对无公害蔬菜生长环境的检测仪器的设计

对无公害蔬菜生长环境的检测仪器的设计摘 要蔬菜是最为重要的日常食物，对维持人体正常生理功能和增进健康具有不可替代的作用。随着现代工业迅速发展以及化肥、农药等农用物资的大量施用，蔬菜产地环境质量和其品质受到严重影响。射线探测器的能量分辨本领是能量色散X荧光分析实现高灵敏度多元素分析的关键。本文将具有高能量分辨率的电致冷SI-PIN半导体探测器应用于携带式X荧光仪，并设计、研制了与探测器相配套的电子线路单元和应用软件。通过最佳“源样探”几何参数论证，设计了基于同位素激发源的“对称边源”激发装置，有效提高X荧光探测的“峰背比”，进一步提高分析灵敏度;设计并制作了“无变压器式高压偏置电源”和“开关型温控致冷电源”，提高系统信噪比并降低了静态功耗。本设计是在深入了解单片机原理的基础上进行的。整个系统的设计符合环境监测仪器的基本要求。在缺乏试验条件的实际情况下，对系统关键参数进行了分析和整定。这对提高作物品质，进一步推广无公害蔬菜种植、促进农业的可持续发展具有重要意义。关键词：单片机，无公害蔬菜，土壤环境，X射线荧光分析，数据采集DESIGN OF THE ENVIRONMENTAL MEASUREMENT DEVICE TO THE GROWTH OF POLLUTION-FREE VEGETABLESABSTRACTVegetables are necessary food in peoples daily life, which are advantageous to peoples physiological functions and health. With the developments of modem industry, and the using of a large number of chemic fertilizers and pesticide made the quality of vegetables and the environment of vegetables bases are becoming worse.As the energy resolution ability for X-ray detector is so important for high sensitive multi-element analysis using Energy-dispersive X-ray Fluorescence(EDXRF)method. The SI-PIN type thermoelectrically cooled semiconductor detector is adapted in a portable XRF analyzer. The related electronics units for SI-PIN detector and the application software are designed and developed. After the optimization geometry parameters of source-sample-detector is calculated and discussed, an isotope excitation source based Balance Sides structure excitation source device is designed. This scheme is found out to be effective for improving the peak-to-background radio of XRF. And the detecting sensitivity is improved as well; Transformer-less high voltage bias circuit and temperature feedback self-adjustable voltage switching regulator for electric-cooler are developed. These circuits can improve the performance of signal-to-noise radio, reliability, and reduce power consumption of the entire system. The design is based on the in-depth understanding of the basic principle of MCU(Micro Controller Unit).The design of the whole system of environmental monitoring equipment is in line with the basic requirements. In