Индикатор концентрации нитратов в продуктах

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение Образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет заочного обучения

Курсовой проект

по дисциплине: «ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ»

на тему: «Индикатор концентрации нитратов в продуктах»

Выполнил студент гр. 801801

Специальности МдЭ

Падченко Е.Н.

Проверил: Собчук Н. С.

Минск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обзор существующих методов измерения и аппаратов

.1 Обзор принципов работы измерителя концентрации нитратов

.2 Анализ существующих приборов

.3 Потребительские испытания нитрат-тестеров

.4 Лабораторные испытания нитрат-тестеров

.5 Вывод о необходимости разработки

. Разработка структурной схемы прибора

. Разработка электрической принципиальной схемы

.1 Питание

.2 Разработка аккумуляторной батареи

. Выбор элементной базы

. Разработка методики измерения

.1 Разработка алгоритма работы программы микро-контроллера

.2 Проведение замеров

. Разработка блока калибровки

. Разработка сборочного чертежа печатной платы

.1 Расчет элементов печатного рисунка

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Введение

Нитраты (соли азотной кислоты) широко распространены в природе. Они содержатся в почве, воде, входят в состав растений, являются продуктами обмена веществ организма человека и животных.

Нитраты считаются одними из самых опасных химических соединений, так как способны вызвать серьезные нарушения в организме человека. Нитраты присутствуют во многих удобрениях, которые активно используют в сельском хозяйстве для повышения урожайности культур. По этой причине нитраты в овощах и фруктах часто содержатся в значительной концентрации. Попадая с пищей в организм человека, нитраты в больших количествах, способны вызывать отравления нитратами, различные расстройства и хронические заболевания.

До недавнего времени определение нитратов было довольно трудоемким и дорогостоящим процессом. Сейчас есть прекрасная возможность приобрести специальный прибор для измерения нитратов - нитратомер, который можно всегда носить с собой а так же иметь в своей лаборатории.

Нитратомер способен с высокой точностью провести тест на нитраты в овощах и фруктах, определить нитраты в воде. Специалисты лабораторий испытали нитратомер на практике и рекомендуют использование этих приборов в повседневной жизни. Нитратомер поможет вовремя распознать опасные продукты и защитить себя от отравления нитратами. Данный прибор используется в разных лабораториях Европы а так же пользуется большим спросом среди простого населения.

. Обзор существующих методов измерения и аппаратов

Среди методов определения нитратов в продуктах главенствующее положение занимают физико-химические: спектрофотометрия, хроматография, электрохимия и хемилюминесценция.

Спектрофотометрические методы определения нитратов можно разделить на 4 группы, основанные на:

• нитровании ароматических органических соединений (особенно фенолов);

• окислении органических соединений;

• восстановлении нитрат-ионов до нитрит-ионов;

• поглощении нитратов в УФ-области спектра. Получаемые соединения имеют максимум светопоглощения в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Интенсивность светопоглощения пропорциональна содержанию нитратов в анализируемой пробе.

Давно известен метод газожидкостной хроматографии, который заключается в нитровании органических соединений ароматического ряда - бензола и его производных в присутствии серной кислоты, разделение их с помощью колонки, заполненной специальными сорбентами, испарении и количественном определении нитропроизводных пламенно-ионизационным детектором или детекторами электронного захвата.

Газохроматографический метод определения нитратов обладает высокой чувствительностью и достаточной точностью. Недостатком этого метода является влияние на результаты анализа сопутствующих веществ. Наличие галогенидов приводит к занижению результатов анализа, а загрязненность серной кислотой нитратами - к их завышению, причем оба влияния значимы и не поддаются оценке.

Наиболее распространенным для анализа воды и водных экстрактов пищевых продуктов является потенциометрический (ионометрический) метод определения нитратов, основанный на измерении потенциала, возникающего на мембране ионоселективного электрода при погружении последнего в раствор, содержащий нитрат-ионы. Метод привлекает простотой, быстротой выполнения, возможностью вести определение в мутных и окрашенных средах. Он достаточно хорошо изучен, экспериментально отработан и обеспечен аппаратурой. Чувствительность и избирательность метода зависят от свойств нитратселективного электрода, точнее обусловлены свойствами его мембраны.

В настоящее время разработан также ряд быстрых полуколичественных тест-методов, которые позволяют с достаточной точностью определять содержание нитрат-иона в большом количестве проб без применения сложного оборудования.

1.1 Обзор принципов работы измерителя концентрации нитратов

ГОСТ 29270-95 рекомендует определять нитраты в овощах двумя способами.

Первый способ состоит в восстановлении нитратов до нитритов на кадмиевой колонке. Затем нитриты переводят в окрашенное азосоединение, которое и фотометрируют.

Другой способ состоит в ионометрическом определении нитратов с помощью нитратного электрода. Так как первый способ гораздо более трудоемок, то рассматривать его мы не будем. Остановимся на ионометрической методике.

Подготовка пробы

Различают 4 вида анализируемых объектов:

·        сушеные овощи и фрукты;

·        соки, напитки, коктейли;

·        овощи семейства крестоцветных (капуста);

·        остальные овощи, которые не были упомянуты выше.

В зависимости от принадлежности к какой-либо группе, анализируемый объект подвергается той или иной обработке.

