基于纳氏试剂分光光度法的水质氨氮检测与数据分析

'华中科技大学硕士学位论文摘要水质氨氮检测是水质检测中必不可少的一项，常见的水质氨氮检测方法有分光光度法、电化学分析法和流动法，其中纳氏试剂法是氨氮检测的国家标准方法。本论文在简单介绍了分光光度法和朗伯比尔定律之后，从整体上介绍了基于纳氏试剂分光光度法而设计的一套氨氮浓度检测系统的组成和工作原理，然后详细阐述了信号采集系统以及氨氮浓度检测软件，数据采集系统由AVR单片机实现数据的采集和滤波，氨氮浓度检测软件是采用DELPHI7.0编写的，并通过ACCESS数据库对信号采集与分析过程中的相关数据进行入库存储。详细叙述了信号采集系统中单片机通过控制电机转动驱动单色仪波长的选择，滤波器的设计。氨氮浓度软件按其功能划分为三个模块：系统设置，数据检测分析和数据存储，每个模块又包含几个子模块。其中，数据检测分析模块为软件的核心模块，包括最大吸收波长值寻找、不同浓度对连续波长光的吸光度的采样与分析、显色时间对溶液吸光度的影响、标准曲线的测定和氨氮浓度的测量。再通过实验对影响吸光度的相关因素进行分析，得出的结论符合纳氏试剂法的原理，验证了系统的正确性与可靠性。在文章最后，对全文所完成的工作进行了总结，并提出了未来发展方向。关键词：分光光度法朗伯比尔定律纳氏试剂法电机滤波器数据库I 华中科技大学硕士学位论文AbstractAmmoniawaterqualitytestingisanessentialoneofwaterqualitytesting,commonammoniawaterqualitytestingmethodsincludespectrophotometry,electrochemicalanalysisandflowmethod,NesslerammoniatestmethodisthenationalstandardmethodofAmmoniatesting.ThisthesisdescribesasimplespectrophotometricmethodandtheLambertBeerlaw,thewholeintroducedNesslerspectrophotometricmethodbasedonthedesignofanammoniaconcentrationofthedetectionsystemcomponentsandtheprinciple,andthenelaborateddataacquisitionsystems,andammoniaconcentrationdetectionsoftware,dataacquisitionsystembytheAVRmicrocontrollerdataacquisitionandfiltering,ammoniaconcentrationdetectionsoftwareiswrittenusingDELPHI7.0,andthroughtheACCESSdatabase,signalacquisitionandanalysisofrelevantdatainthestoragememory.Describedindetailinthesinglechipdataacquisitionsystemdrivenbycontrollingthemotorrotationmonochromatorwavelengthselection,filterdesign.Ammoniaconcentrationfunctionofthesoftwareisdividedintothreemodules:systemsettings,dataanalysisanddatastoragetesting,eachmodulealsocontainsseveralsub-modules.Amongthem,thedataanalysismoduleforthesoftwaredetectedthecoremodules,includingthevalueoflookingforthemaximumabsorptionwavelength,differentwavelengthsoflightconcentrationontheabsorbanceofcontinuoussamplingandanalysis,thecolorabsorbanceofthesolutiontime,thestandardcurveandthedeterminationofammoniaconcentrationmeasurements.Thenthroughtheexperimenttoaffectabsorbencycorrelativefactorsontheanalysis,theconclusionconformstotheprincipleofNesslertestmethod,verifytheaccuracyandreliabilityofthesystem.Inconclusion,thearticleontheworkaccomplishedaresummarized,andthefuturedirectionofdevelopment.Keywords:SpectrophotometricmethodLambertBeerLawNesslertestmethodMotorFilterDatabaseII 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究背景及意义水是地球上分布最广的物质，是人类环境的一个重要组成部分，在整个自然界和人类社会中发挥着不可估量的巨大作用。没有水就没有生命，就没有文明的进步、经济的发展和社会的稳定。世界上的水资源是有限的，经济和社会的发展必须与水的供应相适应，不能无限制地采水用水，不能超越水资源的承载能力。随着工业进步和社会发展，水污染亦日趋严重，成了世界性的环境治理课题。水体污染影响工业生产、增大设备腐蚀、影响产品质量，甚至使生产不能进行下去。水的污染，又影响人民生活，破坏生态，直接危害人的健康。全球性的水资源危机给人类带来了极大的危害，已引起人类的普遍关注。我国水体污染主要来自两方面，一是工业发展超标排放工业废水，二是城市化中由于城市污水排放和集中处理设施严重缺乏，大量生活污水未经处理直接进入水体造成环境污染。工业废水近年来经过治理虽有所减少，但城市生活污水有增无减，占水质污染的51%以上。据环境部门监测，1999年全国近80%的生活污水未经处理直接进入江河湖海，年排污量达400亿立方米，造成全国三分之一以上水域受到污染。大量使用氮肥、磷肥、含磷洗涤剂，生活用污水中常含有过量的氮、磷等营养物质。这些物质流入湖泊、海湾，使海水中富集氮、磷等植物营养物质，称为水体富营[1]养化。海水富营养化会对水质产生严重影响：促进水中藻类丛生，植物疯长，使水体通气不良，溶解氧下降，甚至出现无氧层，以致使水生植物大量死亡，水面发黑，水体发臭形成“死湖”、“死河”、“死海”，进而变成沼泽；促进细菌类微生物的繁殖，一系列异样生物的食物链都会有所发展，水体中耗氧量将大大增加；藻类只在水体表层能接受阳光的范围内生长，并排出氧气，在深层的水中就无法进行光合作用而出现耗氧，水体富营养化没有足够的溶解氧供应，则变成厌氧分解状态，使大量的厌氧细菌繁殖起来；无机氮的富集，开始使消化细菌繁殖，大量消耗溶解氧。