the absence of the actual experimental conditions, the key parameters of the system proposed setting the right approach. This design is meaningful to improve the quality of farm crops, further promote pollution-free vegetables and keeping agricultural sustainable development.Key words: MCU(Micro Controller Unit)，pollution-free vegetables，soil environmental，XRF(X-ray Fluorescence analysis)，data acquisition目 录1 绪论- 1 -1.1 土壤中有毒元素的来源- 1 -1.2 影响土壤中有害元素有效性的因素- 2 -1.3 土壤中有害元素对人的危害- 3 -1.4 本文背景- 4 -2 论文主要任务和意义- 6 -2.1 现场X荧光分析技术与仪器的研究现状- 6 -2.1.1 国外研究现状- 6 -2.1.2 国内研究现状- 8 -2.2 对X荧光探测系统的技术要求- 9 -2.3 论文选题及研究意义- 9 -2.4 论文的主要任务- 10 -3 基本原理及整体设计方案113.1 X荧光分析的基本原理- 11 -3.2 信号放大调理电路的原理- 12 -3.3 数据处理单元的原理- 13 -3.3.1 复位电路- 16 -3.3.2 外部时钟电路- 17 -3.3.3 驱动电路- 18 -4 无公害蔬菜生长环境检测仪硬件系统204.1 探测器选择- 19 -4.1.1 X射线荧光探测器- 19 -4.1.2 激发源的选择- 21 -4.1.3 前端结构的选择- 22 -4.1.4 激发源在前端的布置- 23 -4.2 信号处理电路的设计- 24 -4.2.1 成型放大电路- 24 -4.2.2 脉冲调理电路- 25 -4.2.3 甄别及A/D装换器触发电路- 26 -4.3 单片机外围电路设计- 27 -4.3.1 键盘的选择- 27 -4.3.2 显示单元的设计- 28 -4.3.3 A/D转换单元在系统中的位置- 30 -4.4 系统工作条件的保障- 32 -4.4.1 高压偏置电源的设计- 32 -4.4.2 开关型温控致冷电源的设计与实现- 34 -5 无公害蔬菜生长环境检测仪软件系统395.1 编程语言的选择- 37 -5.1.1 汇编与C语言的优缺点- 37 -5.2 数据采集有关软件设计- 39 -5.2.1 主程序设计- 40 -5.2.2 中断程序设计- 42 -5.2.3 显示流程图- 43 -结论- 44 -致谢- 45 -参考文献50附录A 系统硬件原理图51附录B 系统软件设计531 绪论当今世界越来越多的人为追求健康而不断的努力着。但是现代化进程中大规模工业的建设，滥垦滥伐及化肥农药的过量使用却对我们提出越来越严峻的挑战。生活周围的“绿色”也越来越多的被人们所关注。蔬菜的安全卫生得到了人们的最新诠释蔬菜制品要安全卫生，其生产加工的过程，其原材料的生长环境也更为人们所关注，以便从根本上保证食品对人们健康的“绿色”。土壤环境有毒元素的快速检测成了困扰人们的新难题。1.1 土壤中有毒元素的来源造成土壤中大量有毒元素积淀的原因有很多，总结归纳起来，主要有以下几个方面：(1) 污水灌溉和污泥使用造成土壤污染危害最大、作用最直接的是污水灌溉。长期施用污水、污泥的土壤，土壤中铜、锌、铅含量高于背景值34倍，铬、镍、砷高于背景值的0.51倍多，镉元素高于背景值10倍，而汞竟高达背景值的125倍1。(2) 城市垃圾农用目前大多数城市的工业废弃物和生活垃圾没有完全分开堆放，近郊的菜农又多有就近施用垃圾肥的习惯，而垃圾本身就含有较多的重金属和有机物，如福州市检测的16个垃圾样品中，除镉外，铬、铅、汞、砷、各种氯、氟化物的含量均明显高于菜园土对应元素的平均值。(3) 大气污染及尾气排放各工厂特别是一些冶炼厂排放的废气飘尘也是农作物受污染的原因之一。废气飘尘中一般含有大量的镉、锌、铜等重金属元素，其影响的范围在主风向可达10km，严重污染范围约1100m。汽车尾气的污染元素主要是Pb。由于含铅汽油的使用，汽车尾气含铅量可达20-50微克/升，行驶在公路上的汽车，其排放废气中的铅沉降造成公路两侧的土壤及生长植物的铅污染。(4) 含重金属肥料和农药的使用农药和化学肥料的使用是防治病虫害、除草和提高单产的重要措施。但醋酸苯汞、氯化乙汞、信石等农药和杀虫剂中含有的汞、砷等有害金属以及Zn、B等微肥的使用，便进入土壤，逐渐在土壤中富集，产生污染。