Сначала приготавливается экстрагирующий раствор, который представляет собой раствор алюмокалиевых квасцов с концентрацией 1%. Затем проба в 10,00г овощей или фруктов измельчается гомогенизатором и заливается 50 мл экстрагирующего раствора. (Если нет гомогенизатора, то можно измельчить пробу в мясорубке или протереть на терке.) Проба встряхивается 5 минут. После этого проба считается приготовленной и готовой для проведения последующего определения. Соки и напитки не разбавляется экстрагирующим раствором, так как кристаллы квасцов растворяются прямо в пробе. На 100 мл пробы сока добавляют 1г алюмокалиевых квасцов. Сушеные овощи после измельчения заливаются двойной порцией экстрагирующего раствора. Затем проба нагревается на водяной бане 5 минут.

Экстрагирующий раствор для овощей семейства крестоцветных, помимо квасцов, содержит марганцовокислый калий и серную кислоту. Для приготовления этого раствора используется обычный экстрагирующий раствор, к 1000 мл которого добавляют 1г KMnO4 и 0.6мл концентрированной серной кислоты. Эти добавки способствуют окислению некоторых органических веществ, которые выводят ионоселективный нитратный электрод из строя.

Исследования проведем путем сравнительного анализа содержания нитрат-ионов в пищевых продуктах растительного происхождения с использованием 1) электронного нитрат-тестера НУК-019-2 и 2) комбинированного нитрат-селективного электрода, ионометрическим методом в соответствии с ГОСТ 29270-95 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения нитратов».

Ионометрический (потенциометрический) метод с использованием комбинированного нитрат-селективного электрода дает возможность проводить прямое определение содержания нитрат-иона.

Диапазон определяемых содержаний определяется техническими характеристиками электрода (7-10-6 - 1 моль N03-/n) и априорными данными. Если содержание нитрат-иона в анализируемой пробе превышает верхнюю границу диапазона, то допускается разбавление пробы.

Ионометрический (потенциометрический) метод основан на измерении электродвижущих сил обратимых гальванических элементов и применяется для определения концентрации ионов в растворе. Для измерения электродвижущей силы применяют систему двух электродов - индикаторного и электрода сравнения или комбинированные электроды.

Для определения содержания непосредственно нитрат-иона используются нитрат-селективные (ионселективные) электроды. Ионоселективные электроды (ИСЭ) - сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциал которых линейно зависит от логарифма активности определяемого иона в растворе. Важнейшей составной частью ИСЭ является полупроницаемая мембрана, способная пропускать только определенные ионы. Мембраны изготавливаются из специальных сортов стекла, монокристаллов, органических полимеров, пленок ферментов, жидких ионообменников. На границе мембрана - раствор устанавливается равновесие обмена ионами и возникает разность потенциалов. Потенциал ИСЭ зависит от активностей определяемого иона в анализируемом растворе и во внутреннем растворе электрода.

Содержание нитрат-иона определяют с помощью предварительно построенной градуировочной характеристики (ГХ), которая представляет собой экспериментально определённую зависимость содержания нитрат-иона от аналитического сигнала (электродного потенциала). Для построения ГХ используют измерения аналитических сигналов на стандартных образцах (ГО), которые представляют собой стандартные растворы KN03, приготовленные путем последовательного десятикратного разведения основного стандартного раствора с концентрацией 10 г/дм3 дистиллированной водой. Основной стандартный раствор готовят растворением навески массой 16.30 г KN03, взвешенной с погрешностью 0.02 г, в 1000 см3 дистиллированной воды. Калибровку проводят на фоне буферного раствора для регулирования общей ионной силы, в качестве которого используется раствор сульфата аммония (NH4)2S04 с концентрацией 2 моль/дм3. Соотношение стандартного и буферного растворов 50:1.

Подготовка анализируемых проб (овощей и фруктов) осуществлялась в соответствии с ГОСТ 29270-95 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения нитратов».

Таблица 1 - Доступные для анализа содержания нитратов продукты.

1.2 Анализ существующих приборов

Сравним нитрат-тестер “СОЭКС” НУК-019-2 ( Произведено в России) и VITATEST VD 2007 (Произведено в Китае).

Как выяснилось в ходе изучения предложений нитрат-тестеров в Интернете, на российском рынке представлена продукция двух основных производителей измерителей нитратов, предназначенных для широкого круга потребителей. Более известный - российская фирма «СОЭКС», выпустившая модельный ряд из 3 приборов, в которых реализована функция измерения нитратов. Две первые - модели «СОЭКС» НУК-019-1 и «СОЭКС» НУК-019-2 на момент закупки отличались лишь наличием Li-Ion аккумулятора и подарочным дизайном у «СОЭКС» НУК-019-2. Позже, уже после поведения испытаний 2010 г, появился прибор, который совмещает в себе функции измерения нитратов и радиации. Так как принцип измерения нитратов в моделях одинаков, то для проведения теста мы выбрали лишь одну из них - нитрат-тестер «СОЭКС».

Рисунок 1. Прибор «СОЭКС» НУК-019-2

Аналогично “СОЭКСу” в разработан прибор ATmega32.

Рисунок 2. Прибор ATmega32.

