专利名称：基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术领域的过氧化氢浓度检测仪，特别是一种基于电分 析法的便携式过氧化氢浓度检测仪。
背景技术：
目前测定过氧化氢的方法主要有电分析法、分光光度法、极谱法、流动注射 法、荧光分析法和化学发光法。其中电分析法应用较广泛。现有的电分析法是在 电解池中进行的。电解池内置有阴极、阳极和参比电极，以及含有催化剂(辣根 过氧化物酶，Horseradish Peroxidase, HRP)、苯胺类电子传递物质的电解液。 含过氧化氢的样品滴入电解池以后，在催化剂作用下发生氧化还原反应，形成的 氧离子在电极之间产生电流。检测时，需要在阴阳电极上施加强度按一定规则变 化的激励电位，测量不同电位激励下的电^l响应进而计算过氧化氢浓度，此即循 环伏安法。 一般而言，基于循环伏安法的仪器造价较高，使用不方便，不利于非 专业人员使用。
经对现有的技术文献检索后发现，中国发明专利《过氧化氢的检测方法》(申 请号200710021821.3， 2007年10月17日公开)介绍了一种基于电分析法的过氧 化氢浓度检测方法，其原理是在CHI660电化学工作站上，以饱和甘汞电极，铂电 极和纳米级硫化亚铁修饰玻碳电极分别作为参比电极。测试时，对工作电极施加 初始电压为-400mV、变化速率为100mV/s的线性变化的电压，得到工作电极上的
电流响应，进而计算出对应的过氧化氢浓度。该方法采用三电极工作，反应在电 解池当中进行，须与PC机连接才能工作，硬件结构较复杂、成本也较高，不便于 现场检测。该发明采用的是循环伏安法原理。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电分析法的便携式过 氧化氢浓度检测仪，是基于恒定电位激励的、以试纸条为检测单元的全自动过氧 化氢浓度检测仪，该仪器能够定量测定一定范围内的过氧化氢浓度，同时具有历
史数据存储管理、数据上传、数据回溯和在线校准功能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括单片计算机、存储器、时 钟管理器、液晶显示器、运算放大器、模数转换器、电源管理器、反应测试信号 端口、按键模块及串口通讯模块。连接关系为电池通过电源管理器为反应测试 信号端口提供恒定电位激励，反应测试信号端口经运算放大器与模数转换器相 连，模数转换器的三个I/0引脚——串行时钟输入引脚CLK、串行数据输出引脚
Dout和片选端引脚CS分别与单片计算机中的三个I/0口ADCLK、ADDout、ADCS相违， 用SPI协议通讯，液晶显示器的五个I/0引脚——片选端引脚CS、数据/命令选择 引脚D/C、串行数据引脚SD0、复位引脚RST和串行时钟输入引脚SCK分别与单片计 算机中的五个I/0口LCDCS、 LCDDC、 LCDSDO、 LCDRST、 LCDSCK相连，存储器的写 保护引脚WP接地，使存储器始终处于可读写状态，存储器的串行时钟引脚SCL和 串行敷据引脚SDA分别与单片计算机的两个I/0口EESCL、 EESDA相连，时钟管理器 的三个I/0引脚——串行时钟瑜入引脚SCLK、输入/输出引脚I/0和复位引脚RESET 分别与单片计算机的三个I/0口CSCLK、 CIO、 CRESET相连，按键模块与单片计算 机的I/0口BUTTON相连，串口通讯模块与单片计算机的I/0口的发送数据引脚TxD、 接收数据引脚RxD相连，其中
所述电源管理器分三部分， 一部分是9V输入5V输出，另一部分转换为5V输入 3.3V输出，这两部分主要为各个芯片提供电源。对于工作电压范围比较宽的器件， 采用3.3V的低压供电可以使该器件的功耗降低近一半，以实现仪器的低功耗。最 后一部分是通过稳压二极管与电阻分压电路产生两个恒定电压， 一个恒定电压作 为反应测试信号端口的恒定电位激励，另一个电压作为模数转换器的参考电压。
所述的液晶显示模块的引脚PS0(接口协议选择)和PS1(接口协议选择)分别 通过10K电阻连接到高电平和地。
所述的存储器的引脚SCL(串行时钟输入)、SDA(串行数据)需要接4.7K的上拉 电阻。
所述的时钟管理器的引脚SCLK(串行时钟输入)、1/0(输入/输出)、RESET(复 位)需要接10K的上拉电阻。
