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新型pH值和离子浓度测量仪的研制

时间:2019-03-04 09:35:06 来源:凤凰彩票官网 作者:匿名



介绍

离子敏感场效应晶体管(ISFET)[1]是用于测量溶液的离子组成和浓度的敏感组件。它通过各种物理和化学类型的信号转换器捕获目标和敏感元件之间的反应,然后作出反应。该程度由离散或连续的电信号表示,以得出分析物的浓度。与目前用于医学诊断测试的离子选择性电极(ISE)技术相比,它具有体积小,固态,低功耗和易于集成的优点。它已被用于生物学,医学,环境监测,食品,医学和军事医学。其他领域已显示出广泛的应用前景。开发的pH值和离子浓度测量仪使用各种离子敏感场效应晶体管(ISFET)作为检测传感器,并使用PIC16F877单片机作为控制芯片。

1系统硬件结构

1.1系统硬件组成

整个系统包括传感器信号处理装置,PIC单片机和LCD,EEPROM,键盘等设备。硬件框图如图1所示。传感器信号处理器件由偏置电路和电压调理电路组成,选用Microchip公司生产的PIC16F877芯片作为系统的核心控制器件。电压调节后,传感器信号被发送到PIC单片机的A/D转换端口。

1.2传感器信号处理电路设计

ISFET是ISE敏感膜和MOSFET场效应晶体管的组合。它对离子具有一定的选择性。结构如图2所示[2]。

绝缘栅极直接与电解质接触,并且绝缘栅极2的界面的电势与电解质中的离子浓度有关。溶液中离子浓度的变化将引起ISFET器件的阈值电压的相应变化。将参比电极置于电解质中,并通过施加电压适当地操作ISFET。可以选择不同的敏感膜来检测不同离子的浓度。通常用于测量溶液pH的材料是SiO 2,Si 3 N 4,Al 2 O 3等。

将离子选择性膜添加到ISFET的栅极,当测量溶液接触离子选择性膜时,发生反应以改变pH值,从而改变漏电流,并且待测溶液的浓度可以是通过检测电流的变化而已知。 ISFET的电特性可以等同于电化学部件,由相应的等效电路代替,并与N沟道MOSFET耦合。等效电路如图3所示[3]。电解质的离子浓度可以由传感器的阈值电压表示。描述ISFET静态特性的表达式是:。

其中:Φ1是电解质和栅极介电层之间界面处的电化学电位; VR是参考电压和电解质之间的结电势; QSS是等效的界面陷阱和氧化物电荷; COX是每单位面积的栅极电容ΦF是P型衬底的体内费米能级; QE是耗尽区的单位面积电荷。对于具有特定结构的传感器,除Φ1外,所有其他项目都是常量。 Φl的大小由敏感膜的性质和电解质中的离子活性(稀溶液中离子的活性和浓度相等)决定,因此可以使用阈值。电压的变化测量电解质中离子的活度。

当待测液体与膜接触时,膜被离子和水分子渗透,一旦表面被水溶解(水和作用),待测液体的界面电位和负对数(pH)氢离子浓度成比例。基于产生的电位和与pH值成比例的栅极电压,从漏极电流变化读取pH变化值。图4显示了ISFET的测量电路。

测量要求ISFET的偏置条件(ID和VDS)保持恒定,电压VA设置ISFET Q1的漏极电流ID,电压VB设置漏极2源极电压VDS。同时,栅格直接接触待测流体,并且流体的酸度改变通道的宽度,从而产生与流体的pH成比例的栅极2源电压VGS。 VCC=12 V,VEE=-12 V.图5显示了ISFET偏置电路[4]。

1.3控制电路设计

该系统使用PIC16F877芯片作为控制器。它是一种结构特殊的微处理器。该芯片采用哈佛结构,具有独立的程序和数据,精简指令集(RISC),两级流水线指令模式和指令系统寻址。简单的方法和高代码压缩率使得能够快速实现各种数字信号处理算法。其主要功能是负责A/D转换,A/D转换信号的分析和处理,LCD的管理以及与PC的通信。内置的10位分辨率模数转换电路可以简化电路。 [5]。系统还使用PIC芯片中的看门狗模块,可以提高系统的抗干扰性。当错误或程序飞出时,系统可以自动重置。 WTD的定时计数脉冲由芯片中的专用RC振荡器产生。它的工作不需要任何外部器件,它独立于微控制器的时钟电路。在测试,参数设置或校准期间,PIC16F877芯片中的EEPROM存储器可以确保这些修改后的参数不会因系统掉电而丢失,24LC16B是采用CMOS技术制造的8引脚串行EEPROM。该芯片的工作电压范围为2.5至5.5 V. PIC单片机与LCD和EEPROM相连的接口电路如图6所示[6]。