这样在底层将出现呼吸消耗有机物速度远远快于光合作用有机物速度的腐化污染状态，并逐步向表层发展，严重时可使一部分水体完全变为腐化区；富营养化的水臭味大、颜色深、细菌多，这1 华中科技大学硕士学位论文种水的水质差，不能直接饮用，水中的鱼大量死亡。更为严重的是会对人类的健康产生很大的危害，某些藻类会释放毒素，从而引起肝脏充血肿大，严重时可导致肝出血[3]和坏死。水质监测目的在于掌握水质现状及其发展趋势，分析判断事故的原因及危害，为[4]采取对策提供依据，也为开展水资源水环境质量评价，预测预报提供基础数据与手段。+氨氮是指水中以游离氨（NH3）和氨离子（NH4）形式存在的氨，其主要来源是[5]生活污水中含氮有机物受微生物作用分解的产物、某些工业废水及农田排水。氨氮含量较高时，对人体及动物体会产生不同程度的伤害，因此氨氮是反映水体所受污染程度和湖泊、水库水体富营养化程度的重要指标之一，也是水质检测的常规指标之一。1.2现行水质氨氮检测方法1.2.1分光光度法(1)纳氏试剂法纳氏试剂法是氨氮检测的国标方法，又称纳氏试剂比色法或纳氏试剂光度法。纳氏试剂法的原理是碘化钾和碘化汞的碱性溶液与水中的氨发生化学反应生成淡红棕色胶态化[6]合物，该颜色在波长400-425nm下具有强烈的吸收，从而实现水中氨氮的测量。(2)靛酚蓝光度法靛酚蓝光度法是用苯酚为显色剂，次氯酸钠作为氧化剂，亚硝基铁氰化钠为催化[7]剂，使水中的氨氮发生化学反应生成靛酚，通过在625nm出测量其吸光度来计算溶液氨氮浓度。(3)水杨酸分光光度法其原理是在亚硝基铁氰化钠存在下，铵在碱性溶液中与水杨酸盐和次氯酸盐生成[8]蓝色化合物，用酒石酸钾钠作掩蔽剂，在700nm处比色定量。测试范围是使用最大试样体积为8mL时，氨氮质量浓度可达1mg/L，使用10mm比色皿时，最低检出质量浓度为0.01mg/L。1.2.2电化学分析方法(1)氨气敏电极法2 华中科技大学硕士学位论文原理是氨气敏电极以平头PH玻璃电极为指示电极，以银-氯化银为参比电极形成一组电极对，一并置于盛有0.1mg/L的氯化铵内充液的塑料套管中。套管底部有一仅+-氨气可以通过的疏水微孔透气膜。氨水进入内充液后，反应如下：NH3+H20=NH4+OH，结果内充液的PH值随氨的进入而增高，使玻璃电极电位发生变化。当溶液离子强度、[9]酸度、性质恒定，电极参数恒定条件下，测得溶液的电位值与氨浓度符合能斯特方程。(2)吹脱-电导法原理是将铵离子变成氨分子后，在90摄氏度以气体将水样中氨氮吹出，用5mol/L[10]硫酸吸收，吸收液电导率的变化在一定浓度范围内与氨氮吹出量成正比。(3)离子选择电极法离子选择电极（ISE）是一种电化学传感器，其结构中有一个对特定离子具有选择性响应的敏感膜，将离子活度转换成电位信号，在一定范围内，其电位与溶液中特定离子活[11]度的对数呈线性关系，通过与已知离子浓度的溶液比较可求得未知溶液的离子活度。1.2.3流动注射法流动注射法是利用具有流速的试剂流的容量测定，如用聚四氟乙烯管代替烧杯和容量瓶，通过流动注射进行分析的方法。流动注射法常常与分光光度法结合使用，此[12]方法具有分析速度快、操作简便、试剂消耗量少以及精确度高等特点。1.3论文内容安排本论文基于纳氏试剂分光光度法对水质氨氮浓度检测的基本原理设计了一套数据分析和检测系统，实现了对溶液氨氮浓度的测量，溶液在连续波长范围内吸光度的变化，显色时间对溶液吸光度的影响等。本论文一共分为六章。第一章为绪论，主要介绍了当前我国水质污染情况，水质检测的重要性以及现行水质检测的常用方法。第二章为系统总体介绍与检测方法原理，介绍了整个水质氨氮浓度检测的系统组成和系统的检测方法。第三章为信号采集和滤波器，对系统中使用的硬件检测系统做了详细介绍，通过AVR单片机对连续波长范围的光强进行检测，并将数据通过串口传给计算机。同时，3 华中科技大学硕士学位论文单片机对电机的控制实现单色仪输出光波长的选择。最后介绍了数据采集中用的滤波器，包括低通滤波器和算术平均发数字滤波器。第四章为氨氮浓度检测软件，首先介绍了软件开发的工具、使用的数据库以及利用到的第三方控件，然后介绍了数据库的设计，并给出相关数据库表的定义，最后详细介绍了软件各个界面的功能，并给出部分算法流程图及代码。第五章为实验部分，简要描述了实验步骤，包括不同浓度溶液吸光度的连续波长采集，显色时间对溶液吸光度的影响，标准曲线的制定，同时给出测量数据并进行处理分析。第六章为总结与展望，对本论文所做工作进行总结，描述系统目前具备的功能，同时指出目前尚存在的一些问题和将来的研究发展方向。4 华中科技大学硕士学位论文2系统总体介绍与检测方法原理本章主要介绍了氨氮检测系统的硬件组成部分以及所采用到的检测方法及原理。2.1系统总体介绍氨氮检测系统采用分光光度法对溶液氨氮浓度进行检测，系统由光源、光路系统、单色仪、探测器、步进电机、AVR单片机以及一台PC机组成，系统结构图如图2-1所示。图2-1系统结构图系统工作流程：1）光源发出的光经光路系统后，经单色仪产生连续波长的单色光，单色光通过装满被测溶液的比色皿后，由探测器将采集到的光强信息（探测器获得的是电压信号，经PC机后续计算出其光强）传送到单片机，再由单片机传送到PC机进行计算分析。其中，单色仪的转动是由步进电机的转动来实现的，而步进电机的转动方向及步数由PC机设定并通过单片机下达指令给步进电机。2）每次系统工作时，步进电机首先去寻找单色仪的起始波长值，当步进电机驱动单色仪转动到其起始波长位置时，产生一个电压跳变信号传送给单片机，单片机接收到此信号后立即下达指令停止步进电机的转动。下面对系统中所采用的硬件做简要说明：光源：发出连续波长的光。光路系统：由透镜组组成，保证光源通过光路系统后进入单色仪的光束为平行光，并有足够的光强进入单色仪入射狭缝。5 华中科技大学硕士学位论文单色仪：对复合光进行分光，输出单色光。步进电机：驱动单色仪的转动（正转和反转）。探测器：将采集到的光信号转换为电信号。本实验中选用的探测器为Thorlabs公司提供的FDS100硅光电二极管。AVR单片机：本实验中选用ATmega16单片机，利用单片机实现了控制电机转动驱动单色仪，采集数据，A/D转换以及与PC机的通信。PC机：氨氮浓度检测软件的运行平台，用户操作的入口，包括通信串口的设置，最大吸收波长值的测定以及溶液标准曲线、氨氮浓度检测等，同时将采集到的数据（经过处理后）以谱线的方式呈现给用户，并支持用户管理，数据的存储及历史数据的查询等功能。2.2系统检测方法介绍2.2.1系统检测原理实践证明，溶液对光的吸收程度，与该溶液的浓度、溶层厚度及入射光强度等因素有关。朗伯比尔定律（Lambert-Beer）是分光光度法中的一条基本定律，被测物质溶液在一定浓度范围内对于一定波长的单色光的吸光度与溶液中被测物质的浓度和溶液层厚度成正比。其数学表达式为：A=KCl(2-1)其中，A为吸光度，表示单色光通过被测溶液时被吸收的程度，等于入射光强度I0与透过光的强度It比值的对数，表达式如下：IOA=lg(2-2)ItK为比例常数，称为吸光系数或消光系数，吸光系数K与吸光物质的性质、入射光的波长、显色时间和显色剂用量等因素相关，同时受到干扰吸光物质、酸度等因素的干[14]扰。如果溶液浓度C以mol/L表示，溶液层厚度L以cm表示，则常数K称为摩尔吸光系数，并用e表示，此时表达式为A=eCl(2-3)6 华中科技大学硕士学位论文e单位为L/(mol×cm)；C为被测溶液的所含被测物质的浓度，单位为mol/L；l为溶液层厚度，单位为cm。