便携式重金属智能分析仪的设计与实现

摘要

在科学日益发展的当代社会，随着人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动的日益增多，重金属污染越来越严重，重金属环境污染问题已成为一个刻不容缓的世界性课题。而痕量重金属的定量分析是重金属污染检测方面的重要内容，电化学分析方法是一种公认的快速、灵敏、准确的痕量分析方法，而且仪器简单、价格低廉、易于推广。故而研发出一种痕量重金属的电化学分析仪器，满足国内环境和食品安全快速检测的需要已经迫在眉睫。
　　基于目前社会需求特点和现有电化学分析仪现状，本设计根据电化学分析原理，结合化学计量学的数据处理新方法，研制开发了一种便携式的重金属智能电化学分析仪。开发的电化学智能分析仪对痕量重金属的检测具有快速、灵敏、准确的特点，而且可以同时测定多种重金属元素，与光谱检测方法具有一致性。该仪器小型化设计，携带方便，性能稳定，质量可靠，操作简单易用，便于非分析专业人员的使用。仪器高度智能化，能自动完成各类繁琐的信号测量、电流重叠峰分离、畸形峰校正、浓度的计算等功能。可实现现场检测铅、汞、镉、铬、砷等重金属危害物，能广泛用于土壤、食品、饮水安全和空气污染物中重金属离子的检测。
　　硬件方面，采用先进的集成运放设计的恒电位电路，结合功能强大Arduino硬件平台、精确的DA电路、AD电路和基准电压电路构成整个重金属分析仪;软件方面，采用功能强大的Python语言编写的上位机数据处理系统并植入化学计量学算法与下位机数据采集系统一同形成了分析仪的智能化。
　　与传统的电化学工作站相比，本设计在硬件方面采用了优良的集成电路和电磁兼容性设计，系统误差小，性能优越;在软件上集成了实用的化学计量学算法，使得数据处理更加精确高效。因其具有成本低、高度便携、智能化程度高、准确度好等优势，使用价值和市场前景广阔。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 重金属污染现状

1．1．2 重金属检测方法

1．1．3 电化学重金属分析仪研发的意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．3 电化学重金属分析仪存在的问题以及本设计的解决方案

1．4 本论文的研究内容

第2章 便携式重金属智能分析仪的总体设计

2．1 电化学反应中的三电极体系

2．2 电解池的等效电路

2．3 电化学实验方法

2．4 仪器的总体结构

2．4．1 仪器框架流程

2．4．2 仪器功能及主要设计指标

2．5 小结

第3章 便携式重金属智能分析仪的硬件设计

3．1 控制核心设计

3．2 电源电路设计

3．3 恒电位电路设计

3．4 基准电压电路设计

3．5 DA转换电路设计

3．6 SD卡存储电路设计

3．7 搅拌系统设计

3．8 PCB电磁兼容性设计

3．9 小结

第4章 便携式重金属智能分析仪的软件设计

4．1 编程语言的选择

4．2 上位机数据处理系统开发

4．2．1 上位机数据处理系统整体框架设计

4．2．2 串口通信模块

4．2．3 参数设置模块

4．2．4 数据处理模块

4．3 下位机数据采集系统开发

4．3．1 下位机数据采集系统整体框架设计

4．3．2 数据采集模块

4．3．3 SD卡存储模块

4．4 小结

第5章 便携式重金属智能分析仪系统性能测试分析

5．1 分析仪仿真测试

5．2 分析仪参数测试

5．2．1 分析仪的稳定性测试

5．2．2 分析仪的分辨率测试

5．2．3 分析仪的精度测试

5．3 电流与离子浓度线性度测试

5．3．1 循环伏安法的线性度测试

5．3．2 溶出伏安法的线性度测试

5．4 实际样本测试

5．4．1 实验预处理

5．4．2 污水样本检测

5．4．3 实验结果分析

5．5 小结

第6章 总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