对无公害蔬菜生长环境的检测仪器的设计

1、.PAGE - -：.； 对无公害蔬菜生长环境的检测仪器的设计摘 要蔬菜是最为重要的日常食物，对维持人体正常生理功能和增进安康具有不可替代的作用。随着现代工业迅速开展以及化肥、农药等农用物资的大量施用，蔬菜产地环境质量和其质量遭到严重影响。射线探测器的能量分辨身手是能量色散X荧光分析实现高灵敏度多元素分析的关键。本文将具有高能量分辨率的电致冷SI-PIN半导体探测器运用于携带式X荧光仪，并设计、研制了与探测器相配套的电子线路单元和运用软件。经过最正确“源样探几何参数论证，设计了基于同位素激发源的“对称边源激发安装，有效提高X荧光探测的“峰背比，进一步提高分析灵敏度;设计并制造了“无变压器式高压

2、偏置电源和“开关型温控致冷电源，提高系统信噪比并降低了静态功耗。本设计是在深化了解单片机原理的根底上进展的。整个系统的设计符合环境监测仪器的根本要求。在缺乏实验条件的实践情况下，对系统关键参数进展了分析和整定。这对提高作物质量，进一步推行无公害蔬菜种植、促进农业的可继续开展具有重要意义。关键词：单片机，无公害蔬菜，土壤环境，X射线荧光分析，数据采集DESIGN OF THE ENVIRONMENTAL MEASUREMENT DEVICE TO THE GROWTH OF POLLUTION-FREE VEGETABLESABSTRACTVegetables are necessary foo

3、d in peoples daily life, which are advantageous to peoples physiological functions and health. With the developments of modem industry, and the using of a large number of chemic fertilizers and pesticide made the quality of vegetables and the environment of vegetables bases are becoming worse.As the

4、 energy resolution ability for X-ray detector is so important for high sensitive multi-element analysis using Energy-dispersive X-ray Fluorescence(EDXRF)method. The SI-PIN type thermoelectrically cooled semiconductor detector is adapted in a portable XRF analyzer. The related electronics units for S

5、I-PIN detector and the application software are designed and developed. After the optimization geometry parameters of source-sample-detector is calculated and discussed, an isotope excitation source based Balance Sides structure excitation source device is designed. that scheme is found out to be ef

6、fective for improving the peak-to-background radio of XRF. And the detecting sensitivity is improved as well; Transformer-less high voltage bias circuit and temperature feedback self-adjustable voltage switching regulator for electric-cooler are developed. These circuits can improve the performance

7、of signal-to-noise radio, reliability, and reduce power consumption of the entire system. The design is based on the in-depth understanding of the basic principle of MCU(Micro Controller Unit).The design of the whole system of environmental monitoring equipment is in line with the basic requirements

8、. In the absence of the actual experimental conditions, the key parameters of the system proposed setting the right approach. that design is meaningful to improve the quality of farm crops, further promote pollution-free vegetables and keeping agricultural sustainable development.Key words: MCU(Micr

9、o Controller Unit)，pollution-free vegetables，soil environmental，XRF(X-ray Fluorescence analysis)，data acquisition目 录 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 绪论 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 土壤中有毒元素的来源 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 影响土壤中有害元素有效性的要素 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 土壤中有害元素对

10、人的危害 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 本文背景 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 论文主要义务和意义 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 现场X荧光分析技术与仪器的研讨现状 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 国外研讨现状 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 国内研讨现状 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 对X荧光探测系统的技术要求 PAGEREF

11、_Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 论文选题及研讨意义 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 论文的主要义务 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 根本原理及整体设计方案 HYPERLINK l _Toc . X荧光分析的根本原理 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 信号放大调理电路的原理 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 数据处置单元的原理 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc .

12、复位电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 外部时钟电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 驱动电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 无公害蔬菜生长环境检测仪硬件系统 HYPERLINK l _Toc . 探测器选择 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . X射线荧光探测器 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 激发源的选择 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc .

13、 前端构造的选择 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 激发源在前端的布置 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 信号处置电路的设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 成型放大电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 脉冲调理电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 甄别及A/D装换器触发电路 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 单片机外围电路设计 PAGER

14、EF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 键盘的选择 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 显示单元的设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . A/D转换单元在系统中的位置 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 系统任务条件的保证 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 高压偏置电源的设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 开关型温控致冷电源的设计与实现 PAGEREF _Toc

15、 h - - HYPERLINK l _Toc 无公害蔬菜生长环境检测仪软件系统 HYPERLINK l _Toc . 编程言语的选择 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 汇编与C言语的优缺陷 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 数据采集有关软件设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 主程序设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 中断程序设计 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc . 显示流程图 P

