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1、 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
2、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 peo
3、ples 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
4、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 de
5、tector 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
6、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 signa
7、l-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
8、 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 Contro
9、ller 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
10、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
11、 -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
12、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
13、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
14、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
15、，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
