专利名称：生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，属生物仪器领域。
背景技术：
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目前，电导仪和pH计广泛应用于生物医学制药等相关成分的检测和分析。在生物分离纯化过程中，使用电导仪和PH计来识别已分离的生物成品是ー个必不可少的环节。国内生物分离样品已开始量产，有替代国外产品趋势。但是针对生物分离式的成分检测的相关设备还大都配备国外产品，如GE公司的pH计和电导仪、紫外分光检测设备，具有小型、功能强等特点，但是价格昂贵。而国内产品大都是只具有単独的电导率检测或PH检测功能，虽然有价格优势，但还没有针对生物分离纯化后的检测系统，无法同时测量电导和PH等多个參数。本研究着眼于功能更强大、体积更小、价格适中的用于生物分离纯化过程中的电导PH检测系统，研究是具有针对的实际意义的。本測量仪器选用低功耗、高性能、价格低的单片机作为主芯片；分别采用DJS-10钼金电导电极和E-201-9 pH电极作为电导率传感器和pH传感器；配备高精度的A/D转换器和CMOS模拟通道保证了测量的灵敏度和准确度；采用单总线DS18B20对温度采样，大大简化了系统设计；并通过合适的软件补偿对测量误差进行修正，以提高測量精度。除此之夕卜，本仪器还增添了一些新功能，实现了仪器的智能化，具有良好的人机界面，可以对仪器的測量数据进行保存；同时还提供仪器与上位机通信功能，方便了上位机对测量数据管理和分析。

发明内容
本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供ー种生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，通过测量电导率和pH值来识别生物样品。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
ー种生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，包括激励信号电路、pH传感器、电导率传感器、PH信号放大电路及滤波电路、电导率信号放大电路、量程切换电路、模拟-数字转换电路、温度传感器、显示电路、按键电路、微控制器、电源电路、RS-232电路以及数据存储器，其特征在于所述信号激励电路经电导率传感器和电导率信号放大电路后，通过A/D转换电路连接微控制器，所述PH传感器经过pH信号放大电路及滤波电路后，通过A/D转换电路连接微控制器，所述温度传感器、RS-232电路、按键电路、数据存储器和显示电路连接微控制器，所述微控制器通过量程切換电路连接所述电导率信号放大电路，所述电源电路为各组成提供工作电源。所述电源电路的结构是外部输入的士 12V的直流电压通过三端稳压集成电路芯片7809、7909后，再经三端稳压芯片7805、7905，为内部电路提供电源。所述电导率传感器是由上海罗素科技有限公司生产的DJS-10E型号的钼黑电导电极，该电极的ー个引脚接信号激励信号电路中的芯片CD4051，另ー个引脚接电导率信号放大电路中的TL084。所述pH传感器是由上海罗素科技有限公司生产的E-201-9型号的塑壳不可填充式复合电极，该电极的的两个弓I脚接PH信号放大电路及滤波电路中的芯片INAl 16。所述激励信号电路的结构是 芯片MC1403产生IV的恒定电压经过双极性运算放大器0P07正相放大两倍和反向放大两倍后，接入芯片⑶4051 ;NE555型芯片产生频率为2KHz的方波信号，这个方波信号控制CD4051型芯片对± 2V的恒定电压源切换产生方波脉冲信号。所述量程切换电路和电导率信号放大电路的结构是电导电极的ー个引脚接激励信号，另ー个引脚输出的电压信号接入电导率信号放大电路。采用四选ー的模拟开关实现电导率测量的量程自动切換，采用TL084实现对电导率传感器采集到的微弱电压信号的放大功能。经放大后的信号再经过ー个电压跟随器TL084后，再接入A/D转换器MAX197的 CHl通道。所述pH信号放大电路及滤波电路的结构是pH传感器采集到的信号被仪表放大器INAl 16放大以及经过2200uF的大电容C29滤除エ频干扰后，接入电压跟随器TL084缓冲，然后接入A/D转换器MAX197的CHO通道。所述模拟-数字(A/D)转换电路，采用MAX197实现A/D转换功能，经过电压跟随器TL084的两路模拟信号分别接入MAX197的通道O和通道I转换成数字量后，再接入微控制器。