16、AGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 结论 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 致谢 PAGEREF _Toc h - - HYPERLINK l _Toc 参考文献 HYPERLINK l _Toc 附录A 系统硬件原理图 HYPERLINK l _Toc 附录B 系统软件设计 PAGE - 57 - 绪论当今世界越来越多的人为追求安康而不断的努力着。但是现代化进程中大规模工业的建立，滥垦滥伐及化肥农药的过量运用却对他们提出越来越严峻的挑战。生活周围的“绿色也越来越多的被人们所关注。蔬菜的平安卫生得到了人们的最新诠释蔬菜制品

17、要平安卫生，其消费加工的过程，其原资料的生长环境也更为人们所关注，以便从根本上保证食品对人们安康的“绿色。土壤环境有毒元素的快速检测成了困扰人们的新难题。. 土壤中有毒元素的来源呵斥土壤中大量有毒元素积淀的缘由有很多，总结归纳起来，主要有以下几个方面：() 污水灌溉和污泥运用呵斥土壤污染危害最大、作用最直接的是污水灌溉。长期施用污水、污泥的土壤，土壤中铜、锌、铅含量高于背景值倍，铬、镍、砷高于背景值的.倍多，镉元素高于背景值倍，而汞竟高达背景值的倍。() 城市渣滓农用目前大多数城市的工业废弃物和生活渣滓没有完全分开堆放，近郊的菜农又多有就近施用渣滓肥的习惯，而渣滓本身就含有较多的重金属和有机物

18、，如福州市检测的个渣滓样品中，除镉外，铬、铅、汞、砷、各种氯、氟化物的含量均明显高于菜园土对应元素的平均值。() 大气污染及尾气排放各工厂特别是一些冶炼厂排放的废气飘尘也是农作物受污染的缘由之一。废气飘尘中普通含有大量的镉、锌、铜等重金属元素，其影响的范围在主风向可达km，严重污染范围约m。汽车尾气的污染元素主要是Pb。由于含铅汽油的运用，汽车尾气含铅量可达-微克/升，行驶在公路上的汽车，其排放废气中的铅沉降呵斥公路两侧的土壤及生长植物的铅污染。() 含重金属肥料和农药的运用农药和化学肥料的运用是防治病虫害、除草和提高单产的重要措施。但醋酸苯汞、氯化乙汞、信石等农药和杀虫剂中含有的汞、砷等有害

19、金属以及Zn、B等微肥的运用，便进入土壤，逐渐在土壤中富集，产生污染。. 影响土壤中有害元素有效性的要素植物根系从土壤中吸收重金属，并在体内积累，受多种要素的影响，主要有：() 重金属在土壤环境中的总量和赋存形状土壤中重金属总含量被以为是控制植物中重金属含量的根本要素，也是独一恒定的要素。但是重金属在土壤环境中的赋存形状才是决议其危害的关键要素。普通水溶态简单离子、简单络离子最容易为植物所吸收，而吸附交换态络合态次之，难溶态那么暂时不被植物吸收。() 土壤特性的影响在土壤中只需溶解性的和可交换态方式的离子可直接被作物吸收。而土壤条件的改动控制着有效金属离子的浓度。这些土壤参数包括PH值、可交换

20、阳离子容量canon exchange capacity有机物含量、碳酸盐含量、水和Fe/Mn氧化物、氧化复原才干、DOC和温度等，而对生长在一定土壤中的植物来说，其种类和栽培技术也是影响植物组织中各污染因子浓度的要素。金属的生物有效性最终随土壤种类而变。() 根际环境对重金属的影响根际微区由于根系分泌物植物生长过程中经过根系向生长基质中释放出的一组种类繁多的物质的存在，在物理、化学、生物特性方面产生有异于土表达象。重金属发生酸碱反响、氧化复原反响、络合、离解反响，以及吸附解吸行为，导致重金属形状变化，从而改动其生物有效性和生物毒性。由于根分泌物的分子量低，可以在土壤中挪动，导致根区微生物活性

21、加强。可溶性根分泌物经过络合阳离子，能够会成为金属载体，促进根附近金属的可溶性。 () 有机质对土壤中重金属的活化作用有机质对土壤中重金属的吸附作用有着深化的影响，它可改动溶液重金属的存在形状，或改动吸附体的外表性质而影响重金属的吸附。有机质能添加或抑制重金属的吸附，或对吸附不产生明显作用。张敬锁等研讨了在土壤中施入有机肥可减缓Cd污染对作物的危害，指出有机质有很大的比外表积，对Cd+有剧烈的吸附作用，更主要是有机质分解产生的腐殖酸可与土壤中的Cd+构成鳌合物沉淀。有机质也可与Cd+构成高稳定性的可溶性物质，能大大提高土壤中Cd+浓度，但不添加植物的吸收，而构成小分子的可溶性络合物时，却能提高

