【某便攜式水體有機(jī)物污染檢測(cè)儀的制作與調(diào)試方案案例3200字】

某便攜式水體有機(jī)物污染檢測(cè)儀的制作與調(diào)試方案案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23786某便攜式水體有機(jī)物污染檢測(cè)儀的制作與調(diào)試方案案例 1238521.1硬件電路的布線與焊接 1200051.1.1總體特點(diǎn) 117071.1.2電路劃分 1227161.1.3焊接 1219651.2調(diào)試 11.1硬件電路的布線與焊接1.1.1總體特點(diǎn)本電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)部分硬件，總體的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：（1）電路原理簡(jiǎn)單易做，所有的器件都是常見(jiàn)的電子元器件。（2）由于電路的路數(shù)較多，電路的布局比較復(fù)雜，所以在制作過(guò)程中應(yīng)該合理布線布局，由此來(lái)降低焊接難度，從而降低出錯(cuò)率，防止電路之間的干擾，提高準(zhǔn)確度。1.1.2電路劃分該設(shè)計(jì)電路主要分為兩大塊：（1）STM32單片機(jī)主板和LCD顯示器構(gòu)成一塊電路板（2）電導(dǎo)率傳感模塊，溫度傳感模塊作為外設(shè)構(gòu)成一塊電路板1.1.3焊接在焊接前應(yīng)當(dāng)注意各個(gè)芯片的引腳，焊接時(shí)按照電路圖，根據(jù)以下原則進(jìn)行焊接：（1）先焊接各個(gè)芯片的電源引腳和接地引腳，確保芯片的工作電壓正常。（2）同屬于一個(gè)模塊的芯片和電子元器件按順序同時(shí)焊接，可以節(jié)約時(shí)間，也可以降低出錯(cuò)率。1.2調(diào)試（1）電導(dǎo)率傳感器的傳感電極的校準(zhǔn)：為了保證電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)的精度，在初次使用電導(dǎo)率電極或者使用了一段時(shí)間的電導(dǎo)率電極，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)采用兩種校準(zhǔn)：高電導(dǎo)校準(zhǔn)和電導(dǎo)低校準(zhǔn)低電導(dǎo)校準(zhǔn)：首先連接電導(dǎo)傳感器模塊和電導(dǎo)率電極，給電導(dǎo)率模塊供電，將電導(dǎo)率電極放入事先配置好的電導(dǎo)率為1413uS/cm的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液中，測(cè)試傳感器模塊輸出端的電壓值，記錄為V測(cè)試，測(cè)量當(dāng)前溶液溶度為T(mén)測(cè)試，將測(cè)量得到的電壓值V測(cè)試和T測(cè)試帶入低電導(dǎo)校正常數(shù)的計(jì)算公式中：kValue_Low=164*1.143*(1.0+0.0185*(T測(cè)試–25.0))/V測(cè)試高電導(dǎo)校準(zhǔn)：首先連接電導(dǎo)傳感器模塊和電導(dǎo)率電極，給電導(dǎo)率模塊供電，將電導(dǎo)率電極放入事先配置好的電導(dǎo)率為12.88mS/cm的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液中，測(cè)試傳感器模塊輸出端的電壓值，記錄為V測(cè)試，測(cè)量當(dāng)前溶液溶度為T(mén)測(cè)試，將測(cè)量得到的電壓值V測(cè)試和T測(cè)試帶入高電導(dǎo)校正常數(shù)的計(jì)算公式中：kValue_High=164*12.88*(1.0+0.0185*(T測(cè)試–25.0))/V測(cè)試然后將計(jì)算得到的KValue_High值和KValue_Low在程序中進(jìn)行修正。（2）假定提前處理后的廢水完全氧化反應(yīng)，所有的微生物極其有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，在本次設(shè)計(jì)中，在實(shí)驗(yàn)室配置過(guò)量的NaOH溶液對(duì)生成的二氧化碳進(jìn)行吸收反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)換為Na2CO3，利用電導(dǎo)率傳感器測(cè)得溶液的電導(dǎo)率，從而來(lái)推出Na2CO3的含量。進(jìn)而獲取到吸收的二氧化碳的含量。最終可以推出溶液中的有機(jī)碳的含量。由于需要利用電導(dǎo)率來(lái)求得二氧化碳與氫氧化鈉完全反應(yīng)后生成的氫氧化鈉和碳酸鈉混合溶液中的碳酸根的含量。故需要在實(shí)驗(yàn)室配置不同溶度與比例的碳酸鈉與氫氧化鈉混合溶液，在相同溫度下測(cè)得其電導(dǎo)率，最后根據(jù)電導(dǎo)率和碳酸根離子的圖表數(shù)據(jù)，建立趨近方程，大概推出電導(dǎo)率與碳酸根離子濃度的關(guān)系方程。