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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于MSP430的多光譜新型水質(zhì)分析儀
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本研究以光譜信息融合理論為核心，開發(fā)了一套可以測(cè)試氨氮和亞硝酸鹽含量的多光譜新型水質(zhì)分析儀。該水質(zhì)分析儀通過(guò)對(duì)少量水質(zhì)樣品的光譜測(cè)量分析能夠自動(dòng)完成水樣化合物測(cè)定、顯示、存儲(chǔ)全過(guò)程。該儀器能夠快速檢測(cè)水中氨氮、亞硝酸鹽的含量，實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明該檢測(cè)設(shè)備，誤差小，測(cè)量精確，具有一定創(chuàng)新性。廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，同時(shí)也適用于生活污水和湖泊地表水的自動(dòng)檢測(cè)。
- 詳細(xì)介紹：
- 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析 1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)理論分析 1.1.1化合物光譜理論分析 朗伯--比爾定律：當(dāng)一束平行單色光（只有一種波長(zhǎng)的光）照射有色溶液時(shí)，光的一部分被吸收，一部分透過(guò)溶液，在入射光強(qiáng)不變的情況下，吸光度只與液層厚度及溶液的濃度有關(guān)，若再保持液層厚度不變，則吸光度只與溶液的濃度有關(guān)。 因此通過(guò)對(duì)透射光頻率的測(cè)量，可以推算出該溶液的濃度值。 通過(guò)白色光照過(guò)液體，將液體的顏色投到顏色傳感器上的方式，通過(guò)檢測(cè)反射過(guò)去的色譜值判斷試劑中化合物的含量值。即通過(guò)RGB彩色傳感器識(shí)別調(diào)配后的化合物的RGB顏色參數(shù)，參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水體中化合物的含量的測(cè)量。這樣既克服了分光光度法的缺點(diǎn)，又提高了測(cè)量精度，符合市場(chǎng)需求。另外，使用了TCS230在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，抗干擾能力強(qiáng)。 1.1.2 化合物光譜實(shí)驗(yàn)分析 在無(wú)機(jī)化學(xué)中，尤其在過(guò)渡金屬元素配合物中經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣顏色的無(wú)機(jī)化合物。顏色是與它們的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。從物理的角度來(lái)講色彩是光達(dá)到人們的眼睛所顯示的一種性質(zhì)。色彩并不是人們看到的物質(zhì)的性質(zhì)，而是物質(zhì)從入射到它們的光中吸收了某種波長(zhǎng)的光，繼而將未吸收的光反射到人的眼中，人所感受到的。 通過(guò)測(cè)定氨氮及亞硝酸鹽的配置溶液含量，發(fā)現(xiàn)傳感器輸出的數(shù)據(jù)中RGB即紅綠藍(lán)三種顏色的色值，線性度并不統(tǒng)一，例如紅色試劑，輸出的R值線性區(qū)間較窄，G值線性較差，進(jìn)而降低了測(cè)量精度，所以我們引入了互補(bǔ)色的概念，既可以滿足較寬的線性區(qū)間，又有良好的線性度； 如果待測(cè)溶液為紅色Red，實(shí)際測(cè)量中，將使用紅色的互補(bǔ)色藍(lán)色Blue值作為參數(shù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，得出化合物含量，最終提高了測(cè)量精度。 1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 目前市場(chǎng)上已生產(chǎn)的水質(zhì)分析儀器，一般采用化合物與其他試劑在特定環(huán)境下反應(yīng)后，使用分光光度法進(jìn)行在特定的波長(zhǎng)下測(cè)定采集，需要計(jì)算，步驟較多，使用麻煩，該方案不僅造成設(shè)備占用空間大，儀器增加，造成測(cè)定抗干擾能力差，成本較高，而且化合物細(xì)微的反應(yīng)使得測(cè)定儀計(jì)量精度較低。鑒于分光光度法測(cè)量精度低，我們修改了方案。 TCS230 是TAOS 公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS 電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，抗干擾能力強(qiáng)，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。通過(guò)識(shí)別調(diào)配后的化合物的RGB顏色參數(shù)，參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水體中化合物的含量的測(cè)量，這樣既克服了分光光度法的缺點(diǎn)，又提高了測(cè)量精度，符合市場(chǎng)需求。 系統(tǒng)有MSP430F2618作為核心，通過(guò)設(shè)計(jì)等精度頻率計(jì)，讀取顏色傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)編程顯示在液晶上。