22、植物对Cd的吸收。利用有机质作为Cd污染土壤的改良剂时，应值得留意。. 土壤中有害元素对人的危害如上所述重金属、氰化物、氯化物等有毒元素对环境的危害是人们日益关注的问题，由于重金属离子和一些农用产品中难降解的有害物质会进入到动物的食物链中，经过自然富集作用要挟着他们的安康。这些有毒物质对人群安康的危害是多方面、多层次的，其毒理作用表现为：呵斥生殖妨碍，影响胎儿正常发育，要挟儿童和成人身体安康等，最终降低人口身体素质，妨碍了人口的可继续开展。在这些有毒元素中重金属对人的安康拥有更大的危害，主要表如今以下的几个特性：() 土壤中中的重金属虽只需微量浓度，但其毒性具有长期继续性。土壤中某些重金属可在

23、微生物作用下，转化为毒性更强的有机化合物。例如，土壤中的无机汞可在微生物作用下转化为毒性更强的甲基汞。() 生物可大量富集，构成食物链，危害人类。生物从环境中摄取重金属，并经体内或某些器官中高度富集，其富集倍数可达成千上万倍，陆生农作物，水中动植物都有这种景象。然后经过食物进入人体，在人体的某些器官中积存起来构成慢性中毒，严重危害人体安康。这种生物富集、生物浓缩、生物放大的特性是重金属污染的突出特点。() 重金属无论采用何种处置方法或微生物都不能降解，只不过改动其化合价和化合物种类。土壤中OH、Cl、SO、NH+、有机酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金属生成各种配合物，使重金属在土壤中的含量增

24、大。为蔬菜无公害消费提供科学根据，他们主要对蔬菜基地土壤中砷As、铬Cr、镉Cb、铅Pb和汞Hg等种重金属含量进展了检测分析，他们的主要危害有：砷As：砷具有积累性中毒特点，对人有致癌作用。在人体内，三价砷的毒性是五价砷的倍。但是，在生物体内，砷在生物体内可以发生甲基化作用。不同价态的砷之间可以相互转化，并且无机 生成毒性更大的三甲基砷，应引起高度注重。铬Cr： 铬是低富集毒物，在土壤环境中经过食物链再引起人体的中毒景象目前发现的并不多，这主要是由于铅在土壤中是难溶态化合物，而铬在土壤中主要以三价铬方式存在有关，而铬的毒性主要由六价铬引起的，其主要表现为呼吸道疾患和肠胃道疾患。镉Cb：进入人体

25、的镉，一部分与血红蛋白结合，一部分与低分子金属硫蛋白结合，然后随血液分布到内脏部位，最后主要富集于肾和肝中。其中毒病症主要表现为动脉硬化性肾萎缩或慢性球体肾炎等。此外，食入过多的镉，可使镉进入骨质取代部分钙，引起骨骼软化和变形，严重者引起自然骨折而死亡。日本曾对一“骨痛病死者解剖，发现全身竟有处骨折，身长缩短 cm，骨灰中含镉mg/kg，比对照者高多倍。此外，不少研讨者还发现镉有致突变、致癌和致畸作用，以及引起高血压，肺气肿等病症。铅Pb：是重金属污染中毒性较大的一种，一旦进入人体将很难排除。人体摄入过量的铅，会引起中枢神经系统损伤，出现疲惫、头疼、痉挛、精神妨碍等；可损害骨髓造血系统，导致贫

26、血；可作用于心血管系统，导致动脉硬化、心肌损害；胃肠铅中毒那么表现为胃肠钻膜出血、肠管痉挛。汞Hg：经过食物链进入人体的无机汞盐，主要贮藏于肝肾和脑内，二价汞与酶蛋白的疏基结合，抑制多种酶的活性，使细胞的代谢发生妨碍，二价汞还能引起神经功能紊乱和性机能减退。而进入人体的甲基汞危害更重，它能破坏脑血管组织，引起一系列中枢神经中毒病症，如手、足、唇麻木和刺痛，言语失常，听觉失灵等脑动脉硬化症水俣病患者的典型病症。此外，甲基汞还可导致流产、死产、畸胎或先天性痴呆儿等。. 本文背景本设计是在面对土壤中有毒元素检测中设备系统庞大，专业行太强以及样品处置较繁琐的情况下提出的。其有待实现消费真正的无污染绿色

27、食品，尤其，对蔬菜消费环境中多种有毒元素实现信息的定量采集。目前，针对土壤环境监测的方法多种多样，其主要有一下几种，以供比较：() 分光光度法可见或紫外分光光度法都可用于测定溶液中物质的含量。测定规范溶液浓度知的溶液和未知液浓度待测定的溶液的吸光度，进展比较，由于所用吸收池的厚度是一样的。也可以先测出不同浓度的规范液的吸光度，绘制规范曲线，在选定的浓度范围内规范曲线应该是一条直线，然后测定出未知液的吸光度，即可从规范曲线上查到其相对应的浓度。它操作简单，定量性好，顺应于实验室运用。() 电化学法电化学法是近年来开展较快的一种方法，它以经典极谱法为依托，在此根底上又衍生出示波极谱、阳极溶出伏安法