1.2 影响土壤中有害元素有效性的因素植物根系从土壤中吸收重金属，并在体内积累，受多种因素的影响，主要有：(1) 重金属在土壤环境中的总量和赋存形态土壤中重金属总含量被认为是控制植物中重金属含量的基本因素，也是唯一恒定的因素。但是重金属在土壤环境中的赋存形态才是决定其危害的关键因素。一般水溶态简单离子、简单络离子最容易为植物所吸收，而吸附交换态络合态次之，难溶态则暂时不被植物吸收。(2) 土壤特性的影响在土壤中只有溶解性的和可交换态形式的离子可直接被作物吸收。而土壤条件的改变控制着有效金属离子的浓度。这些土壤参数包括PH值、可交换阳离子容量（canon exchange capacity）有机物含量、碳酸盐含量、水和Fe/Mn氧化物、氧化还原能力、DOC和温度等，而对生长在一定土壤中的植物来说，其种类和栽培技术也是影响植物组织中各污染因子浓度的因素。金属的生物有效性最终随土壤种类而变。(3) 根际环境对重金属的影响根际微区由于根系分泌物（植物生长过程中通过根系向生长基质中释放出的一组种类繁多的物质）的存在，在物理、化学、生物特性方面产生有异于土体现象。重金属发生酸碱反应、氧化还原反应、络合、离解反应，以及吸附解吸行为，导致重金属形态变化，从而改变其生物有效性和生物毒性。由于根分泌物的分子量低，可以在土壤中移动，导致根区微生物活性增强。可溶性根分泌物通过络合阳离子，可能会成为金属载体，促进根附近金属的可溶性。 (4) 有机质对土壤中重金属的活化作用有机质对土壤中重金属的吸附作用有着深刻的影响，它可改变溶液重金属的存在状态，或改变吸附体的表面性质而影响重金属的吸附。有机质能增加或抑制重金属的吸附，或对吸附不产生明显作用1。张敬锁等研究了在土壤中施入有机肥可减缓Cd污染对作物的危害，指出有机质有很大的比表面积，对Cd2+有强烈的吸附作用，更主要是有机质分解产生的腐殖酸可与土壤中的Cd2+形成鳌合物沉淀。有机质也可与Cd2+形成高稳定性的可溶性物质，能大大提高土壤中Cd2+浓度，但不增加植物的吸收，而形成小分子的可溶性络合物时，却能提高植物对Cd的吸收。利用有机质作为Cd污染土壤的改良剂时，应值得注意。1.3 土壤中有害元素对人的危害如上所述重金属、氰化物、氯化物等有毒元素对环境的危害是人们日益关注的问题，因为重金属离子和一些农用产品中难降解的有害物质会进入到动物的食物链中，通过自然富集作用威胁着我们的健康。这些有毒物质对人群健康的危害是多方面、多层次的，其毒理作用表现为：造成生殖障碍，影响胎儿正常发育，威胁儿童和成人身体健康等，最终降低人口身体素质，阻碍了人口的可持续发展。在这些有毒元素中重金属对人的健康拥有更大的危害，主要表现在以下的几个特性5：(1) 土壤中中的重金属虽只有微量浓度，但其毒性具有长期持续性。土壤中某些重金属可在微生物作用下，转化为毒性更强的有机化合物。例如，土壤中的无机汞可在微生物作用下转化为毒性更强的甲基汞。(2) 生物可大量富集，构成食物链，危害人类。生物从环境中摄取重金属，并经体内或某些器官中高度富集，其富集倍数可达成千上万倍，陆生农作物，水中动植物都有这种现象。然后通过食物进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来构成慢性中毒，严重危害人体健康。这种生物富集、生物浓缩、生物放大的特性是重金属污染的突出特点。(3) 重金属无论采用何种处理方法或微生物都不能降解，只不过改变其化合价和化合物种类。土壤中OH、Cl、SO42、NH4+、有机酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金属生成各种配合物，使重金属在土壤中的含量增大。为蔬菜无公害生产提供科学依据，我们主要对蔬菜基地土壤中砷（As）、铬（Cr）、镉（Cb）、铅（Pb）和汞（Hg）等5种重金属含量进行了检测分析，他们的主要危害有：砷（As）：砷具有积累性中毒特点，对人有致癌作用。在人体内，三价砷的毒性是五价砷的60倍。但是，在生物体内，砷在生物体内可以发生甲基化作用。不同价态的砷之间可以互相转化，并且无机 生成毒性更大的三甲基砷，应引起高度重视。铬（Cr）： 铬是低富集毒物，在土壤环境中通过食物链再引起人体的中毒现象目前发现的并不多，这主要是因为铅在土壤中是难溶态化合物，而铬在土壤中主要以三价铬形式存在有关，而铬的毒性主要由六价铬引起的，其主要表现为呼吸道疾患和肠胃道疾患。镉（Cb）：进入人体的镉，一部分与血红蛋白结合，一部分与低分子金属硫蛋白结合，然后随血液分布到内脏部位，最后主要富集于肾和肝中。其中毒症状主要表现为动脉硬化性肾萎缩或慢性球体肾炎等。此外，食入过多的镉，可使镉进入骨质取代部分钙，引起骨骼软化和变形，严重者引起自然骨折而死亡。日本曾对一“骨痛病”死者解剖，发现全身竟有122处骨折，身长缩短30 cm，骨灰中含镉123311472mg/kg，比对照者高150多倍。此外，不少研究者还发现镉有致突变、致癌和致畸作用，以及引起高血压，肺气肿等病症。铅（Pb）：是重金属污染中毒性较大的一种，一旦进入人体将很难排除。