无线微型化电化学检测系统的制作方法

本实用新型涉及电化学分析检测技术领域，具体的说，是一种便于携带和无线使用的电化学检测系统。

背景技术：

目前，在分析化学领域电化学检测设备有着广泛的应用：可用于对未知样品进行定性和定量分析，也可用于物质电性、化学反应动力学和分子结构特性的研究。电化学检测设备的工作原理是：通过分析电极电流随输出电压波形变化的响应谱图来获取待测溶液的性质，因此，电化学检测设备需要具备模拟信号输出、模拟信号采集的功能和数据处理的功能。由于电化学检测有多种不同的模式，每种模式又需要设置多种参数，因此，人们对电化学检测设备的逻辑运算和处理能力有较高的要求。

现有的电化学设备较多采用分立电子元器件、由220V交流电供电，因此在便携式应用场合会遇到以下问题：⑴电路板和电源系统占据空间较多，设备尺寸较大，难以满足便携式应用场合与其他仪器设备进行集成化应用的要求；⑵由于需要与计算机通过数据线连接进行数据传输，因此无法应用于诸如可穿戴、高真空和远距离等特殊的应用场合；⑶需要通过插座使用220V交流电，因此无法在没有交流电的地方使用；⑷电极接口不适合用于连接丝网印刷电极和金属丝电极。所以，现有的电化学设备很难满足在便携式应用场合使用要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种无线微型化电化学检测系统，它引入新的集成电路芯片，减少功能芯片、分立电子元器件；采用含有电化学检测单元电源单元和射频通信单元的传感设备以及由硬件设备与应用软件组成的主机，传感设备与主机通过无线通信进行数据交换，能实现远距离检测控制和数据实时采集、数据存储、数据处理和报表生成；从而适合在便携式应用场合的使用要求。

为实现以上目的，本实用新型采取了一下技术方案。

一种无线微型化电化学检测系统，其特征在于，含有传感设备和主机，所述传感设备含有电化学检测单元、电源单元和射频通信单元，所述电源单元由电池、电源管理芯片和电能输入装置构成，传感设备由所述电池进行供电，所述电能输入装置通过电源管理芯片对电池进行充电；所述电化学检测单元由电极接口、信号处理电路、辅助传感器、混合信号微控制器构成：所述电极接口通过信号处理电路连接至所述混合信号微控制器，所述辅助传感器另外连接至所述混合信号微控制器；所述电化学检测单元与所述电源单元连接后再连接至所述射频通信单元，所述混合信号微控制器直接与所述射频通信单元连接；所述主机含有硬件设备和应用软件；所述传感设备通过所述射频通信单元与所述主机通过无线通信进行数据交换，实现远距离检测控制和数据实时采集。

进一步，所述电极接口为本检测系统与电极的接插口，在所述电极接口设有电极连接卡槽，所述电极连接卡槽的槽口厚度为0.5～2mm、深度为2～10mm，所述电极连接卡槽内设有若干金属压针，用于固定和连接电极上的接口，能将所述电极记载的电化学信号接入所述信号处理电路。

进一步，所述电极采用丝网印刷电极或金属丝电极或棒状电极。

进一步，所述辅助传感器采用BME280，用于采集温度、湿度数据并发送给混合信号微控制器。

进一步，在所述混合信号微控制器内部集成有模数转换器、数模转换器和时钟。通过时钟中断实现模数转换器在一定采样频率下的数据采集，以及数模转换器电压波形的输出。

进一步，所述电化学检测的模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位-溶出伏安；所述电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间和脉冲电压。

进一步，所述硬件设备为设有射频收发器的智能手机、计算机或其他微机系统；所述应用软件提供人机交互界面，电化学检测系统、可视化数字显示、数据存储、数据处理、报表生成和射频收发器控制系统。

进一步，所述电源单元的电能输入装置采用电磁感应无线输电或电缆输电。

进一步，所述无线通信采用数据包的形式进行标准化数据传输，主机端发送的数据包包括：起始帧、命令帧、电化学模式帧、电化学参数帧、校验帧、结束帧；传感设备端发送的数据包包括：起始帧、状态帧、电化学模式帧、数据帧、时间帧、校验帧、结束帧。

