專利名稱：：基于arm技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體為一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)7jc質(zhì)快速檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
：目前，全世界每年約有4200多億立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5萬(wàn)億立方米的淡水，這相當(dāng)于全球徑流總量的14%以上。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物排入水中，使水體受到污染。據(jù)環(huán)境部門監(jiān)測(cè)，全國(guó)城鎮(zhèn)每天至少有l(wèi)億噸污水未經(jīng)處理直接排入水體。全國(guó)七大水系中一半以上河段水質(zhì)受到污染，全國(guó)1/3的水體不適于魚類生存，1/4的水體不適于灌溉，90%的;成市水域污染嚴(yán)重，50。/。的城鎮(zhèn)水源不符合^L用水標(biāo)準(zhǔn)，40%的水源已不能^1用，南方城市總?cè)彼康?0%_70%是由于水源污染造成的。日趨加劇的水污染，已對(duì)人類的生存安全構(gòu)成重大威脅，成為人類健康、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。據(jù)世界權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查，在發(fā)展中國(guó)家，各類疾病有8%是因?yàn)轱嬘昧瞬恍l(wèi)生的水而傳播的，每年因飲用不衛(wèi)生水至少造成全球2000萬(wàn)人死亡。因此，水污染被稱作"世界頭號(hào)殺手"。為了保障人類的健康，讓每一個(gè)人都喝上干凈的水，讓所有的農(nóng)作物都有干凈的水灌溉，必須建立水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和水污染物排放監(jiān)測(cè)制度，提高水質(zhì)的監(jiān)測(cè)手^爻，并建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息快速傳遞網(wǎng)絡(luò)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置。通過(guò)采用CCD陣列微型光語(yǔ)儀、開封即用標(biāo)準(zhǔn)試劑、ARM嵌入式控制系統(tǒng)和Zigbee無(wú)線傳輸方式，重點(diǎn)解決了水質(zhì)多參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)、儀器輕便可靠、操作簡(jiǎn)便快速、檢測(cè)結(jié)果即時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)問(wèn)題。一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，包括寬帶光源、樣品池、微型光譜儀、及ARM嵌入式控制系統(tǒng)；所述的微型光語(yǔ)儀包括用于分光的光柵分光裝置和接收光信號(hào)的探測(cè)器部件；所述的探測(cè)器部件包括CCD陣列傳感器、用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)器部件的驅(qū)動(dòng)和控制模塊，及用于轉(zhuǎn)換探測(cè)器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述的ARM嵌入式系統(tǒng)具有上位機(jī)控制功能，控制數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、顯示和傳輸。所述的寬帶光源為囟素?zé)艋騆ED組合寬帶光源，從光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄猓缓蟊环瓷溏R改變方向后，經(jīng)過(guò)樣品池。所述的光^^分光裝置沿光路依次設(shè)有透鏡、傳光光纖、狹縫、第一反射鏡、準(zhǔn)直鏡、光柵、球面鏡和第二反射鏡；透過(guò)樣品池的光束透過(guò)一透鏡后，通過(guò)傳光光纖，匯聚于狹縫后到達(dá)第一反射鏡，改變方向后射照到準(zhǔn)直鏡后變?yōu)槠叫泄?，?jīng)光柵色散，得到各波長(zhǎng)的光，這些波長(zhǎng)的光經(jīng)球面鏡、第二反射鏡匯聚到CCD陣列傳感器的焦面上，從而可測(cè)得樣品的吸光度等值。所述的ARM嵌入式控制系統(tǒng)包含無(wú)線傳輸模塊，該模塊具有Zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議，通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸方式，及時(shí)將檢測(cè)結(jié)果傳送到相關(guān)部門。根據(jù)已知濃度的水樣標(biāo)定各常用水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，將水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線預(yù)存在嵌入式控制系統(tǒng)中，采用開封即用標(biāo)準(zhǔn)試劑和標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，縮短了分析時(shí)間。CCD陣列傳感器中儲(chǔ)存著電荷，而當(dāng)光子打到光*文面時(shí)電荷就會(huì)被釋放。在積分時(shí)間的結(jié)尾，剩余的電荷就會(huì)傳送到緩沖器中，然后這個(gè)信號(hào)被傳送到A/D轉(zhuǎn)換器。CCD陣列傳感器最優(yōu)采用2048像元，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵根據(jù)使用的波長(zhǎng)范圍選定，永久安裝在光譜儀中，光柵的可用光譜范圍要大于照射到探測(cè)器上的光譜范圍，這是為了覆蓋更寬的光譜范圍。光學(xué)分辨率定義為光譜儀可以分開的最小波長(zhǎng)差。要把兩個(gè)光語(yǔ)線分開至少要把它們成像到探測(cè)器的兩個(gè)相臨像元上。因?yàn)楣鈻懦?shù)決定了波長(zhǎng)在探測(cè)器上可分開的程度(色散)，這對(duì)于分辨率來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。另一個(gè)重要參數(shù)是進(jìn)入到光傳儀的光束寬度，它基本上取決于狹縫寬度。在指定波長(zhǎng)處，狹縫成像到探測(cè)器陣列上時(shí)會(huì)覆蓋若干個(gè)像元。而如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到兩個(gè)像元上。