人体摄入过量的铅，会引起中枢神经系统损伤，出现疲惫、头疼、痉挛、精神障碍等；可损害骨髓造血系统，导致贫血；可作用于心血管系统，导致动脉硬化、心肌损害；胃肠铅中毒则表现为胃肠钻膜出血、肠管痉挛。汞（Hg）：通过食物链进入人体的无机汞盐，主要贮藏于肝肾和脑内，二价汞与酶蛋白的疏基结合，抑制多种酶的活性，使细胞的代谢发生障碍，二价汞还能引起神经功能紊乱和性机能减退。而进入人体的甲基汞危害更重，它能破坏脑血管组织，引起一系列中枢神经中毒症状，如手、足、唇麻木和刺痛，语言失常，听觉失灵等脑动脉硬化症（水俣病）患者的典型症状。此外，甲基汞还可导致流产、死产、畸胎或先天性痴呆儿等6。1.4 本文背景本设计是在面对土壤中有毒元素检测中设备系统庞大，专业行太强以及样品处理较繁琐的情况下提出的。其有待实现生产真正的无污染绿色食品，尤其，对蔬菜生产环境中多种有毒元素实现信息的定量采集。目前，针对土壤环境监测的方法多种多样，其主要有一下几种，以供比较：(1) 分光光度法可见或紫外分光光度法都可用于测定溶液中物质的含量。测定标准溶液（浓度已知的溶液）和未知液（浓度待测定的溶液）的吸光度，进行比较，由于所用吸收池的厚度是一样的。也可以先测出不同浓度的标准液的吸光度，绘制标准曲线，在选定的浓度范围内标准曲线应该是一条直线，然后测定出未知液的吸光度，即可从标准曲线上查到其相对应的浓度。它操作简单，定量性好，适应于试验室使用。(2) 电化学法电化学法是近年来发展较快的一种方法，它以经典极谱法为依托，在此基础上又衍生出示波极谱、阳极溶出伏安法等。电化学法的检测限较低，测试灵敏度较高，值得推广应用。(3) 原子吸收反光光度法原子吸收分光光度法也称原子吸收光谱法，简称原子吸收法，该方法具有测定快速、干扰少、应用范围广、可在同一试样中分别测定多种元素的特点。原了吸收法包括石墨炉原子吸收法，火焰原子吸收法，以及其他一些不同前处理条件下使用原子吸收分光光计的方法。传统的化探方法进行异常发现、查证，需要经过“野外采样样品运输样品加工与缩分化学分析”等过程之后，才能得到野外采样点元素的含量信息。X荧光分析技术作为一种现场快速分析方法，也曾在金矿、铜矿和多金属矿等勘查中得到应用。目前已经商品化的便携式X荧光探测系统的分析灵敏度（主要指检出限指标）、精确度、长期稳定性和可同时分析元素种类等指标均达不到地质普查工作的需求。而且这些仪器的读数均为X荧光计数，需由熟练掌握X荧光分析方法的专家或技术人员，通过较复杂的换算才能得到目标测量元素的含量，使用不够方便。因此，没有得到大量的推广与运用。本文宜采用半导体作为检测元器件，基于原子荧光法实现具有快速检测和快速分析，操作简单使用方便的系统设计。这对进一步提升蔬菜生长环境优化具有重要意义。2 论文主要任务和意义本文是在无公害蔬菜种植大规模推广开来的大背景下展开的。无公害蔬菜种植牵动着每一个关心高生活质量切实得到保障的有识之士的心。在国家制定相关检测标准后，他们一直在为得到一种可靠的环境检测方法而努力。看着一套套检测通过的仪器设备奔赴无公害蔬菜种植的前线，欣慰之余他们又为仪器繁琐的工作程序所困扰，为检测过程中复杂专业的预处理过程所牵绊，更为一种神圣的责任所鞭策。所以，一种简便实用的检测方法很快得到推广，那就是，基于原子受激发光产生特征X射线理论及荧光分析的检测方法。2.1 现场X荧光分析技术与仪器的研究现状现场X荧光分析技术以其能实现多元素现场快速、无损分析的特点，在天文学、考古学、地学和环境科学等领域得到广泛的应用5。广阔的应用领域与美好的应用前景，又促进了X荧光探测仪器设备的发展。X荧光分析方法根据对不同元素的特征X射线的区分方式，可分为波长色散X荧光分析（WDXRF）和能量色散X荧光分析（EDXEF）。由于波长色散X荧光仪中，采用衍射晶体以一定角度进行衍射色散，配合光栅使某一波长范围的射线落到探测器上，从而实现对不同元素的特征X射线（不同波长）的区分测量。波长色散X荧光仪的色散机构（主要包括衍射晶体、光栅及其角度控制装置等）的体积较大，而且结构精密，使用和运输中必须严格防震。因此，对现场X荧光分析领域，不论是国内外，主要是采用能量色散X荧光方法。通常，各类便携式X荧光探测系统（指能量色散X荧光探测系统,下同）由以下几部分组成：用于激发元素特征X射线的激发源，用于接收特征X射线并转换成电信号的探测器，进行信号放大与处理的电子线路以及相关的方法技术软件。2.1.1 国外研究现状从X射线探测器来看，在国际市场上形成了以闪烁计数器为X射线探测器的仪器、以正比计数器为X射线探测器的商品化仪器和以室温高能量分辨的半导体探测器为X射线探测器的三类仪器。80年代末以来，由于室温半导体探测器的性能和对X射线的能量分辨本领的改善，便携式X荧光探测系统对大部分元索的分析检出限大大降低，可达（10100）g/g而且能实现多达二十余种元素同时分析的能力，测量时间约为1 4分钟。