28、等。电化学法的检测限较低，测试灵敏度较高，值得推行运用。() 原子吸收反光光度法原子吸收分光光度法也称原子吸收光谱法，简称原子吸收法，该方法具有测定快速、干扰少、运用范围广、可在同一试样中分别测定多种元素的特点。原了吸收法包括石墨炉原子吸收法，火焰原子吸收法，以及其他一些不同前处置条件下运用原子吸收分光光计的方法。传统的化探方法进展异常发现、查证，需求经过“野外采样样品运输样品加工与缩分化学分析等过程之后，才干得到野外采样点元素的含量信息。X荧光分析技术作为一种现场快速分析方法，也曾在金矿、铜矿和多金属矿等勘查中得到运用。目前曾经商品化的便携式X荧光探测系统的分析灵敏度主要指检出限目的、准确度

29、、长期稳定性和可同时分析元素种类等目的均达不到地质普查任务的需求。而且这些仪器的读数均为X荧光计数，需由熟练掌握X荧光分析方法的专家或技术人员，经过较复杂的换算才干得到目的丈量元素的含量，运用不够方便。因此，没有得到大量的推行与运用。本文宜采用半导体作为检测元器件，基于原子荧光法实现具有快速检测和快速分析，操作简单运用方便的系统设计。这对进一步提升蔬菜生长环境优化具有重要意义。 论文主要义务和意义本文是在无公害蔬菜种植大规模推行开来的大背景下展开的。无公害蔬菜种植牵动着每一个关怀高生活质量真实得到保证的有识之士的心。在国家制定相关检测规范后，他们不断在为得到一种可靠的环境检测方法而努力。看着一

30、套套检测经过的仪器设备奔赴无公害蔬菜种植的前线，欣喜之余他们又为仪器繁琐的任务程序所困扰，为检测过程中复杂专业的预处置过程所牵绊，更为一种神圣的责任所鞭策。所以，一种简便适用的检测方法很快得到推行，那就是，基于原子受激发光产生特征X射线实际及荧光分析的检测方法。. 现场X荧光分析技术与仪器的研讨现状现场X荧光分析技术以其能实现多元素现场快速、无损分析的特点，在天文学、考古学、地学和环境科学等领域得到广泛的运用。宽广的运用领域与愉快的运用前景，又促进了X荧光探测仪器设备的开展。X荧光分析方法根据对不同元素的特征X射线的区分方式，可分为波长色散X荧光分析WDXRF和能量色散X荧光分析EDXEF。由

31、于波长色散X荧光仪中，采用衍射晶体以一定角度进展衍射色散，配合光栅使某一波长范围的射线落到探测器上，从而实现对不同元素的特征X射线不同波长的区分丈量。波长色散X荧光仪的色散机构主要包括衍射晶体、光栅及其角度控制安装等的体积较大，而且构造精细，运用和运输中必需严厉防震。因此，对现场X荧光分析领域，不论是国内外，主要是采用能量色散X荧光方法。通常，各类便携式X荧光探测系统指能量色散X荧光探测系统,下同由以下几部分组成：用于激发元素特征X射线的激发源，用于接纳特征X射线并转换成电信号的探测器，进展信号放大与处置的电子线路以及相关的方法技术软件。. 国外研讨现状从X射线探测器来看，在国际市场上构成了以

32、闪烁计数器为X射线探测器的仪器、以正比计数器为X射线探测器的商品化仪器和以室温高能量分辨的半导体探测器为X射线探测器的三类仪器。年代末以来，由于室温半导体探测器的性能和对X射线的能量分辨身手的改善，便携式X荧光探测系统对大部分元索的分析检出限大大降低，可达g/g而且能实现多达二十余种元素同时分析的才干，丈量时间约为 分钟。美国BAIRD公司研制的TN型便携式X荧光分析仪，以HgI为X射线探测器，以Cd, Fe, AM为X射线激发源，重.kg；可测元素种类范围为SU，且可实现多达种元素的同时分析，采用根本参数校正方法，现场丈量时，可直接读取土壤中多种元素的含量，检出限约g/g；又如美国NITON

33、公司消费的“Inspector油画测铅仪，分量仅l kg左右，可延续任务小时，可在秒钟内定量检测出油画中的铅含量；还有日本精工电子纳米科技株式会社的SEA型能量色散X荧光分析仪，采用室温电致冷半导体探测器和X射线管激发安装，探头中内置用于察看实践样品探测面的CCD摄像头。整机分量约kg，任务时需外接计算机和V直流电源。上述这些技术成熟、商品化的多元素X荧光探测系统，根本上都采用能常温形状任务电致冷的HgI探测器。HgI探测器的能量分辨率对.keV的X射线的FWHM为eV，曾经可以胜任在组成元素种类相对固定的合金分析领域、或其它组成元素种类较少的样品分析领域的分析任务。但是，对于组成元素种类多、

