应用于食品和水质检验的检测系统的制作方法

本发明涉及水质分析和食品安全技术领域，用于光度比色原理下的理化项目检测，尤其涉及一种应用于食品和水质检验的检测系统。

背景技术：

随着经济的发展，人口的增加，不少地区水资源短缺，有的城市饮用水水源污染严重，居民生活饮用水安全受到威胁。人们赖以生存的水资源也很大程度上受到了污染，以至人们的生活用水和生产用水中包含大量的有害物质，人民群众健康的需要得到保障。

随着人民生活水平的不断提高，对食品安全问题也越来越敏感。目前食品安全检测通常都采用标准仪器进行检测，使用标准仪器可以实现多个农药的多残留检测，但需要复杂昂贵的仪器设备及专业操作人员，加之样品前处理繁琐费时、检测费用高，难以满足高通量、快速、在线检测的需要。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种应用于食品和水质检验的检测系统，用于解决现有技术中的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种应用于食品和水质检验的检测系统，包括：主控制器、led恒流电路、led多路选通电路、光电信号iv转换电路、光电信号多路选通电路、滤波及采样电路；

主控制器的第一端与led恒流电路的第一端连接，主控制器的第二端与滤波及采样电路连接的第二端连接；led恒流电路的第二端与led多路选通电路的第一端连接；led多路选通电路的第二端与光电信号iv转换电路的第一端连接；光电信号iv转换电路的第二端与光电信号多路选通电路的第一端连接；光电信号多路选通电路的第二端与滤波及采样电路的第一端连接；

主控制器用于led亮度的控制、led的选通操作、光电传感器输出电信号选通操作、以及电信号的adc数据采集。

进一步地，还包括电源模块；

电源模块用于为系统中的每一电路供电。

进一步地，还包括通信电路，通信电路的第一端与主控制器的第三端连接；通信电路的第二端与上位机连接；

相应地，主控制器用于与上位机进行数据和命令的交互与解析。

进一步地，led恒流电路是是一个完整的单电源、低噪声led电流源驱动器，由一个数模转换器dac控制。

进一步地，led多路选通电路是由主控制器控制移位寄存器，移位寄存器的输出信号控制led的选通。

进一步地，光电信号iv转换电路为由光电二极管构成的固定跨阻放大器iv转换电路。

进一步地，光电信号多路选通电路为主控制器控制多路复用器，四路多路复用器分别导通输出信号。

进一步地，滤波及采样电路有滤波电路和采样电路构成，滤波电路是由阻抗匹配电阻和滤波电容及运算放大器组成一阶低通滤波电路，采样电路为模拟数字转换器。

进一步地，系统涵盖380nm、410nm、420nm、440nm、460nm、480nm、490nm、520nm、525nm、530nm、540nm、550nm、570nm、580nm、590nm、610nm、660nm、665nm和680nm的波长。

进一步地，系统包括10个通道，每个通道3个led，支持30个led光源检测位，每个光源均独立控制。

本发明湿式理化测定的原理基于朗伯－比尔定律，基于某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系，对吸光物质的浓度进行测定；实现水质分析和食品安全领域的吸光度检测。支持高通量、快速、在线检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于食品和水质检验的检测系统示意图；

图2为本发明实施例提供的主控制器电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电源电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的通信电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的led恒流及多路选通电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的iv转换及pd多路选通电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的滤波及采样电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

湿式理化测定是目前理化类项目检测中使用最多的方法，对于水质检测和食品安全检测，能达到检测速度快，可以满足大批量的使用要求。湿式理化测定的原理是基于朗伯－比尔定律，描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。反应载体是水溶液，入射光被有色反应产物吸收后减弱，通过吸光度的大小来反映被测物质浓度的大小。

