便携式水质UV254检测设备的研究与设计

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伴随社会文明快速发展,饮用水卫生问题逐渐受到广泛的重视。水体的污染问题在我国普遍存在,其污染涉及物理污染、化学污染、生物污染等,程度不一。水源水经过混凝、沉淀、过滤、消毒等一系列传统处理工艺成为自来水后,虽然物理和生物污染问题基本可以得到控制,但化学污染,尤其是有毒有害有机污染物的污染问题一直存在。UV254值是指水样在254nm紫外光波长下经过单位比色皿光程后测得的的吸光度或透光度。水中常见的有机污染物多数具有苯环和(或)共轭双键,此类有机物在紫外光波段有显著的吸收峰或特征峰;同时,现有研究已证明:UV254与TOC、COD、BOD等表征水样有机污染物浓度的参数呈高度相关性,可以作为替代参数来反映水样有机污染程度。因此UV254可以作为反映水中有机物浓度的综合指标,UV254吸光度的大小可以预测水样的水质好坏及毒性强弱。UV254指标的检测多使用紫外分光光度计,检测设备存在造价高、便携性差、预热时间长等缺点,无法满足现代社会对于水质现场检测的快速、便携等需求。目前,现场水质检测普遍采用TDS笔,检测原理是以水样的电导率来表征水中总溶解固体(TDS)值,但TDS与水质安全性并无必然联系,此方法会在一定程度上误导大众。因此,设计制造出一种具备便携特征的水质现场UV254检测设备就显得尤为迫切。针对需要便携性的水质现场UV254检测的需求,本研究首先采用紫外发光二极管(UVLED)作为光源,以线性硅光电池作为检测探头,设计并组装手动式便携式水质UV254检测设备,并对多地水样进行检测后验证设计的可行性。随后,为了能使便携式水质UV254检测设备的精度更高,本研究又提出了自动式便携式水质UV254检测设备的设计方案,并对该方案进行了硬件和软件的设计。本研究内容为:目的:设计组装出手动式便携式水质UV254检测设备并对其进行可行性验证。方法:了解光电检测的基本原理,结合实际情况,购置峰值波长为265nm的uvled、线性硅光电池及其它相关材料,设计电路,组装设备,提出间接测量UV254值的方法;采集多地自来水样,并使用752c型紫外可见分光光度计检测其吸光值,进行统计分析,得到间接测量UV254值的转换系数k;将752c型紫外可见分光光度计的检测结果(透光度)作为纵坐标,将手动式便携式水质UV254检测设备对同一样品的测量结果(电压值)作为横坐标,分别绘制邻苯二甲酸氢钾和汉口自来水的电压值与透光度关系的标准曲线,获得线性回归方程,验证二者的线性关系;使用手动式便携式水质UV254检测设备和得到的线性回归方程及k值,测量多地自来水样的UV254值,并与752c型紫外可见分光光度计的测量值(真实值)进行比较,评估测量精度,验证设备的可行性。结果:以752c型紫外可见分光光度计的水质测量结果作为真实值,若以uv265推算UV254值,转换系数k=1.21,以此计算各地水样的UV254值,最大理论误差为0.2%,最小理论误差为0;邻苯二甲酸氢钾和汉口自来水电压值与透光度关系的标准曲线均呈现强线性相关,决定系数分别为0.9999和0.9998;手动式便携式水质UV254检测设备检测到的多地自来水样UV254值与真实值相比,误差最大值为0.7%,最小值为0.1%。结论:以峰值波长为265nm的uvled作为光源,间接测量UV254值的方法在满足一定误差要求(1%)的前提下,具有实际可行性;以峰值波长为265nm的uvled和硅光电池为核心元件的手动式便携式水质UV254检测设备可以应用于UV254值的检测并满足便携性的需求。设计展望:根据当今电子器件发展情况,结合成本考虑,提出自动式水质UV254检测设备的整体设计方案;根据设计方案选择紫外发光二极管和线性硅光电池的配套器件,包括icl7650运算放大器、atmega88a型单片机、12864系列中文图形点阵液晶显示模块、非编码键盘。根据所选元器件设计相关硬件电路图和软件流程图。硬件设计包括:uvled恒流供电电路的设计、放大电路的设计、键盘的按键功能;软件设计包括:主程序流程、a/d转换流程、lcd显示流程、键盘控制流程和数据处理流程。设计方案自动化程度高,理论上应比手动式便携式水质UV254检测设备有更快的测量速度和更高的测量精度,可满足便携式水质检测需求。
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