Основные характеристики:

·        пределы измерения проводимости, мкСм........................15,3÷3846;

·        индикация................................................графический ЖКИ (48x84);

·        число продуктов в памяти...........................30+6 пользовательских;

·        таймер выключения...........................................1, 2, 3, 5 мин, Выкл.;

·        таймер подсветки..................................10,15,20,30,45,60 сек, Выкл.;

·        напряжение питания, В......................3,0÷4,2 (Li-Ion аккумулятор);

·        потребляемый ток без подсветки, мА..........................................2,4;

·        потребляемый ток с максимальной яркостью подсветки, мА.....14;

·        звуковое сопровождение нажатия кнопок.................отключаемое;

·        габаритные размеры, мм.....................................................90х50х16;

·        вес вместе с аккумулятором, г........................................................65.

Выяснилось, что данный прибор представляет из себя кондуктометр, т.е. измеритель электропроводности. Никаких ионоселективных электродов в нём нет. Разработчики прибора, измеряя проводимость овощей и фруктов, пришли к заключению, что отношение количества нитрат-ионов к общему количеству ионов имеет постоянную пропорцию. С увеличением нитратов увеличивается содержание и других ионов, с уменьшением - уменьшается. Но в среднем эта пропорция примерно постоянна и для каждого овоща или фрукта она своя. Основываясь на данном принципе, и был разработан “СОЭКС” - прибор, который просто измеряет электропроводность. Но с учётом коэффициентов для разных овощей, внесенных в память прибора, он показывает количество нитратов. Ему не нужны нитратоселективные электроды, потому что он рассчитан лишь на овощи, фрукты и сырое мясо. Если проводимость низкая, то в продукте мало всех ионов, в том числе и нитратов. Поэтому для бытового применения он вполне себя оправдывает, чего не скажешь о явно завышенной цене, хотя разработчикам следует отдать должное за проделанную огромную работу по сопоставлению содержания нитратов в каждом продукте (а их больше 30) его проводимости.

Еще один производитель нитрат-тестеров - это китайский VITATEST, выпускающий модель VD 2007. Остальные приборы не рассчитаны на бытовое использование, они предназначены для профессионалов и сложны в использовании. В частности, подразумевают градуировку прибора по предварительно подготовленному контрольному раствору с известной концентрацией нитрат-ионов перед каждым измерением, что в домашних условиях сделать довольно сложно, а при покупке на рынке - просто невозможно. Так что пришлось сравнивать между собой всего два образца нитрат-тестеров. В ходе теста были проведены потребительские и лабораторные испытания.

Рисунок 3. Прибор «VITATEST»

Таблица 2. Сравнительные характеристики.

.3 Потребительские испытания нитрат-тестеров

В процессе потребительских испытаний нитрат-тестеров практически сразу бросилась в глаза разница в конструкции и удобстве использования приборов. У «СОЭКС» очень продуманное, интуитивно понятное меню с пошаговым инструкциями, яркий наглядный дисплей с крупными буквами и цветовым выделением. Показания выдаются прибором в виде точной цифры и сопутствующего комментария. Прибор имеет собственную аккумуляторную батарею, заряда которой хватает надолго.

Единственный минус, который был отмечен у этой модели, - перелистывать позиции в списке продуктов можно только в одну сторону. В более поздних выпусках модели 2010 и 2011 годов этот недостаток был устранен.

А вот нитрат-тестер VITATEST вызвал у экспертов массу нареканий. Своего аккумулятора у него нет, поэтому периодически придется покупать батарейки. Отсутствует индикация заряда батарей и индикация работы прибора (непонятно включен он или выключен). Этим нитрат-тестером сложно пользоваться даже в домашних условиях, а уж на рынке, держа в одной руке сумку, а в другой нитрат-тестер, справиться с управлением просто невозможно. Но даже если овладеть этим искусством, то определить, что именно показывает прибор и истолковывать его показания, будет еще сложнее.

В нитрат-тестере «СОЭКС» список продуктов состоит из 25-33 пунктов (в их число входит даже мясо). Если нужно измерить нитраты в продукте, которого в списке нет, можно воспользоваться позицией «прочее».

Нитрат-тестер VITATEST позволяет измерить нитраты только в 11 овощах и фруктах. Перед каждым измерением прибор придется настраивать, а сделать это довольно сложно. Например, вам необходимо узнать количество нитратов в огурце. Для этого нужно сначала провести калибровку: одной рукой держать нажатой кнопку, рядом с которой написано «огурец», а второй рукой крутить колесико сбоку корпуса, чтобы стрелка на дисплее оказалась между оранжевой и красной зоной. Проблема в том, что даже при самом медленном и осторожном обращении стрелка смещается скачками, оказываясь то на одном, то на другом краю шкалы. Так что установить ее в необходимое положение удается далеко не с первого раза. А если у человека к тому же не очень хорошее зрение, то разглядеть стрелку и отметку, напротив которой она должна стоять, будет довольно сложно. При втыкании щупа прибора в продукт колесико калибровки может легко сместиться и стрелка окажется совсем не там где нужно, об этом даже есть предупреждение в инструкции. Причем проверить - сместилось оно или нет нельзя, поэтому не остается уверенности в том, что полученный при измерении результат соответствует предварительно проведенной калибровке.

Диапазоны концентраций на табло нитрат-тестера отмечены цветами: зеленым, желтым, оранжевым и красным. Когда смотришь на них, возникает почти автоматическая реакция, как на цвета светофора: если стрелка в зеленом или желтом диапазоне - значит, есть можно. Увы, на поверку этот принцип использовать нельзя. В зеленый диапазон из измеренных нами продуктов не попал ни один, а в желтом, соответствующем примерно 200-750 мг/кг оказываются практически все. Но, как говорится, что для кабачка хорошо, то для груши - смерть. Оба продукта, как правило, попадают в желтый диапазон, но если для кабачка (ПДК=400 мг/кг) это означает норму, то для груши (ПДК=60 мг/кг) это опасная концентрация, многократно превышающая ее естественное содержание. Поэтому в походе по рынку с собой нудно носить прилагаемую к прибору таблицу с нормами ПДК и сверять с ней каждый полученный результат.