當(dāng)入射光纖的芯徑大于狹縫的寬度時(shí)，分辨率就要由狹縫的寬度(有效寬度)來(lái)決定。表l光譜儀的分辨率(半寬度nm)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>所選光柵和入射光束的有效寬度(光纖芯徑或入射狹縫)對(duì)分辨率的影響如表1所示。對(duì)高線對(duì)數(shù)光柵來(lái)說(shuō)，色散效應(yīng)是隨著波長(zhǎng)范圍變化的，波長(zhǎng)越長(zhǎng)色散效應(yīng)越大。因此在最長(zhǎng)的波長(zhǎng)處會(huì)得到最高的分辨率。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作。所述的微型光譜儀安裝在光密封的外殼內(nèi)。雜散光是非信號(hào)光輻射照射在探測(cè)器像元上產(chǎn)生的誤差信號(hào)，雜散光的來(lái)源有周圍環(huán)境光輻射；非完美光學(xué)元件所產(chǎn)生的散射光或非光學(xué)元件產(chǎn)生的反射光；不同衍射級(jí)次間的重疊。把光譜儀安裝在光密封的外殼內(nèi)可以有效地消除周圍環(huán)境帶來(lái)的雜散光。當(dāng)光語(yǔ)儀工作在探測(cè)極限時(shí)(微弱光探測(cè))，來(lái)自于光語(yǔ)儀內(nèi)部和光柵、聚焦鏡的雜散光就決定了光語(yǔ)儀的最終探測(cè)極限。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是通過(guò)采用CCD陣列檢測(cè)的連續(xù)波長(zhǎng)便攜式可見光譜儀，采用基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)，預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)方程，配備開封即用的標(biāo)準(zhǔn)試劑包和快速操作流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中COD、BOD、總氮、總磷、總有機(jī)碳、氨氮、硝酸根、亞硝酸根、重金屬離子、陰離子、陽(yáng)離子等多種污染物進(jìn)行快速檢觀'],并通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸方式，及時(shí)將檢測(cè)結(jié)果傳送到相關(guān)部門。本發(fā)明提出的便攜式多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置一方面克服了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、操作過(guò)程繁瑣的缺點(diǎn)，又克服了現(xiàn)有快速檢測(cè)方法檢測(cè)指標(biāo)單一、數(shù)據(jù)傳輸慢的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)全面，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)即時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸。具有如下技術(shù)特點(diǎn)(1)便攜式7jc質(zhì)多參數(shù)快速檢測(cè)儀采用光纖傳光、光柵分光、線陣CCD探測(cè)，光路系統(tǒng)中無(wú)移動(dòng)部件，簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，提高了儀器的穩(wěn)定性，減輕了儀器的重量，達(dá)到了便攜性和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的目的。(2)采用ARM嵌入式控制系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的凄l(xiāng)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析功能；(3)采用了Zigbee無(wú)線傳輸系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠，抗干擾力強(qiáng)，保密性好，誤碼率低，頻段免費(fèi)，可自動(dòng)組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。(4)采用開封即用標(biāo)準(zhǔn)試劑和標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，在儀器中預(yù)置多種水質(zhì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，簡(jiǎn)化了沖喿作流程，縮短了分析時(shí)間。圖1為本發(fā)明水質(zhì)多參數(shù)快速檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)流程示意圖；圖2為探測(cè)器部件的原理圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明裝置作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖l所示，一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，包括寬帶光源l、樣品池2、微型光語(yǔ)儀3及ARM嵌入式控制系統(tǒng)4。寬帶光源1采用12瓦囟素?zé)?12V，1A,高穩(wěn)定恒流供電)，樣品池2采用半導(dǎo)體控溫可變光程樣品池。微型光鐠儀3設(shè)有光密封的外殼，包括用于分光的光柵分光裝置和接收光信號(hào)的探測(cè)器部件32;光柵分光裝置采用W型光學(xué)平臺(tái)，沿光路依次設(shè)有傳光光纖311、狹縫312、第一反射鏡313、準(zhǔn)直鏡314、光柵315、球面鏡316和第二反射鏡317;探測(cè)器部件32包括CCD陣列傳感器321、用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)器部件的驅(qū)動(dòng)和控制模塊322,及用于轉(zhuǎn)換探測(cè)器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模塊323;探測(cè)器部件32的基本參數(shù)2048像元，像元尺寸14pmx200|im，65V供電，超高靈敏度，帶時(shí)間發(fā)生器和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)(2MHz),自帶采樣保持電路。