2.2.2分光光度法许多物质本身具有明显的颜色，例如KMnO4溶液呈紫红色，K2Cr2O7溶液呈橙色等。还有一些物质本身没有颜色或者颜色很淡，但当它们与某些试剂发生化学反应2+2+后，则可生成显颜色的物质。如Fe与邻二氮菲形成稳定的红色络合物，Hg与双硫腙在酸性溶液中形成稳定的橙色络合物等。这些有色物质颜色的深浅与有色物质的浓度有关。溶液越浓，颜色越深。因此，在分析中，可以用比较颜色的深浅来测定溶液中该种有色物质的浓度，这种测定方法称为比色分析法。随着近代测试仪器的发展，多年来已普遍使用分光光度计来进行比色分析，这种方法称为分光光度法。比色法和分光光度法通常用于试样中微量与痕量组分的测定。该方法的主要特点是：-3(1)灵敏度高。适于测定试样中含量为1%-10%的微量组分，甚至还可测定含量为-510%左右的痕量组分。(2)准确度较高。一般比色分析法的相对误差为5%-10%，分光光度法为2%-5%。对于常量组分的测定，其准确度虽然比滴定分析法低，但对微量组分的测定，效果还是令人比较满意的。因为对于微量组分，用滴定分析法测定时，误差也较大，甚至是无法测定的。(3)操作简便，测定速度快。在比色法或分光光度法中，由于应用了选择性高的显色剂和适当的显色条件，一般不经分离，就可避免干扰，直接进行测定。测定的仪器设备也比较简单，且操作方便、快速。(4)应用广泛。大多数无机离子和许多有机化合物均可直接或间接地用比色法或分光光度法进行测量。在水质分析中，由于有机显色剂的广泛采用，使比色法或分光光度法的应用更加广泛和重要。利用分光光度法进行比色测量时，通常有两种方法：工作曲线法和比较法。测定大批试样常采用工作曲线法，测量少数个别试样则采用比较法。7 华中科技大学硕士学位论文工作曲线法是配置一系列已知浓度的标准有色溶液，在一定波长下分别测定其吸光度。以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得到一条通过原点的直线（理想情况，实际中常常会带有偏差），称为工作曲线或标准曲线。然后在同一条件下，测量被测试溶液的吸光度，在工作曲线上即可查到试液的浓度。比较法是在同一条件下，分别测定标准溶液和被测试液的吸光度，从而计算出被测试液的浓度。根据朗伯比尔定律，在入射光波长一定和液层厚度相等的条件下，溶液的吸光度与其浓度成正比。并且，由于标准溶液与被测溶液的性质一致、温度一致、入射光波长一致，因此标准溶液和被测溶液的吸光系数相同，故可以根据测量出的标准溶液的吸光度和被测溶液的吸光度以及标准溶液的浓度计算出被测溶液的浓度：C标C=A⋅(2-4)试试A标应用比较法进行计算时，必须保证C试与C标相接近时结果才是可靠的，否则将有一定的误差。2.2.3系统检测方法本系统是基于分光光度法检测原理，利用绘制标准曲线法的方法来实现对溶液氨氮的浓度检测。系统设计了一套光路系统和信号采集与处理系统，光路系统用来将光源发出的光会聚到单色仪入射狭缝，从单色仪出射狭缝射出的光经过比色皿后被探测器采集到其光强信号；信号采集与处理系统包括单片机和计算机两部分，单片机的作用是驱动单色仪转动，采集数据并将数据传送个计算机，计算机的作用是自主研发的一套氨氮浓度检测软件的运行平台，该软件支持最大吸收波长值的寻找、连续波长吸光度采集、显色时间对溶液吸光度影响分析，以及制定检测标准曲线并测量溶液浓度。2.3本章小结本章首先对氨氮浓度检测分析系统的各组成部分及其功能做了概括性介绍，然后详细介绍了系统所采用的检测方法即分光光度法，并对分光光度法的原理进行了说明，8 华中科技大学硕士学位论文朗伯比尔定律说明在单色光的照射下，溶液的吸光度和溶液的浓度、溶液层的厚度成正比。文章最后介绍了系统选用的检测方法。9 华中科技大学硕士学位论文3信号采集与滤波器本章首先对系统信号采集模块中所使用的单片机进行了简单介绍，然后详细介绍了单片机完成的功能，包括对电机的驱动、单色仪初始位置的判断、模拟信号的采集、与计算机之间的通信等。最后介绍了对采集到的信号设计了低通滤波器和数字滤波器，将采集的信号进行了初步的信号处理。并给出了相关代码。3.1ATmega16单片机ATmega16是一种基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的精简指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，因此可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核指令集丰富，同时拥有32个通用工作寄存器。由于所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，从而一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码的效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16单片机有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG借口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行借口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。ATmega16单片机有32个通用I/O口，分为PA、PB、PC和PD四组，每组都是8位。这些I/O口都可以通过各自的端口寄存器设置成输入和输出。10 华中科技大学硕士学位论文3.2单色仪波长选择的控制3.2.1单色仪本实验中选用的单色仪为北京金康泽光学仪器有限公司提供的M0724S型紫外可见单色仪，该单色仪体积只有手掌心大小，配上步进电机和驱动电路，可由计算机控制进行波长扫描，广泛应用于各种紫外可见光谱分析中。其技术性能指标如下：波长范围：190-700nm波长准确度：±1nm；波长重复性：0.5nm光栅：2400线/mm焦距：74mm相对孔径：D/f=1/4出轴分度：波长驱动轴每转动一周为35nm外形尺寸：90×60×50mm重量：0.5Kg该单色仪的工作原理：由光源发出的光进入入射狭缝S入,照射到平面反光镜M1上，由M1反射到准直镜MR上，准直后射向光栅G，由光栅衍射而色散的光束射向成像物镜MR，再由成像物镜经平面反射镜M2将单色光成像在出射狭缝S出上。原理图如图3-1。图3-1M0724S型单色仪原理图S入、S出：入、出射狭缝M1、M2：平面反光镜MR：球面反光镜G：光栅11 华中科技大学硕士学位论文3.2.2步进电机[16]步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、转动的圈数仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步进电机的“步距角”。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精准定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速[17]的目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电[16]机和单项式步进电机等。