Но, предположим, вам повезло: овощ или фрукт оказался в списке, со стрелкой вы справились и таблицу взять с собой не забыли. Однако не спешите радоваться! Сложности на этом не кончаются - понять какую концентрацию показывает стрелка не так-то легко. На табло через неравномерные расстояния нанесены цифры 0, 500, 1, 3, 5. Учитывая, что ПДК нитратов в продуктах, как правило, находится в диапазоне 60 - 2000 мг/кг, определить по этой шкале, насколько содержание нитратов превышает норму, дело очень непростое. Цифры 2, соответствующей 2000 мг/кг просто нет. При этом расстояния между цифрами непропорциональны их значениям - например, расстояние от «0» до «1» в два раза больше, чем расстояние от «1» до «3» Так что предположить, где на табло должна быть концентрация 2000 можно ну очень приблизительно. Так что если вы захотите протестировать, например, редиску, у которой ПДК=1500 мг/кг, то по положению стрелки на табло сможете понять лишь, что содержание нитратов где-то между 1000 и 3000 мг/кг.

Даже обладая острым зрением и хорошим пространственным воображением, определить сколько нитратов содержится в купленной вами редиске удастся лишь с точностью 500 мг/кг. Напомним читателям, что суточная доза нитратов для взрослого человека составляет 325 мг. Выводы о том, насколько можно доверять точности таких показаний, легко может сделать каждый.

.4 Лабораторные испытания нитрат-тестеров

Допустимая суточная норма нитратов для человека - 325 мг. Концентрация нитратов в продуктах, особенно выращенных с применением удобрений, довольно высока. Поэтому превысить норму очень легко, например, съев 300 г. салата из ранней капусты с зеленью. И это даже в том случае, если содержание нитратов в них будет в пределах нормы.

Но все эти обнаруженные в процессе потребительских испытаний нитрат-тестеров недостатки модели VITATEST, или, наоборот, удобства в пользовании «СОЭКС» - потеряли какое-либо значение, когда мы провели лабораторные испытания. Они показали, что оба прибора не выполняют свою главную задачу - они не отражают реальное содержание нитратов.

Лабораторные исследования нитрат-тестеров проводились в два этапа. На первом этапе образцом «СОЭКС» измеряли содержание нитратов в готовых растворах с известной концентрацией нитратов. В этом случае нитрат-тестер показал значения концентраций в десятки раз меньше реальных. Затем измерили концентрацию нитратов в обычном томатном соке, а потом в том же соке, но после того, как его подсолили аналогом обычной пищевой соли - высокоочищенным хлоридом натрия, в котором, естественно не было нитратов. В первом случае прибор показал, что содержание нитратов в соке более чем в два раза превышает норму, а во втором случае показания нитрат-тестера «СОЭКС» выросли в 3 раза, хотя концентрация нитратов не изменилась! Такой же эффект наблюдался и при подсаливании арбуза: показания взлетали в несколько раз и на экране прибора появлялось красное предупреждение об опасности.

То же самое произошло и с нитрат-тестером VITATEST: когда огурец посолили, стрелка на аналоговой шкале сразу сдвинулась из желтой (безопасной) зоны в опасную красную. Кстати, те читатели, у кого уже есть эти приборы, могут провести такой эксперимент дома. И вы убедитесь, что прибор реагирует именно на соль, а не на нитраты.

1.5 Вывод о необходимости разработки

Лабораторные исследования нитрат-тестеров, проведенные в июле 2012 года полностью подтвердили полученные ранее результаты. При измерении концентрации нитрат-ионов в свежих помидорах показания прибора «СОЭКС» или в нашем случае ATmega32, отличались от точных лабораторных результатов в 120 раз, а показания VITATEST - в 250 раз.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что максимальная погрешность измерения содержания нитрат-ионов в пищевых продуктах растительного происхождения с использованием электронного нитрат-тестера НУК-019-2 составляет не более 5% относительно результатов измерения проведенных в соответствии с ГОСТ 29270-95 с использованием комбинированного нитрат-селективного электрода.

.       
Разработка структурной схемы прибора

концентрация нитрат тестер микроконтроллер

Нитрат-тестер представляет собой прибор весом 105 грамм, легко и удобно помещающийся в руке.

Прибор оснащен черно-белым дисплеем, позволяющим легко, без напряжения глаз, рассмотреть информацию, как в темном помещении, так и при ярком освещении. Разрешение дисплея 160x128 точек. На экране размещается до 8 текстовых строк.

Графический ЖКИ H1 от дисплея Nokia-3310 подключен к линиям аппаратного интерфейса SPI МК PB5(MOSI). Питается ЖКИ напряжением +3В через резистор R19. Для подсветки ЖКИ использованы четыре отдельных белых светодиода HL1…HL4.

Под дисплеем расположены пять кнопок. Кнопки тактовые SB1…SB5 - 4-х выводные размерами 6х6х7,5мм.