所述的运算放大器的反馈电阻采用误差等级为W的47K金属膜电阻，反馈电 容采用3000pF的独石电容。
所述液晶显示模块采用点阵液晶显示模块。
工作时，首先由按键模块控制开机，开机后通过判断是否有按键按下、按键 时间长短来选择测试、数据库管理或修改参数；测试时，通过反应测试信号端口 在酶电极两端施加恒定电位激励，反应开始后由反应测试信号端口导出酶电极的 反应电流，经运算放大器放大后送入模数转换器转换为数字量，再由单片计算机 读取转换结果，单片计算机再读取数据存储器中的试条参数，计算出待测液的过 氧化氢浓度，然后由液晶显示模块显示测试结果，并提示结果是否偏高，同时将 测量结果及测量时间存储在数据存储器中；数据上传或修改参数时，用九针串口 线连接PC机与单片计算机，利用上位机程序控制下位机进行数据的上传或参数的 修改。
本发明采用了六项技术措施确保了便携式过氧化氢浓度检测仪的先进性1) 用恒定电位激励代替循环伏安法，降低了电路的复杂度；2)接受试条作为检测 单元，和电解池相比，仪器结构得到大大简化；3)在实现所需功能的前提下， 采用了功能强、结构紧凑且价格低廉的元器件；4)部分硬件功能用软件实现， 如用软件滤波代替硬件滤波，此外选取小封装元器件，减小仪器的整体体积；5) 优化电源管理模块设计，选用低功耗芯片，降低整机功耗；6)具有串口通讯功 能，可实现数据库上传和在线校准。采用上述技术的便携式过氧化氢浓度检测仪 具有结构简单紧凑、检测时间短、操作简便等特点，适合于非专业人员便携使用。
图l为本发明结构示意图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括单片计算机l、液晶显示模块2、时钟管理器3、 按键模块4、串口通讯模块5、存储器6、模数转换器7、电源管理器8、反应测试 信号端口9、运算放大器IO。
其中，反应测试信号端口经运算放大器与模数转换器相连，模数转换器的 三个I/0引脚——串行时钟输入引脚CLK、串行数据输出引脚Dout和片选端引脚CS
分别与单片计算机中的三个I/0口ADCLK、 ADDout、 ADCS相连，用SPI协议通讯， 液晶显示器的五个I/0引脚——片选端引脚CS、数据/命令选择引脚D/C、串行数 据引脚SD0、复位引脚RST和串行时钟输入引脚SCK分别与单片计算机中的五个1/0 口LCDCS、 LCDDC、 LCDSDO、 LCDRST、 LCDSCK相连，存储器的写保护引脚WP接地， 使存储器始终处于可读写状态，存储器的串行时钟引脚SCL和串行数据引脚SDA 分别与单片计算机的两个I/0口EESCL、 EESDA相连，时钟管理器的三个I/0引脚一 一串行时钟输入引脚SCLK、输入/输出引脾I/0和复位引脚RESET分别与单片计算 机的三个I/0口CSCLK、 CIO、 CRESET相连，按键模块与单片计算机的I/0口BUTTON 相连，串口通讯模块与单片计算机的I/0口的发送数据引脚TxD、接收数掘引脚RxD 相连。
所述的时钟管理器3的引脚SCLK(串行时钟输入)、1/0(输入/输出)、 RESET (复位)需要接10K的上拉电阻。
所述的液晶显示模块4的引脚PS0(接口协议选择)和PS1(接口协议选择)分 别通过10K电阻连接到高电平和地。
所述的存储器6的引脚SCL(串行时钟输入)、SDA(串行数据)需要接4. 7K的上 拉电阻。
所述电源管理器8分三部分， 一部分是9V输入5V输出，另一部分转换为5V输 入3.3V输出，还有一部分通过稳压二极管与电阻分压电路产生两个恒定电压一 路用2.5V稳压二极管、1K电阻和10K可调电阻产生恒定电压，为反应测试信号端 口9提供恒定电位激励，另一路用2.5V稳压二极管、100欧电阻和10K可调电阻产 生恒定电压，为模数转换器7提供精确参考电压。
所述的运算放大器9的反馈电阻采用误差等级为iy。的47K金属膜电阻，反馈 电容采用3000pF的独石电容。
本实施例中
所述单片计算机l采用EL緒公司的EM78P447SAS芯片。
所述液晶显示模块2采用点阵显示模块，能够显示中英文彩色操作界面、测 试结果以及浓度过高的彩色警报；
所述时钟管理器3采用Holtek Semiconductor公司的HT1380芯片，能够记录 每次测试的时间；