本实验中采用的是型号为MP28GA的步进电机，通过ULN2003驱动芯片与AVR单片机连接，连接电路图如图3-2所示，ULN2003芯片连接单片机的PC0-PC4口。图3-2电机连接电路图3.2.3单色仪波长控制的实现当单色仪出轴转动到某一位置时，波长定位开关输出一个电平变化信号，以此信号作为某一波长的标识，即为单色仪的起始波长值，本实验采用的单色仪起始波长值为157nm。波长扫描选用步进电机驱动，每次开机时步进电机反转寻找单色仪起始波长，当单片机检测到电平变化信号时停止电机转动，即找到起始波长值。如欲运行到某波长，所需波长=起始波长值+每一步波长值×步数，步进电机正转，开始计数，直到步进电机走了所需步数后停止，此时单色仪出射狭缝射出的即为该波长的光。12 华中科技大学硕士学位论文本系统中，设定单色仪寻找到起始波长值后正转到波长值为200nm位置，单色仪电平输出与ATmega16单片机INT0中断源连接，其对应的中断向量号为2，中断处理函数如下：#pragmainterrupt_handlerINT0_isr:2//INT0_isr为中断函数名，2为终端号voidINT0_isr(void){step_init=0；//标志步进电机走到单色仪起始位置step_counter=0；//当前步数值清零set_counter=2516；//2516步约43nm，指示将单色仪转动到200nm位置}步进电机接在ULN2003的输出上，对应单片机IO为PC0-PC3，单片机通过对[23]PC0-PC3的信号输出实现步进电机的转动，包括正转和反转。unsignedchartable[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}；//全局变量，步进电机控制顺序if(set_counter>step_counter)//设定步数大于当前步数{step_index++;//标识table下标位if(step_index=4){step_index=0;}//当下标等于4，将其置零PORTC=((PORTC&0XF0)|table[step_index]);//置PORTC低四位为table当前下标位对应的值step_counter++;//当前步数加一cnt=step_counter%5//每走5步向计算机发送数据if(!cnt)put_str(step_counter);}elseif(set_counter>3);//输出值AD_val为AD_sum除以8AD_counter=0;//计数器置零AD_sum=0;//采样值置零}3.5本章小结本章介绍了氨氮浓度检测及分析系统的信号采集模块，单色仪波长的选择的控制，单片机对信号的采集、处理以及与计算机之间的通信，并对信号采集中所用到的滤波电路和数字滤波器做了介绍。17 华中科技大学硕士学位论文4氨氮浓度检测软件本章首先介绍了软件开发工具、数据库以及软件设计中采用的第三方控件，然后详细介绍了氨氮浓度检测软件，该软件主要包括三个模块：1)系统设置模块。包括串口通信设置和用户管理，其中用户管理又包括添加用户和修改密码；2)数据检测模块。包括最大吸收波长值测定、连续波长吸光度采集、显色时间对吸光度的影响分析、标准曲线测量以及浓度检测；3)数据存储模块。包括数据存储和历史记录查询。氨氮浓度检测软件结构图如图4-1所示。图4-1氨氮浓度检测软件结构图4.1开发工具介绍[33]本软件采用的开发工具为Delphi7.0，Delphi是由Borland（现Inprise）公司于1995年推出的快速应用软件开发工具，它以组件化的编程方式、面向对象的程序设计、快速的Pascal编译器、众多的组件和强大的数据库及网络应用开发支持，在竞争激烈的开发工具市场中越来越赢得程序设计者的青睐，是开发客户机-服务器程序的高校工具，是面向对象编程的典范。18 华中科技大学硕士学位论文Delphi是Windows系统下的可视化集成开发工具，提供了强大的可视化组件VCL（VisualComponentLibrary）功能，使程序员能够快速、高效地开发出Windows系统下的应用程序，特别是在数据库和网络编程方面，Delphi与其他工具相比更是胜出一筹。Delphi7是2002年8月推出的应用程序开发工具，相对于上一个版本Delphi6，Delphi7有了一定的发展，在保持了其原有的各种优势之外，又在对网络应用开发方面提供了更强大的支持，而且增加了对Linux平台下应用程序开发的更强大支持。[34]目前，利用Delphi实现串口通信通常有三种方法：一是利用控件，如MSComm控件和SPComm控件；二是使用API函数；三是调用其他串口通信程序。较另外两种方法而言，利用控件来实现串口通信更加便捷，由于SPComm控件无法设置响应事件字符数，即必须等到缓冲区装满数据才触发OnComm事件，给程序处理带来不便，因此本软件采用MSComm控件来实现串口通信。在图形编程方面，Delphi提供了图表部件Chart，可以生成条形图、折线图、饼图[35]等各种形式，并允许具有三维外观等视觉特性。Chart包含两种不同的控件，分别用于创建一般数据图表和数据库图表，这两个控件分别为Chart控件和DBChart控件。本系统需要实时采集串口传来的波长与光强信息，并绘制以波长为横轴和光强为纵轴的二维曲线图，然而Chart控件和DBChart控件绘制的图形或曲线是以某些数据文件或某一数据库表为基础，不便实时更新，因此本系统采用更适合通过实时获取数据绘制二维曲线的第三方控件Tsp_XYPlot和Tsp_XYLine来绘制二维曲线，极大的方便了软件的开发设计。Delphi是一种功能强大的数据库应用程序开发平台，它能访问和操作多种类型的数据库。Delphi提供两种方式来访问各种数据源：BDE（BorlandDatabaseEngine）和ADO（ActiveDataObject）。BDE是Borland公司开发的数据库引擎，它的基本思想是把应用程序与具体数据库隔离开来，提供一个统一的接口供用户使用。应用程序不再直接与具体的数据库打交道，而是向BDE提出操作数据库的申请，由BDE具体操[36]作数据库并把操作结果返回给应用程序。ADO是微软公司设计的最新的数据库访问技术，用来与OLEDB一起协同工作，以提供通用数据访问。OLEDB是一个低层的数据访问接口，它向应用程序提供了一个统一的数据访问方法，用它可以访问各种数据源，包括传统的关系型数据库、电子邮件系统及自定义的商业对象。19 华中科技大学硕士学位论文4.2三方控件4.2.1MSComm控件MicrosoftCommunicationControl（MSComm）是Microsoft公司提供的Windows下串行通信编程的ActiveX控件。该控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件，提供了一系列标准通信命令借口，可以用它创建全双工、事件驱动、高效实用的通信程序。MSComm控件通过串口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。[37]MSComm控件提供了两种处理通讯的方式，即事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。一般来说，在事件发生时需要得到通知，如在串口接收或发送缓冲区有字符，或者CarrierDetect（CD）或RequestToSend（RTS）线上有字符到达或者发生变化时，MSComm控件的OnComm事件将会捕获这些变化并做相应的处理。