美国BAIRD公司研制的TN9000型便携式X荧光分析仪，以HgI2为X射线探测器，以109Cd, 55Fe, 241AM为X射线激发源，重8.6kg；可测元素种类范围为SU，且可实现多达26种元素的同时分析，采用基本参数校正方法，现场测量时，可直接读取土壤中多种元素的含量，检出限约（30100）g/g；又如美国NITON公司生产的“Inspector”油画测铅仪，重量仅l kg左右，可连续工作18小时，可在15秒钟内定量检测出油画中的铅含量；还有日本精工电子纳米科技株式会社的SEA200型能量色散X荧光分析仪，采用室温电致冷半导体探测器和X射线管激发装置，探头中内置用于观察实际样品探测面的CCD摄像头。整机重量约5kg，工作时需外接计算机和12V直流电源6。上述这些技术成熟、商品化的多元素X荧光探测系统，基本上都采用能常温状态工作（电致冷）的HgI2探测器。HgI2探测器的能量分辨率（对5.9keV的X射线的FWHM）为250300eV，已经能够胜任在组成元素种类相对固定的合金分析领域、或其它组成元素种类较少的样品分析领域的分析工作。但是，对于组成元素种类多、基体情况变化复杂的地质样品的分析，相邻元素的特征X射线谱峰的相互干扰较严重的情况，对探测器的能量分辨率指标提出更高的要求。1997年，意大利学者就发表了采用室温电致冷SI-PIN半导体探测器研制的X荧光探测系统的文章。1997年7月，美国在“Pathfinder”火星登陆器上使用了基于SI-PIN探测器的现场X荧光分析设备，远程采集火星上岩石、土壤的多元素含量信息。在当时的技术条件下，SI-PIN半导体探测器的能量分辨率（对5.9keV的X射线的FWHM）可以达到196eV。而2001年，该探测器的能量分辨率己经可以达到158eV。从“Pathfinder”火星登陆器发回的火星岩石现场分析X射线谱可以看出7，该探测器能较好分辨出中等原子序数元素的K系特征X射线谱峰。但尚未查阅到国际上有基于SI-PIN半导体探测器的、针对地质、矿产勘查领域的现场多元素X荧光探测系统产品的信息。从激发源来看，大多便携式X荧光探测系统均采用放射性同位素激发源，采用的同位素源的种类包括55Fe, 238Pu, 241Am和109Cd等。个别型号也采用X射线管激发源。从电子线路来看，国外便携式仪器均实现微机化。均采用基于多道脉冲幅度分析器的多道X射线谱分析技术，并具有数据现场处理的能力。而配套的方法技术软件一般是针对实际应用对象而开发，目前还没有某一个产品配套能同时包含适合地质样品分析、合金分析和古艺术品分析等齐全数据库的全能软件。而且这些X荧光分析应用软件均属商业机密，用户不能获得软件原代码并根据具体应用领域进行有针对性的改造，从而制约进口仪器在国内的应用。2.1.2 国内研究现状1976年，我国自行研制了第一台便携式X射线荧光仪。在20世纪70年末至80年代中期，在原地质矿产部科技司的支持下，又先后研制了以闪烁计数器为X射线探测器的三种型号的便携式仪器（HYX-1，HYX-2，HYX-3型）。这些仪器一次测量只能确定一种元素的含量，其分析元素的检出限一般为（501000）g/g。20世纪90年代以正比计数器为X射线探测器的HYX-4型携带式X射线荧光仪投入实际应用，该仪器一次测量可同时确定24种元素的含量。近年来，国内也开始了室温电致冷半导体探测器为X射线探测器的便携式X荧光探测设备的研究工作11,12，并己经取得初步的成果。我国研制的便携式X荧光仪的激发源大多采用238Pu和241Am放射性同位素源，238Pu用于激发较低原子序数元素的K系特征X射线和高原子序数的L系X射线，如VA，MnK，FeK，NiK，CuK，ZnK和PbL等；241Am用于激发较高原子序数的K系X特征射线，如：AgK，SnK，SbK和BaK等。目前，国内也开始有基于X射线管激发源的携带式科研样机8，但体积和功耗与采用同位素激发源的X荧光探测系统相比还是偏大。而且固有的散射本底高，分析检出限相对较高。在电子线路上，大多数便携式仪器也实现了微机化。其中，大部分仪器只是实现多道脉冲信号采集控制的微机化，并未提供现场多道谱数据处理的功能。或者只提供基本的谱线光滑、寻峰、求峰面积等基本谱数据处理功能，不能在测量现场直接输出多种元素的含量结果。另外，大多仪器在电子线路上并未针对实际应用领域，进行深入的研究与开发。如在有关引进SI-PIN探测器进行新型X荧光探测设备的研制的相关文献中，尚未见有针对该探测器，进行高稳定性、低噪声、小体积高压偏置电源的研制的文献；未见针对该探测器，进行有利于降低系统功耗、提高系统稳定性等性能的温控致冷方案的研究资料；未见针对该探测器，专门设计小体积（袖珍型）、高性能的成形放大器与多道分析器的报道。综上所述，国际上已经有对基于SI-PIN半导体探测器的高灵敏度多元素现场X荧光探测系统进行开发研究的文献，但并未实现商品化。2.2 对X荧光探测系统的技术要求本论文开发的高灵敏度现场X射线荧光探测系统，主要面向蔬菜种植基地的土壤环境检测的应用领域，对原生土壤和处理后的土壤样品进行多元素定量、半定量测定。