由于實(shí)驗(yàn)室缺乏碳酸鈉溶液，故本設(shè)計(jì)采用碳酸氫鈉與氫氧化鈉按照1：1的比例反應(yīng)生成碳酸鈉。本實(shí)驗(yàn)采取的NaOH和Na2CO3配比溶液的控制條件是保持鈉離子的濃度保持不表，主要的濃度變化在于氫氧根離子和碳酸根離子的溶度占比不同，配比樣品溶液的比例如下圖所示：26℃下的NaOH和Na2CO3配比溶液組別NaOH濃度(mol/L)Na2CO3濃度(mol/L)12345678910110.10.080.050.030.010.000500.090.070.060.0400.010.0250.04750.04950.049750.050.050.0150.020.0326℃下的NaOH和Na2CO3配比溶液組別NaOH濃度(mol/L)Na2CO3濃度(mol/L)12131415160.00250.0030.0020.0060.0080.048750.04850.0490.0470.046在測(cè)量不同混合溶液的電導(dǎo)率時(shí)，采取的方式是對(duì)同一溫度下，每個(gè)樣品測(cè)量5次，最終獲取電導(dǎo)率的平均值，這樣做的目的主要是為了減少單一測(cè)量帶來(lái)的誤差，在溫度控制在26℃所測(cè)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)如下圖所示.26℃電導(dǎo)率(mS/cm)NaOH:0.1mol/lNaCO:0mol/lNaOH:0.08mol/lNaCO:0.01mol/lNaOH:0.050mol/lNaCO:0.025mol/lNaOH:0.03mol/lNaCO:0.035mol/lNaOH:0.0150mol/lNaCO:0.0475mol/lNaOH:0.010mol/lNaCO:0.0495mol/l15.8712.6111.3110.201.467.3811.0412.5911.2910.211.587.5011.2012.5211.3410.251.507.4511.1712.5511.3910.221.607.4611.1512.5611.4910.251.587.47電導(dǎo)率平均值11.08612.56611.36410.2261.5447.45226℃電導(dǎo)率(mS/cm)NaOH:0.00050mol/lNaCO:0.04975mol/lNaOH:0mol/lNaCO:0.05mol/lNaOH:0.09mol/lNaCO:0.005mol/lNaOH:0.07mol/lNaCO:0.015mol/lNaOH:0.06mol/lNaCO:0.02mol/lNaOH:0.04mol/lNaCO:0.03mol/l7.94.2215.5713.612.8610.247.884.1815.4613.7512.7810.337.894.1515.5913.812.8710.357.844.1315.513.812.8910.287.854.1715.6413.7912.7910.32電導(dǎo)率平均值11.08612.56611.36410.2261.5447.45226℃電導(dǎo)率(mS/cm)NaOH:0.03mol/lNaCO:0.04mol/lNaOH:0.0025mol/lNaCO:0.04875mol/lNaOH:0.003mol/lNaCO:0.0485mol/lNaOH:0.002mol/lNaCO:0.049mol/lNaOH:0.006mol/lNaCO:0.047mol/lNaOH:0.008mol/lNaCO:0.046mol/l8.037.111.133.987.697.518.27.161.093.977.697.58.27.121.13.967.777.488.127.151.123.987.747.498.247.181.173.977.917.48電導(dǎo)率平均值11.08612.56611.36410.2261.5447.452 將圖表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均數(shù)處理后得到每種溶液的平均電導(dǎo)率，利用制圖軟件，制作相應(yīng)的散點(diǎn)圖，用來(lái)分析隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液電導(dǎo)率的變化情況。由圖表可以制作出在26℃溫度環(huán)境下，對(duì)應(yīng)的氫氧化鈉與碳酸鈉混合溶液的電導(dǎo)率隨碳酸根離子溶度變化散點(diǎn)圖，如下圖6-1所示：圖6-1氫氧化鈉與碳酸鈉混合溶液的電導(dǎo)率隨碳酸根離子溶度變化散點(diǎn)圖（3）根據(jù)獲取到的電導(dǎo)率的圖像變化數(shù)據(jù)，可以看出隨著二氧化碳和氫氧化鈉反應(yīng)的生成的CO32-離子的數(shù)量的增加會(huì)出現(xiàn)溶液電導(dǎo)率逐漸下降的情況，在此反應(yīng)過(guò)程中，Na+離子的總數(shù)保持不變，溶液的電導(dǎo)率下降可能有如下幾種原因：1.