查询方式是通过检查CommEvent属性的值来查询事件的类型并执行程序命令的一种方法。查询方式实质上还是事件驱动，通常应用程序较小并且是自保持的，这种方式显得更为方便。表4-1列出了可能出发OnComm事件的通讯事件，对应的值将在发生事件使被写入CommEvent属性。表4-1CommEvent属性值意义常数值描述ComEvSend1发送缓冲区中的字符数少于SThreshold接收到RThreshold个字符。在使用Input属性取回接收缓冲区ComEvReceive2中的数据之前，该事件将持续产生。ComEvCTS3CTS信号发生变化。ComEvDSR4DSR信号发生变化。该事件仅在DSR由1变为0时触发。ComEvCD5CD信号发生变化。检测到电话振铃。某些UART（通用异步收发器）可能不支持ComEvRing6本事件。ComEvEOF7收到文件结束符（ASCII字符26）下面对MSComm控件中常用到的属性，同时也是在本软件设计中使用到的一些属性进行介绍：20 华中科技大学硕士学位论文CommPort：设置并返回通讯端口号。Settings：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。PortOpen：设置并返回端口的状态。InBufferSize：设置或返回接收缓冲区大小，以字节为单位。InputMode：设置或返回接收数据的数据类型。0为文本型数据，1为二进制数据。InBufferCount：设置或返回接收缓冲区中已传到但还未被应用程序读出的字符个数。Input：从接收缓冲区返回和删除数据。数据类型由InputMode属性值确定。Output：向传输缓冲区写数据流。OutBufferSize：设置或返回传输缓冲区大小。SThreshold：发送数据时产生OnComm事件的最小字符数。当SThreshold属性值为0（默认值）时，数据传输事件不会产生OnComm事件。RThreshold：接收数据时产生OnComm事件的字符数。和SThreshold一样，默认值也为0，表示数据接收事件不会产生OnComm事件。4.2.2Tsp_XYPlot和Tsp_XYLine控件Tsp_XYPlot和Tsp_XYLine控件是Delphi环境下绘制二维曲线图的免费控件。Tsp_XYPlot控件提供基本的绘图功能，如缩放和移动，它是坐标轴、图形曲线的画布，利用Tsp_XYLine可以在Tsp_XYPlot上绘制曲线，通过多个Tsp_XYLine使用同一个Tsp_XYPlot实现在一幅图中显示多条曲线。下面分别介绍Tsp_XYPlot和Tsp_XYLine的常用属性。Tsp_XYPlot控件有两个横轴、两个纵轴，分别为左轴、右轴、顶轴和底轴，其属性基本相同，程序设置时主要设置坐标轴的属性。坐标轴的常用属性有：Caption：设置或返回坐标轴标题。Max，Min：设置或返回坐标轴最大值和最小值。TicksCount：设置或返回坐标轴刻度数目。Tsp_XYLine的常用属性和方法有：Plot：绘图设置属性，用于设置绘制Tsp_XYLine的画布。21 华中科技大学硕士学位论文XAxis，YAxis：X、Y轴设置属性，分别选择左、右、顶、底轴作为其X、Y轴。Legend：对绘制曲线的描述，曲线代表的意义。Clear：清除绘制的曲线。InsertXY（I：integer；X：double；Y：double）：在曲线上第I个位置开始绘制点，X、Y为要绘制的横、纵坐标值。AddXY（X：double；Y：double）：在Tsp_XYPlot控件上画（X，Y）点。4.3数据库设计Access是微软公司于1994年推出的一种基于Windows的桌面关系数据库管理系[38]统（RDBMS），具有界面友好、易学易用、开发简单、借口灵活等特点。它提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块7种用来建立数据库系统的对象；提供了多种向导、生成器、模版，把数据存储、数据查询、界面设计、报表生成等操作规范化；为建立功能完善的数据库管理系统提供了方便，也使得普通用户不必编写代码，就可以完成大部分数据管理的任务。本系统采取Access作为本系统的数据库，对用户信息，标准曲线等信息进行入库管理，极大的方便了数据的维护并增强了数据的安全性和可靠性。并在应用程序中通[39]过ADO方式对数据库进行访问。ADO操作数据库的物理机制如图4-2所示。图4-2ADO操作数据库的物理机制22 华中科技大学硕士学位论文通过与数据库的连接，使氨氮浓度检测软件对使用用户的合法身份进行有效判断，并对软件检测中产生的相关数据进行存储，便于以后的数据查询及维护，同时连续波长光强原始数据的保存有利于借助其他图形分析处理工具如ORIGIN对数据进行进一步的分析处理。下面将列出在氨氮浓度检测软件中所用到的一些数据库表。表4-2用户信息表字段名数据类型长度用户ID自动编号用户姓名文本8移动电话文本11用户密码文本10表4-3标准曲线表字段名数据类型长度ID自动编号溶液名称文本20测量时间日期/时间测试员文本8表4-4标准曲线明细表字段名数据类型长度ID自动编号溶液名称文本10浓度数字吸光度数字用户信息表用来存储用户的基本信息，包括用户ID，用户姓名，移动电话和用户密码，用户使用用户ID和用户密码来登录使用氨氮浓度检测软件。标准曲线表和标准曲线明细表联合起来存储标准曲线记录，两张表通过溶液名称相关联，其中标准曲线表用来存储的信息有：ID，溶液名称，测量时间，测量员。标准曲线明细表将制定标准曲线时各溶液的浓度值及吸光度进行保存，因此该表包括的字段有：ID，溶液名称，浓度，吸光度。23 华中科技大学硕士学位论文4.4软件介绍氨氮浓度检测软件是为了检测被测溶液的氨氮浓度而研发的，其运用的技术包括多线程技术、图形处理编程技术和数据库编程技术等，该软件实现了对操作人员的管理，串口通信设置，最大吸收波长值的测定，连续波长光吸光度采集、显色时间对吸光度影响分析，标准曲线的测定，氨氮浓度的测量等功能，并支持数据的存储和历史记录的查看。该软件是依据分光光度法测量流程而制定，软件使用者只需按照软件的提示框输入相关测试数据，如测量波长，测量类型（背景光、入射光、出射光）等，系统对采集的信息进行自动化处理，自动计算出测量溶液的氨氮浓度，极大的方便了使用者对氨氮浓度检测中溶液浓度、波长、吸光度三者的关系分析，标准曲线的绘制以及氨氮浓度测量。4.4.1系统登录框运行氨氮浓度检测软件后，进入系统登录框，如图4-3，系统提示用户输入用户ID和密码，点击确定按钮后，系统将查询数据库中用户信息表核实用户身份。当输入的用户ID和密码存在时，进入系统主界面，否则提示输入的用户ID或密码错误，并阻止用户对软件的使用，当用户输入错误次数达到三次时，系统自动退出。图4-3系统登录框4.4.2系统主界面氨氮浓度测量软件主界面如图4-4所示，共有五个主菜单：数据测量，串口设置，查看，用户管理，退出。其子菜单分别为：24 华中科技大学硕士学位论文(1)数据测量：最大吸收波长测量，浓度测量，吸收光谱采集，显色时间影响分析，历史数据查询。(2)串口设置：串口参数设置。(3)查看：坐标轴范围设置，显示标签。(4)用户管理：添加用户，修改密码。(5)退出：退出系统。