對(duì)無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、WORD 對(duì)無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)摘 要蔬菜是最為重要的日常食物，對(duì)維持人體正常生理功能和增進(jìn)健康具有不可替代的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展以與化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用物資的大量施用，蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量和其品質(zhì)受到嚴(yán)重影響。射線探測(cè)器的能量分辨本領(lǐng)是能量色散X熒光分析實(shí)現(xiàn)高靈敏度多元素分析的關(guān)鍵。本文將具有高能量分辨率的電致冷SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器應(yīng)用于攜帶式X熒光儀，并設(shè)計(jì)、研制了與探測(cè)器相配套的電子線路單元和應(yīng)用軟件。通過(guò)最佳“源樣探”幾何參數(shù)論證，設(shè)計(jì)了基于同位素激發(fā)源的“對(duì)稱邊源”激發(fā)裝置，有效提高X熒光探測(cè)的“峰背比”，進(jìn)一步提高分析靈敏度;設(shè)計(jì)并制作了“無(wú)變壓器式高壓偏置電源”和

2、“開(kāi)關(guān)型溫控致冷電源”，提高系統(tǒng)信噪比并降低了靜態(tài)功耗。本設(shè)計(jì)是在深入了解單片機(jī)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的基本要求。在缺乏試驗(yàn)條件的實(shí)際情況下，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析和整定。這對(duì)提高作物品質(zhì)，進(jìn)一步推廣無(wú)公害蔬菜種植、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，無(wú)公害蔬菜，土壤環(huán)境，X射線熒光分析，數(shù)據(jù)采集DESIGN OF THE ENVIRONMENTAL MEASUREMENT DEVICE TO THE GROWTH OF POLLUTION-FREE VEGETABLESABSTRACTVegetables are necessary food in

3、 people's daily life, which are advantageous to people's 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.A

4、s 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 f

5、or 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 schem

6、e 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 imp

7、rove 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 designof the whole system of environmental monitoring equipment is in line with the b

8、asic 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 w

9、ords:MCU(Micro Controller Unit)，pollution-free vegetables，soil environmental，XRF(X-ray Fluorescence analysis)，data acquisition目 錄1緒論- 1 -1.1 土壤中有毒元素的來(lái)源- 1 -1.2 影響土壤中有害元素有效性的因素- 2 -1.3 土壤中有害元素對(duì)人的危害- 3 -1.4 本文背景- 4 -2論文主要任務(wù)和意義- 6 -2.1 現(xiàn)場(chǎng)X熒光分析技術(shù)與儀器的研究現(xiàn)狀- 6 -2.1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀- 6 -2.1.2 國(guó)研究現(xiàn)狀- 8 -2.2 對(duì)X熒光探測(cè)系統(tǒng)

10、的技術(shù)要求- 9 -2.3 論文選題與研究意義- 9 -2.4 論文的主要任務(wù)- 10 -3 基本原理與整體設(shè)計(jì)方案113.1 X熒光分析的基本原理- 11 -3.2 信號(hào)放大調(diào)理電路的原理- 12 -3.3 數(shù)據(jù)處理單元的原理- 13 -3.3.1 復(fù)位電路- 16 -3.3.2 外部時(shí)鐘電路- 17 -3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路- 18 -4 無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)204.1 探測(cè)器選擇- 19 -4.1.1 X射線熒光探測(cè)器- 19 -4.1.2激發(fā)源的選擇- 21 -4.1.3前端結(jié)構(gòu)的選擇- 22 -4.1.4激發(fā)源在前端的布置- 23 -4.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)- 24 -4

