光電式水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

許鯉蓉，劉剛，袁景淇

0 引言

工業(yè)污水的過(guò)度排放和農(nóng)藥的過(guò)度使用使我國(guó)的水體受到嚴(yán)重污染。飲用水來(lái)自江水、河水，原水中的污染物尤其是各類(lèi)毒性物質(zhì)，是否得到完全凈化是一項(xiàng)重要的任務(wù)。飲用水出廠毒性物質(zhì)檢測(cè)和用戶終端檢測(cè)的重要性不言而喻。本文論述了自主研發(fā)的光電式飲用水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀的支撐軟件設(shè)計(jì)。

1 測(cè)試原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 水綜合毒性檢測(cè)原理

熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系是指熒光素在熒光素酶的催化下消耗ATP ，并與氧氣發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出熒光[1] [2]。水中的毒性物質(zhì)會(huì)抑制熒光素酶的活性，從而抑制該反應(yīng)的熒光發(fā)光強(qiáng)度[3]。水中毒性物質(zhì)的濃度越高，抑制作用越強(qiáng)，因此對(duì)添加了水樣的熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系的發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)定，就可以監(jiān)測(cè)水中毒性物質(zhì)的濃度水平?；诖嗽恚裳兄扑C合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀。

圖1 水綜合毒性檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括發(fā)光菌和樣品、光電傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、串口模塊、液晶顯示、按鍵以及上位機(jī)。該儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

檢測(cè)分成兩步，先檢測(cè)并記錄添加無(wú)毒樣品的熒光素-熒光素酶反應(yīng)體系的30秒的發(fā)光強(qiáng)度（稱(chēng)為空白值），再檢測(cè)并記錄有毒樣品的發(fā)光強(qiáng)度（稱(chēng)為相對(duì)發(fā)光值），從而可計(jì)算有毒樣品對(duì)熒光素-熒光素酶反應(yīng)體系發(fā)光的抑制率，抑制率越高，樣品的毒性越強(qiáng)。檢測(cè)時(shí)，光電傳感器采光口接收添加樣品的熒光素-熒光素酶反應(yīng)體系發(fā)出的光，產(chǎn)生微電流，經(jīng)運(yùn)算放大器（含濾波電路）放大后送入 A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由單片機(jī)的軟件實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，該結(jié)果經(jīng)過(guò)軟件濾波后送液晶顯示，并送上位機(jī)實(shí)時(shí)保存光強(qiáng)度數(shù)據(jù)和繪制光強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線。

1.3 水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀系統(tǒng)軟件具備的功能

（1）系統(tǒng)的控制：由鍵盤(pán)來(lái)控制系統(tǒng)在某一時(shí)刻所要實(shí)現(xiàn)的功能，包括開(kāi)/關(guān)機(jī)，數(shù)據(jù)采集等。

（2）數(shù)據(jù)處理：對(duì)A/D采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，計(jì)算樣品的抑制率。

（3）通訊功能：將下位機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

（4）數(shù)據(jù)的顯示：在下位機(jī)上用液晶顯示所測(cè)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

（5）報(bào)警功能：根據(jù)樣品的抑制率，判斷樣品的毒性是否超標(biāo)，如果超標(biāo)，給出報(bào)警。

（6）上位機(jī)實(shí)時(shí)繪制光強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線和保存光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回溯和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2 水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀系統(tǒng)軟件

2.1 下位機(jī)軟件

采用的是ELAN公司的單片機(jī)[4]，因此在儀器的軟件開(kāi)發(fā)上，使用ELAN公司提供的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境WisePlus進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在WisePlus下可以使用的語(yǔ)言，是匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言。由于c語(yǔ)言可讀性和可維護(hù)性比較高，因此采用c語(yǔ)言編程。下位機(jī)軟件主要包括主程序、數(shù)據(jù)處理程序、各模塊的驅(qū)動(dòng)程序：如 A/D采樣驅(qū)動(dòng)程序、液晶驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序。