所述RS-232电路采用单电源电平转换芯片MAX232实现微控制器与上位机的连接，微控制器的TXD引脚和RXD引脚分别接MAX232的TlIN引脚和RlOUT，MAX232的引脚TlOUT和引脚RlIN分别接串行通信接ロ RS232的2脚和3脚。所述显示电路采用的是IXD1602液晶显示器，IXD1602的输入/输出引脚接微控制器的数据总线PO，微控制器通过控制74HC138和74HC32使能LCD1602，而且LCD1602的指令和数据的写入或写出也是通过微控制器进行控制。所述数据存储器采用的是HM62256A型存储芯片，微控制器的PO和P2 ロ为存储器提供地址总线，微控制器的PO ロ为存储器提供数据总线，74HC373芯片对PO进行地址锁存实现PO的分时复用。本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步
本发明中激励信号电路以交流方波激励信号驱动电导率传感器，克服了电导传感器的极化现象；PH传感器采集的微弱电压信号，经差分放大器放大并且在放大器输出部分接入了ー个大电容，可以有效的滤除エ频干扰；中央处理器嵌置温度补偿程序，补偿了温度变化引起的误差，提高了測量精度及检测的实时性；上位机电路实现单片机与PC机的串行通ィ目。


图I是本发明一个实施例的生物分离纯化过程中电导率pH检测系统的系统框图。图2是图I系统框图中系统电源的具体电路图。图3是图I系统框图中MCU的具体电路图。图4是图I系统框图中信号激励电路的具体电路图。
图5是图I系统框图中电导率信号放大和量程自动切換的具体电路图。图6是图I系统框图中pH信号放大和滤波的具体电路图。图7是图I系统框图中IXD显示的具体电路图。图8是图I系统框图中数字-模拟转换(A/D转换)的具体电路图。图9是图I系统框图中温度测量的具体电路图。图10是图I系统框图中上位机的具体电路图。图11是图I系统框图中存储器的具体电路图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例结合附图进ー步叙述如下
实施例一
參见图1，本新型生物分离纯化过程中电导率pH检测系统包括激励信号电路(1)、ρΗ传感器(2 )、电导率传感器(3 )、pH信号放大电路及滤波电路(4)、电导率信号放大电路(5 )、量程切换电路(6)、模拟-数字转换电路(7)、温度传感器(12)、显示电路(8)、按键电路(9)、中央处理器(10)以及电源电路(ll)，RS-232电路(13)以及数据存储器(14)。其特征在于所述信号激励电路(I)经电导率传感器(3)和电导率信号放大电路(5)后，通过A/D转换电路(7)连接微控制器(10)，所述pH传感器(2)经过pH信号放大电路及滤波电路(4)后，通过A/D转换电路(7)连接微控制器(10)，所述温度传感器(12)、RS-232电路(13)、按键电路
(9)、数据存储器(14)和显示电路(8)连接微控制器(10)，所述微控制器(10)通过量程切換电路(6 )连接所述电导率信号放大电路(5 )，所述电源电路(11)为各组成提供工作电源。实施例ニ
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
參见图2，系统电源通过三端稳压集成电路芯片7809、7909将接入的土 12V直流电压转换成± 9V直流电压，供系统内部部分电路使用，再通过三端稳压芯片7805、7905将士 9V直流电压转换成± 5V直流电压，同样也是供系统内部部分电路使用。參见图3，本实例采用AT89S52作为微控制器，微控制器与系统其他部分管脚接ロ将在后面进一步描述。參见图4，为了减少极化效应对电导率测量的影响，本测量仪器采用频率2KHz幅度为± 2V的脉冲信号作为电导电极的激励信号。高准确度、低温漂的带隙基准源MC1403产生IV基准电压，经TL084缓冲后，再经过0P07运放同相放大和反向放大得土 2V的精密恒压源，然后分别将土 2V恒压源接入模拟开关⑶4051的XcpX1通道；NE555产生2KHz方波控制信号；将此方波控制信号接入⑶4051对± 2V的恒定电压源切換，即可产生频率为2KHz幅度为± 2V的脉冲信号(output)。參见图5，电导电极(Jll)的一个引脚接激励信号(output)，另ー个引脚输出的电压信号接入电导率信号放大电路。采用4选ー的模拟开关CD4052实现电导率测量的量程自动切換，采用TL084实现对电导率传感器采集到的微弱电压信号的放大功能。经放大后的信号再经过ー个电压跟随器(TL084)后，再接入A/D转换器MAX197的CHl通道。參见图到6，pH传感器的參比电极接芯片INA116的引脚3，测量电极接INA116的引脚6。此pH传感器采集到的微弱电压信号经差分放大后，经大电容C29滤除エ频干扰，再经过缓冲器TL084，最后接入A/D转换器MAX197的CHO通道。參见图7，显示器采用的是IXD1602液晶显示器，本系统中IXD1602的输入/输出引脚DBcTDB7接微控制器的PO. (ΓΡ0. 7，用于传输待显示的数据，微控制器的P2. 5、P2. 6、