11、.2.1 成型放大電路- 24 -4.2.2 脈沖調(diào)理電路- 25 -4.2.3 甄別與A/D裝換器觸發(fā)電路- 26 -4.3 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)- 27 -4.3.1 鍵盤的選擇- 27 -4.3.2 顯示單元的設(shè)計(jì)- 28 -4.3.3 A/D轉(zhuǎn)換單元在系統(tǒng)中的位置- 30 -4.4 系統(tǒng)工作條件的保障- 32 -4.4.1 高壓偏置電源的設(shè)計(jì)- 32 -4.4.2 開(kāi)關(guān)型溫控致冷電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)- 34 -5 無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀軟件系統(tǒng)395.1 編程語(yǔ)言的選擇- 37 -5.1.1 匯編與C語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)- 37 -5.2 數(shù)據(jù)采集有關(guān)軟件設(shè)計(jì)- 39 -5.2.1主程序設(shè)計(jì)- 4

12、0 -5.2.2中斷程序設(shè)計(jì)- 42 -5.2.3顯示流程圖- 43 -結(jié)論- 44 -致- 45 -參考文獻(xiàn)50附錄A 系統(tǒng)硬件原理圖51附錄B 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)53- 57 - / 611 緒論當(dāng)今世界越來(lái)越多的人為追求健康而不斷的努力著。但是現(xiàn)代化進(jìn)程規(guī)模工業(yè)的建設(shè)，濫墾濫伐與化肥農(nóng)藥的過(guò)量使用卻對(duì)我們提出越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。生活周圍的“綠色”也越來(lái)越多的被人們所關(guān)注。蔬菜的安全衛(wèi)生得到了人們的最新詮釋蔬菜制品要安全衛(wèi)生，其生產(chǎn)加工的過(guò)程，其原材料的生長(zhǎng)環(huán)境也更為人們所關(guān)注，以便從根本上保證食品對(duì)人們健康的“綠色”。土壤環(huán)境有毒元素的快速檢測(cè)成了困擾人們的新難題。1.1 土壤中有毒元素的來(lái)源造

13、成土壤量有毒元素積淀的原因有很多，總結(jié)歸納起來(lái)，主要有以下幾個(gè)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。長(zhǎng)期施用污水、污泥的土壤，土壤中銅、鋅、鉛含量高于背景值34倍，鉻、鎳、砷高于背景值的0.51倍多，鎘元素高于背景值10倍，而汞竟高達(dá)背景值的125倍1。(2)城市垃圾農(nóng)用目前大多數(shù)城市的工業(yè)廢棄物和生活垃圾沒(méi)有完全分開(kāi)堆放，近郊的菜農(nóng)又多有就近施用垃圾肥的習(xí)慣，而垃圾本身就含有較多的重金屬和有機(jī)物，如市檢測(cè)的16個(gè)垃圾樣品中，除鎘外，鉻、鉛、汞、砷、各種氯、氟化物的含量均明顯高于菜園土對(duì)應(yīng)元素的平均值。(3) 大氣污染與尾氣排放各工廠特別是一些冶煉廠排放

14、的廢氣飄塵也是農(nóng)作物受污染的原因之一。廢氣飄塵中一般含有大量的鎘、鋅、銅等重金屬元素，其影響的圍在主風(fēng)向可達(dá)10km，嚴(yán)重污染圍約1100m。汽車尾氣的污染元素主要是Pb。由于含鉛汽油的使用，汽車尾氣含鉛量可達(dá)20-50微克/升，行駛在公路上的汽車，其排放廢氣中的鉛沉降造成公路兩側(cè)的土壤與生長(zhǎng)植物的鉛污染。(4)含重金屬肥料和農(nóng)藥的使用農(nóng)藥和化學(xué)肥料的使用是防治病蟲(chóng)害、除草和提高單產(chǎn)的重要措施。但醋酸苯汞、氯化乙汞、信石等農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑中含有的汞、砷等有害金屬以與Zn、B等微肥的使用，便進(jìn)入土壤，逐漸在土壤中富集，產(chǎn)生污染。1.2 影響土壤中有害元素有效性的因素植物根系從土壤中吸收重金屬，并在體