主程序是在各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上編寫(xiě)，它將各個(gè)模塊的程序組成一個(gè)有機(jī)的整體。下位機(jī)主程序的流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 下位機(jī)主程序流程圖

2.1.1 A/D采樣驅(qū)動(dòng)程序

A/D芯片用的是 MCP3201[5]芯片，該芯片與單片機(jī)的通訊采用的是標(biāo)準(zhǔn)的SPI兼容的接口。

MCP3201芯片通訊的啟動(dòng)條件： /CS引腳為低。如果如果器件上電時(shí)， /CS 引腳為低電平，則必須先將此引腳拉為高電平，然后再恢復(fù)至低電平以啟動(dòng)通信。器件將在/CS變?yōu)榈碗娖胶笤诘谝粋€(gè)上升，沿開(kāi)始對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。 采樣周期將在第二個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿結(jié)束，此時(shí)器件將輸出一個(gè)低電平空位。 接下來(lái)的12 個(gè)時(shí)鐘脈沖，將以首先發(fā)送MSB位的格式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖3是A/D采樣驅(qū)動(dòng)程序的流程圖：

圖3 A/D采樣驅(qū)動(dòng)程序的流程圖

2.1.2 數(shù)據(jù)處理程序

由于采集到的數(shù)據(jù)受到噪聲的影響，會(huì)有一定的波動(dòng)，所以在這里進(jìn)行軟件濾波。軟件濾波的算法如下：

步驟1 每秒鐘采集10個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)這10個(gè)數(shù)據(jù)求均值并保存該值。

步驟2 連續(xù)3秒保存用步驟1求得的均值。

步驟3 選用步驟2中3個(gè)數(shù)據(jù)的中間值，將這個(gè)值作為輸出值。

數(shù)據(jù)處理程序的另一個(gè)功能是根據(jù)所測(cè)得的空白值和相對(duì)發(fā)光值，計(jì)算出所測(cè)樣品的毒性物質(zhì)的光抑制率。

2.1.3 液晶驅(qū)動(dòng)程序

液晶的驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì)液晶驅(qū)動(dòng)芯片 HT1621[6]進(jìn)行編程。HT1621 是一個(gè) 128（32×4）點(diǎn)的 LCD 驅(qū)動(dòng)器。它可由軟件配置成1/2 或1/3 的LCD驅(qū)動(dòng)器偏壓和2 、3或4個(gè)公共端口。這一特性使HT1621適用于多種LCD 應(yīng)用場(chǎng)合。LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻產(chǎn)生。LCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的頻率值保持為 256Hz，由頻率為 32.768KHz的晶振片內(nèi)RC 振蕩器或外部時(shí)鐘產(chǎn)生。圖4為液晶驅(qū)動(dòng)程序的流程圖：

圖4 液晶驅(qū)動(dòng)程序的流程圖

2.1.4 串口驅(qū)動(dòng)程序

采用 RS-232標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通訊采協(xié)議：“波特率9600,8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位”。PC 機(jī)采用COM1通信。

圖5為下位機(jī)串口的發(fā)送流程圖：

圖5 下位機(jī)串口的發(fā)送流程圖

這里波特率的產(chǎn)生是通過(guò)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要實(shí)現(xiàn) 9600的波特率，就應(yīng)該延時(shí)0.104毫秒。

為保證上下位機(jī)的準(zhǔn)確通訊，采取如下的數(shù)據(jù)傳送格式：串口每次可發(fā)送8位數(shù)據(jù)，有效的數(shù)字為12位。因此每個(gè)數(shù)據(jù)分為兩次發(fā)送，每次發(fā)送有效的6位。將每次發(fā)送的第8位作為標(biāo)志位，發(fā)送低6位時(shí)，第8位為1，發(fā)送高6位時(shí)，第8位為0。先發(fā)送低位，再發(fā)送高位。采用這樣的數(shù)據(jù)傳送格式能夠有效地區(qū)分高位和低位，從而保證數(shù)據(jù)傳送的正確性。