由于NaOH是強(qiáng)堿溶液，在PH水平高的情況下，離子的電離程度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，OH-離子逐漸被CO2反應(yīng)不斷生成CO32-離子，隨著CO32-離子的含量不斷生成，加上OH-離子的不斷減少，導(dǎo)致溶液的PH值不斷下降，離子的電離程度下降，所以導(dǎo)電性不斷下降，故測(cè)得的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。（4）根據(jù)獲取的電導(dǎo)率的圖像變化數(shù)據(jù)，其中存在著誤差數(shù)據(jù)：[1]在CO32-離子的離子濃度在0.05mol/L左右的時(shí)候，數(shù)據(jù)變化浮動(dòng)非常大，其主要原因分析如下，在模擬CO2與OH-離子反應(yīng)反應(yīng)生成產(chǎn)物CO32-離子時(shí)，本設(shè)計(jì)采用不同濃度的OH-離子和HCO3-離子來(lái)反應(yīng)生成CO32-離子來(lái)模擬，故需要配置NaOH和NaHCO3的反應(yīng)溶液，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，本著節(jié)約，量少為優(yōu)的原則，故所有溶液的體積固定在10mL，所以在0.05mol/L附近的連續(xù)數(shù)據(jù)，反應(yīng)固體的質(zhì)量差別大概在0.0002克左右，所以在稱取固體時(shí)，會(huì)存在較大的誤差，故本設(shè)計(jì)在這一區(qū)間內(nèi)測(cè)量了多組，便于獲取中間值。[2]由于NaOH固體的化學(xué)性質(zhì)為在常溫下，極易吸收空氣中的水分，在實(shí)驗(yàn)稱量時(shí)，在稱上取適量的NaOH固體，當(dāng)固體質(zhì)量達(dá)到要求后，一般無(wú)法直接將固體導(dǎo)入蒸餾水中，因?yàn)镹aOH極易與水吸收，絕大部分NaOH固體已經(jīng)帶有水分，所以一般使用干凈的鐵勺，將其轉(zhuǎn)移至蒸餾水中，用來(lái)配置NaOH溶液。所以在轉(zhuǎn)移時(shí)會(huì)有殘留的水狀NaOH無(wú)法完全加入。對(duì)實(shí)驗(yàn)的濃度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。（5）對(duì)獲取到的電導(dǎo)率的圖像變化數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析：使用數(shù)學(xué)工具，對(duì)圖像進(jìn)行擬合逼近，獲取表達(dá)式，即可粗略的獲取電導(dǎo)與CO32-離子之間的定性關(guān)系。大致可以擬合成如下兩種表達(dá)式：[1]指數(shù)擬合關(guān)系：指數(shù)擬合的圖像如圖6-2所示，可以看見(jiàn)，基本所有的點(diǎn)都近似的在擬合函數(shù)的線條附近，這里，排除了距離曲線較大的三個(gè)點(diǎn)，近似看作是誤差點(diǎn)，此時(shí)得到的擬合公式為：σ=17.731*exp(-20.69C)注：σ代表的是溶液的電導(dǎo)率，C代表的時(shí)所測(cè)溶液中碳酸根離子的濃度。 圖6-2氫氧化鈉與碳酸鈉混合溶液的電導(dǎo)率隨碳酸根離子溶度指數(shù)擬合圖[2]線性擬合關(guān)系：指數(shù)擬合的圖像如圖6-3所示，假設(shè)使用線性擬合方程去逼近關(guān)系，也可以粗略得出電導(dǎo)率與碳酸根離子濃度之間的關(guān)系，同樣排除了距離逼近曲線相差較大的三個(gè)點(diǎn)，此時(shí)得到的擬合函數(shù)公式為：σ=-198.5C+11.02注：σ代表的是溶液的電導(dǎo)率，C代表的時(shí)所測(cè)溶液中碳酸根離子的濃度。圖6-3氫氧化鈉與碳酸鈉混合溶液的電導(dǎo)率隨碳酸根離子溶度指數(shù)擬合圖（6）上述兩種方法，線性擬合和指數(shù)擬合的誤差比較接近。可以選用這兩種方式進(jìn)行推測(cè)，即獲取反應(yīng)溶液后的電導(dǎo)率推測(cè)出原有機(jī)溶液中的有機(jī)碳（TOC）的含量，接下來(lái)對(duì)該公式進(jìn)行推測(cè)，水體中的總有機(jī)碳的計(jì)算單位是以碳的質(zhì)量濃度表示（mg/L）首先研究指數(shù)擬合關(guān)系下的總有機(jī)碳與最后反應(yīng)生成的電導(dǎo)率關(guān)系的推導(dǎo)：σ=17.731*exp(-20.69C)C=-ln(σ/17.731)/20.69注：σ代表的是溶液的電導(dǎo)率，C代表的時(shí)所測(cè)溶液中碳酸根離子的濃度。因?yàn)樘妓岣x子濃度單位是mol/L,所以只需要得到碳酸根離子中的碳元素的質(zhì)量濃度就可以獲得TOC（總有機(jī)碳）的質(zhì)量濃度，故最終得到的TOC（總有機(jī)碳）的含量的推導(dǎo)公式為：TOC=-ln(σ/17.731)*579.99（mg/L）注：σ代表的是溶液的電導(dǎo)率,單位是mS/cm，TOC代表的時(shí)所測(cè)溶液中有機(jī)碳的質(zhì)量濃度。其次研