蔬菜基地重金屬含量檢測系統設計

摘要：針對蔬菜基地存在的重金屬污染，設計了一種重金屬離子濃度檢測系統。該系統基于離子選擇膜技術(shù)，研制了微小型的Cu+-ISE，利用電勢測定法研究ISE的電化學(xué)響應性能，并結合一元線(xiàn)性回歸建立電極電勢與離子濃度的數學(xué)模型?；赟TC89C52單片機和AD620運放器，設計了硬件檢測電路和檢測程序，實(shí)現了對離子濃度的測量、顯示和存儲等操作。最后，通過(guò)對Cu+離子溶液的試驗驗證了該檢測儀的精確性。
關(guān)鍵詞：蔬菜基地；重金屬離子；離子選擇電極；能斯特方程

隨著(zhù)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和人口的持續增長(cháng)，鉛、銅、鋅等重金屬污染已成為全球性的問(wèn)題。農用土壤是受人類(lèi)活動(dòng)強烈影響的一類(lèi)特殊土壤，其環(huán)境質(zhì)量與人們的身體健康密切相關(guān)。土壤污染源主要來(lái)自工業(yè)“三廢”和農藥、化肥的大量使用，污染物可通過(guò)灌溉水進(jìn)人土壤，也可通過(guò)大氣污染、空中的顆粒物(含重金屬和致癌物質(zhì)等)干濕沉降造成土壤污染，隨著(zhù)時(shí)間的推移，農田表層土壤鉛、銅、鋅等重金屬含量有增加的趨勢。由于農作物的吸收作用，重金屬元素從土壤中遷移轉化到農作物根莖葉及果實(shí)中去，從而連帶造成農作物的重金屬污染，危及人們的健康水平。因此，如何快速而又簡(jiǎn)便地實(shí)現蔬菜生產(chǎn)基地土壤重金屬含量的在線(xiàn)測量成為了一個(gè)至關(guān)重要的現實(shí)問(wèn)題。
本離子濃度檢測儀的系統控制電路是以單片機為核心進(jìn)行擴展的，擴展電路由儀用的放大電路、AD轉換電路、18B20溫度測量電路、液晶顯示電路、鍵盤(pán)電路以及數據存儲電路等組成。設計中選擇的單片機處理器為STC89C52RC+，鍵盤(pán)模塊為一對一按鍵模式，液晶模塊為12864液晶，溫度傳感器為單總線(xiàn)18B20，數據存儲電路為外接EEPROM。

1 離子濃度檢測原理
離子選擇性電極是一種電勢型電化學(xué)傳感器，離子選擇性電極的關(guān)鍵部分是離子選擇膜，在離子選擇膜上不會(huì )發(fā)生電子得失，但由于存在離子濃度差異，在離子選擇膜的兩側表面上會(huì )發(fā)生離子交換，形成濃差膜電勢，膜電勢與待測溶液中的特定離子濃度服從能斯特方程如下：

能斯特方程即為離子選擇性電極的工作原理。
由于離子選擇性電極內參溶液的離子活度aj保持恒定，因此膜電勢可以表示為：

式中：EM為膜電勢(V)；R=8.314 J／(K·mol)為氣體常數；T=t+273．15為絕對溫度(K)；F為法拉第常數(96 487c／mol)；z為離子電荷數(這里，z=1)；a為待測離子活度，這樣膜電位就成為離子濃度對數的函數。

2 檢測儀硬件設計
檢測儀硬件電路主要對離子電極產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行采集、濾波和放大，使之變換成適合A／D轉換器的輸入信號，并經(jīng)過(guò)A／D轉換為數字信號，同時(shí)理由溫度傳感器讀取環(huán)境溫度信號，二者由單片機讀取并處理后，將經(jīng)溫度補償后的檢測結果進(jìn)行顯示、存儲、傳輸和測量結果打印等操作。據此，檢測儀硬件電路主要由離子電極電壓信號采集與處理、通信、電源、存儲器和顯示等模塊組成，如圖1所示。

3 檢測儀軟件設計
3．1 系統軟件總體概述
檢測儀軟件采用模塊化設計，基于KeilC51軟件開(kāi)發(fā)工具，應用C51高級語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，通過(guò)串口完成對單片機程序的燒寫(xiě)，其主要程序包括：基本模塊驅動(dòng)程序(即數據采集、顯示、傳輸、存儲和打印等模塊)和數據處理程序。各子程序是在主程序的控制下，按預定的方式在各種觸發(fā)條件具備時(shí)響應并執行。
系統主體設計流程圖如圖2所示。

3．2 AD轉換量
AD轉換電路在整個(gè)檢測系統中具有重要的作用，其精度的高低將直接影響到整個(gè)系統的正確性。所有在此系統中采用高精度的AD芯片ADS1100，它是一種全差分，自校正，16位A／D轉換器。ADS1100也因其精度高，體積小，使用方便而在高精度測量，工業(yè)控制過(guò)程等方面獲得廣泛的應用。ADS1100因為使用I2C總線(xiàn)接口傳輸數據，所以這里也用到I2C的驅動(dòng)程序。