本发明实施例提供一种应用于食品和水质检验的检测系统，该系统涵盖380nm、410nm、420nm、440nm、460nm、480nm、490nm、520nm、525nm、530nm、540nm、550nm、570nm、580nm、590nm、610nm、660nm、665nm和680nm19个波长，检测水质项目包含氨氮、苯胺、锰、硫化物、硫酸盐、氯化物、镍、铜(低浓度)、铜(高浓度)、锌、总铁、余氯、镉、汞、铅、六价铬、铝、磷酸根、氟化物、氰化物、化学耗氧量、游离铝、色度、浑浊度、亚硝酸盐等项目。以及食品安全方面可以实现多个农药的多残留检测项目。该仪器共10个通道，每个通道三个led，支持30个led光源检测位，每个光源可独立控制，每个led对应一个光电传感器，每个光电传感器输出信号经过iv转换器，输出电压信号，30个不同的光电传感器输出的电信号，经过多路选通器，在经过滤波器进入采样电路，主控制器采集各个波段的电信号，进而分析出不同被测液的浓度，分析当前水质情况；上位机通过串口控制模块进行检测。

图1为本发明实施例提供的应用于食品和水质检验的检测系统示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种水质分析和食品安全领域的吸光度检测系统，包括主控制器、电源模块、通讯模块、led恒流电路、led多路选通电路、光电信号iv转换电路、光电信号多路选通电路、滤波及采样电路，该模块由以上八个部分组成。

主控制器的第一端与led恒流电路的第一端连接，主控制器的第二端与滤波及采样电路连接的第二端连接；led恒流电路的第二端与led多路选通电路的第一端连接；led多路选通电路的第二端与光电信号iv转换电路的第一端连接；光电信号iv转换电路的第二端与光电信号多路选通电路的第一端连接；光电信号多路选通电路的第二端与滤波及采样电路的第一端连接。

主控制器控制led选通及亮度，光电传感器将光信号转换为电信号，电信号采集过程中通过对输入信号的放大、调制并经过模数转换后再传输给主控制器，分析数据，进而得出水质和食品安全情况。

主控制器为基于arm内核的32位mcu系列的stm32f1，stm32f1属于cortex-m系列中的cortex-m3内核，采用armv7-m架构。主控制器的功能就是负责led亮度控制、30个led选通操作；负责光电传感器输出电信号选通操作、以及电信号的adc数据采集；负责与上位机进行数据和命令的交互与解析。

图2为本发明实施例提供的主控制器电路结构示意图，如图2所示，主控制器u1，作为系统的核心控制器，c3、c4、c5、c6、c7为u1的外围滤波电容，晶振y1为主控制器提供时钟来源；电阻r1、r2为主控制器工作模式选通电阻。

基于上述任一实施例，进一步地，还包括电源模块；电源模块用于为系统中的每一电路供电。

具体来说，图3为本发明实施例提供的电源电路结构示意图，如图3所示，电源模块为12vdc作为系统电源输入，针对我们系统的应用特点需要将电源分配给不同的功能模块；该仪器12v进电，经过滤波电路的12v电压分为三路。第一路经过c11、c12滤波后，再经过线性稳压u5降压至5v，5v经过c23、c25滤波，再通过低压差线性稳压器u6降压至3.3v，3.3v给主控制器与通信芯片供电；第二路经过c13、c17滤波后，再经过线性稳压u3降压至5v_led，5v_led给led恒流选通模块供电；第三路经过c15、c18滤波后，再经过线性稳压u4降压至5v_pd，5v_pd给光电信号转换及放大模块、选通滤波及采样电路供电。

基于上述任一实施例，进一步地，还包括通信电路，通信电路的第一端与主控制器的第三端连接；通信电路的第二端与上位机连接；相应地，主控制器用于与上位机进行数据和命令的交互与解析。

具体来说，图4为本发明实施例提供的通信电路结构示意图，如图4所示，通讯模块为串口通信，通信芯片u2为rs-232标准接口，c8、c9、c10、c11、c12为滤波电容，该模块完成上位机进行数据和命令的交互。

基于上述任一实施例，进一步地，led恒流电路是是一个完整的单电源、低噪声led电流源驱动器，由一个数模转换器dac控制。

具体来说，led恒流电路是是一个完整的单电源、低噪声led电流源驱动器，由一个12位数模转换器(dac)控制。电流可调节大小，电流可实时监测，led可随意点亮切换。led恒流电路是由主控制器控制数模转换器输出固定电压，输出电信号与运算放大器的+in管脚相连，运算放大器的out管脚与n沟道mos管的栅极g相连，mos管的漏极d与主输出led灯的阴极相连，主输出led灯的阳极接+5v电源，mos管的漏极d与采样电阻相连，采样电阻另一端接地。