34、基体情况变化复杂的地质样品的分析，相邻元素的特征X射线谱峰的相互关扰较严重的情况，对探测器的能量分辨率目的提出更高的要求。年，意大利学者就发表了采用室温电致冷SI-PIN半导体探测器研制的X荧光探测系统的文章。年月，美国在“Pathfinder火星登陆器上运用了基于SI-PIN探测器的现场X荧光分析设备，远程采集火星上岩石、土壤的多元素含量信息。在当时的技术条件下，SI-PIN半导体探测器的能量分辨率对.keV的X射线的FWHM可以到达eV。而年，该探测器的能量分辨率己经可以到达eV。从“Pathfinder火星登陆器发回的火星岩石现场分析X射线谱可以看出，该探测器能较好分辨出中等原子序数元素

35、的K系特征X射线谱峰。但尚未查阅到国际上有基于SI-PIN半导体探测器的、针对地质、矿产勘查领域的现场多元素X荧光探测系统产品的信息。从激发源来看，大多便携式X荧光探测系统均采用放射性同位素激发源，采用的同位素源的种类包括Fe, Pu, Am和Cd等。个别型号也采用X射线管激发源。从电子线路来看，国外便携式仪器均实现微机化。均采用基于多道脉冲幅度分析器的多道X射线谱分析技术，并具有数据现场处置的才干。而配套的方法技术软件普通是针对实践运用对象而开发，目前还没有某一个产品配套能同时包含适宜地质样品分析、合金分析和古艺术品分析等齐全数据库的全能软件。而且这些X荧光分析运用软件均属商业，用户不能获得

36、软件原代码并根据详细运用领域进展有针对性的改造，从而制约进口仪器在国内的运用。. 国内研讨现状年，我国自行研制了第一台便携式X射线荧光仪。在世纪年末至年代中期，在原地质矿产部科技司的支持下，又先后研制了以闪烁计数器为X射线探测器的三种型号的便携式仪器HYX-，HYX-，HYX-型。这些仪器一次丈量只能确定一种元素的含量，其分析元素的检出限普通为g/g。世纪年代以正比计数器为X射线探测器的HYX-型携带式X射线荧光仪投入实践运用，该仪器一次丈量可同时确定种元素的含量。近年来，国内也开场了室温电致冷半导体探测器为X射线探测器的便携式X荧光探测设备的研讨任务,，并己经获得初步的成果。我国研制的便携式

37、X荧光仪的激发源大多采用Pu和Am放射性同位素源，Pu用于激发较低原子序数元素的K系特征X射线和高原子序数的L系X射线，如VA，MnK，FeK，NiK，CuK，ZnK和PbL等；Am用于激发较高原子序数的K系X特征射线，如：AgK，SnK，SbK和BaK等。目前，国内也开场有基于X射线管激发源的携带式科研样机，但体积和功耗与采用同位素激发源的X荧光探测系统相比还是偏大。而且固有的散射本底高，分析检出限相对较高。在电子线路上，大多数便携式仪器也实现了微机化。其中，大部分仪器只是实现多道脉冲信号采集控制的微机化，并未提供现场多道谱数据处置的功能。或者只提供根本的谱线光滑、寻峰、求峰面积等根本谱数据

38、处置功能，不能在丈量现场直接输出多种元素的含量结果。另外，大多仪器在电子线路上并未针对实践运用领域，进展深化的研讨与开发。如在有关引进SI-PIN探测器进展新型X荧光探测设备的研制的相关文献中，尚未见有针对该探测器，进展高稳定性、低噪声、小体积高压偏置电源的研制的文献；未见针对该探测器，进展有利于降低系统功耗、提高系统稳定性等性能的温控致冷方案的研讨资料；未见针对该探测器，专门设计小体积袖珍型、高性能的成形放大器与多道分析器的报道。综上所述，国际上曾经有对基于SI-PIN半导体探测器的高灵敏度多元素现场X荧光探测系统进展开发研讨的文献，但并未实现商品化。. 对X荧光探测系统的技术要求本论文开发

39、的高灵敏度现场X射线荧光探测系统，主要面向蔬菜种植基地的土壤环境检测的运用领域，对原生土壤和处置后的土壤样品进展多元素定量、半定量测定。因此要求仪器除了具有容易携带、高稳定性、低功耗和容易操作等技术特点外，还应该具有高灵敏度、多元素快速分析的才干。为了到达以上目的，详细的技术要求是：() 需求使器具有高能量分辨身手的X射线探测器，以便能准确地分辨出各种元素特征X射线。分析中等原子序数元素时，要求X射线探测器的能量分辨率FWHM应到达eV对.keV X射线；分析轻元素如Al、Si、P、S、K、Ca等时，由于其特征X射线的能量较低.keV，相邻元素的特征X射线相隔很近，所以要求X射线探测器的能量分

