采用C8051F060的水質重金屬在線監測儀的研制

摘要：針對目前水質重金屬實驗室檢測方法的不足，研制了一款靈敏度高、檢出限低、性能穩定的實時自動在線監測儀。該儀器以C8051F060作為下位機主控芯片實現信號發生器、恒電位儀和信號采集處理，以基于WindowsCE的ARM9作為上位機完成泵閥控制和數據處理，以穩定的BDD電極作為工作電極的三電極體系，三大部分共同構成穩定的監測系統。此監測儀在測試不同濃度重金屬鉛、鉻、鎳離子溶液時得到了良好的響應。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203223.htm

關鍵詞：重金屬在線檢測；C8051F060；恒電位儀；BDD電極

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.008

引言

隨著工業的發展，重金屬對水質的污染越來越嚴重，微量的重金屬就可以使人體產生中毒和其它危害癥狀，實時在線監測水質重金屬的含量成為當務之急。光譜、質譜、中子活化、分光光度等幾種方法在連續監測及現場測定方面受到很大限制，電化學伏安法[1]得到的是直接可以測量的電信號，儀器設備簡單，易于實現自動化。以電化學分析方法作為測試方法，開發研制低成本、高精度、實時在線連續監測的儀器是環境監測發展的必然趨勢。

水質重金屬監測儀結構及工作原理

水質重金屬自動監測儀包括簡單信號發生器、恒電位儀[2]、弱電流采集處理部分、三電極體系、單片機系統及外擴部分、泵閥的控制部分、上位機及人機界面，整體結構圖如圖1所示。該檢測儀中的函數信號發生器輸出的電壓通過恒電位儀加載到三電極系統，使工作電極（WE）的電壓精確保持在需要的電壓上，采集對電極（CE）與工作電極（WE）回路產生的微弱電流信號，并記錄過程中的伏安曲線，并通過上下位機記錄存儲處理數據。根據電化學溶出伏安法，曲線中峰電流的大小在一定條件下與被測離子的濃度成正比，峰電位與被測離子的種類特性有關，從而定性定量地分析出重金屬離子的種類和濃度[3]。

簡單函數信號發生器的設計

函數信號發生器有幾種實現方法，可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，但是功能較少，精度不高，調節方式不夠靈活，也可以利用專用直接數字合成DDS芯片[5]的函數發生器，能夠產生任意波形，但成本較高。

為了給恒電位儀提供多種類、易實現的電壓信號，設計了一種簡單可行、精度高、成本低的簡單函數信號發生器。該系統利用C8051F060單片機的I/O口模擬SPI通信口來控制16位高精度數模轉換芯片DAC8831[6]，DAC根據預先輸入的D/A控制字將數字信號轉換成模擬電壓信號，結合外部運放可以實現單極性（0～VREF）和雙極性（-VREF～+VREF）兩種輸出模式，恒電位儀中使用有正負兩種極性的電壓，故采用雙極性輸出。

恒電位儀設計

恒電位儀就是維持參比電極與工作電極之間的電位差恒定的電子設備。把工作電極接虛地，可以防止寄生信號的干擾，從而提高了電路中電流和電壓的穩定度和精度。這樣恒電位儀就變成了保證參比電極沒有電流流過的前提下，把參比電位加到比較器的反向輸入端，在運放的同向輸入端加控制電壓作為基準電位，運放的輸出端接對電極形成電壓閉環負反饋調節系統。反向輸入端的電位隨同向輸入端的電位變化而變化，因此同向輸入端電壓恒定時，電極中電流變化時，參比電極電位相對于工作電極電位任何微小變化均將為電路的電壓負反饋所糾正，從而達到自動恒定的目的[7]。

弱電流采集處理

檢測儀的軟件設計

檢測時序

檢測儀上下位機通過Modbus協議[10]進行通訊，完成儀器檢測整個過程。時序流程圖如圖4所示。

提高檢測儀的檢測能力

通過軟件的編寫控制DAC芯片產生不同的電壓掃描波形[11]：線性、差分脈沖等波形[12]，為了提高儀器檢測重金屬離子的檢出限，采用差分脈沖電壓掃描方式消除背景電流的影響，提高監測儀在檢測低濃度重金屬溶液的能力，差分脈沖波形如圖5所示。

在Keil軟件中編制差分脈沖掃描部分軟件如下：

void scan（uint dac_begin，uint dac_ end，uint speed，uint step，uint dac_basic）

{

adcnum0=0；

控制精度測試

通過調整電壓數字量來改變模擬輸出電壓值，使用Thurlby 1905a對系統電壓Vout輸出端進行檢測，預設電壓與實測電壓數據對比如表1所示。

由表1分析可知，系統Vout輸出電壓可以實現-4.096V～+4.096V連續變化，且實際誤差小于等于0.2%，分辨率也可達到1mV，完全滿足恒電位儀中高速掃描對線性度、穩定度及分辨率的要求。

測試實驗結果

在0.1mol/L的鹽酸電解質下，測試不同濃度的重金屬鉛離子溶液響應的伏安曲線和線性度如圖6所示。

由檢測結果可知，設計的重金屬監測儀測試的重金屬鉛離子溶液時有明顯的伏安曲線響應，檢測濃度可以達到0.2ppm，實現了低濃度水質重金屬的電化學方法檢測。

結論

通過實驗結果數據得知，自行設計的基于C8051F060的重金屬檢測儀實現了實時自動在線、價格低廉、檢測速度快、檢出限低等特點，在國內研究實時自動在線的水質重金屬檢測儀領域開辟了新路徑。

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