水环境重金属检测仪器的硬件设计-高小明.docx

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1、浙江大学生物医学工程及仪器科学学院 硕士学位论文 水环境重金属检测仪器的硬件设计 姓名：高小明 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：王平 20100101 摘要 本文的内容主要分为两部分，首先分别介绍了基于光寻址电位传感器和电化 学电极的无线传感节点的设计，设计根据不同传感器的测量需要设计了完全不同 的测量电路，同时主控芯片和射频芯片也采用了功能上有差异的芯片；其次介绍 了一种以差分脉冲溶出伏安法作为检测技术，用于现场检测海水中痕量重金属元 素（铜、铅、锌、镉）的自动分析仪器的硬件设计。 海水中重金属含量的检测可以借助于逐渐发展成熟的无线传感网络来实现， 无线传感网络为人们提供了

2、一种全新的获取信息、处理信息的方式，传感器节点 采用功耗极低的 MSP430作为控制器，配以测量电路、无线传输电路实现节点的 功能。两种节点由于测量的信号不同所以其测量电路有明显差异，其中光寻址电 位传感器产生的是正弦交流小信号，电化学传感器产生的是直流小信号，所以针 对光寻址电位传感器节点部分，主控芯片采用了 MSP430FG4619,测量电路应用 以 AD5933为核心 的锁相电路实现，无线传输芯片采用了 CC2500芯片 .针对电 化学传感器节点部分，主控芯片采用了功能更为强大、功耗控制更加优异的 MSP430F5438,测量电路以 24位的 ADS1251为核心实现，无线传输芯片采用了

3、 支持 Zigbee协议的CC2420芯片。 仪器在功能上可分为测量系统和控制系统两大部分。测量系统采用了差分脉 冲伏安溶出法，使用高精度 ADC和低偏置电流运放构成微电流采样系统，使用 高精度 DAC和大电流缓冲放大器构成了恒电位仪，在控制系统的控制下完成测 量；控制系统采用微处理器 DS80C320和可编程单片机外围器件 PSD854F2组成 最小系统，根据需要灵活配置泵，阀的开启关闭顺序，延迟时问等测量参数，完 成各种复杂的全自动操作，保证了测量的准确性。 我们对无线节点以及样机分别进行了性能测试，对无线节点方面，做 了信号源分辨率、电流分辨率、功粍测试和传输距离测试，样机测试包括 电化

4、学系统的电流分辨率、恒电位仪输出稳定性测试。测试结果表明硬件 指标均达到了设计要求，目前我们设计的节点和仪器正在实验室进行测 试，实践表明我们的系统无论是节点还是仪器均达到设计要求。 关键词：重金属检测，自动分析仪，无 线传感网络，无线节点 Abstract The paper is divided into two parts. Firstly, the design of a wireless sensor node based on light addressable potentiometric sensor (LAPS) is introduced- The measurement

5、circuit of node differs because of the different demand. Then an on-line automatic analytical instrument used to detect four kinds of trace heavy metals (Zn, Cd, Pb, Cu) of seawater is introduced, which uses the method of differential pulse stripping voltammetry (DPSV). The developing wireless senso

6、r network (WSN) can be involved to the detection of trace heavy metals. Wireless sensor network has provided a new method of getting and dealing with information. The wireless sensor node uses MSP430 as the control unit to achieve the detection with the measuring circuit and wireless transfer circui

7、t. The LAPS node measures the weak AC signal while the electrochemistry node measures the weak DC signal. So the LAPS node uses MSP430FG4619 as the control chip, and AD5933 as the core of measurement circuit, and CC2500 as the wireless transfer chip. The electrochemistry node uses MSP430F5438 as the

8、 control chip, and ADS 1251 as the core of measurement circuit, and CC2420 as the wireless transfer chip which supports the Zigbee protocol. “The instrument contains two parts in function, the measuring system and controlling system. The measuring system uses the method of DPSV. The electrochemical

9、measurement system used to perform DPSV measurement is constructed with two parts. A low-current measurement system consists of low input bias current operational amplifier and a high resolution ADC and a potentialstat consists of high resolution DAC and high current buffer amplifier. The core of co

10、ntrol system consists of MCU DS80C320 and Programmable System Device PSD854F2. The control system configs the parameters of the state of the pumps and valves to achieve complicated operation automaticly. A few performance testings of wireless sensor node and the instrument are carried out. Signal so

