生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置.pdf

本发明涉及一种基于生物发光法毒性检测仪的信号获取和处理装置，包括：单片机、光电转换器、三级运算放大器和模数转换器、液晶显示器、键盘模块、电源管理器、通道选择器、倍率调整器、时钟管理器、采用USB的通讯模块、存储器，在光电倍转换器放大倍数控制、信号放大、滤波、通道选择性输出和辅助电路设计等方面进行了技术改进，能准确快速测量毒性检测中发光细菌所发出的微弱光，仪器能够定量测定一定范围内的毒性浓度、分辨率，精度高、且具有历史数据存储管理、数据上传、回溯等功能。

1、  一种生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置，其特征在于，包括：单片机、光电转换器、三级运算放大器和模数转换器、液晶显示器、键盘模块、电源管理器、通道选择器、倍率调整器、时钟管理器、通讯模块、存储器，通道选择器的通道选择引脚S1、S2分别与单片机的I/O口SS1、SS2连接，模数转换器的CLK、Dout、CS三个I/O引脚分别与单片机中的I/O口ADCLK、ADDout、ADCS相连，倍率调整器输入管脚接光电转换器标准电压，输出接光电转换器控制端Vcon、I/O端口CS、Din、CLK分别与单片机I/O口DCS、Din、DCLK连接，液晶显示器的I/O引脚CS、D/C、SDO、RST、SCK分别与单片机的I/O口LCDCS、LCDDC、LCDSDO、LCDRST、LCDSCK相连，键盘模块的BUTTON1、BUTTON2与单片机的I/O管脚BUTTON1、BUTTON2相连，时钟管理器的I/O引脚SCLK、I/O、RESET分别与单片机的I/O口CSCLK、CIO、CRESET相连，通讯模块的I/O引脚TxD、RxD分别与单片机的I/O口RSTxD、RSRxD相连，存储器的I/O引脚SCL、SDA分别与单片机的I/O口EESCL、EESDA相连，电源管理器与模数转换器的Vref端连接，电源管理器和光电转换器连接，光电转换器和三级运算放大器连接，三级运算放大器连接通道选择器，三级放大器的输出分别与模数转换器输入管脚Vout1、Vout2、Vout3相连，通道选择器的输出与模数转换器的输入Vin连接。

2、  根据权利要求1所述生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置，其特征是，所述光电转换器采用光电倍增管。

3、  根据权利要求1所述生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置，其特征是，所述电源管理器采用2.5V稳压二极管和电阻网络。

4、  根据权利要求1所述生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置，其特征是，所述三级运算放大器的反馈电阻采用误差等级为1％的金属膜电阻，反馈电容采用独石电容。