本实用新型无线微型化电化学检测系统的积极效果是：

（1）引入新的集成电路芯片，减少功能芯片和分立电子元器件的使用，能明显减小设备尺寸，便于携带。

（2）使用了射频通信技术和电池供电方案，使传感设备使用时不需通过电线接电，便捷性和灵活性更好，适应便携式应用场合的使用要求。

（3）传感设备与主机通过无线通信进行数据交换，能在主机上实现数字显示、数据存储、数据处理、报表生成，而且易于功能的扩展和更新，可进行远程在线的功能升级；可满足化学分析、环境检测和生物传感的不同应用需求。

附图说明

图1为本实用新型无线微型化电化学检测系统的结构框图。

图2为本实用新型无线微型化电化学检测系统的实施示意图。

图中的标号分别为：

1、传感设备； 2、主机；

3、电化学检测单元； 4、电极接口；

5、信号处理电路； 6、辅助传感器；

7、混合信号微控制器； 8、电源单元；

9、射频通信单元； 10、硬件设备；

11、应用软件； 12、电极；

13、待测溶液。

具体实施方式

以下结合附图给出本实用新型无线微型化电化学检测系统的具体实施方式，但是应当指出，本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

参见图1。一种无线微型化电化学检测系统，含有传感设备1和主机2两大主要部件。

所述传感设备1由电化学检测单元3、电源单元8和射频通信单元9构成。所述主机2由硬件设备10和应用软件11构成。其中，所述电化学检测单元3由电极接口4、信号处理电路5、辅助传感器6、混合信号微控制器7构成：所述电极接口4通过信号处理电路5连接至所述混合信号微控制器7，所述辅助传感器6另外连接至所述混合信号微控制器7。

所述电极接口4为本检测系统与电极12的接插口（参见图2），在所述电极接口4设有电极连接卡槽，所述电极连接卡槽槽口厚度为0.5～2mm、深度为2～10mm，卡槽内设有若干金属压针，用于固定和连接电极12，能将所述电极12记载的电化学信号接入所述信号处理电路5。信号处理电路5的第一级为跨导放大器，能将电化学电流信号转换为电压信号；第二级为截止滤波频率为1kHz的二阶贝塞尔低通滤波器，能将信号处理电路5的信号输出给混合信号微控制器7。所述混合信号微控制器7采用STM32F373芯片，具有16位模数转换器用于采集信号处理电路输出结果。同时，采用STM32F373芯片的12位数模转换器输出电压控制波形，作为电化学检测的控制电压，通过丝网印刷电极结构施加到对电极12和参比电极上。

所述辅助传感器6采用BME280，能对电化学检测的环境数据进行采集，包括温度、湿度和气压，并发送给混合信号微控制器7。

在所述混合信号微控制器7内部集成有模数转换器、数模转换器和时钟。混合信号微控制器7的STM32F373芯片功能包括：⑴接收主机2通过射频通信单元9发送过来的数据，设置电化学检测模式和电化学检测参数；⑵根据所设置的模式和参数采集电化学数据；⑶根据所设置的模式和参数输出电压波形信号；⑷将采集到的数据打包通过射频通信单元9发送给主机2。

所述电源单元8由电池、电源管理芯片和电能输入装置构成，所述电源单元8的电能输入装置采用电磁感应无线输电或电缆输电的方式。本实用新型的传感设备1由所述电池进行供电，所述电能输入装置通过电源管理芯片对电池进行充电。

所述射频通信单元9采用CC2640芯片进行蓝牙无线传输。

所述硬件设备10可采用设有射频收发器的智能手机、计算机或其他微机系统。所述应用软件11针对多种操作系统进行开发，可执行于包括Windows、Android、iOS、MacOS等操作系统，软件提供人机交互界面用于识别硬件型号和状态、设置电化学参数和显示电化学检测图谱，还提供电化学检测数据存储的功能，将数据以二进制的格式存储于硬件存储器中。、所述应用软件（11）同时具备数据快速处理功能，以进行电化学图谱分析获得检测结果。所述应用软件（11）通过驱动程序控制射频收发器控制系统与传感设备进行双向通信。