Для подключения щупов использован разъём X2 CKX-3.5-05 - под стандартный аудио штекер. С нижней (обратной) стороны расположен батарейный или аккумуляторный отсек. Питание нитрат-тестера осуществляется от аккумуляторной батареи. Аккумулятор GB1 - фирмы TDT ёмкостью 380 мА·ч.

В нижней части расположен съемный колпачок, защищающий пользователя от случайных соприкосновений с острым измерительным зондом.

Контакт с анализируемым продуктом производится с помощью измерительного зонда, расположенного под колпачком.

В комплект поставки входит зарядное устройство.

Структурная схема прибора представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема прибора

3. Разработка электрической принципиальной схемы

.1 Питание

Питание схемы осуществляется от литиевого аккумулятора GB1 через ключ на транзисторах VT4, VT5 и стабилизатор +3В DA1 TPS76330. При нажатии кнопки включения SB1 открывается транзистор VT4 и напряжение питания через DA1 поступает на микроконтроллер DD3 ATmega32A, который выставляет лог.1 на линии PA2. Открывшийся транзистор VT5 удерживает VT4 в открытом состоянии после отпускания кнопки SB1. Эта же кнопка через диод VD4 подключена к линии PB2 МК, сконфигурированной как вход с подтягивающим резистором. При отжатой кнопке SB1 на линии PB2 МК будет присутствовать лог.1, а при нажатии кнопки SB1 - лог.0, служащий сигналом о необходимости выключения питания. МК снимает отпирающее транзистор VT5 напряжение с линии PA2, после чего VT5 закрывается. После отпускания кнопки SB1 закрывается и VT4, полностью обесточивая схему.

3.2 Разработка аккумуляторной батареи

Для зарядки аккумулятора используется мини-USB разъём X1, ключи на VT2, VT3, гасящий резистор R7 и датчик D1, VT1 присутствия напряжения на контактах 1-5 X1. При наличии напряжения зарядки +5В открывается D1, VT1, и на линии PB1 МК, сконфигурированной как вход с подтягивающим резистором, появляется лог 0. В свою очередь МК выставляет лог.1 на линии PB0, открывая ключи VT2, VT3. Ток зарядки не стабилизирован, его максимальное значение определяется в основном сопротивлением резистора R7 и при его сопротивлении 10 Ом не превышает 130 мА при разряженном аккумуляторе. Контроль напряжения зарядки осуществляется МК по линии PA4 через делитель R25, R26. После достижения напряжения на аккумуляторе +4.15 В зарядка прекращается, МК снимает управляющие напряжения с ключей VT2…VT5 и прибор выключается. Зарядка возможна только во включенном состоянии прибора. Это небольшая плата за простоту схемы и отсутствие отдельных специализированных микросхем для зарядки литиевых аккумуляторов.

Во время работы прибора напряжение аккумулятора периодически измеряется по линии PA4 МК через делитель R25, R26. Для защиты аккумулятора от глубокой разрядки при снижении напряжения ниже 3,0 В питание прибора автоматически выключается, если была выключена подсветка. В противном случае производится последовательное уменьшение яркости подсветки с измерением напряжения аккумулятора после каждого шага.

МК DD3 тактируется от внутреннего RC-генератора частотой 2 МГц. Для формирования напряжения переменного тока для проверки продуктов использован таймер-счётчик 0 МК. На линии PB3 МК формируется меандр с частотой 7,8125 кГц и через R11 подаётся на управляющие входы S микросхем DD1, DD2 SN74LVC1G3157. Это достаточно мощные (ток коммутации до 100 мА) быстродействующие ключи, выполненные в малогабаритном корпусе SOT-23-6 и имеющие типовое сопротивление открытого канала 6 Ом. При низком уровне логического сигнала на управляющем выводе “S” вывод “A” микросхемы соединяется с выводом “B1”, а при высоком - с выводом “B2”. Микросхема DD1 использована в качестве повторителя напряжения. С её вывода “A” прямоугольные импульсы частотой 7,8125 кГц через разделительный конденсатор C2, отсекающий постоянную составляющую, поступают на разъём X2, предназначенный для подключения щупов. Сопротивление проверяемого продукта является верхним плечом делителя, сопротивление резистора R1 - нижним. Импульсы с R1 через разделительный конденсатор C1 поступают на синхронный детектор, выполненный на коммутаторе DD2. С нагрузки синхронного детектора R10 выпрямленное напряжение через фильтр C6, R13, C9 поступает на вход АЦП МК (линия PA2). В качестве источника опорного напряжения для АЦП использован встроенный в МК ИОН на 2,56В. Вычисление проводимости проверяемого продукта осуществляется программной обработкой измеренного напряжения.

Сама схема представляет собой вольтметр с высоким входным сопротивлением, который измеряет ЭДС между двумя этими электродами, погруженными в анализируемый раствор. Зависимость ЭДС от концентрации анализируемого иона описывается уравнением Нернста, а более точно - уравнением Никольского.

Уравнение Нернста:

= const + 0.059 / z * lg(А)- ЭДС (В),

- заряд иона (для нитрата равен минус 1)

А - активность измеряемого иона (моль/л) (в разбавленных растворах примерно равна концентрации)- константа, определяемая при калибровке прибора. Зависит от концентрации внутреннего раствора ставнения электрода.

Может потребоваться калибровка по нескольким стандартным растворам и корректировка коэффициента 0.059, так как работа электрода может отклоняться от уравнения Нернста в силу разных непреодолимых причин.