生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置
技术领域
本发明涉及一种检测技术领域的设备，具体是一种生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置。
技术背景
目前用于环境监测的毒性检测一般采用理化分析和生物检测两种方法。理化分析采用各种化学分析仪器和化学分析手段，测定污染物的种类和浓度。生物毒性检测方法有生物酶活性毒性检测法、水生生物毒性检测法、微型生物群落毒性检测法、细菌毒性检测法，等等。其中，饮用水的卫生安全检测普遍采用的是理化分析法，即利用毒性物质的特定物理属性或化学特性进行定量检测。这种方法精确，但是分析前需要大概知道可能存在有害物质种类，并且检测物质单一、检测时间长、费用较高。生物毒性检测方法目前还仅限于实验室应用，所需大型光检测仪器造价昂贵，核心技术基本被国外企业垄断。
经对现有的技术文献检索后发现，中国发明专利“城市污水生物毒性在线自动分析仪及其使用方法”(申请号200410021355，公开日2005年01月05日)涉及一种城市污水生物毒性在线自动分析仪，它包括仪器壳体、连接电控装置的操作面板，其特征是：仪器组装发光菌保温箱、缓冲液箱和清洗箱，发光菌保温箱内放置医用级容器；检测装置位于固定暗箱，旋转长轴穿入暗箱内，与旋转长轴固接圆板，圆板上组装六个小容器，在暗箱盖上设置滴管接头，通过流通管路连接发光菌保温箱内容器、缓冲液箱和清洗箱；旋转长轴的上端组装使旋转长轴提升的电磁铁，并设置动力传动装置；在暗箱的上方设置有发光菌光电探测器。该专利未涉及发光菌光电传感器之后的信号放大、处理、输出和相应的电路及信号处理装置的设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物发光法毒性检测仪信号的获取和处理装置，能准确快速测量毒性检测中发光细菌所发出的微弱光，仪器能够定量测定一定范围内的毒性浓度、分辨率，精度高、且具有历史数据存储管理、数据上传、回溯等功能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：单片机、光电转换器、三级运算放大器和模数转换器、液晶显示器、键盘模块、电源管理器、通道选择器、倍率调整器、时钟管理器、采用USB的通讯模块、存储器。
通道选择器的通道选择引脚S1、S2分别与单片机的I/O口SS1、SS2连接，模数转换器的三个I/O引脚，即CLK、Dout、CS分别与单片机中的I/O口ADCLK、ADDout、ADCS相连，倍率调整器输入管脚接光电转换器标准电压，输出接光电转换器控制端Vcon(通过该电压控制光电倍增管的放大倍数)，I/O端口CS，Din，CLK分别与单片机I/O口DCS，Din，DCLK连接，液晶显示器的I/O引脚CS、D/C、SDO、RST、SCK分别与单片计算机的I/O口LCDCS、LCDDC、LCDSDO、LCDRST、LCDSCK相连，键盘模块的BUTTON1，BUTTON2与单片机的I/O管脚BUTTON1，BUTTON2相连，时钟管理器的I/O引脚SCLK、I/O、RESET分别与单片机的I/O口CSCLK、CIO、CRESET相连，通讯模块的I/O引脚TxD、RxD分别与单片机的I/O口RSTxD、RSRxD相连，与PC机通过USB口通讯。存储器的I/O引脚SCL、SDA分别与单片机的I/O口EESCL、EESDA相连，存储器的写保护引脚WP接地，使存储器处于可读写状态，电源管理器与模数转换器的Vref端连接，电源管理器和光电转换器连接，光电转换器和三级运算放大器)连接，三级运算放大器连接通道选择器。三级放大器的输出分别与模数转换器输入管脚Vout1、Vout2、Vout3相连，通道选择器的输出与模数转换器的输入Vin连接。
所述光电转换器采用光电倍增管。
所述三级运算放大器的反馈电阻采用误差等级为1％的金属膜电阻，反馈电容采用独石电容。
光电转换器即光电倍增管的控制电压调整装置采用倍率调整器。采用通道选择器连接三级运算放大器和模数转换器，可以实现自动换挡。
所述电源管理器采用2.5V稳压二极管和电阻网络产生恒定电压，为模数转换器提供精确参考电压。所述电源管理器分三部分，一部分是9V输入5V输出；另一部分为5V输入15V输出，这两部分主要为各个芯片提供电源。15V为光电倍增管供电，5V为其他芯片供电；最后一部分是通过稳压二极管与电阻分压电路产生恒定电压，作为模数转换模块的参考电压。
为了对微弱(纳安级)且易被噪声淹没的光电倍增管输出电流进行高保真，高增益放大，本发明在光电转换器放大倍数控制、信号放大、滤波、通道选择性输出和辅助电路设计等方面进行了技术改进，在系统软件支持下，可以准确测取样品光强动态变化曲线的采样值，并进一步通过数据处理技术得到样品毒性强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用光电转换器，三级放大器，实现微信号的放大，有效提高了测量精度。
2、采用倍率调整器控制光电转换器电压调整，便于光电倍增管放大倍数调整，使测量精度更高。
3、采用通道选择器连接三级运算放大器和模数转换器，可以输出一到三级放大的结果，扩大了测量范围，而且可实现自动换挡，测量更加精确。
4、具有通讯功能，可实现数据库上传和在线校准，并采用USB口通讯，使用更加方便。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2光强检测曲线及读数位置(30秒)示意图。
具体实施方式
