基本信息
- 项目名称：
- 基于MSP430的多光谱新型水质分析仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究以光谱信息融合理论为核心，开发了一套可以测试氨氮和亚硝酸盐含量的多光谱新型水质分析仪。该水质分析仪通过对少量水质样品的光谱测量分析能够自动完成水样化合物测定、显示、存储全过程。该仪器能够快速检测水中氨氮、亚硝酸盐的含量，实际测量结果表明该检测设备，误差小，测量精确，具有一定创新性。广泛应用于水产养殖业，同时也适用于生活污水和湖泊地表水的自动检测。
- 详细介绍：
- 系统方案设计分析 1.1 系统方案设计理论分析 1.1.1化合物光谱理论分析 朗伯--比尔定律：当一束平行单色光（只有一种波长的光）照射有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，在入射光强不变的情况下，吸光度只与液层厚度及溶液的浓度有关，若再保持液层厚度不变，则吸光度只与溶液的浓度有关。 因此通过对透射光频率的测量，可以推算出该溶液的浓度值。 通过白色光照过液体，将液体的颜色投到颜色传感器上的方式，通过检测反射过去的色谱值判断试剂中化合物的含量值。即通过RGB彩色传感器识别调配后的化合物的RGB颜色参数，参照实验数据库，实现水体中化合物的含量的测量。这样既克服了分光光度法的缺点，又提高了测量精度，符合市场需求。另外，使用了TCS230在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，抗干扰能力强。 1.1.2 化合物光谱实验分析 在无机化学中，尤其在过渡金属元素配合物中经常会遇到各种各样颜色的无机化合物。颜色是与它们的结构密切相关的。从物理的角度来讲色彩是光达到人们的眼睛所显示的一种性质。色彩并不是人们看到的物质的性质，而是物质从入射到它们的光中吸收了某种波长的光，继而将未吸收的光反射到人的眼中，人所感受到的。 通过测定氨氮及亚硝酸盐的配置溶液含量，发现传感器输出的数据中RGB即红绿蓝三种颜色的色值，线性度并不统一，例如红色试剂，输出的R值线性区间较窄，G值线性较差，进而降低了测量精度，所以我们引入了互补色的概念，既可以满足较宽的线性区间，又有良好的线性度； 如果待测溶液为红色Red，实际测量中，将使用红色的互补色蓝色Blue值作为参数代入公式进行计算，得出化合物含量，最终提高了测量精度。 1.2 系统方案设计结构分析 目前市场上已生产的水质分析仪器，一般采用化合物与其他试剂在特定环境下反应后，使用分光光度法进行在特定的波长下测定采集，需要计算，步骤较多，使用麻烦，该方案不仅造成设备占用空间大，仪器增加，造成测定抗干扰能力差，成本较高，而且化合物细微的反应使得测定仪计量精度较低。鉴于分光光度法测量精度低，我们修改了方案。 TCS230 是TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS 电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，抗干扰能力强，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。通过识别调配后的化合物的RGB颜色参数，参照实验数据库，实现水体中化合物的含量的测量，这样既克服了分光光度法的缺点，又提高了测量精度，符合市场需求。 系统有MSP430F2618作为核心，通过设计等精度频率计，读取颜色传感器数据，通过编程显示在液晶上。另外，使用者可以通过目录操作将传感器数据以TXT文本文件，定时存入SD卡中，方便后期处理。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 我国是世界第一水产养殖大国，水产养殖业是我国渔业的重要组成部分。目前市场上已有的水体化合物分析仪，操作复杂，精度较低。 本方案设计了一款小巧便携的多光谱新型水质分析仪，能够快速检测水质中氨氮、亚硝酸盐的含量，实际测量结果表明该检测设备测量精确，具有创新性和先进性。 基本思路：依据朗伯--比尔定律光谱理论，通过白色光照过液体，将液体的颜色投到颜色传感器上，检测反射过去的色谱值，以此判断试剂中化合物的含量值。 