К тому же электрод имеет ограниченный диапазон линейной зависимости E(lg(А)). Для нитратселективного электрода она составляет примерно от -4 до -1, то есть от 0,0001 до 0,1 моль/л. На результат измерения влияют и посторонние ионы, это влияние учитывается в уравнении Никольского.

4. Выбор элементной базы

Основным требованием к элементной базе разрабатываемого индикатора нитратов является небольшие размеры, высокая надежность, достаточная точность измерений, доступность элементов. При выборе элементной базы будем руководствоваться этими требованиями.

Резисторы и конденсаторы применены для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Стабилизатор +3В DA1 TPS76330.

Таблица 3. TPS76330 технические характеристики

Напряжение питания через DA1 поступает на микроконтроллер DD3 ATmega32A.

Таблица 4. TPS76330 технические характеристики

Рисунок 5. Микроконтроллер TPS76330

Рисунок 6. Схема блокировки

Так как данный микроконтроллер импортного производителя , то и блок-схема представлена на английском языке.

Рисунок 7. Блок- схема

Таблица 5. Микросхема SN74LVC1G3157-Q1технические характеристики

Рисунок 8. Микросхема SN74LVC1G3157-Q1

Выбранная элементная база доступна по цене, имеет широкое распространение и обеспечивает требуемые параметры от проектируемого прибора.

.       
Разработка методики измерения

Разнообразие показателей, характеризующих состояние нитратов в продуктах, и требование одномоментной фиксации их значения заставляет в программу исследований включать разные по природе и продолжительности процедуры, использовать системы различных измерительных преобразователей. Совокупность методов воздействия и другие приемы исследований, сочетание которых не всегда возможно и оправдано. Одновременное использование нескольких разных методов может сопровождаться взаимными влияниями и помехами, искажающими результаты измерений и регистраций.

При оценке достоверности результатов анализа концентрации нитратов особое внимание следует обращать на источники погрешностей, сопровождающих их. Так как при исследованиях используются технические средства, то точность измерений, конечно же зависит от инструментальных погрешностей, но не только. Главное значение для медико-биологических исследований приобретают методические погрешности, которые проявляются во взаимном влиянии друг на друга объекта и технических средств, в неточности выполнения методики эксперимента, изменяемости свойств объекта в процессе исследования, в шумах различного происхождения и т.д. Поэтому так необходимы тщательный анализ качества выполнения всех этапов схемы, а также создание условий их проведения.

.1 Разработка алгоритма работы программы микроконтроллера

В качестве МК в данном курсовом проекте был применен микроконтроллер ATmega32A.

Работа микропроцессорного блока управления осуществляется при помощи отлаженного и четкого действия микроконтроллера. Для создания бесперебойной и качественной работы в программной части реализации функций прибора запускается бесконечный цикл. Функции, выполняемые микропроцессорным блоком, условно можно разделить на 2 группы: подача информации с датчика и вывод её на ЖК-индикатор.

Начальным этапом работы микроконтроллера является его инициализация. Во время инициализации задаются необходимые параметры и значения для правильной работы микроконтроллера. После пуска и инициализации регистров микроконтроллера программа переходит к поразрядному выводу на ЖК индикатор.

После нажатия кнопки включения питания раздаётся звуковой сигнал и на экране на 1,5 секунды выводится заставка, показанная на рис.9.

Рисунок 9.

Если продолжать удерживать кнопку включения, заставка будет выводиться, пока кнопка не будет отпущена. После этого появится основное меню, показанное на рис.10.

Рисунок 10.

В правом верхнем углу выводится символ батарейки, показывающий уровень заряда аккумулятора. В самом низу выводится напряжение аккумулятора в вольтах.

Перемещение между пунктами основного меню осуществляется кнопками “▲”, “▼”. Вход в пункт меню - кнопкой “►”.

На экране выводятся подсказки о возможных вариантах навигации в виде треугольников-указателей.

Для регулировки контрастности ЖКИ необходимо войти в пункт “Настройки” и выбрать пункт “Контраст”, как показано на рис.11.

Рисунок 11.

После нажатия кнопки “►” пустой треугольник-подсказка в конце строки “Контраст” изменится на две вертикальных стрелки, как показано на рис.12.

Рисунок 12.

После этого можно изменять контрастность изображения кнопками “▲” и “▼” (только для китайского дисплея).

Выход из пункта регулировки контрастности - кнопкой “◄”.

При желании также можно настроить таймер выключения (время до отключения питания после последнего отпускания нажатой кнопки), яркость подсветки и время включенной подсветки (после последнего отпускания нажатой кнопки). После этого необходимо провести калибровку, смотреть далее.

5.2    Проведение замеров

Для проведения замера необходимо в основном меню (рис.13) войти в пункт “Измерение”, после чего появится меню выбора продукта, как показано на рис.13.

Рисунок 13.

Рисунок 14.

Для проведения замера необходимо воткнуть щупы прибора на всю длину в проверяемый продукт и кратковременно нажать кнопку “►”. Изображение на экране во время замера примет вид, показанный на рис.15.

Рисунок 15.

После успешного завершения измерения в третьей строке экрана появится пункт “Сохранить”.

В противном случае, если измеренная проводимость выходит за допустимые пределы, вместо измеренного значения проводимости выведутся знаки вопроса, а пункт “Сохранить” будет недоступен. Если не отпускать кнопку “►” после запуска процесса измерения, то на экране будет выводиться измеряемая проводимость в реальном времени. После отпускания кнопки “►” показания будут зафиксированы.