本实用新型涉及的电极12采用丝网印刷电极或金属丝电极或棒状电极。

将所述电化学检测单元3与所述电源单元8连接后再连接至所述射频通信单元9，所述混合信号微控制器7直接与所述射频通信单元9连接。

所述传感设备1通过所述射频通信单元9与所述主机2通过无线通信（蓝牙）进行数据交换，实现远距离检测控制和数据实时采集。

本实用新型的无线微型化电化学检测系统采用的电化学检测的模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位-溶出伏安；所述电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间和脉冲电压。其单次检测过程的主要步骤如下：

（1）打开传感设备1和主机2，初始化传感设备1与主机2间的无线通信。

（2）将电化学检测用电极12连接到传感设备1的电极接口4（参见图2）。

（3）通过沉浸或滴敷的方法，使所有电极12均与待测溶液13接触。

（4）通过主机2的应用软件11设置电化学检测模式和参数。

（5）由主机2将所设置的电化学检测模式和参数发送给传感设备1。

（6）传感设备1根据接收到的数据启动电化学检测。

（7）传感设备1实时对采集到的电化学数据进行处理并发送给主机2。

（8）主机2将接收到的电化学数据进行可视化处理。

（9）检测结束后，主机2自动对电化学数据进行分析，生成检测结果报表。

在具体实施中，本实用新型所述的传感设备1和主机2可通过蓝牙无线通信进行数据交换，实现远距离检测控制和数据实时采集。所述的辅助传感器6可采用BME280，用于采集温度、湿度数据并通过I2C通信协议发送给混合信号微控制器7。所述的射频通信单元9可采用CC2640芯片进行蓝牙无线传输。

所述的混合信号微控制器7可采用STM32L053芯片，具有12位模数转换器用于采集信号处理电路输出结果。同时采用STM32L053芯片的12位数模转换器输出电压控制波形，作为电化学检测的控制电压，通过丝网印刷电极结构施加到对电极12和参比电极上。所述STM32L053芯片的功能包括：⑴接收主机2通过射频通信发送过来的数据，设置电化学检测模式和参数；⑵根据设置的模式和参数采集电化学数据；⑶根据设置的模式和参数输出电压波形信号；⑷将采集到的数据打包通过射频通信单元9的CC2640芯片发送给主机2。

基于蓝牙无线通信条件下的电化学检测的模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位、溶出伏安；所能进行设置的电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间、脉冲电压。

在具体实施中，本实用新型所述的辅助传感器6可采用BME280，用于采集温度、湿度数据并通过I2C通信协议发送给混合信号微控制器7。所述的混合信号微控制器7可采用CC2640芯片，具有12位模数转换器用于采集信号处理电路输出结果。同时采用CC2640芯片的12位数模转换器输出电压控制波形，作为电化学检测的控制电压，通过丝网印刷电极结构施加到对电极和参比电极上。所述的CC2640芯片功能包括：⑴接收主机2通过蓝牙通信发送过来的数据，设置电化学检测模式和参数；⑵根据所设置模式和参数来采集电化学数据；⑶根据所设置模式和参数输出电压波形信号；⑷将采集到的数据打包通过射频通信单元9发送给主机2。

具体实施例中无线通信采用数据包的形式进行标准化传输，主机端发送的数据包有16字节包括：起始帧（1字节）、命令帧（1字节）、电化学模式帧（1字节）、电化学参数帧（10字节）、校验帧（2字节）、结束帧（1字节）。传感设备端发送的数据包有16字节包括：起始帧（1字节）、状态帧（1字节）、电化学模式帧（1字节）、数据帧（8字节）、时间帧（2字节）、电源状态帧（1字节）、校验帧（1字节）、结束帧（1字节）。