40、辨率CFWHM至少应到达eV对.keV X射线；() 轻便、灵敏、高效的X射线激发源安装；() 需求体积小，而且更精细的、稳定性更高的、能与高能量分辨率高的X射线探测器相匹配的信号成形放大器，以保证整套丈量系统具有高的能量分辨率；() 需求高效能电源变换电路，以便尽能够提高电池的效率；() 需求建立能满足现场分析要求的数理模型，开发出适宜现场原位分析的X荧光分析配套运用软件。综上所述，在本文设计预期实现目的如下：() 系统体积小、分量轻，单人可以轻松携带于操作；() 便于非技术专业人员操作；() 单次丈量能完成至种主要元素或相关土壤化学场指示元素的定量分析，具有现场数据处置才干，能直接输出目的

41、元素含量结果的才干；() 输出结果准确度高的目的。. 论文选题及研讨意义生态依然是制约当今世界可继续开展的一大问题。随着中国科学技术程度的广泛提高，我国对物化探方法、手段和设备提出新的要求。传统的化探方法进展异常发现、查证，需求经过“野外采样样品运输样品加工与缩分化学分析等过程之后，才干得到野外采样点地质体相关主要元素、次主要元素的含量信息。根据交通情况与实践任务部署情况，该周期普通为个月。采用这种传统的方法进展异常查证任务，其任务周期之长曾经大大制约土壤环境检测的进展与效果。X荧光分析技术作为一种现场快速分析方法，也曾在金矿、铜矿和多金属矿等勘查中得到运用。目前，曾经商品化的便携式X荧光探测

42、系统的分析灵敏度主要指检出限目的、准确度、长期稳定性和可同时分析元素种类等目的均不能到达野外准确检测任务的需求。而且这些仪器的读数均为X荧光计数，需由熟练掌握X荧光分析方法的专家或技术人员，经过较复杂的换算才干得到目的丈量元素的含量，运用不够方便。因此，没有得到大量的推行与运用。因此，本论文拟采用室温电致冷半导体探测器，进展便携式高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的开发，实现现场同时完成多种指示元素的定量/半定量测定，具有以下点重要意义：() 本论文的研讨成果在地质矿产调查上具有适用价值，具有宏大潜在经济效益。既节省样品运输、化学分析的费用，又能缩短任务周期，而且便于现场异常追踪指点，能大幅度提

43、高探矿效率，发明更多的经济效益；() 本论文设计对象在国内尚属先进。采用SI-PIN半导体探测器进展高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的开发，可以很益处理国内检测领域的一些问题；() 本论文的相关研讨，为大幅度提高检测部门任务效率，更加广泛的推行绿色无公害农产种类植提供方便，并有效的节制本钱预算。. 论文的主要义务() 对土壤中有毒元素的检测方法有深层次的了解；() 完成信号的检测与处置义务。包括数据采集、处置电路的设计；() 基于单片机C对数据有选择的输出，实现简单的控制功能；() 运用特征射线荧光检测法实现对土壤中有毒元素的定量和半定量的检测；() 系统软件部分采用C言语这种有较高运转效率的

44、编程言语，以Keil为编译平台，并调用其内部函数以使程序构造紧凑；() 手提式X荧光探头设计。 根本原理及整体设计方案由于检测对象的化学性质相差较大，在传统的化学分析实际根底上难于找出一种集简便、准确于一身的成熟方法。再次，他们选择运用X射线荧光检测在其实际方面是基于前人阅历的积累、总结和运用。系统中按功能和位置大致可以分为三大部分：检测元件、信号放大调理电路和数据处置器，了解它们的任务原理和运用方法成了他们进展下一步任务的前提。. X荧光分析的根本原理原子由原子核和核外电子组成，核外电子呈层状分布。当X光子、X光子或其它电磁辐射与物质中原子的束缚电子发生作用时，假设入射光子的能量大于电子的结

45、合能，光子把全部能量转移给束缚电子使其发射出去，构成光电子。同时在原子的电子内壳层构成空位，原子处于激发态。该物理过程称为光电效应。电子在原子中遭到束缚越紧，就越容易产生光电效应。因此在K层激发光电效应的机率最大，L层次之，其它层更小。发生光电效应后，处于激发态的原子是不稳定的，其外层电子会跃迁填充内层空位，同时发出X射线荧光。该X射线荧光的能量与外层电子与内层电子的能级之差准确相当。即： -式-中，Ex为X射线荧光的能量；R为里德伯常数；h为普朗克常数；C为光速；Z为原子序数；n，n分别为跃迁前后所处壳层的主量子数；n为正数，与激发能级有关，对于K系n=。式-阐明，光电效应后原子退激过程中发