系统主界面还包括了一个系统状态栏，为用户提供了相关信息：欢迎语，显示图形时坐标信息（鼠标在图形显示区移动），串口连接状态显示和系统时间显示。图4-4系统主界面4.4.3串口参数设置通过对主菜单和子菜单的选择，用户能打开相应程序界面。由于系统测量数据是从下位机通过串口传给计算机，因此进入系统主界面后，我们首先选择串口设置/串口参数设置，打开串口参数设置界面（如图4-5），对串口参数进行设置，具体包括串口号、波特率、校验位、数据位及停止位。当用户设置好这些参数后选择“打开串口”，若打开串口成功，系统主界面状态栏将会显示“串口COM‘N’已打开”信息，提示用户串口通信已建立成功；若打开串口未成功（串口不存在或被占用时），系统将给出错误连接提示框。25 华中科技大学硕士学位论文图4-5串口参数设置界面下面为打开串口按钮的部分代码，说明了串口打开过程中相关属性的配置以及打开串口的流程。withfrmmain.MSComm1dobeginCommPort:=cmbckh.ItemIndex+1;//设置串口号InBufferSize:=2048;//设置输入缓冲区大小为2048个字节OutBufferSize:=256;//设置输出缓冲区大小为256个字节Settings:="19200,n,8,1";InputLen:=0;InBufferCount:=0;//清空输入缓冲区OutBufferCount:=0;//清空输出缓冲区RThreshold:=6;//当输入缓冲区接收数据等于6个字节，出发OnComm事件SThreshold:=4;//当输出缓冲区发送数据等于4个字节，发送数据InputMode:=comInputModeBinary;//设置接收数据类型为二进制tryPortOpen:=true;//打开串口exceptraiseexception.Create("打开串口错误");//当打开串口失败后提示用户end;end;26 华中科技大学硕士学位论文4.4.4最大吸收波长测量串口连接参数设置好后，接下来选择数据测量/最大吸收波长测量进入最大吸收波长测量界面，该界面用来测量被测溶液在最大的吸光度时的波长值，该波长值即为我们后续分析显色时间对吸光度的影响、测量标准曲线以及未知氨氮浓度溶液氨氮浓度的波长值。最大吸收波长测量界面如图4-6所示，该界面由用户输入和结果显示两个部分组成，用户首先选择测量波长范围、测试类型，然后点击“确定”，此时，系统将对用户的输入的合法性进行判断，具体流程见输入合法性判断流程图4-7。当输入数据合法时，根据用户选择的测试类型采集相应数据，首先检测当前波长值是否在用户扫描波长范围的起始值，如果当前波长值不在用户输入的起始值，计算机软件首先给下位机发送指令，让电机转动到单色仪输出该波长光的位置。当单色仪出射狭缝射出的光的波长为起始波长值时，计算机软件再给下位机发送指令让电机转动到单色仪输出扫描波长范围的终止波长值位置，同时将采集到的波长信息以及相应的光强信息（背景光、入射光或出射光）存入对应的文本显示框并在图形显示区实时绘制以波长为横坐标光强信息为纵坐标的曲线。结果显示包括最大吸收波长值显示、当前波长值显示、采集数据的文本显示和图形显示，文本显示框有三个TMemo控件组成，分别对应背景光强、入射光强和出射光强，双击文本数据显示框，将打开保存对话框，选择保存路径，输入文件名，将数据保存为txt文档。图4-6最大吸收波长测量界面27 华中科技大学硕士学位论文图4-7输入合法性判断流程图最大吸收波长值的测量分为3个步骤：首先测量扫描波长区间的背景光强，然后测量扫描波长区间的入射光强（入射光强为放置比色皿前的光源发光光强减去背景光强），最后测量扫描波长区间的出射光强（出射光强为放置比色皿后，光源透过装满被测溶液的比色皿后的光强减去背景光强）。系统获得出射光强和入射光强后，通过预设计算方法自动计算出扫描波长区间各波长（间隔为0.1nm）的吸光度，吸光度最大时的波长值即为所求最大吸收波长值，并将计算结果显示在软件界面上。事实上，计算机从下位机获得的原始数据为电机步数和电压信息，计算机通过一系列转换后，将电机步数和电压信息转换为波长和光强。下位机给计算机传送的数据包长度为6个字节，格式如表4-5所示。28 华中科技大学硕士学位论文表4-5下位机给计算机传送的数据包格式起始位数据位结束位1个字节4个字节1个字节起始位：1个字节，标示一个数据包的开始，程序中使用十六进制数BB。数据位：4个字节，通信的数据信息，其中前两个字节表示步进电机步数信息，后两个字节为电压信息。结束位：1个字节，标示一个数据包的结束，程序中使用十六进制数EE。由于计算机传送给下位机的指令仅包含波长范围或某一固定波长值，因此计算机给下位机传送的数据包长度为4个字节，格式如表4-6所示。表4-6下位机给计算机传送的数据包格式起始位数据位结束位1个字节2个字节1个字节起始位：1个字节，标示一个数据包的开始，程序中使用十六进制数BB。数据位：2个字节，表示步进电机步数信息。结束位：1个字节，标示一个数据包的结束，程序中使用十六进制数EE。4.4.5吸收光谱采集该界面功能：测量不同浓度溶液对连续波长光的吸光度，分析溶液对不同光的吸收规律。选择数据测量/吸收光谱采集进入吸收光谱采集界面，如图4-8所示。进入界面后输入检测溶液浓度值，扫描波长范围，第一次测量时需先扫描背景光和入射光，然后再扫描出射光，计算得到的波长范围内的吸光度数据加入到相应文本显示框，同时在图形显示区绘制吸收光谱图。之后测量只需检测出射光强，并可得到吸光度。为了将采集的波长—吸光度结果更好的呈现出来，包括数值数据和图形表示，目前该界面只支持3种不同浓度溶液对连续波长光的吸收光谱（吸光度）采集。该界面也对用户输入的数据进行了有效性判断，三个文本数据显示框分别显示三种浓度的连续波长光吸光度数据。双击文本数据显示框将数据以txt格式保存。29 华中科技大学硕士学位论文图4-8吸收光谱采集4.4.6显色时间影响分析选择数据测量/显色时间影响分析打开显色时间影响分析界面，如图4-9所示。该界面的主要功能是分析显色时间对氨氮溶液在指定波长下吸光度的影响，为了在制定标准曲线选择更合理的显色时间对吸光度的测量。图4-9显色时间影响分析30 华中科技大学硕士学位论文进入显色时间影响分析界面后，选择测量波长值，检测溶液浓度，显色时间后测量其吸光度，修改显色时间值继续测量，可以得到同一浓度下在不同显色时间下对同一波长光的吸光度曲线。修改浓度值，重复上述过程，得到其他浓度下的在不同显色时间对同一波长光的吸光度曲线。不同浓度溶液的吸光曲线分别通过颜色的不同来区分，并带有曲线标识说明。4.4.7浓度测量在前面一系列的测量分析（最大吸收波长值的寻找，显色时间对吸光度的影响）后，选择数据测量/浓度测量进入浓度测量页面，如图4-10所示，在本论文第二章中已指出，利用分光光度法进行比色测量时，通常有两种方法：工作曲线法和比较法。由于工作曲线法对检测被测溶液氨氮浓度具有更高的精确性，我们在此选择工作曲线法。图4-10溶液浓度测量界面因此浓度测量界面包括两部分的测量：标准曲线的测量和溶液浓度的测量。如图4-10所示，在标准曲线测量模块中，用户需要输入测量波长值（即之前求出的最大吸收波长值）以及已知溶液的浓度，分别选择背景光强、入射光强、出射光强后测量计算出该浓度溶液的吸光度（A=In(I入/I出)），并在界面图形显示区添加一个空心圆点，该点横坐标为溶液浓度，纵坐标为测量所得的吸光度，点击添加按钮，输入新的溶液浓度值，重复背景光强、入射光强、出射光强测量过程，测得新的氨氮浓度溶液的吸光度并添加新的空心圆点，如此反复测量多组浓度溶液的吸光度后，得出一条多个空31 华中科技大学硕士学位论文心圆点连接成的折线即为所求标准曲线。