所述串口通讯模块5采用Maxim公司的MAX232A，通过DB9接口可将单片计算 机1与PC机相连，实现批量上传历史数据，修改试条参数以适应不同批次不同类 型的试条的测试。
所述存储器EEPR0M6采用ATMEL公司的AT24C256芯片，作为EEPROM数据存储 器，能够存储用于计算过氧化氢浓度的试条参数，实现简单的数据库管理；
所述模数转换器7采用Analog Devices公司的AD7457。
所述运算放大器10采用Analog Devices公司的AD8603。
本实施例工作时，首先由按键模块4控制仪器的开机，开机后通过判断是否 有按键按下、按键时间长短来选择测试、数据库管理或修改参数；测试时，通过 反应测试信号端口9在酶电极两端施加恒定电位激励，反应开始后由反应测试信 号端口9导出酶电极的反应电流，经运算放大器10放大后送入模数转换器7转换为 数字量，再由单片计算机l读取转换结果，单片计算机1再读取数据存储器6中的 试条参数，计算出待测液的过氧化氢浓度，然后由液晶显示模块2显示测试结果， 并提示结果是否偏高，同时将测量结果及测量时间存储在数据存储器6中；数据 上传或修改参数时，需要用九针串口线连接PC机与单片计算机1，利用上位机程 序控制下位机进行数据的上传或参数的修改。为了节约仪器体积，仪器中除了运 算放大器的反馈电阻及电解电容外，其余电阻电容均采用0805贴片封装，除了单 片计算机外，所有芯片均采用管脚数少的串行接口的贴片封装，大大减小了整机 的体积。
如图1所示，本实施例除包括了基本测试电路外，还包括三个功能模块，即 时钟管理器3、串口通讯模块5和存储器6。这三个功能模块的引入使得数据库的 管理得以实现，即可以在下位机上查找测试记录，又可以将历史记录批量上传到 上位机。操作时只需通过按键4控制，按液晶显示器上的提示就可进行下位机上 所有的操作。需要上传历史数据或修改试条参数时，只需利用按键4和上位机的 提示就可完成所有操作。测试结束后，不但会显示本次测量结果，还能提示所得 浓度是否偏高。正常值和超标值用不同颜色标示。本发明采用了高分辨率的点阵 式液晶显示模块2，具有友好的中英文操作界面，适用于各个群体的用户。
为了降低功耗，本发明设计了双电源输出， 一路电源提供5V， 一路电源提 供3. 3V。采用3. 3V的低压供电可以使工作电压范围比较宽的器件降低近一半的功 耗，如单片计算机l、液晶显示模块2、时钟管理器3、存储器6。在选择芯片的时 候，选择静态电流低的芯片，降低芯片不工作时的功耗，延长电池的使用时间。 为了降低仪器成本，在选择元器件的时候，在满足所需功能的前提下，尽 量选择价格低的芯片。如单片计算机采用ELAN公司的EM78P447SAS，该芯片内部 没有集成多余的功能，价格比其它单片计算机低很多。部分硬件功能采用软件替 代，例如用软件滤波代替硬件滤波。
权利要求
1. 一种基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其特征在于，包括单片计算机、存储器、时钟管理器、液晶显示器、运算放大器、模数转换器、电源管理器、反应测试信号端口、按键模块及串口通讯模块，反应测试信号端口经运算放大器与模数转换器相连，模数转换器的三个I/O引脚——串行时钟输入引脚(CLK)、串行数据输出引脚(Dout)和片选端引脚(CS)分别与单片计算机中的三个I/O口(ADCLK、ADDout、ADCS)相连，用SPI协议通讯，液晶显示器的五个I/O引脚——片选端引脚(CS)、数据/命令选择引脚(D/C)、串行数据引脚(SDO)、复位引脚(RST)和串行时钟输入引脚(SCK)分别与单片计算机中的五个I/O口(LCDCS、LCDDC、LCDSDO、LCDRST、LCDSCK)相连，存储器的写保护引脚(WP)接地，使存储器始终处于可读写状态，存储器的串行时钟引脚(SCL)和串行数据引脚(SDA)分别与单片计算机的两个I/O口(EESCL、EESDA)相连，时钟管理器的三个I/O引脚——串行时钟输入引脚(SCLK)、输入/输出引脚(I/O)和复位引脚(RESET)分别与单片计算机的三个I/O口(CSCLK、CIO、CRESET)相连，按键模块与单片计算机的I/O口(BUTTON)相连，串口通讯模块与单片计算机的I/O口的发送数据引脚(TxD)、接收数据引脚(RxD)相连，其中电源管理器中一路用2.5V稳压二极管、1K电阻和10K可调电阻产生恒定电压，为反应测试信号端口提供恒定电位激励，另一路用2.5V稳压二极管、100欧电阻和10K可调电阻产生恒定电压，为模数转换器提供精确参考电压。