P2. 7分别连接译码器74HC138的输入引脚A、B、C，引脚！^接四组两输入端或门74HC32，通
过选通W使能IXD1602。IXD1602的Vss和Vee接地，Vcc接+5V电压，RS和丽分别接微控
制器的Pl. I和Pl. 2用于控制指令或数据的写入和输出。另外，IXD1602的背光电源正、负极分别接+5V和地，若背光电源正极接+5V由于电流过大而引起电源发热，则可以将其也接地，即IXD背光不用。參见图8，选用MAX197芯片实现A/D转换功能，两路模拟信号ー电导率测量电压信号(signall)和pH測量电压信号(signal2)分别接入通道O和通道1，经A/D转换成12位
的数字量，送入微处理器运算。微控制器的PO. (ΓΡ0. 7与MAX197的D(TD7相连；SHDNB
接高电平，选择MAX197为软件设置低功耗工作方式；采用内部基准电压，REF、REFADJ均通过电容接地，使用内部基准方式吋，内部经过微调的2. 5V基准通过REFADJ缓冲放大以便在REF端提供4. 096V电压；在CLK引脚和“地”之间接上ー个IOOpF的电容，采用内部时钟模
式；HBEN引脚与P2. O连接；MM分别与微控制器的丽、丽连接;片选端反与译码器74HC138的巧连接；互牙与微控制器的P3. 3 (Wf0 )相连。參见图9，DS18B20采用外部电源供电的方式，将DS18B20数据双向传输端DQ与微处理器的一位双向端ロ P3. 2相连，即可完成温度的采集，由于DS18B20进行温度转换和内部存储拷贝时，工作电流必须达到I. 5mA以上，故数据线通过了 4. 7K的上来电阻来提供电流。參见图10，上位机电路如图10所示，本发明仪器采用RS-232标准接ロ实现上位机和微处理器的串行通信功能，采用MAX232芯片实现TTL电平和CMOS电平的转换。參见图11，本系统数据存储选用的芯片是HM62256A，容量是32K，用于存储的生物分离纯化后的样品的PH值和电导率值。地址总线由AT89S52的Ptl提供低8位地址AcTA7,P2 ロ提供高7为地址A8I14, PO ロ是地址总线低8位和8位数据总线复用ロ，只能分时用作地址线。所以PO ロ输出的低8位地址AcTA7必须用锁存器锁存，本系统选用74HC373进行地址锁存，由AT89S52的ALE引脚输出的控制信号进行控制。AT89S52的M引脚和M引
脚分别接存储器的_和^!引脚，这两个引脚的时序由硬件自动完成。
权利要求
1.ー种生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，包括激励信号电路(I )、pH传感器(2 )、电导率传感器(3 )、pH信号放大电路及滤波电路(4)、电导率信号放大电路(5 )、量程切换电路(6)、模拟-数字转换电路(7)、温度传感器(12)、显示电路(8)、按键电路(9)、微控制器(10)、电源电路(11)、RS-232电路(13)以及数据存储器(14)，其特征在于所述信号激励电路(I)经电导率传感器(3)和电导率信号放大电路(5)后，通过A/D转换电路(7)连接微控制器(10)，所述pH传感器(2)经过pH信号放大电路及滤波电路(4)后，通过A/D转换电路(7 )连接微控制器(10 )，所述温度传感器(12 )、RS-232电路(13 )、按键电路(9 )、数据存储器(14)和显示电路(8)连接微控制器(10)，所述微控制器(10)通过量程切换电路(6)连接所述电导率信号放大电路(5 )，所述电源电路(11)为各组成提供工作电源。
2.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述电源电路(11)的结构是外部输入的土 12V的直流电压通过三端稳压集成电路芯片7809、7909 (Q8、Q9)后，再经三端稳压芯片7805,7905 (Q10、Q11)，为内部电路提供电源。
3.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述 电导率传感器(3)是由上海罗素科技有限公司生产的DJS-10E型号的钼黑电导电极，该电极的ー个引脚接信号激励信号电路(I)中的芯片CD4051 (U10)，另ー个引脚接电导率信号放大电路(5)中的TL084 (U12)。