另外，使用者可以通過(guò)目錄操作將傳感器數(shù)據(jù)以TXT文本文件，定時(shí)存入SD卡中，方便后期處理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 我國(guó)是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)漁業(yè)的重要組成部分。目前市場(chǎng)上已有的水體化合物分析儀，操作復(fù)雜，精度較低。 本方案設(shè)計(jì)了一款小巧便攜的多光譜新型水質(zhì)分析儀，能夠快速檢測(cè)水質(zhì)中氨氮、亞硝酸鹽的含量，實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明該檢測(cè)設(shè)備測(cè)量精確，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。 基本思路：依據(jù)朗伯--比爾定律光譜理論，通過(guò)白色光照過(guò)液體，將液體的顏色投到顏色傳感器上，檢測(cè)反射過(guò)去的色譜值，以此判斷試劑中化合物的含量值。 創(chuàng)新點(diǎn)：（1）改變了傳統(tǒng)的化學(xué)方式（分光光度法和納氏試劑比色法）對(duì)水質(zhì)化合物測(cè)量精度較低，操作步驟繁雜等局面，研制出一種以光譜理論為依據(jù)，可以精確測(cè)量氨氮和硝酸鹽含量的新型水質(zhì)分析儀；（2）將朗伯--比爾定律光譜理論與RGB彩色傳感器相結(jié)合，開辟了水質(zhì)化合物的測(cè)量的新途徑，將傳統(tǒng)理論與先進(jìn)的技術(shù)、材料和儀器有機(jī)結(jié)合, 有效地提高測(cè)量的靈敏度, 達(dá)到能夠快速、方便進(jìn)行檢測(cè)的工作要求；（3）該系統(tǒng)以MSP430F2618單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出了功耗低而又小巧便攜的手持式結(jié)構(gòu)，將廣泛應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：自定型號(hào)：XP-M3；控溫范圍：0-60℃ 測(cè)定時(shí)間：小于2分鐘；測(cè)定范圍：氨氮：0—5mg/l硝酸鹽：0—5mg/l；精確度：氨氮：0.01mg/l V<10%；硝酸鹽：0.01mg/l V<4.3%；波長(zhǎng)度范圍：340—1000nm ；波長(zhǎng)精度：±2nm；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：4000個(gè)；顯示方式：液晶；操作按鍵：5個(gè)；通訊接口：SD卡
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）本設(shè)計(jì)依據(jù)一套色彩傳感器光譜理論，改變了傳統(tǒng)的化學(xué)方式（分光光度法和納氏試劑比色法）對(duì)水質(zhì)化合物測(cè)量精度較低，操作步驟繁雜等局面； （2）系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別調(diào)配后的化合物的RGB顏色參數(shù)，參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水體中化合物含量的測(cè)量，這樣既克服了分光光度法的缺點(diǎn)，又提高了測(cè)量精度，符合市場(chǎng)需求； （3）系統(tǒng)有MSP430F2618作為核心，通過(guò)設(shè)計(jì)等精度頻率計(jì)，讀取顏色傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)編程顯示在液晶上，將傳統(tǒng)的箱式水質(zhì)分析儀轉(zhuǎn)變成更加小巧便攜的手持檢測(cè)設(shè)備； （4）支持SD卡可以通過(guò)目錄操作將傳感器數(shù)據(jù)以生成TXT文本文件方式，方便用戶將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)中做進(jìn)一步的分析處理。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 簽訂合同，雙方協(xié)商
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本設(shè)計(jì)以MSP430F2618單片機(jī)為核心，依據(jù)色彩傳感器光譜理論、電位分析、電導(dǎo)分析理論，開發(fā)出可以測(cè)試氨氮含量和亞硝酸鹽含量的多光譜新型水質(zhì)分析儀。通過(guò)設(shè)計(jì)等精度頻率計(jì)，讀取顏色傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一定線性修正，數(shù)據(jù)顯示在液晶上。使用者可以通過(guò)目錄操作將傳感器數(shù)據(jù)以TXT格式，定時(shí)存入SD卡中，方便后期數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析表明該設(shè)備能夠滿足水質(zhì)檢測(cè)的各項(xiàng)要求。 本設(shè)備適用于中小型水產(chǎn)養(yǎng)殖戶，小巧簡(jiǎn)易、方便快捷，不受時(shí)空限制,能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)試養(yǎng)殖水域的水質(zhì)狀況，針對(duì)性指導(dǎo)水處理措施和評(píng)價(jià)水處理效果。