因此要求仪器除了具有容易携带、高稳定性、低功耗和容易操作等技术特点外，还应该具有高灵敏度、多元素快速分析的能力。为了达到以上目标，具体的技术要求是：(1) 需要使用具有高能量分辨本领的X射线探测器，以便能精确地分辨出各种元素特征X射线。分析中等原子序数元素时，要求X射线探测器的能量分辨率（FWHM）应达到200250eV（对5.9keV X射线）；分析轻元素（如Al、Si、P、S、K、Ca等）时，由于其特征X射线的能量较低（1.03.5keV），相邻元素的特征X射线相隔很近，所以要求X射线探测器的能量分辨率（CFWHM）至少应达到180200eV（对5.9keV X射线）；(2) 轻便、灵活、高效的X射线激发源装置；(3) 需要体积小，而且更精密的、稳定性更高的、能与高能量分辨率高的X射线探测器相匹配的信号成形放大器，以保证整套测量系统具有高的能量分辨率；(4) 需要高效能电源变换电路，以便尽可能提高电池的效率；(5) 需要建立能满足现场分析要求的数理模型，开发出适合现场原位分析的X荧光分析配套应用软件。综上所述，在本文设计预期实现指标如下：(1) 系统体积小、重量轻，单人能够轻松携带于操作；(2) 便于非技术专业人员操作；(3) 单次测量能完成5至6种主要元素或相关土壤化学场指示元素的定量分析，具有现场数据处理能力，能直接输出目标元素含量结果的能力；(5) 输出结果精确度高的目标。2.3 论文选题及研究意义生态仍然是制约当今世界可持续发展的一大问题。随着中国科学技术水平的广泛提高，我国对物化探方法、手段和设备提出新的要求。传统的化探方法进行异常发现、查证，需要经过“野外采样样品运输样品加工与缩分化学分析”等过程之后，才能得到野外采样点地质体相关主要元素、次主要元素的含量信息。根据交通情况与实际工作部署情况，该周期一般为13个月。采用这种传统的方法进行异常查证工作，其工作周期之长已经大大制约土壤环境检测的进展与效果。X荧光分析技术作为一种现场快速分析方法，也曾在金矿、铜矿和多金属矿等勘查中得到应用。目前，已经商品化的便携式X荧光探测系统的分析灵敏度（主要指检出限指标）、精确度、长期稳定性和可同时分析元素种类等指标均不能达到野外精确检测工作的需求。而且这些仪器的读数均为X荧光计数，需由熟练掌握X荧光分析方法的专家或技术人员，通过较复杂的换算才能得到目标测量元素的含量，使用不够方便。因此，没有得到大量的推广与运用。因此，本论文拟采用室温电致冷半导体探测器，进行便携式高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的开发，实现现场同时完成多种指示元素的定量/半定量测定，具有以下3点重要意义：(1) 本论文的研究成果在地质矿产调查上具有实用价值，具有巨大潜在经济效益。既节省样品运输、化学分析的费用，又能缩短工作周期，而且便于现场异常追踪指导，能大幅度提高探矿效率，创造更多的经济效益；(2) 本论文设计对象在国内尚属先进。采用SI-PIN半导体探测器进行高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的开发，可以很好解决国内检测领域的一些问题；(3) 本论文的相关研究，为大幅度提高检测部门工作效率，更加广泛的推广绿色无公害农产品种植提供方便，并有效的节制成本预算。2.4 论文的主要任务(1) 对土壤中有毒元素的检测方法有深层次的理解；(2) 完成信号的检测与处理任务。包括数据采集、处理电路的设计；(3) 基于单片机89C51对数据有选择的输出，实现简单的控制功能；(4) 使用特征射线荧光检测法实现对土壤中有毒元素的定量和半定量的检测；(5) 系统软件部分采用C语言这种有较高运行效率的编程语言，以Keil为编译平台，并调用其内部函数以使程序结构紧凑；(6) 手提式X荧光探头设计。3 基本原理及整体设计方案由于检测对象的化学性质相差较大，在传统的化学分析理论基础上难于找出一种集简便、精确于一身的成熟方法。再次，我们选择使用X射线荧光检测在其理论方面是基于前人经验的积累、总结和应用。系统中按功能和位置大致可以分为三大部分：检测元件、信号放大调理电路和数据处理器，了解它们的工作原理和使用方法成了我们进行下一步工作的前提。3.1 X荧光分析的基本原理原子由原子核和核外电子组成，核外电子呈层状分布。当X光子、X光子或其它电磁辐射与物质中原子的束缚电子发生作用时，如果入射光子的能量大于电子的结合能，光子把全部能量转移给束缚电子使其发射出去，形成光电子。同时在原子的电子内壳层形成空位，原子处于激发态。该物理过程称为光电效应。电子在原子中受到束缚越紧，就越容易产生光电效应。因此在K层激发光电效应的机率最大，L层次之，其它层更小。发生光电效应后，处于激发态的原子是不稳定的，其外层电子会跃迁填充内层空位，同时发出X射线（荧光）。该X射线（荧光）的能量与外层电子与内层电子的能级之差准确相当。即： （3-1）式（3-1）中，Ex为X射线（荧光）的能量；R为里德伯常数；h为普朗克常数；C为光速；Z为原子序数；n1，n2分别为跃迁前后所处壳层的主量子数；n为正数，与激发能级有关，对于K系n=1。