LCD显示屏选用JHD161A液晶模块,它采用16引脚接口,VSS为接地电源,VDD为5 V正电源,RS为显示,命令选择线,当RS为高电平时,MCU对LCD模块进行读写; E对于数据接收和发送标志,每当E线向LCD模块发送脉冲时,LCD模块和MCU之间将进行数据交换;当RS和R/W都为低时,R/W是读/写选择线。它可以写指令或显示地址。当RS为低电平时,R/W为高电平,可以读取忙信号。当RS为高电平时,R/W为低电平,可以写入数据。 E终端是启用终端。当E端子从高电平变为低电平时,液晶模块执行命令。 A和K分别是LCD模块背光的正负电源。背光由AR5控制,DB0~DB7依次与单片机的RD0~RD7连接,这是一条8位双向数据线[6]。

键盘的动态扫描采用高可靠性判断,即:,判断关闭和释放两次,键盘输入扫描采用查询方式,键盘抖动由软件消除。列线通过上拉电阻连接到电源,没有按键时列线为高电平。当每个行线输出低电平时,按下键,并且相应的列线RB4,RB5,RB6和RB7将为低。 CPU连续将线路线变低,然后检查列线的输入状态以确定按钮状态。操作员可以通过键盘的数字键0~9将验证参数输入系统,完成单/双管选择,并将SHIFT键与其他键组合,完成更复杂的功能。在密钥服务子程序中,通过逐行逐行扫描确定按下哪个键,并且键值寄存器JIANR被赋予不同的值。如果按下键0,则JIANR=0,如果按下键1,则JIANR=1,依此类推。返回密钥服务子程序后,通过判断JIANR的值,可以知道按下了哪个键,从而进行相应的操作。LCD显示电解液的当前离子活度,键盘输入的数据系统使用PIC单片机的数字I/O端口来控制LCD模块。 PIC单片机嵌入式异步串行端口SCI支持使用标准格式在CPU和其他异步外设之间进行数字通信。 PIC可以通过芯片MAX232和PC的RS232接口轻松地将PIC单片机连接到PC。通讯。

2系统软件设计

软件设计采用模块化设计方法,易于调试和连接。整个软件由一个大型主程序和24个子程序组成。主程序包括系统初始化,自诊断(CPU,RAM,I/O接口诊断)和功能键的执行。主程序流程如图7所示。子程序有显示程序,延迟子程序,A/D转换子程序,排序子程序,单/双管状态子程序,功能操作子程序等。[7] 。

3测试结果

根据检测不同离子参数的特殊要求,可以选择相应的ISFET传感器,形成特殊功能的离子检测器。该仪器用于青霉素滴度测量,并由国家标准研究中心测试。实验方法和结果如下。

3.1实验方法

由卫生部药品生物制品公司分发的青霉素钾盐标准品批号810117,1607μ/mg,制成64000Iμ/mL溶液,分别稀释成一系列溶液,检测结果见表[7]。

3.2测量精度,精度和分辨率

从表1可以看出,测量精度误差为2.1%(最大值),串联标准的线性相关系数为γ=0.998 1。

4。结论

由于系统采用PIC单片机作为控制芯片,因此可以减少大量外围芯片的使用,并且体积和重量都减少到原来的1/3左右。功耗小于原始,实时,可靠性和稳定性的1/2。性能进一步提高,增加了与主机通信的功能。通过将MAX232连接到PC,可以在微机控制室实时监控和记录所有生产工艺参数,大大提高了产品的性价比。将来,可以对各种离子敏感FET传感器进行建模,以存储离子敏感FET的更多输出特性和相应的操作程序,并通过程序升级进一步升级仪器功能。摘录自:中国计量与测量网络

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