11、urce resolution, current resolution, power consumption and the distance measurement of wireless transmition are implemented to the wireless sensor node. Current resolution and stability testing of potentiostat are implemented to the instrument. The testing results prove that the hardware design have

12、 met the requirements. Now our wireless sensor node and instrument are under testing in our lab. The results prove that our system is fit for our requirment. Keywords: Heavy analysis, Automatic analytic instrument Wireless Sensor Network, Wireless node 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取

13、得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 浙江大 学 或其他教存机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字 H期 ： 年 $ 月丨 y日 本学位论文作者完全了解 浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙 江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书

14、 ） 学位论文版权使用授权书 学位论文作者签名： $ 签字日期：年巧 /R 第一章绪论 1.1海水重金属现场检测的国内外研究现状 重金属污染是危害最大的水污染问题之一。重金属通过矿山开采，金属冶炼， 金属加工及化工生产废水，化石燃料的燃烧，施用农药化肥和生活垃圾等人为污 染源，以及地质侵蚀，风 化等天然形式进入水体，加之重金属具有毒性大，在环 境中不易被代谢，易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但污染水环境，也 严重威胁人类和水生生物的生存 1.目前，人们对水体重金属污染问题已有相对 深入的研究，同时采取了多种方法对重金属废水和污染的水体进行处理和修复。 我国水体重金属污染问题十分突出，江河

15、湖库底质的污染率高达 80.1%. 2004年太湖底泥中总铜、总铅、总镉含量均处于轻度污染水平 .黄浦江干流表 层沉积物中 Cd超背景值 2倍， Pb超 1倍， Hg含量明显增加；苏州河中 Pb全部 超标， Cd为 75%超标 ， Hg为 62.5%超标。由长江，珠江，黄河等河流携带入海 的重金属污染物总量约为 3.4万吨，对海洋水体的污染危害巨大 .全国近岸海域 海水采样品中铅的超标率达 62.9%，最大值超一类海水标准 49.0倍；铜的超标率 为 25.9%，汞和镉的含量也有超标现象 2大连湾 60%测站沉积物的镉含量超标 , 锦州湾部分测站排污口邻近海域沉积物锌，镉，铅的含量超过第三类海

16、洋沉积物 质量标准 不仅是水体污染，污灌区的土壤也受到污染 3。国外同样存在水体重 金属污染问题，如波兰由采矿和冶炼废物导致约 50%的地表水达不到水质三级标 准。 因此对海水重金属含量的实时监测就变得非常重要。目前国外已经有商业化 的海水重金属检测仪器，但是其共同的缺点是不能同时满足自动测量与海上实时 测量两个条件，如 Thermal Fisher公司的原子吸收光谱能够实现自动测量，但机 身比较大，而且采用的光学方法，不适用于实地测量； TraceDetect公司生产的 Nano-Band Explorer实现了便携式，能够完成实时测量，但是整个测量过程需要 手动完成操作。我们研制的海水重金

17、属 含量检测仪实现了对重金属的自动检测， 配合北海分局进行海上实时监测。 网关节点 图丨 .丨无线传感器网络 终雉节点 1.2无线 传感网络的国内外研究现状 无线传感器网络 （ WirelessSensorNetworks, WSN)是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域 .传感器技术、 微机电系统 .现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的 产生和发展 .无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息 同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最其实 的信息 .无线传感器网络能够获取客观物理信悤，具有

18、十分广阔的应用前景，能 应用于军事国防 .工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测 .抢险救灾、危 险区域远程控制等领域已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被 认为是对 21世纪产生巨大影响力的技术之一 . 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并 发送给观察者 .传感器、感知 对象和覌察者构成了无线传感器网络的三个要素 【 S. 无线传感器网络 （ wireless sensor network)简称 WSN,是一种由大董小型传 感器所组成的

19、网络 .这些小型传感器一般称作 sensornode (传惑器节点 ） 或者 mote(灰尘 ).此种网络中一般也有一个或几个基站 (称作 sink)用来集中从小型传 感器收集的数据 l6i.图丨 .1为无线传感器网络示意图 . 交蓄中心 IU 1.3论文的主要研究内容 第一章主要介绍课题来源，重金属检测的重要性和迫切性，以及对自动化现 场分析仪的需求以及应用于无限传感网络的前景 . 第二章主要介绍了针对两种不同传感器进行的检测系统的原理性研究，并对 检测中的关键环节进行重点探讨。 第三章主要介绍了国家 863计划中重金属海水检，仪的设计，重点介绍了它 的整体系统，包括了水路系统、电路系统和整