图5为本发明实施例提供的led恒流及多路选通电路结构示意图，如图5所示，led恒流驱动，数模转换器u8的基准引脚由2.5v的基准源u10驱动，电容c30、c31、c32、c33、c34、c35为滤波电容；主控制器u1控制数模转换器u8输出固定电压，输出电信号与运算放大器u9的+in管脚相连，运算放大器u9的out管脚与n沟道mos管q3的栅极g相连，mos管q3的漏极d与led灯的阴极相连，led灯的阳极接5v_led电源，mos管q3的漏极d与采样电阻r21相连，采样电阻r21另一端接地。mos管q3将数模转换器u8输出电压转换为电流来驱动led。总体来说，数模转换器u8的输出电压与采样电阻r8的采样电压进行比较(运算放大器u9的3脚+in与4-in脚进行比较)控制运算放大器u9的1脚out输出电压，1脚out输出电压的变化控制n沟mos管q3的放大区间，来进行电流控制。

基于上述任一实施例，进一步地，led多路选通电路是由主控制器控制移位寄存器，移位寄存器的输出信号控制led的选通。

具体来说，led多路选通电路是由主控制器控制移位寄存器，移位寄存器的输出信号控制led的选通。

图5为本发明实施例提供的led恒流及多路选通电路结构示意图，如图5所示，led多路选通电路是由主控制器u1控制移位寄存器u7，四个移位寄存器的输出信号控制30个led的选通。led供电电压选通采用采用p沟mos管q1，30个led的电源由30个p沟mos管控制，而每个p沟mos管的导通由四个串联在一起的移位寄存器控制，led供电电压选用5v_led。

基于上述任一实施例，进一步地，光电信号iv转换电路为由光电二极管构成的固定跨阻放大器iv转换电路。

具体来说，图6为本发明实施例提供的iv转换及pd多路选通电路结构示意图，如图6所示，光电信号iv转换电路，光电传感器pd1为光电二极管，30个光电传感器与30个led灯为紧耦合关系，每个光电二极管仅能接收到对应led灯发出的光照。30个转换电路分别为固定跨阻放大器电流-电压转换电路，该电路为电容c36和电阻r13并联跨接在一级放大电路中的运算放大器u12的-in管脚和out管脚之间。30个一级放大电路的输出引脚为分别为30路运算放大器的out管脚。

基于上述任一实施例，进一步地，光电信号多路选通电路为主控制器控制多路复用器，四路多路复用器分别导通输出信号。

具体来说，图6为本发明实施例提供的iv转换及pd多路选通电路结构示意图，如图6所示，光电信号多路选通电路，30个光电传感器输出选通电路为主控制器u1控制多路复用器u11，四路多路复用器分别导通输出信号。

基于上述任一实施例，进一步地，滤波及采样电路有滤波电路和采样电路构成，滤波电路是由阻抗匹配电阻和滤波电容及运算放大器组成一阶低通滤波电路，采样电路为模拟数字转换器。

具体来说，图7为本发明实施例提供的滤波及采样电路结构示意图，如图7所示，滤波电路由阻抗匹配电阻r20和滤波电容c40及运算放大器u14组成一阶低通滤波电路，经跨阻输出的电压通过一阶低通滤波电路进行滤波。采样电路为16位模拟数字转换器u13，i2c通信接口，引脚可选地址，可编程速度为8sps-860sps。

本发明湿式理化测定的原理基于朗伯－比尔定律，基于某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系，对吸光物质的浓度进行测定；实现水质分析和食品安全领域的吸光度检测。

本发明为10通道，可实现高通量，20种led可检测水中至少25种元素。电性能上实现了led恒流控制、led亮度软件可调，led定期自检确保输出光功率一致性，探测器输出信号经过放大滤波可得到稳定的输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。