Для сохранения замера необходимо переместить курсор на строку ниже, как показано на рис.16, и нажать на кнопку “►”.

Рисунок 16.

На экран выведется сообщение об успешном сохранении замера, как показано на рис.17

Рисунок 17.

После этого обновятся показания максимума и минимума, а счётчик замеров увеличится на единицу, как показано на рис.18.

Рисунок 18.

После накопления нескольких результатов измерений после названия продукта будет выведено процентное соотношение измеренной проводимости по отношению к разности (Макс-Мин), как это показано на рис.19.

Рисунок 19.

Для просмотра статистики замеров необходимо кнопкой “▼” перейти на страницу статистики, показанную на рис.20.

Рисунок 20.

Символ ▲ снизу шкалы показывает текущее положение измеренной проводимости по отношению к минимуму и максимуму для выбранного продукта. Разница между измеренными максимумом и минимумом программно разбивается на 20 равных частей. Для каждого продукта в EEPROM памяти МК зарезервировано соответственно 20 однобайтных ячеек, в которых хранится статистика замеров, а также 3 двухбайтных ячейки для хранения минимума, максимума проводимости и количества замеров. На каждый продукт приходится 26 байт памяти EEPROM, на 30 продуктов - 780 байт, а с учётом ещё 6-ти пользовательских продуктов с собственными названиями - 984 байта из доступных 1024. В каждой из 20-ти ячеек хранится не величина проводимости, а количество замеров, соответствующее диапазону проводимости для каждой разбитой части. После очередного сохранения замера обновляются соответствующие 3 двухбайтные ячейки, а также производится пересчет 20-ти ячеек массива статистики. Если измеренная величина попадает между уже имеющимися максимумом и минимумом, то просто вычисляется номер изменяемой ячейки и производится её инкремент. Если измеренная проводимость больше максимальной измеренной, то максимуму присваивается текущая измеренная величина и производится перераспределение данных во всех 20-ти ячейках.

Аналогичная операция производится, если измеренная проводимость оказывается меньше минимальной измеренной, только в этом случае минимуму присваивается текущая измеренная величина. В случае, если в какой-либо ячейке происходит переполнение вследствие большого числа замеров, то производится деление значений всех ячеек на 2. На общую картину статистики это мало влияет, зато такой приём позволил обойтись лишь внутренней памятью EEPROM МК.

Для вывода количества сохранённых замеров в каждой из 20-ти частей используется разная высота прямоугольников выводимой на экране гистограммы. Таким образом, наглядно видна статистика всех замеров по данному продукту и по положению маркера текущего замера можно судить о проводимости (количеству нитратов) проверяемого продукта по сравнению с ранее проверенными.

При необходимости можно очистить статистику замеров для каждого продукта отдельно.

Для общей справочной информации по аналогии с “СОЭКСом” в приборе имеется пункт меню “Нормы ПДК”, войдя в который можно посмотреть допустимые стандартом нормы предельной концентрации нитратов в мг/кг, как показано на рис.21.

Рисунок 21.

Листается список продуктов кнопками “▲” и “▼”.

Для зарядки аккумулятора прибора необходимо при его включенном состоянии подключить внешний источник питания 5В к USB разъёму X1. В качестве зарядного устройства можно использовать ПК или ноутбук с USB разъёмом. Распайка разъёма стандартная. Сигнальные выводы не использованы. Во время зарядки значок батарейки принимает вид сетевой вилки.

Если в этом режиме нажать кнопку включения/выключения, экран примет вид, показанный на рис.22.

Рисунок 22.

Такой же вид примет экран и после истечения времени выключения по таймеру. Для перевода прибора обратно в рабочий режим достаточно снова нажать кнопку включения/выключения. После завершения зарядки аккумулятора полностью питание прибора будет выключено автоматически.

6. Разработка блока калибровки

Калибровка измерительных приборов заключается в установлении зависимости между показаниями прибора и размером измеряемой (входной) величины. Под калибровкой часто понимают процесс подстройки показаний выходной величины или индикации измерительного инструмента до достижения согласования между эталонной величиной на входе и результатом на выходе (с учётом оговоренной точности). В зависимости от модели, раз в определённый промежуток времени (обычно - через 200 использованный или от 3-х до 6 месяцев), все нитрато-тестеры должны проходить процесс калибровки - настройки сенсора. Калибровка проводится на специальных приборах - калибраторах. Проводят её обычно в специализированных сервис-центрах.

Разработанный прибор имеет в своей схеме ряд переменных резисторов. Согласование показаний прибора с концентрацией осуществляется при установлении движков резисторов в нужное положение.

Чтобы произвести калибровку измерителей напряжения батареи и проводимости необходимо в меню “НАСТРОЙКИ” кнопкой “▼” нужно сместить курсор ► в самый низ экрана и удерживать нажатой кнопку не менее 1,5 сек. На экране выведется меню “КАЛИБРОВКА”, как показано на рис.23.

Рисунок 23.

После нажатия кнопки “►” и входа в режим калибровки измерителя напряжения аккумулятора, как показано на рис.15, необходимо кнопками “▲” и “▼” выставить такие же показания Uакк, как и напряжение на аккумуляторе, измеряемое цифровым вольтметром.

Рисунок 24.