2.2 上位機(jī)軟件

2.2.1 上位機(jī)軟件串口程序

上位機(jī)軟件的串口部分使用 VC++提供的通訊控件MSComm，以MFC為基礎(chǔ)編寫(xiě)[7]。

通過(guò)對(duì)MSComm控件的屬性進(jìn)行設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)串口的初始化， MSComm控件在串口編程時(shí)只有一個(gè)事件，即OnComm事件。通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)，對(duì)時(shí)間的發(fā)生進(jìn)行跟蹤和處理，從而檢測(cè)和處理通訊錯(cuò)誤以及進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的處理顯示等。在此，使用 OnComm 事件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。

由于下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)采用了特殊的數(shù)據(jù)格式，因此，上位機(jī)進(jìn)行接收時(shí)，就需要根據(jù)相應(yīng)的格式進(jìn)行接收和組合。接收的格式為：先判斷接收到的數(shù)據(jù)的第8位是否為1，為1，則表示接收到了低位；若為0，則表示接收為高位；如果接收完低位和高位，則分別取其中的低6位，組合成有效的12位數(shù)據(jù)。

2.2.2 上位機(jī)的繪圖程序

上位機(jī)軟件的繪圖部分使用了 VC++提供的 MSChart控件。軟件的繪圖部分實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地將接收到的下位機(jī)的數(shù)據(jù)繪制成曲線，顯示出來(lái)。設(shè)置 MSChart控件的屬性，從而實(shí)現(xiàn)畫(huà)圖的初始化。在串口接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)繪圖，并將數(shù)據(jù)保存在txt文件中。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 樣品濃度梯度實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用甲拌磷為被檢毒物，反應(yīng)體系為熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系，檢測(cè)儀器為自主研發(fā)的光電式水綜合毒性物質(zhì)檢測(cè)儀。待測(cè)的甲拌磷的濃度分別為：6、12、25、50、100（mg/L）。測(cè)試時(shí)，先測(cè)反應(yīng) 30秒的未添加甲拌磷的樣品的空白值，再測(cè)反應(yīng)30秒的添加了甲拌磷的樣品的相對(duì)發(fā)光值，計(jì)算甲拌磷對(duì)熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系的光抑制率。

圖6 反應(yīng)時(shí)間30秒處甲拌磷/光抑制率關(guān)聯(lián)圖

圖6是利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合得到的甲拌磷濃度和光抑制率的曲線。實(shí)驗(yàn)表明該儀器測(cè)得的光抑制率，可用來(lái)判斷毒性物質(zhì)濃度的高低。

3.2 實(shí)際水樣檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)所用水樣分別是采集 3個(gè)黃浦江下游上海市區(qū)段的水樣（吳涇渡口、江川路街道渡口、東昌路渡口），2個(gè)地表水樣（上海交大校內(nèi)河道、吳涇公園水池）。反應(yīng)體系為熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系。

表1 水樣品采用不同儀器的毒性檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

1 東昌路渡口黃浦江水

2 上海交大校內(nèi)河水

3 江川路街道渡口（閔行渡口）黃浦江水

4 吳涇公園水池

5 吳涇渡口黃浦江水

表1中兩臺(tái)儀器所測(cè)的抑制率和毒性判定，可見(jiàn)自主研發(fā)的水綜合毒性檢測(cè)儀，相對(duì)于 RFL-1型化學(xué)發(fā)光儀有更高的靈敏度。

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，很好地驗(yàn)證了在本文設(shè)計(jì)的軟件的支持下，自主研發(fā)的水綜合毒性檢測(cè)儀運(yùn)行良好。

4 小結(jié)

本文研制的光電式水毒性物質(zhì)檢測(cè)儀，采用熒光素—熒光素酶反應(yīng)體系檢測(cè)水中毒性物質(zhì)，測(cè)量時(shí)間短。下位機(jī)軟件顯示相應(yīng)操作的提示，操作方便，只需一個(gè)按鍵就可完成全部的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果不僅在下位機(jī)液晶上顯示，也發(fā)送到上位機(jī)繪制數(shù)據(jù)曲線，結(jié)果更直觀。上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回溯和數(shù)據(jù)管理。

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