20、个系统的流程。 第四章主要介绍了针对无线传感网络的应用，结合两种传感器的检测原理做 出了两种无线传感网络节点，以及节点间的通讯协议。 第五章主要是性能测试。主要针对重金属检测仪和两种无线传感节点进行测 试，试验证明，重金属检测仪能够对重金属溶液进行检测，节点不仅能够完成对 溶液的检测，而且可以正常的通讯。 第六章是对本文工作进行总结，并对后续工作进行展望。 第二章检测系统原理与设计分析 传感器主要采用光寻址电位传感器和电化学三电极系统，所以整个检测系统 都是围绕这两种传感器展开 .但由于两者的工作机理存在较大区别，所以检测电 路中也存在着差异， LAPS测量系统需要用到锁相放大的机理，而电化学

21、检测系 统只要到放大后的信号进行模数转换印可 .本章就针对这两种检测系统做出一些 原理上的解释与分析 . 2.1光寻址电位传感器的工作原理 光寻址电位传感器 (Light-Addressable Potentiometric Sensors, LAPS)是八十年 代末发展起来的一种高灵敏度新型硅传感器 ，它的功能类似于化学场效应管而 结构比较简单 .自从 LAPS问世至今短短的十多年中， LAPS已成功应用于酶标 免疫分析系统和体外实时监测活细胞代谢活性的微生理计 .近年来 德国和俄罗 斯合作研究了应用激光脉冲沉积技术 （ Pulsed Laser Deposition, PLD)制备化 学薄

22、膜传感器的可能性，在 LAPS上沉积了 Pb2+选择性硫属玻璃薄膜并取 得了初步成功，检测下限达丨 xl(T6mo丨 /L181.我 们采用 PLD技术在 LAPS 器件表面沉积了选择性硫属玻璃薄膜用于检测海水中的痕量重金属 . B 2 丨 LAPS的基本结构 LAPS的基本结构有电解质 /绝缘层 /桂 （ Electrolyte/Insulation/Silicon， E丨 S) 偏置喊 图 2.2 LAPS的 I - V特性曲线 LAPS的测量系统如图 2.3所示。在特定偏置电压和特定频率的光源激发下， 通过 LAPS的电流会根据敏感离子的不同而产生变化一一电流的频率与激发光 源的频率相同

23、。当固定其他参数时，电流的大小仅与离子浓度相关。恒流 /恒电 位仪（ Potentiostat/Galvanostat)是该检测系统的核心，用于测量 LAPS纳安级的 响应级电流 . 和金属 /绝缘层 /桂（ Metal/Insulation/Si丨 icon， I丨 S)两种， EIS结构和 MIS结构的 不同之处在于敏感层， EIS结构是离子敏 LAPS, 般用于液体的测量，而MIS 结构是气敏 LAPS, 般用于气体的测量，图 2.1为 LAPS的基本结构示意图 LAPS的基本原理是：当半导体受到一定波长的光照射时，半导体吸收光子，发 生禁带到导带的跃迁也就产生了电子空穴对。在一般情况下

24、，电子空穴对很快地 复合，在外电路中就测不到电流 但如果在 LAPS外加反向偏置电压时 （ N型硅 加负压 ， 4P型硅加正压），半导体中产生耗尽层，这时靠近耗尽层的电子空穴对 就被耗尽层拉开。当固定光强时，就会产生光电压。采用强度调制的光照射在 LAPS器件的正面或背面，就可以在外电路中测量到电流 9。电流的大小，与光 强、耗尽层的厚度（即外偏压）等有关。当固定其他参数，只考虑敏感膜与被测 物的响应电压对粍尽层的影响，那么外电流大小的变化就反映了膜的响应。 描述外电流与偏压关系的曲线就是 LAPS的 I-V特性曲线，图 2.2所示是 N 型硅基底的 LAPS测试 pH的 I-V特性曲线的示意图，特性曲线可以分成截止 区、过渡区和饱和区 .光电流随耗尽层的增厚而增大，也就是说随着偏置电压的 增加，外电路上的电流从最大值 （ 饱和区 )，线性减小 （ 过渡区 )，达到最小值（截 止区） iq， 对于 P型硅 LAPS的特性曲线与此相反。 .饱和区 .过 gE 截止区 应