式（3-1）表明，光电效应后原子退激过程中发出的X射线的能量与原子序数Z的平方成正比，这就是莫塞莱定律。每种原子光电效应后原子退激过程中发出的X射线的能量具有特征性，因此称之为特征X射线，或X射线荧光。根据莫塞莱定律，借助对特征X射线能量的测量，就能推断某种原子的存在与否，就能实现对物质元素组分的定性判别。这就是X荧光定性分析的理论基础。特征X射线的照射量率与被测样品中元素的含量成比例13 （3-2）式（3-2）中：I0，Ix分别为源初级射线与目标元素特征X射线照射量率；0，x和分别为介质对源初级射线与目标元素特征X射线的质量衰减系数；C为待测样品中目标元素的含量；F（H）为样品不平度因子；K为与探测装置相关的常数。根据特征X射线的照射量率与被测样品中元素的含量的关系，用仪器记录特征X射线的能量与照射量率，即可实现对待测样品中目标元素的定量测定。3.2 信号放大调理电路的原理(1) CR微分成形电路与主放大器如图3-1中C1与R1构成无源CR微分电路。CR微分电路一方面既充当信号白化滤波器，又可有效滤除XR-100CR探测器组件输出的低频波形和由电缆串入的低频噪声，有利于获取较理想的信噪比。另一方面，又与后续多级有源积分成形电路结合，构成能实现接近准高斯滤波的成形电路。电路中Cl取4700pF，Rl取1.74k，则滤波器的截止频率为f=1/（2C1R1）19. 5kHz。图3-1 CR微分成形电路与主放大器为了将前置放大器输出幅度为几十mV的脉冲信号放大至05V，使信号能尽可能与后端处理电路的线性输入范围（05V）相匹配。主放大器的电压增益应为50倍左右。为了获得高的输入阻抗，主放大器采用同相比例放大形式，电压增益为Av=（R2+R3）/R2。图3-1中R2取50，则R3可取2.7k（增益误差可由增益微调电路校正）。R2和R3的稳定性对放大器增益稳定性起决定性作用，应选用低温度系数的金属膜电阻。(2) 滤波器电路图3-2 VCVS低通滤波器图3-2为电压控制电压源（VCVS）滤波器电路，该电路与简单二阶有源滤波器相比，使用元件数量相当。而VCVS滤波器的过度带（即截止频率附近区域）的幅频特性可以通过选择合适元件参数、改变Q值来调整，使其幅频特性更接近理想滤波器的幅频特性，可以改善成形电路的性能。因而，VCVS滤波器在高能量分辨率探测系统的成形电路中得到广泛的应用。3.3 数据处理单元的原理MCS-51单片机采用的是8位中央处理器，能处理8位2进制数或代码。设计采用该系列的89C51芯片，其有8位数据总线和16位地址总线。共有256个RAM单元，其中后128单元被特殊功能寄存器占用，所以供用户当做寄存器使用的只有前128单元。89C51有四个8位并行I/O接口P0-P3，每个接口既可以作为输入又可以用作输出，以实现数据的并行输入输出。另外，89C51共有两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数和定时方式，并可以根据技术或定时的结果实现计算机控制。系统有2个外中断，两个定时/计数中断，一个串行中断共5个中断，分为高级和低级两个优先级别。一个全双工的UART的串行I/O口，用以实现单片机之间或单片机和其他设备之间的串行通信。89C51芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生脉冲序列。系统允许的最高晶振频率位12MHz。单片机最小系统原理图如图3-3。图3-3 单片机最小系统引脚说明：AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，内部自带4K字节可编程FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。 AT89C51是一个有40个引脚的芯片，引脚配置如图3-3所示。与8031相比，AT80C51自带4K的ROM和128B的RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进行扩展。主要有以下特点：(1) 与MCS-51 兼容(2) 寿命：1000写/擦循环(3) 全静态工作：0Hz-24Hz(4) 1288位内部RAM(5) 两个16位定时器/计数器(6) 可编程串行通道(7) 片内振荡器和时钟电路 (8) 4K字节可编程闪烁存储器(9) 数据保留时间：10年(10) 三级程序存储器锁定(11) 32可编程I/O线(12) 5个中断源 (13) 低功耗的闲置和掉电模式AT89C51芯片的40个引脚功能为：VCC：电源电压GND：接地RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时所有I/O引脚复位至“1”XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振荡放大器的输出ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。