出插座LPOWER相连。
对于不同的水质参数，与高选择性的化学测量体系及研制出相应的便携式化学试剂盒配合使用，以满足各种不同场合对水质进行现场快速分析的需要。
以单片微型计算机为核心，包括电信号的变换、处理、运算以及仪器的操作、显示与系统监控。电路包括模拟和数字电路两大部分，并运用了分离和集成的器件。软件由国内外最流行的C51单片机语言编写，这种模块化程序设计语言既有通用C语言的特点，又具有直接操作单片机硬件的能力，其基本特点包括运行速度快、编译效率高、具有良好的移植性以及丰富的多种复杂运算的库函数与浮点运算能力。整个软件可分为数据采集与处理、数据测量与校正、友好的人机对话界面以及包括汉显、时钟、监控、通信在内的多种功能模块。
根据不同水质分析项目所采用的化学试剂的水溶性、混合后的化学稳定性等性质，分别研制单一固体、分装固体或液体试剂盒，以使试剂盒性质稳定、保存时间长、操作使用方便。
具有浓度和吸光度直读、数据存储等功能。
以特定波长的发光二极管做光源，代替现有实验室分光光度计的通用光源和单色器；以高集成度的光电二极管，代替现有实验室分光光度计的光电池、光电倍增管；以6V干电池做电源，代替现有实验室分光光度计的220V电源，以及低功耗技术的运用，从而实现仪器微型化、便携式、适合于现场快速测定的要求。
其吸光度测量的准确度、精密度及线性关系均达到目前实验室分光光度计的水平，且还具备便携式、微型化、智能化、结构简单、使用方便以及适于非专业人员的现场快速测定等特点，主要技术性能指标达到优于国外同类仪器的先进水平，仪器和试剂价格与国外同类仪器相比有较大优势。本实用新型可以直接显示水质参数的浓度和吸光度，具备便携式、微型化、智能化、结构简单、使用方便等特点，特别适合于非专业人员野外或现场快速测定水质成分，可广泛应用于环保监测机构、工矿企业、水处理工程、大专院校、科研院所等单位对水质进行实时分析和监测。
权利要求1.一种基于LED的便携式水质分析仪，它包括单片机(1)、接口电路(2)、显示屏(3)、键盘(4)、系统监控电路(5)、A/D转换电路6、控制电路(7)、单色光源电路(8)、待测溶液容器(9)和光电传感器(10)；所述单片机(1)的显示信号输出端与显示屏(3)相连；所述系统监控电路(5)和键盘(4)分别与单片机(1)相应端口相连接；所述接口电路(2)与单片机(1)的数据接收和发送端口相连接，并通过标准RS232接口可以与外部计算机相连；其特征在于所述单片机(1)的一个控制单色光源强弱的信号输出端口与控制电路(7)相连，该控制电路(7)与特定波长的发光二极管单色光源(8)相连接，使其根据需要发光强度适当的单色光源；所述待测溶液容器(9)置于单色光源(8)和光电传感器(10)之间，且单色光源(8)的发光点与光电传感器(10)的接收点之间准确对准、光程保持一个固定值，该待测溶液容器(9)是一个暗室结构；所述A/D转换电路(6)连接于光电传感器(10)的模拟信号输出端与单片机(1)的数字信号输入端之间。
2.如权利要求1的一种基于LED的便携式水质分析仪，其特征在于所述单片机(1)为集成电路U1，型号为AT89C55，外接实时时钟集成电路U3，该实时时钟集成电路U3型号为DS1302，它供电电池BTY、晶体CYS2相连；单片机(1)与型号为81C55的带有扩展RAM、I/O和定时器的扩展集成电路U2相连；集成电路U1的三个端口P25、P26和P27还与解码集成电路U5A的三个输入端口相连，该解码集成电路U5A产生的片选信号与扩展集成电路U2的片选端口CE相连；型号为TLC1549的数据存储器U9与单片机(1)的外部存储数据端口P16、P17相连；所述接口电路(2)包括型号为MAX202的数据通信集成电路U8，该数据通信集成电路U8的发送端TXD、接收端RXD分别与单片机(1)的发送端TXD、接收端RXD相连，其输出信号端口SIN、SOUT与外界RS232接口插座LRS232相连；所述显示屏(3)采用液晶显示屏LLCD，该LLCD与扩展集成电路U2相连；所述键盘(4)为一个输入键盘LKEY，它与单片机(1)的键盘输入端口相连；所述单色光源电路(