15、積累，受多種因素的影響，主要有：(1)重金屬在土壤環(huán)境中的總量和賦存形態(tài)土壤中重金屬總含量被認(rèn)為是控制植物中重金屬含量的基本因素，也是唯一恒定的因素。但是重金屬在土壤環(huán)境中的賦存形態(tài)才是決定其危害的關(guān)鍵因素。一般水溶態(tài)簡(jiǎn)單離子、簡(jiǎn)單絡(luò)離子最容易為植物所吸收，而吸附交換態(tài)絡(luò)合態(tài)次之，難溶態(tài)則暫時(shí)不被植物吸收。(2)土壤特性的影響在土壤中只有溶解性的和可交換態(tài)形式的離子可直接被作物吸收。而土壤條件的改變控制著有效金屬離子的濃度。這些土壤參數(shù)包括PH值、可交換陽(yáng)離子容量（canon exchange capacity）有機(jī)物含量、碳酸鹽含量、水和Fe/Mn氧化物、氧化還原能力、DOC和溫度等，而對(duì)生

16、長(zhǎng)在一定土壤中的植物來(lái)說(shuō)，其種類和栽培技術(shù)也是影響植物組織中各污染因子濃度的因素。金屬的生物有效性最終隨土壤種類而變。(3)根際環(huán)境對(duì)重金屬的影響根際微區(qū)由于根系分泌物（植物生長(zhǎng)過(guò)程過(guò)根系向生長(zhǎng)基質(zhì)中釋放出的一組種類繁多的物質(zhì)）的存在，在物理、化學(xué)、生物特性方面產(chǎn)生有異于土體現(xiàn)象。重金屬發(fā)生酸堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合、離解反應(yīng)，以與吸附解吸行為，導(dǎo)致重金屬形態(tài)變化，從而改變其生物有效性和生物毒性。由于根分泌物的分子量低，可以在土壤中移動(dòng)，導(dǎo)致根區(qū)微生物活性增強(qiáng)?？扇苄愿置谖锿ㄟ^(guò)絡(luò)合陽(yáng)離子，可能會(huì)成為金屬載體，促進(jìn)根附近金屬的可溶性。 (4)有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中重金屬的活化作用有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中重金屬

17、的吸附作用有著深刻的影響，它可改變?nèi)芤褐亟饘俚拇嬖跔顟B(tài)，或改變吸附體的表面性質(zhì)而影響重金屬的吸附。有機(jī)質(zhì)能增加或抑制重金屬的吸附，或?qū)ξ讲划a(chǎn)生明顯作用1。敬鎖等研究了在土壤中施入有機(jī)肥可減緩Cd污染對(duì)作物的危害，指出有機(jī)質(zhì)有很大的比表面積，對(duì)Cd2+有強(qiáng)烈的吸附作用，更主要是有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖酸可與土壤中的Cd2+形成鰲合物沉淀。有機(jī)質(zhì)也可與Cd2+形成高穩(wěn)定性的可溶性物質(zhì)，能大大提高土壤中Cd2+濃度，但不增加植物的吸收，而形成小分子的可溶性絡(luò)合物時(shí)，卻能提高植物對(duì)Cd的吸收。利用有機(jī)質(zhì)作為Cd污染土壤的改良劑時(shí)，應(yīng)值得注意。1.3 土壤中有害元素對(duì)人的危害如上所述重金屬、氰化物、氯化物

18、等有毒元素對(duì)環(huán)境的危害是人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)橹亟饘匐x子和一些農(nóng)用產(chǎn)品中難降解的有害物質(zhì)會(huì)進(jìn)入到動(dòng)物的食物鏈中，通過(guò)自然富集作用威脅著我們的健康。這些有毒物質(zhì)對(duì)人群健康的危害是多方面、多層次的，其毒理作用表現(xiàn)為：造成生殖障礙，影響胎兒正常發(fā)育，威脅兒童和成人身體健康等，最終降低人口身體素質(zhì)，阻礙了人口的可持續(xù)發(fā)展。在這些有毒元素中重金屬對(duì)人的健康擁有更大的危害，主要表現(xiàn)在以下的幾個(gè)特性5：(1) 土壤中中的重金屬雖只有微量濃度，但其毒性具有長(zhǎng)期持續(xù)性。土壤中某些重金屬可在微生物作用下，轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的有機(jī)化合物。例如，土壤中的無(wú)機(jī)汞可在微生物作用下轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基汞。(2) 生物可大量富