创新点：（1）改变了传统的化学方式（分光光度法和纳氏试剂比色法）对水质化合物测量精度较低，操作步骤繁杂等局面，研制出一种以光谱理论为依据，可以精确测量氨氮和硝酸盐含量的新型水质分析仪；（2）将朗伯--比尔定律光谱理论与RGB彩色传感器相结合，开辟了水质化合物的测量的新途径，将传统理论与先进的技术、材料和仪器有机结合, 有效地提高测量的灵敏度, 达到能够快速、方便进行检测的工作要求；（3）该系统以MSP430F2618单片机为核心，设计出了功耗低而又小巧便携的手持式结构，将广泛应用到水产养殖行业中。 技术关键和主要技术指标：自定型号：XP-M3；控温范围：0-60℃ 测定时间：小于2分钟；测定范围：氨氮：0—5mg/l硝酸盐：0—5mg/l；精确度：氨氮：0.01mg/l V<10%；硝酸盐：0.01mg/l V<4.3%；波长度范围：340—1000nm ；波长精度：±2nm；存储数据：4000个；显示方式：液晶；操作按键：5个；通讯接口：SD卡
科学性、先进性
- （1）本设计依据一套色彩传感器光谱理论，改变了传统的化学方式（分光光度法和纳氏试剂比色法）对水质化合物测量精度较低，操作步骤繁杂等局面； （2）系统通过识别调配后的化合物的RGB颜色参数，参照实验数据库，实现水体中化合物含量的测量，这样既克服了分光光度法的缺点，又提高了测量精度，符合市场需求； （3）系统有MSP430F2618作为核心，通过设计等精度频率计，读取颜色传感器数据，通过编程显示在液晶上，将传统的箱式水质分析仪转变成更加小巧便携的手持检测设备； （4）支持SD卡可以通过目录操作将传感器数据以生成TXT文本文件方式，方便用户将数据转移到计算机中做进一步的分析处理。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 签订合同，双方协商
作品可展示的形式
- 实物、产品现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本设计以MSP430F2618单片机为核心，依据色彩传感器光谱理论、电位分析、电导分析理论，开发出可以测试氨氮含量和亚硝酸盐含量的多光谱新型水质分析仪。通过设计等精度频率计，读取颜色传感器数据，并进行一定线性修正，数据显示在液晶上。使用者可以通过目录操作将传感器数据以TXT格式，定时存入SD卡中，方便后期数据处理。实验验证分析表明该设备能够满足水质检测的各项要求。 本设备适用于中小型水产养殖户，小巧简易、方便快捷，不受时空限制,能够快速准确地测试养殖水域的水质状况，针对性指导水处理措施和评价水处理效果。本设备仪器具有便携、低功耗、SD卡的数据存储功能等优点，方便野外操作，也可应用于工业污水监测。其操作过程简单，系统可自动完成测试并显示结果；内置的数据存储功能, 可储存4000个数据, 且数据不会断电丢失。 该新型水质分析仪，将会使我国水产养殖业得到长足发展和进步，其优越的性能将会获得巨大的经济效益和社会效益；同时，也会在一定程度上改善我国水质，促进我国的生态文明建设。
同类课题研究水平概述
- 近年来，随着全球对水产养殖业日益重视，水质分析仪器行业各相关研究机构和生产厂家针对水质分析仪器制造和应用技术，投入了大量资源，使得水质分析仪器行业在短期内得到了快速发展。 我国目前的水产养殖业现状存在着对水质检测十分落后的局面，在水产养殖方面，由于技术装备落后，严重制约我国水产养殖业的发展，因此市场对水质的现场检测、分析的仪器需求就很大。另外，水体中的氨氮和亚硝酸盐的含量对水产养殖生物的影响较大，水质状况的检测对水产养殖产业意义较大。 传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主。虽然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散、不能及时反映污染变化状况等缺陷，难以满足政府和企业进行有效水环境管理的需求。从国外环保监测的发展趋势和国际先进经验看，水质的在线自动监测已经成为有关部门及时获得连续性的监测数据的有效手段。尤其是进入20世纪90年代以后，国外许多仪器仪表公司推出技术先进、性能优良的水质分析仪器。这些新型仪器多采用单片微型计算机处理技术，许多仪器的单片机都是目前最新型的单片微型芯片，使得所显示的信息量非常大，极大地方便用户的使用。 目前了解到的国外生产水质分析仪器的厂家比较多。经过多年的发展，我国的水质分析仪器工业也已经具有了一定的研究、开发和生产能力。但是，与国外的现今技术、产品相比，国内水质分析仪器产品差距十分明显，这应该是我们不断研究不断创新的动力，创造出更加趋向微型化和智能化的便携水质分析仪器，技术领先，为国争光，为民服务。