当端保持高电平时，此间内部程序存储器。P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P3口：引脚P3.0P3.7为带内部上拉的双向I/0引脚。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表3-1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。在AT89C51中，P3端口还用于一些特殊功能，这些特殊功能如表3-1。表3-1 P3端口特殊功能端口引脚特殊功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）/INT0 （外部中断0）/INT1 （外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）/WR（外部数据存储器写选通）/RD（外部数据存储器读选通）3.3.1 复位电路复位操作是单片机的初始化操作。复位电路的成功与否，关系到一个单片机能否正常运行。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外。当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡脉冲周期，即两个机器周期以上。若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号的持续时间应超过2us才能完成复位操作。复位操作有上电复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-4，这样只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化。按键手动复位由电平复位和脉冲复位两种，考虑到本设计的实际应用，该设计选择按键电平复位，电路如图3-4： （a）上电复位所用图形 （b）按键复位图3-4 复位电路图3.3.2 外部时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，它是研究单片机指令执行中没个信号之间关系的基础。同时，单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现。电路应该在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。在MCS-51系列单片机的内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。如图3-5所示。电容C1和C2通常取30PF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是1.2MHz12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度就快，同时，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也就越高（线间寄生的电容要小）2。图3-5 时钟振荡电路MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz主要是用在高速通信系统中。3.3.3 驱动电路由于现在常用的器件都是TTL电路或MOS电路，这些电路的驱动能力有限，尤其应用但控制场合时，如输出驱动交流接触器线圈，就要增加电流放大和电子转换电路，使之和控制设备适应达到控制的目的。在常用的开关驱动电路中，通常有功率晶体管驱动、复核人晶体管驱动、可控硅驱动（包括单向和双向可控硅）、小继电器驱动和功率场效应管驱动等。在设计中，我们要绝对依从接口驱动能力和控制设备相匹配的原则。在开关驱动电路中，采用固态继电器，它是一个将双向可控硅和光电耦合驱动封装在一个密封块中，这种无触点开关对提高单片机控制系统运行的可靠性，减少触点开关对系统的影响是有利的。这种固态继电器价格比较昂贵，但在一些系统工作干扰大或对整体精度要求较高的系统设计中有广泛的应用。4无公害蔬菜生长环境检测仪硬件系统无公害蔬菜生长环境检测仪是基于X射线荧光检测原理，以单片机89C51为核心的非电量信号的采集、转化、数据处理系统。它以快速响应、操作简便、经济适用为出特点。其硬件主要有三部分组成，它们是系统功能得以实现的根本，也是任一检测系统不可或缺的组成要素。4.1 探测器选择样品在射线照射下，外层电子受到激发产生跃迁现象，伴随长生特征X射线。在本设计中特征X射线信息检测装置以SI-PIN为核心检测元件，任务在于采集样品受激发状态下所发出特征X射线量值，检测元件产生的微电流在前端放大器作用下变为可测电流。此