19、集，構(gòu)成食物鏈，危害人類。生物從環(huán)境中攝取重金屬，并經(jīng)體或某些器官中高度富集，其富集倍數(shù)可達(dá)成千上萬(wàn)倍，陸生農(nóng)作物，水中動(dòng)植物都有這種現(xiàn)象。然后通過(guò)食物進(jìn)入人體，在人體的某些器官中積蓄起來(lái)構(gòu)成慢性中毒，嚴(yán)重危害人體健康。這種生物富集、生物濃縮、生物放大的特性是重金屬污染的突出特點(diǎn)。(3) 重金屬無(wú)論采用何種處理方法或微生物都不能降解，只不過(guò)改變其化合價(jià)和化合物種類。土壤中OH、Cl、SO42、NH4+、有機(jī)酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金屬生成各種配合物，使重金屬在土壤中的含量增大。為蔬菜無(wú)公害生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，我們主要對(duì)蔬菜基地土壤中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cb）、鉛（Pb）和汞（Hg

20、）等5種重金屬含量進(jìn)行了檢測(cè)分析，他們的主要危害有：砷（As）：砷具有積累性中毒特點(diǎn)，對(duì)人有致癌作用。在人體，三價(jià)砷的毒性是五價(jià)砷的60倍。但是，在生物體，砷在生物體可以發(fā)生甲基化作用。不同價(jià)態(tài)的砷之間可以互相轉(zhuǎn)化，并且無(wú)機(jī) 生成毒性更大的三甲基砷，應(yīng)引起高度重視。鉻（Cr）： 鉻是低富集毒物，在土壤環(huán)境過(guò)食物鏈再引起人體的中毒現(xiàn)象目前發(fā)現(xiàn)的并不多，這主要是因?yàn)殂U在土壤中是難溶態(tài)化合物，而鉻在土壤中主要以三價(jià)鉻形式存在有關(guān)，而鉻的毒性主要由六價(jià)鉻引起的，其主要表現(xiàn)為呼吸道疾患和腸胃道疾患。鎘（Cb）：進(jìn)入人體的鎘，一部分與血紅蛋白結(jié)合，一部分與低分子金屬硫蛋白結(jié)合，然后隨血液分布到臟部位，最后

21、主要富集于腎和肝中。其中毒癥狀主要表現(xiàn)為動(dòng)脈硬化性腎萎縮或慢性球體腎炎等。此外，食入過(guò)多的鎘，可使鎘進(jìn)入骨質(zhì)取代部分鈣，引起骨骼軟化和變形，嚴(yán)重者引起自然骨折而死亡。日本曾對(duì)一“骨痛病”死者解剖，發(fā)現(xiàn)全身竟有122處骨折，身長(zhǎng)縮短30cm，骨灰中含鎘123311472mg/kg，比對(duì)照者高150多倍。此外，不少研究者還發(fā)現(xiàn)鎘有致突變、致癌和致畸作用，以與引起高血壓，肺氣腫等病癥。鉛（Pb）：是重金屬污染中毒性較大的一種，一旦進(jìn)入人體將很難排除。人體攝入過(guò)量的鉛，會(huì)引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，出現(xiàn)疲憊、頭疼、痙攣、精神障礙等；可損害骨髓造血系統(tǒng)，導(dǎo)致貧血；可作用于心血管系統(tǒng)，導(dǎo)致動(dòng)脈硬化、心肌損害；胃