2. 根据权利要求1所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其特 征是，所述按键模块控制开机，开机后通过判断是否有按键按下、按键时间长短 来选择测试、数据库管理或修改参数，测试时，通过反应测试信号端口在酶电极 两端施加恒定电位激励，反应开始后由反应测试信号端口导出酶电极的反应电 流，经运算放大器放大后送入模数转换器转换为数字量，再由单片计算机读取转 换结果，单片计算机再读取数据存储器中的试条参数，计算出待测液的过氧化氢 浓度，然后由液晶显示模块显示测试结果，并提示结果是否偏高，同时将测量结 果及测量时间存储在数据存储^l中；数据上传或修改参数时，用九针串口线连接 PC机与单片计算机，利用上位机程序控制下位机进行数据的上传或参数的修改。
3. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪， 其特征是，所述液晶显示模块的接口协议选择引脚(PS0、 PS1)分别通过10K 电阻连接到高电平和地，存储器的串行时钟输入引脚(SCL)、串行数据引脚(SDA) 接4.7K的上拉电阻，时钟管理器的串行时钟输入引脚(SCLK)、输入/输出引脚(1/0)、复位引脚(RESET)接10K的上拉电阻。
4. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其 特征是，所述液晶显示模块为显示中英文彩色操作界面、测试结果以及浓度过高 的彩色警报的点阵式显示模块。
5. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其 特征是，所述存储器采用ATMEL公司的AT24C256芯片。
6. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其 特征是，所述运算放大器的反馈电阻采用误差等级为W的47K金属膜电阻，反馈 电容采用3000pF的独石电容。
7. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪， 其特征是，所述单片计算机CPU采用EM78P447SAS型芯片。
8. 根据权利要求1或2所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其 特征是，所述模数转换器采用Analog Devices公司的AD7457。
9. 根据权利要求l所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其特 征是，所述时钟管理器采用Holtek Semiconductor公司的HT1380芯片。
10. 根据权利要求1所述的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，其 特征是，所述串口通讯模块通过DB9接口将单片计算机与PC机相连。
全文摘要
一种食品安全检测技术领域的基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪，包括单片计算机、存储器、时钟管理器、液晶显示器、运算放大器、模数转换器、电源管理器、反应测试信号端口、按键模块及串口通讯模块，在检测试条端口施以恒定电位激励，反应电流信号经运算放大器后连接到模数转换器，模数转换器、液晶显示器、存储器、时钟管理器、按键模块、串口通讯模块与单片计算机相连，电源管理器提供稳定电压一路用于反应测试端口的恒定电位激励，另一路为模数转换器提供精确参考电压。本发明性价比高、体积小、操作简单、校准方便，适用于检测原理类似的不同试条，能快速准确地完成输出信号采集和数据处理，并能批量上传历史数据。
文档编号G01N27/416GK101393163SQ20081020160
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者刚 刘, 刘海峰, 柴春彦, 潘细明, 袁景淇 申请人:上海交通大学