8)包括三个发出单色光的发光二极管；所述控制电路(7)包括场效应管MOS1、场效应管MOS2、场效应管MOS3，该三个场效应管的控制极分别与单片机(1)的控制信号输出端口CON1、CON2和CON3相连接，其中场效应管MOS1的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路(8)的第一发光二极管与可调电位器P3构成的第一串联电路；场效应管MOS2的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路(8)的第二发光二极管与可调电位器P4构成的第二串联电路；场效应管MOS3的受控极栅极与基准电压V+之间连接有由单色光源电路(8)的第三发光二极管与可调电位器P5构成的第三串联电路；所述光电传感器(10)包括三个可以接收来自单色光源电路(8)的光信号、并将该光信号转换为电信号的光电转换器；这三个光电转换器的电信号输出端分别与型号为MAX4614的模拟开关集成电路U11的三个输入端相连，该模拟开关集成电路U11的输出端与A/D转换电路(6)的输入端相连，其三个选通控制端分别与单片机(1)的控制端口CON1、CON2和CON3相连；所述系统监控电路(5)包括型号为IMP813L的集成电路U7、场效应管MOS4、由电阻器R6和电阻器R7构成的串联电路，该串联电路的中间点与对电源电压进行监控的集成电路U7的输入端相连，集成电路U7的输出端与单片机(1)的中断信号输入端相连，其作用是避免由于电源电压偏低而造成系统工作不正常，所述集成电路U7的另一个信号输出端与控制指示灯LAM的场效应管MOS4的栅极相连；或者所述系统监控电路(5)是利用单片机(1)内部自带的看门狗电路，对软件的死循环进行处理；所述A/D转换电路(6)包括型号为TLC1549C的A/D转换集成电路U4和连接于基准电压V+和电源地之间、由电阻器R3和电阻器R4构成的串联电路，该串联电路的中间接点与转换集成电路U4的基准电压输入端相连；所述基准电压的输入先通过型号为TPS7248的集成电路U10对电源电压进行稳压，然后通过由电阻器R3和电阻器R4构成的串联电路电阻分压送到A/D转换集成电路U4的输入端；A/D转换集成电路U4的模拟信号输入端与所述光电传感器(11)的信号输出端相连，A/D转换集成电路U4的数字信号输出端与所述单片机(1)的相应端口相连；还包括一个所述光电传感器(11)的信号输出端相连的四选一寄存器集成电路U5B，其给CPU提供一个外部数据参考电压的输出端与单片机(1)相连；集成电路U6是电源电压芯片，外接电源通过U6的稳压以后输出4V电压提供给发光二极管和光采集芯片使用，另一方面做为A/D转换的基准电压；提供低电压检测信号且型号为TPS7248的低电压检测集成电路U10与低电压信号输出插座LPOWER相连。
专利摘要一种基于LED的便携式水质分析仪，其单片机的显示信号输出端与显示屏相连；系统监控电路和键盘分别与单片机相应端口相连接；接口电路与单片机的数据接收和发送端口相连接，并通过标准RS232接口可以与外部计算机相连；单片机的一个控制单色光源强弱的信号输出端口与控制电路相连，该控制电路与特定波长的发光二极管单色光源相连接，使其根据需要发光强度适当的单色光源；待测溶液容器置于单色光源和光电传感器之间A/D转换电路连接于光电传感器10的模拟信号输出端与单片机1的数字信号输入端之间。具备便携式、微型化、智能化、结构简单、使用方便以及适于非专业人员的现场快速测定等特点，主要技术性能指标达到优于国外同类仪器的先进水平，仪器和试剂价格与国外同类仪器相比有较大优势。可以直接显示水质参数的浓度和吸光度，具备便携式、微型化、智能化、结构简单、使用方便等特点，特别适合于非专业人员野外或现场快速测定水质成分。
文档编号G01N21/25GK2632668SQ0324861
公开日2004年8月11日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者陆晓华, 陈光东, 张剑斌, 杨广球 申请人:湖南利德投资股份有限公司