22、腸鉛中毒則表現(xiàn)為胃腸鉆膜出血、腸管痙攣。汞（Hg）：通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體的無(wú)機(jī)汞鹽，主要貯藏于肝腎和腦，二價(jià)汞與酶蛋白的疏基結(jié)合，抑制多種酶的活性，使細(xì)胞的代發(fā)生障礙，二價(jià)汞還能引起神經(jīng)功能紊亂和性機(jī)能減退。而進(jìn)入人體的甲基汞危害更重，它能破壞腦血管組織，引起一系列中樞神經(jīng)中毒癥狀，如手、足、唇麻木和刺痛，語(yǔ)言失常，聽(tīng)覺(jué)失靈等腦動(dòng)脈硬化癥（水俁?。┗颊叩牡湫桶Y狀。此外，甲基汞還可導(dǎo)致流產(chǎn)、死產(chǎn)、畸胎或先天性癡呆兒等6。1.4 本文背景本設(shè)計(jì)是在面對(duì)土壤中有毒元素檢測(cè)中設(shè)備系統(tǒng)龐大，專業(yè)行太強(qiáng)以與樣品處理較繁瑣的情況下提出的。其有待實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)真正的無(wú)污染綠色食品，尤其，對(duì)蔬菜生產(chǎn)環(huán)境中多種有毒元素實(shí)

23、現(xiàn)信息的定量采集。目前，針對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法多種多樣，其主要有一下幾種，以供比較：(1) 分光光度法可見(jiàn)或紫外分光光度法都可用于測(cè)定溶液中物質(zhì)的含量。測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液（濃度已知的溶液）和未知液（濃度待測(cè)定的溶液）的吸光度，進(jìn)行比較，由于所用吸收池的厚度是一樣的。也可以先測(cè)出不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，在選定的濃度圍標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)該是一條直線，然后測(cè)定出未知液的吸光度，即可從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查到其相對(duì)應(yīng)的濃度。它操作簡(jiǎn)單，定量性好，適應(yīng)于試驗(yàn)室使用。(2) 電化學(xué)法電化學(xué)法是近年來(lái)發(fā)展較快的一種方法，它以經(jīng)典極譜法為依托，在此基礎(chǔ)上又衍生出示波極譜、陽(yáng)極溶出伏安法等。電化學(xué)法的檢測(cè)限較低，測(cè)試靈

24、敏度較高，值得推廣應(yīng)用。(3) 原子吸收反光光度法原子吸收分光光度法也稱原子吸收光譜法，簡(jiǎn)稱原子吸收法，該方法具有測(cè)定快速、干擾少、應(yīng)用圍廣、可在同一試樣中分別測(cè)定多種元素的特點(diǎn)。原了吸收法包括石墨爐原子吸收法，火焰原子吸收法，以與其他一些不同前處理?xiàng)l件下使用原子吸收分光光計(jì)的方法。傳統(tǒng)的化探方法進(jìn)行異常發(fā)現(xiàn)、查證，需要經(jīng)過(guò)“野外采樣樣品運(yùn)輸樣品加工與縮分化學(xué)分析”等過(guò)程之后，才能得到野外采樣點(diǎn)元素的含量信息。X熒光分析技術(shù)作為一種現(xiàn)場(chǎng)快速分析方法，也曾在金礦、銅礦和多金屬礦等勘查中得到應(yīng)用。目前已經(jīng)商品化的便攜式X熒光探測(cè)系統(tǒng)的分析靈敏度（主要指檢出限指標(biāo)）、精確度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可同時(shí)分析元