4.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和PH检测系统，其特征在于所述PH传感器(2)是由上海罗素科技有限公司生产的E-201-9型号的塑壳不可填充式复合电极，该电极的的两个引脚接pH信号放大电路及滤波电路(4)中的芯片INA116 (AlO)0
5.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述激励信号电路(I)的结构是芯片MC1403 (U3)产生IV的恒定电压经过双极性运算放大器0P07正相放大两倍和反向放大两倍后，接入芯片CD4051 (UlO) ;NE555型芯片(U2)产生频率为2KHz的方波信号，这个方波信号控制⑶4051型芯(UlO)片对± 2V的恒定电压源切換产生方波脉冲信号。
6.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述量程切换电路(6)和电导率信号放大电路(5)的结构是电导电极(Jll)的一个引脚接激励信号(output )，另ー个引脚输出的电压信号接入电导率信号放大电路； 采用4选ー的模拟开关CD4052实现电导率测量的量程自动切換，采用TL084实现对电导率传感器采集到的微弱电压信号的放大功能； 经放大后的信号再经过ー个电压跟随器(TL084)后，再接入A/D转换器MAX197的CHl通道。
7.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述PH信号放大电路及滤波电路(4)的结构是pH传感器采集到的信号被仪表放大器INAl 16(AlO)放大以及经过2200uF的大电容C29滤除エ频干扰后，接入电压跟随器TL084 (U12)缓冲，然后接入A/D转换器MAX197 (Ul)的CHO通道。
8.根据权利要求I所述的分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述模拟-数字(A/D)转换电路(7)，采用MAX197 (Ul)实现A/D转换功能，经过电压跟随器TL084(U12)的两路模拟信号分别接入MAX197的通道O和通道I转换成数字量后，再接入微控制器(10)。
9.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述RS-232电路(10)采用单电源电平转换芯片MAX232实现微控制器(10)与上位机的连接，微控制器(10)的TXD引脚和RXD引脚分别接MAX232的TlIN引脚和R10UT,MAX232的引脚TlOUT和引脚RlIN分别接串行通信接口 RS232 (Jl)的2脚和3脚。
10.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，其特征在于所述显示电路(8)采用的是IXD1602(J7)液晶显示器，IXD1602的输入/输出引脚接微控制器(10)的数据总线PO，微控制器(10)通过控制74HC138 (U8)和74HC32 (U14)使能LCD1602，而且IXD1602的指令和数据的写入或写出也是通过微控制器(10)进行控制。
11.根据权利要求I所述的生物分离纯化过程中电导率和PH检测系统，其特征在于所述数据存储器(14)采用的是HM62256A型存储芯片，微控制器(10)的PO和P2 口为存储器提供地址总线，微控制器(10)的PO 口为存储器提供数据总线，74HC373芯片(U6)对PO进行地址锁存实现PO的分时复用。
全文摘要
本发明涉及一种生物分离纯化过程中电导率和pH检测系统，属生物仪器领域。它由电导率传感器、pH传感器、温度传感器、量程切换电路、放大电路、激励信号电路、模拟-数字转换电路、中央处理器、显示电路、按键电路、上位机通信电路以及电源电路组成；激励信号电路以交流方波激励信号驱动电导率传感器，克服了电导传感器的极化现象；pH传感器采集的微弱电压信号，经差分放大器放大并且在放大器输出部分接入了一个大电容，可以有效的滤除工频干扰；中央处理器嵌置温度补偿程序，补偿了温度变化引起的误差，提高了测量精度及检测的实时性；上位机电路实现单片机与PC机的串行通信。
文档编号G01N27/00GK102854388SQ20121033070
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者刘书朋, 卢桂云, 张洪, 何培忠 申请人:博格隆(上海)生物技术有限公司