本設(shè)備儀器具有便攜、低功耗、SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等優(yōu)點(diǎn)，方便野外操作，也可應(yīng)用于工業(yè)污水監(jiān)測(cè)。其操作過(guò)程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可自動(dòng)完成測(cè)試并顯示結(jié)果；內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能, 可儲(chǔ)存4000個(gè)數(shù)據(jù), 且數(shù)據(jù)不會(huì)斷電丟失。 該新型水質(zhì)分析儀，將會(huì)使我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步，其優(yōu)越的性能將會(huì)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；同時(shí)，也會(huì)在一定程度上改善我國(guó)水質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)。
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)，隨著全球?qū)λa(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)日益重視，水質(zhì)分析儀器行業(yè)各相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家針對(duì)水質(zhì)分析儀器制造和應(yīng)用技術(shù)，投入了大量資源，使得水質(zhì)分析儀器行業(yè)在短期內(nèi)得到了快速發(fā)展。 我國(guó)目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)狀存在著對(duì)水質(zhì)檢測(cè)十分落后的局面，在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，由于技術(shù)裝備落后，嚴(yán)重制約我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，因此市場(chǎng)對(duì)水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、分析的儀器需求就很大。另外，水體中的氨氮和亞硝酸鹽的含量對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的影響較大，水質(zhì)狀況的檢測(cè)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)意義較大。 傳統(tǒng)的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作主要以人工現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室儀器分析為主。雖然在實(shí)驗(yàn)室中分析手段完備，但實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)存在監(jiān)測(cè)頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散、不能及時(shí)反映污染變化狀況等缺陷，難以滿足政府和企業(yè)進(jìn)行有效水環(huán)境管理的需求。從國(guó)外環(huán)保監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)看，水質(zhì)的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為有關(guān)部門及時(shí)獲得連續(xù)性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效手段。尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，國(guó)外許多儀器儀表公司推出技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良的水質(zhì)分析儀器。這些新型儀器多采用單片微型計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，許多儀器的單片機(jī)都是目前最新型的單片微型芯片，使得所顯示的信息量非常大，極大地方便用戶的使用。 目前了解到的國(guó)外生產(chǎn)水質(zhì)分析儀器的廠家比較多。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)的水質(zhì)分析儀器工業(yè)也已經(jīng)具有了一定的研究、開發(fā)和生產(chǎn)能力。但是，與國(guó)外的現(xiàn)今技術(shù)、產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)水質(zhì)分析儀器產(chǎn)品差距十分明顯，這應(yīng)該是我們不斷研究不斷創(chuàng)新的動(dòng)力，創(chuàng)造出更加趨向微型化和智能化的便攜水質(zhì)分析儀器，技術(shù)領(lǐng)先，為國(guó)爭(zhēng)光，為民服務(wù)。