软件同时支持标准曲线的数据库保存与读取，若已经拥有与被测溶液相关的标准曲线数据，不必再次测量，可以直接点击选择记录按钮将标准曲线数据加载到程序当中来。测量或读取标准曲线数据后，输入被测溶液名称，依次选择测试类型为背景光、入射光、出射光，测量计算出吸光度后，通过移动鼠标位置在图形显示区标准曲线上找到该点对应的浓度，即为被测溶液的浓度。4.4.8坐标轴设置在最大吸收波长测量和浓度测量两个界面中，当测得的数据显示在当前坐标图之外或者显示在很小的一个区域时，我们可以选择查看/坐标轴范围设置打开坐标轴界面（如图4-11），该界面打开时读取当前图形显示区的坐标值（横纵坐标最大、最小值）并显示到界面对应位置，用户通过修改横、纵坐标最大、最小值可以让图形数据更好的显示在当前图形显示区，便于查看分析。图4-11坐标轴设置4.4.9添加用户和修改密码氨氮浓度检测软件具有用户管理的基本功能，保证具有权限的用户才能使用该软件。本软件初始一个超级用户，用户ID为0001，该用户拥有添加用户的权限，而其他用户不具有该权限。选择用户管理/添加用户，打开添加用户界面（如图4-12），当添加用户界面被打开时，系统查询数据库用户信息表中最大用户ID号并将其自动加1后返回到用户ID编辑框当中，该编辑框自动添加，不允许用户自行添加或修改，超级用户添加新用户的基本信息（包括姓名，移动电话）后点击确认按钮，即添加了一个能32 华中科技大学硕士学位论文使用本软件的新用户，用户密码初始为六个8，该用户在第一次使用本软件时，系统将提示其修改密码。图4-12添加用户界面选择用户管理/修改密码进入修改密码界面，如图4-13所示，用户被提示输入原密码和新密码，然后点击确认按钮，这时系统将对查询数据库用户信息表用户原密码进行判断，当原密码不正确时，将提示用户原密码输入错误并阻止其对密码的修改。图4-13修改密码界面4.5本章小结本章首先对氨氮浓度检测软件所用的开发工具、数据库，开发过程中采用的第三方控件做了介绍，然后介绍了数据库的设计及软件中使用到的数据表的定义，最后详细介绍了氨氮浓度检测软件的每个界面功能，给出部分算法流程图和部分代码。33 华中科技大学硕士学位论文5实验部分5.1实验原理以游离态的氨或铵离子等形式存在的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物，该络合物的吸光度与溶液氨氮含量成正比，在波长400至420nm处测量吸光度。5.2实验器材10mm比色皿，500mL烧杯两个，50mL烧杯，10mL量筒，坩埚，电子天平，滴定管，蒸馏水机等。5.3试剂实验中用到的试剂包括氨氮溶液，纳什试剂，蒸馏水。5.3.1氨氮标准溶液称取1.910g氯化铵溶入水中，移入500mL容量瓶中，稀释至标线，得到氨氮标准贮备溶液，浓度为1000mg/L，可在2℃-5℃保存一个月。吸取5mL氨氮标准贮备溶液于500mL容量瓶中，稀释至刻度。得到的溶液氨氮浓度为10mg/L。作为氨氮标准工作溶液，临用前配置。5.3.2蒸馏水通过实验室蒸馏水机直接制备获得。5.3.3纳氏试剂纳氏试剂的配置按照国标有两种配置方案，本实验中选用配置二氯化汞-碘化钾-氢氧化钾（HgCl2-KI-KOH）溶液，称取15.0g氢氧化钾，溶于50mL水中，冷至室温。称取5.0g碘化钾，溶于10mL水中，在搅拌情况下，将2.50g二氯化汞粉末分多次加入碘化钾溶液中，直到溶液呈深黄色或出现淡红色沉淀溶解缓慢时，充分搅拌混合，并改为滴加二氯化汞饱和溶液，当出现少量朱红色沉淀不再溶解时，停止滴加。在搅34 华中科技大学硕士学位论文拌下，将冷却的氢氧化钾溶液缓慢地加入到上述二氯化汞和碘化钾的混合液中，并稀释至100mL，于暗处静置24h，倾出上清液，贮于聚乙烯瓶内，用橡皮塞或聚乙烯盖子盖紧，存放暗处，可稳定一个月。5.4实验步骤5.4.1溶液吸收光谱分析分别取2mL，3mL，4.5mL，6mL，7.5mL氨氮标准溶液与5个50mL烧杯中，加蒸馏水至标线，得到浓度分别为0.4mg/L，0.6mg/L，0.9mg/L，1.2mg/L，1.5mg/L的氨氮溶液，加入1.0mL酒石酸钾钠溶液，摇匀，再加入纳氏试剂1.0mL，摇匀。放置20分钟后，在波长340.0nm至700.0nm范围内分别测量浓度为0.6mg/L，0.9mg/L，1.5mg/L溶液的吸光度变化，软件具体操作步骤为：选择数据测量/吸收光谱采集，打开吸收光谱采集界面，首先输入溶液浓度并输入扫描波长范围，依次选择测试类型为背景光强、入射光强和出射光强后，点击确定按钮，三次扫描后得出该浓度下对不同波长的吸光度的谱线，增加其他浓度溶液的测量时，只需输入新的溶液浓度值，并只需测量其出色光强，背景光强和入射光强数据按照第一次测量时的数据，系统支持三种不同溶液的吸收光谱采集，实验结果如图5-1所示。图5-1吸收光谱采集其中红色、蓝色、紫色分别标识溶液浓度为0.6mg/L，0.9mg/L，1.5mg/L的吸光度随波长变化的变化结果，由于采集波长间隔为0.1nm，采集的数据非常多，导致该图的35 华中科技大学硕士学位论文显示效果并不是很好，不便于分析。将文本数据存储为txt文档后，利用Origin软件将3组数据以绘图的形式打开，并利用Origin软件的平滑处理功能（取平均值）处理后，得到吸收光谱图如图5-2所示。A0.9mg/LA0.6mg/L吸光度吸光度波长(nm)波长(nm)1.5mg/LA1.5mg/LA0.9mg/L吸光度吸光度0.6mg/L波长(nm)波长(nm)图5-2平滑处理后的吸收光谱左上：0.6mg/L氨氮溶液吸收光谱右上：0.9mg/L氨氮溶液吸收光谱左下：1.5mg/L氨氮溶液吸收光谱右下：三种氨氮溶液吸收光谱比较从图5-2可以看出，不同氨氮浓度溶液在不同波长处吸光度不同，说明溶液对不同波长的光吸收程度不同，在400.1nm的光吸收最大。吸收光谱曲线反应了物质对光的选择性吸收，三种浓度的三条曲线说明了尽管溶液浓度不同，但对光的选择性吸收是相同的，其λmax（最大吸收波长值）是相同的，同时，浓度越大，对光的吸收也越大。36 华中科技大学硕士学位论文5.4.2显色时间对吸光度的影响将3种浓度（0.6mg/L，0.9mg/L，1.5mg/L）的氨氮溶液在溶液配制后5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、50分钟后在波长值400.1nm处测量其吸光度，选择数据测量/显色时间影响分析，打开显色时间影响分析界面，如图5.3所示，输入波长值，溶液浓度，放置时间，测试其吸光度，保持浓度值不变，重新选择放置时间，再次测量其吸光度，重复这一过程，获得同一浓度溶液在不同时间点的吸光度变化图，如果需要测量其他浓度溶液不同时间点的吸光度，更改溶液浓度，重复上述过程，获得一条新的关于该浓度溶液在不同时间点的吸光度变化图。图5-3中红色折线为0.6mg/L溶液在5个时间点的吸光度值的连线，蓝色折线为0.9mg/L溶液在5个时间点的吸光度值的连线，紫色折线为1.5mg/L溶液在5个时间点的吸光度值的连线，从图中显示结果可以看出，当显色时间达到20分钟后，溶液对光的吸收程度趋于稳定状态，说明在溶液显色20分钟后对其吸光度进行测量，效果更佳，使因溶液显色时间不足造成的吸光度测量的误差减到最小。