46、出的X射线的能量与原子序数Z的平方成正比，这就是莫塞莱定律。每种原子光电效应后原子退激过程中发出的X射线的能量具有特征性，因此称之为特征X射线，或X射线荧光。根据莫塞莱定律，借助对特征X射线能量的丈量，就能推断某种原子的存在与否，就能实现对物质元素组分的定性判别。这就是X荧光定性分析的实际根底。特征X射线的照射量率与被测样品中元素的含量成比例 -式-中：I，Ix分别为源初级射线与目的元素特征X射线照射量率；，x和分别为介质对源初级射线与目的元素特征X射线的质量衰减系数；C为待测样品中目的元素的含量；FH为样品不平度因子；K为与探测安装相关的常数。根据特征X射线的照射量率与被测样品中元素的含量的

47、关系，用仪器记录特征X射线的能量与照射量率，即可实现对待测样品中目的元素的定量测定。. 信号放大调理电路的原理() CR微分成形电路与主放大器如图-中C与R构成无源CR微分电路。CR微分电路一方面既充任信号白化滤波器，又可有效滤除XR-CR探测器组件输出的低频波形和由电缆串入的低频噪声，有利于获取较理想的信噪比。另一方面，又与后续多级有源积分成形电路结合，构成能实现接近准高斯滤波的成形电路。电路中Cl取pF，Rl取.k，那么滤波器的截止频率为f=/CR. kHz。图- CR微分成形电路与主放大器为了将前置放大器输出幅度为几十mV的脉冲信号放大至V，使信号能尽能够与后端处置电路的线性输入范围V相

48、匹配。主放大器的电压增益应为倍左右。为了获得高的输入阻抗，主放大器采用同相比例放大方式，电压增益为Av=R+R/R。图-中R取，那么R可取.k增益误差可由增益微调电路校正。R和R的稳定性对放大器增益稳定性起决议性作用，应选用低温度系数的金属膜电阻。() 滤波器电路图- VCVS低通滤波器图-为电压控制电压源VCVS滤波器电路，该电路与简单二阶有源滤波器相比，运用元件数量相当。而VCVS滤波器的过度带即截止频率附近区域的幅频特性可以经过选择适宜元件参数、改动Q值来调整，使其幅频特性更接近理想滤波器的幅频特性，可以改善成形电路的性能。因此，VCVS滤波器在高能量分辨率探测系统的成形电路中得到广泛的

49、运用。. 数据处置单元的原理MCS-单片机采用的是位中央处置器，能处置位进制数或代码。设计采用该系列的C芯片，其有位数据总线和位地址总线。共有个RAM单元，其中后单元被特殊功能存放器占用，所以供用户当做存放器运用的只需前单元。C有四个位并行I/O接口P-P，每个接口既可以作为输入又可以用作输出，以实现数据的并行输入输出。另外，C共有两个位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数和定时方式，并可以根据技术或定时的结果实现计算机控制。系统有个外中断，两个定时/计数中断，一个串行中断共个中断，分为高级和低级两个优先级别。一个全双工的UART的串行I/O口，用以实现单片机之间或单片机和其他

50、设备之间的串行通讯。C芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生脉冲序列。系统允许的最高晶振频率位MHz。单片机最小系统原理图如图-。图- 单片机最小系统引脚阐明：ATC单片机是系列单片机的一个成员，内部自带K字节可编程FLASH可编程可擦除只读存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS 位微处置器，与Intel MCS-系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，ATC构成的单片机系统是具有构造简单、造价低廉、效率高的微控制

51、系统，减少了硬件开销，节省了本钱，提高了系统的性价比。 ATC是一个有个引脚的芯片，引脚配置如图-所示。与相比，ATC自带K的ROM和B的RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进展扩展。主要有以下特点：() 与MCS- 兼容() 寿命：写/擦循环() 全静态任务：Hz-Hz() 位内部RAM() 两个位定时器/计数器() 可编程串行通道() 片内振荡器和时钟电路 () K字节可编程闪烁存储器() 数据保管时间：年() 三级程序存储器锁定() 可编程I/O线() 个中断源 () 低功耗的闲置和掉电方式ATC芯片的个引脚功能为：VCC：电源电压GND：接地RST：复位输入。当RST变为高电平并坚

52、持个机器周期时一切I/O引脚复位至“XTAL：反向振荡放大器的输入及内部时钟任务电路的输入XTAL：反向振荡放大器的输出ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的位置字节。平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的/。：外部程序存储器的选通讯号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当坚持低电平常，那么在此期间外部程序存储器H-FFFFH，不论能否有内部程序存储器。当端坚持高电平常，此间内部程序存储器。P口：位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收TTL门电流。当P口的管

53、脚第一次写“时，被定义为高阻输入。P可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P 口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P输出原码，此时P外部必需被拉高。P口：位双向I/O口。引脚P.P.提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平常，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P.和P.需求外部上拉，可用作片内准确模拟比较器的正向输入AIN和反向输入AIN，P口输出缓冲器能接纳mA电流，并能直接驱动LED显示器；P口引脚写入“后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P口也可接纳编码数据。P口：带内部上拉电阻的位双向I/O口，P口缓冲器可接纳，输出个TT

