电位型传感器嵌入式遥测系统的研制.pdf

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1、第43卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第3期2015年3月ChineseJournalofAnalyticalChemistry457—462DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．140605电位型传感器嵌入式遥测系统的研制秦泰春李晓钢郝洁于萍毛兰群‘(北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191)(中国科学院化学研究所，活体分析化学院重点实验室，北京100190)摘要研制了一种应用于电位型传感器的嵌入式遥测系统。系统由采样发送端、接收端和计算机组成。采样

2、发送端包括电流放大器、∑一△型模数转换器、微控制器和无线数据传输模块，接收端包括无线数据传输模块、微控制器和协议转换器，接收端通过通用串行总线(USB)接口和计算机连接。嵌入式软件用C语言编写，控制信号的采集和传输；上位机软件用LabVIEW编写，用于数据存储和显示。系统采集电压信号范围为±1．17V。为验证该系统的精度和可靠性，应用本套系统和数字多用表对一组电位值进行了对照测试，并用自制的氢离子选择性电极进行了酸度变化响应测试。结果表明，本系统电位测量值可以精确到0．1mV，且抗噪能力良好，pH响应测量的线

3、性相关系数RE=0．998，变化曲线和商品化的电化学分析仪的结果一致。此系统硬件均由标准芯片组成，采样发送端尺寸为29mm~14mm~11mm，可以用于电位型传感器的远程实时检测。关键词遥测系统：嵌入式系统；电位型传感器1引言电位型传感器是一类非常重要的电化学传感器Ⅲ1]。离子选择电极是电位型传感器中最为常见的一类，其与参比电极一起浸入待测液中，组成电池体系，将待测离子的浓度或活度转化为电位输出，其理论基础是能斯特方程[。离子选择电极可以检测出诸多无机离子如K，Na，Fe，Ca，Pb，Ag，Hg等，以及有机离

4、子(如芳香族阳离子)和相关药物。该方法具有灵敏度高、体积小、能耗少、价格低等优点[4,53，被广泛应用于环境监测l6．7和生命科学．9等领域。生物遥测技术是实时远程监测生理参数变化的一系列技术的统称『1“]。伴随着信息技术的发展，生物遥测技术取得了巨大成就。由于生物遥测设备在发送端和接受端之间无需直接的物理连接．因此．在活体分析化学、脑科学和临床医学等领域具有广阔的应用前景【12,13]。基于电化学方法的生物遥测技术近年来发展迅速，研究者们已开发出基于伏安分析法的生物遥测系统，并将其应用于活体内物质浓度的监测

5、[H]和脑神经化学Il]的研究。近期，对动物体内(或脑内)多巴胺[1、抗坏血酸[1、葡萄糖、乳酸[1。]等物质的遥测也已有文献报道。但是，基于电化学方法的生物遥测系统仍以伏安分析法为主，其应用范围有限。本研究制备了一种基于电位法的遥测系统，以氢离子选择性电极为例，研究了本系统在检测目标离子中的适用性。本系统结构简单、价格低廉，并从电学测量的角度。利用重采样技术改善了离子选择电极对噪声敏感的难题。此系统可望用于活体分析化学的研究。2实验部分2．1仪器与试剂电化学分析仪(上海辰华仪器公司)；磁力搅拌器(德国IKA

6、公司)；pH计(梅特勒公司)；数字多用表(美国吉时利公司)。AD8605运算放大器(美国模拟器件公司)；AD7792数据转换芯片(美国模拟器件公司)；ATmega8A发送端微控制芯片(美国ATMEL公司)；STC11F02E接收端微控制芯片(中国深圳宏晶科技有限公司)；nRF2412)l+无线数据传输芯片(挪威Nordic公司)；CH340T协议转换芯片(中国江苏沁恒股份有限公司)；cAT6219-330TD．GT3电平转换芯片(美国安森美半导体公司)。电阻为表贴器2014-07．16收稿；2014-09．1

7、1接受本文系国家自然科学基金委重大国际合作项目(No．21210007)资助E—mail：lqmao@iccas．ac．cn458分析化学第43卷件，电容为表贴电容或钽电容。三月桂胺、四(4．氯苯基)硼酸钾、双(2．乙基己基)癸二酸酯和聚氯乙烯(Sigma公司)，使用前未经处理；KH，PO和NaOH(北京化学品试剂公司)；其它试剂均为分析纯，实验用超纯水(18．2MI)·cm)。2．2系统组成本系统可完成一1．17～+1．17V电压的采样，分辨率大于0．1mV。系统结构如图1所示，由数据采样发送端、接收端和计

8、算机三部分组成。采样发送端将离子选择性电极产生的电压信号转换为数字量，通过无线数据传输的方式发送给接收端；接收端收到信号后，进行协议转换，通过USB串口发送给计算机；计算机接收后，对数字信号重新编码，将采样电采样发送端压通过图像和数值两种方式显示在屏幕上，并可以完成数据存储、传输、打印等功能。2．3采样发送端设计在电位分析法中。电极电位与溶液中离子的活度之间的关系，可用Nernst方程表示。当待测溶