探測(cè)器部件32的原理圖如圖2所示，CCD的不同像元對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的不同波長(zhǎng)，經(jīng)CCD驅(qū)動(dòng)電路后，同時(shí)完成各波長(zhǎng)的光電轉(zhuǎn)換，并通過(guò)電荷耦合方式輸出，經(jīng)放大處理后，通過(guò)16位的A/D轉(zhuǎn)換，將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化光譜信號(hào)，輸入ARM嵌入式控制系統(tǒng)(上位機(jī))。光語(yǔ)的測(cè)量是通過(guò)儀器操作軟件自動(dòng)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線光譜定量分析，輸出信號(hào)與照在某像元的光成正比。光譜儀中探測(cè)器部件采用半導(dǎo)體制冷方式，工作溫度為5。C,使光語(yǔ)儀的噪聲降到最低。ARM嵌入式控制系統(tǒng)4與探測(cè)器部件32USB連接，用于接收A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和分析。從寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡11變?yōu)槠叫泄?，然后被反射鏡12改變方向后，經(jīng)過(guò)樣品池2。透過(guò)樣品池2的光束透過(guò)一透鏡21后，通過(guò)傳光光纖311，匯聚于狹縫312后到達(dá)第一反射鏡313,改變方向后射照到準(zhǔn)直鏡314后變?yōu)槠叫泄?，?jīng)光柵315色散得到各波長(zhǎng)的光，這些波長(zhǎng)的光經(jīng)球面鏡316、第二反射鏡317匯聚到CCD陣列傳感器321的焦面上。本實(shí)例中的光鐠儀采用600線/毫米的光柵，選用400微米芯徑的光纖，光語(yǔ)儀典型的雜散光參數(shù)是O.1%@600nm。本實(shí)例采用汞燈、He-Ne激光器、兩種半導(dǎo)體激光器，得到365.0nm、404.7nm、435.8nrn、546.1nm、632.8nm、808.0nm、979.4nm七個(gè)光譜線，作為光i普儀波長(zhǎng)定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)鐠線。光i普分辨率線陣CCD器件的像元數(shù)為2048，焦面長(zhǎng)度為26mm,所覆蓋的波^殳范圍3201100nrn，計(jì)算CCD分辨率為0.3nm;分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分辨率為0.5nm,儀器整機(jī)光i普波長(zhǎng)精度優(yōu)于1nm。水中總氮、總磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、亞硫酸鹽、曱醛、氯化物、DEHA等多種指標(biāo)的定標(biāo)方程，預(yù)存于嵌入式控制系統(tǒng)內(nèi)。檢測(cè)步驟是現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，過(guò)濾去雜一一開封即用標(biāo)準(zhǔn)試劑處理一一檢測(cè)儀檢測(cè)——結(jié)果報(bào)告和傳輸。單個(gè)指標(biāo)檢測(cè)時(shí)間包括前處理時(shí)間一般不超過(guò)10min。權(quán)利要求1、一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于包括寬帶光源、樣品池、微型光譜儀、及ARM嵌入式控制系統(tǒng)；所述的微型光譜儀包括用于分光的光柵分光裝置和接收光信號(hào)的探測(cè)器部件；所述的探測(cè)器部件包括CCD陣列傳感器、用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)器部件的驅(qū)動(dòng)和控制模塊，及用于轉(zhuǎn)換探測(cè)器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述的ARM嵌入式系統(tǒng)具有上位機(jī)控制功能，控制數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、顯示和傳輸。2、如權(quán)利要求1所述的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述的寬帶光源為卣素?zé)艋騆ED組合寬帶光源。3、如權(quán)利要求1所述的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述的光柵分光裝置沿光路依次設(shè)有透鏡、傳光光纖、狹縫、第一反射鏡、準(zhǔn)直鏡、光柵、球面鏡和第二反射鏡。4、如權(quán)利要求1所述的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述的微型光譜儀設(shè)有光密封的外殼。5、如權(quán)利要求1所述的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述的ARM嵌入式控制系統(tǒng)包含具有Zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議的無(wú)線傳輸模塊。6、如權(quán)利要求1所述的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述的ARM嵌入式控制系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于ARM技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)裝置，包括寬帶光源、樣品池、微型光譜儀、及ARM嵌入式控制系統(tǒng)；所述的微型光譜儀包括用于分光的光柵分光裝置和接收光信號(hào)的探測(cè)器部件；所述的探測(cè)器部件包括CCD陣列傳感器、用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)器部件的驅(qū)動(dòng)和控制模塊，及用于轉(zhuǎn)換探測(cè)器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述的ARM嵌入式系統(tǒng)具有上位機(jī)控制功能，控制數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、顯示和傳輸。本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)全面，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)即時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸。文檔編號(hào)G01N21/01GK101608998SQ20091010053公開日2009年12月23日申請(qǐng)日期2009年7月9日優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日發(fā)明者陳華才,陳渝陽(yáng)申請(qǐng)人:陳渝陽(yáng)