54、L门电流，当P口被写“时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P口当用于外部程序存储器或位地址外部数据存储器进展存取时，P口输出地址的高八位。在给出地址“时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P口输出其特殊功能存放器的内容。P口：引脚P.P.为带内部上拉的双向I/引脚。P口的输出缓冲器能接纳mA的灌电流；P口写入“后，内部上拉，可用输入。P口也可用作特殊功能口，其功能见表-。P口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接纳控制信号。在ATC中，P端口还用于一些特殊功能，这些特殊功能如表-。表- P端

55、口特殊功能端口引脚特殊功能P.P.P.P.P.P.P.P.RXD串行输入口TXD串行输出口/INT 外部中断/INT 外部中断T定时器外部输入T定时器外部输入/WR外部数据存储器写选通/RD外部数据存储器读选通. 复位电路复位操作是单片机的初始化操作。复位电路的胜利与否，关系到一个单片机能否正常运转。其主要功能是把PC初始化为H，使单片机从H单元开场执行程序。除了进入系统的正常初始化之外。当由于程序运转出错或操作错误使系统处于死锁形状时，为了摆脱姿态，也需求按复位键重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应继续个震荡脉冲周期，即两个机器周期以上。假设运用频率为MHz的晶振

56、，那么复位信号的继续时间应超越us才干完成复位操作。复位操作有上电复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是经过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图-，这样只需电源VCC的上升时间不超越ms，就可以实现上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化。按键手动复位由电平复位和脉冲复位两种，思索到本设计的实践运用，该设计选择按键电平复位，电路如图-： a上电复位所用图形 b按键复位图- 复位电路图. 外部时钟电路时钟电路用于产生单片机任务所需求的时钟信号，它是研讨单片机指令执行中没个信号之间关系的根底。同时，单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步任务方式的实现。电路应该在独一的时钟信号控制下

57、严厉的按时序进展任务。在MCS-系列单片机的内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL，输出端为引脚XTAL。而在芯片的外部，XTAL和XTAL之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。如图-所示。电容C和C通常取PF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是.MHzMHz。晶体振荡频率高，那么系统的时钟频率也高，单片机的运转速度就快，同时，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也就越高线间寄生的电容要小。图- 时钟振荡电路MCS-单片机在通常运用情况下，运用振荡频率为MHz的石英晶体，而MHz主要是用在高速通讯系统中。. 驱动电路

58、由于如今常用的器件都是TTL电路或MOS电路，这些电路的驱动才干有限，尤其运用但控制场所时，如输出驱动交流接触器线圈，就要添加电流放大和电子转换电路，使之和控制设备顺应到达控制的目的。在常用的开关驱动电路中，通常有功率晶体管驱动、复核人晶体管驱动、可控硅驱动包括单向和双向可控硅、小继电器驱动和功率场效应管驱动等。在设计中，他们要绝对依从接口驱动才干和控制设备相匹配的原那么。在开关驱动电路中，采用固态继电器，它是一个将双向可控硅和光电耦合驱动封装在一个密封块中，这种无触点开关对提高单片机控制系统运转的可靠性，减少触点开关对系统的影响是有利的。这种固态继电器价钱比较昂贵，但在一些系统任务干扰大或对

59、整体精度要求较高的系统设计中有广泛的运用。无公害蔬菜生长环境检测仪硬件系统无公害蔬菜生长环境检测仪是基于X射线荧光检测原理，以单片机C为中心的非电量信号的采集、转化、数据处置系统。它以快速呼应、操作简便、经济适用为出特点。其硬件主要有三部分组成，它们是系统功能得以实现的根本，也是任一检测系统不可或缺的组成要素。. 探测器选择样品在射线照射下，外层电子遭到激发产生跃迁景象，伴随长生特征X射线。在本设计中特征X射线信息检测安装以SI-PIN为中心检测元件，义务在于采集样品受激发形状下所发出特征X射线量值，检测元件产生的微电流在前端放大器作用下变为可测电流。此时，包含信息的电流还要经过整形电路加以调

60、整，然后由A/D转换器将采集的数据转化为计算机可以识别的数字信号。经过计算机对数据的加工即可实现预期目的检测出作用对象在样品中的含量。. X射线荧光探测器X荧光探头的性能，对整套探测系统的性能起决议性作用。针对野外现场多种元素定量测定的需求，系统应易于携带，而且具有较高的分析灵敏度。因此需合理进展探测器选型，同时选择既能满足野外丈量需求、又无需供电或功耗小、而且小巧轻便的激发源。因此，探测器选型与激发源选择是探头设计的重要内容之一。特征X射线的照射量率与散射射线背景与探测灵敏度亲密相关。激发源、样品与探测器简称“源样探三者之间的几何关系不同，探测器实践探测到的特征X射线的照射量率和散射射线背景