После этого, подключив к щупам устройства резистор с сопротивлением около 1 кОм, необходимо выставить в строке Rx его известное значение. Лучше использовать прецизионный резистор. В нижней сроке меню измеряемое сопротивление автоматически пересчитывается в проводимость Gx.

Выход из меню “КАЛИБРОВКА” осуществляется кнопкой “▲”, а из меню “НАСТРОЙКИ” - кнопкой “◄”.

На этом настройку индикатора нитратов можно считать законченной.

Стандартные значения ряда сопротивлений резисторов можно использовать в стабилизаторе с фиксированным выходным напряжением или с переключением напряжения ступенями. Следует пользоваться номиналами резисторов, ближайшими к расчётным, а так же с минимальным разбросом значения сопротивлений.

Стабилизированное напряжение поступает на порт, включенный в режиме приема аналогового сигнала через АЦП того же МК.

Рисунок 25. Схема включения блока калибровки.

7. Разработка сборочного чертежа печатной платы

Печатная плата - это элемент конструкции, которая состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи.

Микросхему выбираем исходя из их функционального назначения.

Выбирая материал печатной платы руководствуемся следующим: материал должен обладать высокими электроизоляционными показателями в заданных условиях эксплуатации устройства, то есть иметь большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, быть химически стойким к действию растворов, используемых в процессе изготовления печатных плат, допускать штамповку, выдерживать кратковременные воздействия температуры до 240°С в процессе пайки элементов, иметь высокую влагостойкость, быть дешевым.

На основании этого, выбираем материал печатной платы - стеклотекстолит, который представляет собой армированный стеклопластик, состоящий из нескольких слоев стеклоткани, пропитанной эпоксидно-фенолформальдегидным или модифицированным связующим. Обладает высокой теплостойкостью, химической стойкостью, высокими диэлектрическими свойствами, механической прочностью, низкой теплопроводностью и малым коэффициентом термического расширения.

Печатная плата прибора выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 82х45мм. Плата разрабатывалась под стандартный пластмассовый корпус G430 (Gainta) размерами 90х50х16мм. Вид печатной платы в корпусе со стороны установки выводных элементов показан на рис.26.

Рисунок 26. Печатная плата.

В качестве изоляционного основания выбран лист фольгированный марки GFN 1,5 18 А2С, обладающий рядом преимуществ:

1)      прочность сцепления фольги с основанием не менее

10 Н/см2 ;

2)      после выдержки в течении 24 часов при температуре 40°С и относительной влажности 98%:

3)      удельное объемное сопротивление - 5000 ГОм*см;

)        тангенс угла диэлектрических потерь - 0,03.

Плата закрепляется винтами в четырех местах.

7.1 Расчет элементов печатного рисунка

Исходными данными для расчета являются:

перечень элементов;

установочные размеры элементов.

Суммарная площадь, занимаемая всеми элементами:

,

где - значение установочной площади i-го элемента,- количество элементов.=5,12*19+5,12*15+78*6+15*2+20+45+450+100=1287 мм2.

Приблизительная площадь печатной платы с учетом способа монтажа:

где - коэффициент заполнения платы печатной (0,3-0,8);- количество сторон монтажа (1, 2).

В нашем случае m=2, а коэффициент заполнения  выбираем равным 0,4:

мм2.

Исходя из рассчитанной площади платы, определяем ее приблизительные габаритные размеры:

длина 85 мм;

ширина 45 мм;

толщина 1,5 мм.

Исходя из технологических возможностей производства выбирается метод изготовления ПП.

Метод изготовления печатной платы выбираем на основании ГОСТ 23752-79. В соответствии с ним существуют следующие методы: комбинированный (позитивный и негативный), химический, металлизация сквозных отверстий для изготовления многослойных печатных плат.

Для маркировки выбрана краска маркировочная МКЭ: черная для платы печатной и белая для корпуса. Выбранная краска обладает следующими преимуществами: механически прочная, спиртобензостойкая, с хорошей адгезией к маркируемым материалам.

Для крепления выбраны винты из стандартного ряда: для сборки корпуса М 4х10, для крепления платы печатной и трансформатора питания М 3х8 с круглой головкой.

Крепление кнопок и экрана предусмотрено их конструкцией.

Исходя из выше приведенных данных можно сделать вывод, что разрабатываемая конструкция отвечает технологическим требованиям.

Список использованной литературы

1.      Автоматизированное проектирование узлов и блоков РЭС средствами современных САПР : учеб. пособие для вузов / И. Г. Мироненко [и др.]; под ред. И. Г. Мироненко. - М. : Высш. шк., 2002.\

.        3. Лабораторные методы исследования в клинике: Справочник/ Меньшиков В. В., Делекторская Л. Н., Золотницкая Р. П. и др.; Под ред. В. В. Меньшикова. - М.: Медицина, 1987.

.        ГОСТ 26794-85 Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Название видов и система их обозначений.

.        Цифровые интегральные микросхемы: Справочник М.И.Богданович, К.И.Грель, С.А.Дубина МН: Беларусь, Полымя. 1996 - 605с.

.        Общая физиотерапия. В.М. Боголюбов, Г.Н. Пономаренко. С-Пб., 1996 - 477с.

.        Ненашев А.П., Колодов Л.А. Основы конструирования микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981г. - 304с.

.        Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей /Под ред Р.И. Утямышева и М. Враны - М.: Энергоатомиздат, 2003.384с.