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：单片机1、光电转换器9、三级运算放大器10和模数转换器7、液晶显示器2、键盘模块4、电源管理器8、通道选择器11、倍率调整器12、时钟管理器3、采用USB的通讯模块5、存储器6，通道选择器11的通道选择引脚S1、S2分别与单片机1的I/O口SS1、SS2连接，模数转换器7的三个I/O引脚，即CLK、Dout、CS分别与单片机1中的I/O口ADCLK、ADDout、ADCS相连，倍率调整器12(倍率调整器12的引脚SHDN通过1K电阻接到高电平)输入管脚接光电转换器9标准电压，输出接光电转换器9控制端Vcon，I/O端口CS，Din，CLK分别与单片机1I/O口DCS，Din，DCLK连接，液晶显示器2的I/O引脚CS、D/C、SDO、RST、SCK分别与单片机1的I/O口LCDCS、LCDDC、LCDSDO、LCDRST、LCDSCK相连，液晶显示器2的引脚PS0和PS1分别通过10K电阻连接到高电平和地，键盘模块4的BUTTON1，BUTTON2与单片机1的I/O管脚BUTTON1，BUTTON2相连，时钟管理器3的I/O引脚SCLK、I/O、RESET分别与单片机1的I/O口CSCLK、CIO、CRESET相连，时钟管理器3的引脚SCLK、I/O、RESET需要接10K的上拉电阻，通讯模块5的I/O引脚TxD、RxD分别与单片机1的I/O口RSTxD、RSRxD相连，存储器6的I/O引脚SCL、SDA分别与单片机1的I/O口EESCL、EESDA相连，存储器6的引脚SCL、SDA需要接4.7K的上拉电阻，电源管理器8与模数转换器7的Vref端连接，电源管理器8和光电转换器9连接，光电转换器9和三级运算放大器1O连接，三级运算放大器10连接通道选择器11，三级放大器10的输出分别与模数转换器7输入管脚Vout1、Vout2、Vout3相连，通道选择器11的输出与模数转换器7的输入Vin连接。
所述光电转换器9采用光电倍增管。
所述电源管理器8采用2.5V稳压二极管和电阻网络，电源管理器8中用2V稳压二极管、100欧电阻和1K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；
所述三级运算放大器10的反馈电阻采用误差等级为1％的金属膜电阻，反馈电容采用独石电容。
该仪器使用时，首先由键盘模块4的开机键控制仪器的开机。开机后，检测仪系统软件等待样品检测、数据库管理、修改参数三个菜单按键的触发。在检测按键触发的情况下，软件通过液晶屏提示先进行无毒标准样品测试，检测无毒样品结束后提示置入待测样品进行测试。测取的数据是为时数十秒的发光菌光强动态变化曲线采样值。测试时，光电转换器9(光电倍增管)采光口接受细菌发出的光，产生微电流，经三级运算放大器10(含滤波电路)放大后送入模数转换器7转换为数字量，再由单片机1的软件实时读取转换结果，该结果经过软件滤波后被储存于存储器6。
样品测试完成后，系统软件将保存在存储器6中的待测样品采样数据(曲线)与无毒性标准样品采样数据(曲线)进行对比，并定量计算出待测样品中的毒性强弱。数据处理时，取待测和无毒标准样品数据在某一时间(默认为30秒)之商作为待测样品毒性强度的表征，数值在0.000～1.000之间，数值越小表示毒性越强。见图2。上述默认时间(30秒)可以在参数调整模式中修改，从而为定标提供便利。待测样品毒性测试结果由液晶显示器显示，液晶显示器可同时显示如图2所示的两条数据曲线。最后，待测样品毒性测试结果及测量时间被保存于存储器6。
与上位机进行通讯时，需要用USB接口连接PC机与毒性检测仪，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。
如图1电路结构图所示，本实施例除包括了基本测试电路外，还包括时钟管理器3、通讯模块5和存储器6等三个功能模块。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。
本实施例采用高分辨率的点阵式液晶显示模块2，界面友好直观，应用简便。
为了尽量减小仪器体积并降低能耗，仪器中除了光电转换器10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1和光电转换模块9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。为了降低功耗，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。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。部分硬件功能可以软件替代，例如用软件滤波部分代替硬件滤波。
采用上述技术的毒性检测仪具有结构紧凑、检测时间短、操作简便，测量结果精度高，范围大等特点，适合实验室使用或普通检测使用。
本实施例中：单片机1采用ELAN公司的EM78P447SAS芯片。液晶显示器2采用点阵显示器，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；光电传感器9采用日本滨松公司的光电倍增管H5773；通道选择器11用AnalogDevices公司的AD4052；倍率调整器12采用Analog Devices公司数字电位器AD5200；模数转换器7采用Microchip公司的MCP3201；三级运算放大器10采用Analog Devices公司的AD8607；存储器6EEPROM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；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；串口通讯芯片采用Maxim公司的MAX232A，USB转串口芯片采用PL2303，通过USB接口可将单片计算机1与PC机相连，实现仪器与上位机通讯；电源管理器8采用LINEAR公司的LT1117和ANSJ公司的HDN3。