1.5mg/L0.9mg/L0.6mg/L图5-3显色时间对溶液吸光度的影响5.4.3标准曲线的制定我们选择通过制定标准曲线的方法来测量溶液的浓度，选择数据测量/浓度测量，打开浓度测量界面，如图5-4所示，该界面用来测量标准曲线以及溶液浓度，由于测37 华中科技大学硕士学位论文定浓度前，需要先对标准曲线进行测定，实验中，我们配制了溶液浓度分别为0.4mg/L，0.6mg/L，0.9mg/L，1.2mg/L，1.5mg/L的溶液，显色时间达到20分钟后，分别在波长值为400.1nm处测量其吸光度，每次测量得到一个溶液的吸光度后，在图形显示区绘制一个空心圆点，该圆点的横坐标为溶液浓度，纵坐标为吸光度，当图中圆点数大于1时，将当前测量所得的圆点与上一次测量所得圆点用直线连接，得到的折线即为溶液的标准曲线，见图5-4。点击保存按钮将标准曲线保存到数据库中，便于下次测量时直接从数据库导入数据，省去再次测量的过程。图5-4标准曲线制定测量绘制出的标准曲线证明，在实际的测量中，由于系统本身和溶液配制的纯度会给测量带来误差，但是该标准曲线的误差在允许范围内，完成了预期对氨氮浓度检测标准曲线绘制的目标。5.5本章小结本章为实验部分，对实验原理、实验器材、实验所用到的试剂的配置及实验过程作了简短介绍，通过实验验证了溶液浓度不同最大吸收光波长值固定，溶液浓度越大对某一单色光的吸光度越大，并通过采样5种溶液浓度在显色时间达20分钟后在400.1nm处的吸光度制定了标准曲线。同时对实验结果进行了直接分析和利用ORIGIN工具处理后的间接分析。38 华中科技大学硕士学位论文6总结与展望6.1工作总结水是人类生命的源泉，是人类得以延续的重要物质基础。当前我国水污染现象严重，水质检测的重要性和紧迫性不言而喻。氨氮检测是水质检测中不可或缺的一项，氨氮检测的方法有多种，分光光度法是目前水质氨氮检测的主要方法，其中纳氏试剂分光光度法是氨氮检测的国标方法。本论文的主要目的是研究基于分光光度法对溶液氨氮浓度的检测与分析，完成的工作主要有：(1)介绍现行水质氨氮检测的常见方法，并对分光光度法及其原理作了详细介绍。(2)设计了一套基于AVR单片机的数据检测系统，通过单片机控制电机驱动单色仪获得单色光，将采集到的数据实时发送到计算机进行进一步处理。(3)对采集的信号进行滤波处理，具体设计了低通滤波器和算术平均数字滤波器。(4)在上位机编写氨氮浓度检测软件，包括串口通信的设置，人员管理，信号检测与分析等功能，并为该软件设计了一套数据库，用于软件中相关数据的存储与查询。(5)通过实验分析溶液浓度对连续波长光的吸光程度的规律、溶液显色时间对溶液吸光度的影响，并绘制了标准曲线，验证了整套系统的可靠性。本论文的创新点在于自主研发了一套氨氮浓度检测软件，该软件除了实现氨氮测量标准曲线的绘制和氨氮浓度的测量之外，还具有最大吸收波长值的查找、溶液浓度对连续波长光的吸光度的影响分析、显色时间对溶液吸光度的影响分析等功能，同时该软件具备强大的数据库支持，取代了传统的人工数据维护，极大的方便的测量员的测试工作，引入数据库的入库管理也带来了数据查询和维护的简易型。6.2展望由于该系统目前处于实验阶段部分，系统的功能仍需要进一步完善。具体的可以从以下几个方面考虑：(1)光路系统进一步优化，使光源的能量得到充分的利用，尽可能排除背景光带来的噪声影响。39 华中科技大学硕士学位论文(2)更换更高性能的单片机来实现数据的采集与处理，尽管目前采用的AVR单片机已经能够满足数据采集的功能，并能很好的与上位机进行通信，但对于设计复杂的数字滤波器的功能实现还是望尘莫及。(3)氨氮浓度软件方面，由于时间的不足，数据库存储方面有待完善，目前数据的存储包括数据库存储和文件存储两部分，将来应尽量将系统采集的数据实现完全的数据库存储管理，增加数据的安全性以及便于数据的查询。40 华中科技大学硕士学位论文致谢两年半的硕士生涯转瞬即逝，在硕士研究生阶段，由始至终得到了导师王双保老师的悉心指导和不倦的教诲。本论文在王老师的指导下完成，导师严谨求实的科研态度，渊博的学识，孜孜不倦的工作热情，是我们做学生的楷模，学习的榜样，王老师对工作认真负责的态度，诲人不倦的师者风范，都使我们终身受益。感谢王老师在整个选题、实验和论文撰写期间对我学术上的指导和精神上的鼓励。在此祝王老师身体健康，合家欢乐。感谢刘文教授对我学业上的指导和生活上的关心，刘老师工作忙碌辛苦，仍不忘对我们学习和生活上的关注，感谢徐智谋教授在我研究生阶段给予的帮助和教诲，刘老师和徐老师对工作、学习和人的态度影响着我。感谢同实验室唐锟同学和杨航涛师弟，对本论文的研究工作多有帮助，甚为感激，祝愿唐锟同学在即将踏上社会的道路上一帆风顺、前程似锦，杨航涛师弟在最后的一年硕士研究生生涯学术上取得更大的成绩，毕业时找到合适的工作。感谢我的父母和女友多年以来对我的支持与照顾，他们的爱护和鼓舞使我得到再次深造的机会，感谢他们一直以来对我的理解与关怀，有了他们的支持和鼓励，使得我能顺利完成整个硕士期间的学业。作者：王成龙2010年12月于华中科技大学41 华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]龚志军,谢平,唐汇涓等.水体富营养化埘大型底栖动物群落结构及多样性的影响.生生物学报,2001,25(3):10~16[2]SmithVH,TilmanGD,NekolaJC.Eutrophication:impactsofexcessnutrientinputsonfreshwater,marine,andterrestrialecosystems.EnvironmentalPollution,1999,100(1-3):179~196[3]TarczynskaM,Nalecz-JaweckiG,Romanowska-DudaZ,etal.Testsforthetoxicityassessmentofcyanobacterialbloomsamples.EnvironToxicol,2001,16:383~390[4]林志贵,林英平.建立水质监测信息融合系统的探讨.水利水文自动化,2005,6(2):1~3[5]奚旦立,孙裕生.环境监测(修订版).北京:高等教育出版社,1996.718~721[6]胡海鹏,陈凤凰.水中氨氮的测定.化学教学,2007,7:12~13[7]张蓉,邓天龙,廖梦霞.水环境中氨氮的分析方法进展.四川环境,2008,27(1):76~80[8]卢玉棋.水杨酸盐_次氯酸盐分光光度法测定水中氨氮.环境与健康杂志,1995,5:296~298[9]俞凌云,赵欢欢,张新申.水样中氨氮测定方法研究.西部皮革,2010,32(5):27~33[10]王维德,于宝祥,梁秀凤.吹脱_电导法测定水中氨氮及其自动分析仪.环境监测管理与技术,2003,15(1):30~35[11]李金鹏,张宗培,韩润平等.离子选择电极法测定城市污水中的氨氮.河南化工,2003(8):35~36[12]陈燕,邵秘华,林小燕等.现场分析海水中氨氮的靛酚蓝法.大连海洋大学学报,2007,33(1):142~145[13]李时平,贾文泽.污水中微量氨氮的光度测定方法.石油大学学报,2003,27(5):107~10942 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