25、素種類等指標(biāo)均達(dá)不到地質(zhì)普查工作的需求。而且這些儀器的讀數(shù)均為X熒光計(jì)數(shù)，需由熟練掌握X熒光分析方法的專家或技術(shù)人員，通過(guò)較復(fù)雜的換算才能得到目標(biāo)測(cè)量元素的含量，使用不夠方便。因此，沒(méi)有得到大量的推廣與運(yùn)用。本文宜采用半導(dǎo)體作為檢測(cè)元器件，基于原子熒光法實(shí)現(xiàn)具有快速檢測(cè)和快速分析，操作簡(jiǎn)單使用方便的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這對(duì)進(jìn)一步提升蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)化具有重要意義。2 論文主要任務(wù)和意義本文是在無(wú)公害蔬菜種植大規(guī)模推廣開(kāi)來(lái)的大背景下展開(kāi)的。無(wú)公害蔬菜種植牽動(dòng)著每一個(gè)關(guān)心高生活質(zhì)量切實(shí)得到保障的有識(shí)之士的心。在國(guó)家制定相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)后，他們一直在為得到一種可靠的環(huán)境檢測(cè)方法而努力?？粗惶滋讬z測(cè)通過(guò)的儀器設(shè)備奔

26、赴無(wú)公害蔬菜種植的前線，欣慰之余他們又為儀器繁瑣的工作程序所困擾，為檢測(cè)過(guò)程中復(fù)雜專業(yè)的預(yù)處理過(guò)程所牽絆，更為一種神圣的責(zé)任所鞭策。所以，一種簡(jiǎn)便實(shí)用的檢測(cè)方法很快得到推廣，那就是，基于原子受激發(fā)光產(chǎn)生特征X射線理論與熒光分析的檢測(cè)方法。2.1現(xiàn)場(chǎng)X熒光分析技術(shù)與儀器的研究現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)X熒光分析技術(shù)以其能實(shí)現(xiàn)多元素現(xiàn)場(chǎng)快速、無(wú)損分析的特點(diǎn)，在天文學(xué)、考古學(xué)、地學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用5。廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域與美好的應(yīng)用前景，又促進(jìn)了X熒光探測(cè)儀器設(shè)備的發(fā)展。X熒光分析方法根據(jù)對(duì)不同元素的特征X射線的區(qū)分方式，可分為波長(zhǎng)色散X熒光分析（WDXRF）和能量色散X熒光分析（EDXEF）。由于波長(zhǎng)色散X

27、熒光儀中，采用衍射晶體以一定角度進(jìn)行衍射色散，配合光柵使某一波長(zhǎng)圍的射線落到探測(cè)器上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同元素的特征X射線（不同波長(zhǎng)）的區(qū)分測(cè)量。波長(zhǎng)色散X熒光儀的色散機(jī)構(gòu)（主要包括衍射晶體、光柵與其角度控制裝置等）的體積較大，而且結(jié)構(gòu)精密，使用和運(yùn)輸中必須嚴(yán)格防震。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)X熒光分析領(lǐng)域，不論是國(guó)外，主要是采用能量色散X熒光方法。通常，各類便攜式X熒光探測(cè)系統(tǒng)（指能量色散X熒光探測(cè)系統(tǒng),下同）由以下幾部分組成：用于激發(fā)元素特征X射線的激發(fā)源，用于接收特征X射線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的探測(cè)器，進(jìn)行信號(hào)放大與處理的電子線路以與相關(guān)的方法技術(shù)軟件。2.1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀從X射線探測(cè)器來(lái)看，在國(guó)際市場(chǎng)上形成了

28、以閃爍計(jì)數(shù)器為X射線探測(cè)器的儀器、以正比計(jì)數(shù)器為X射線探測(cè)器的商品化儀器和以室溫高能量分辨的半導(dǎo)體探測(cè)器為X射線探測(cè)器的三類儀器。80年代末以來(lái)，由于室溫半導(dǎo)體探測(cè)器的性能和對(duì)X射線的能量分辨本領(lǐng)的改善，便攜式X熒光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)大部分元索的分析檢出限大大降低，可達(dá)（10100）g/g而且能實(shí)現(xiàn)多達(dá)二十余種元素同時(shí)分析的能力，測(cè)量時(shí)間約為1 4分鐘。美國(guó)BAIRD公司研制的TN9000型便攜式X熒光分析儀，以HgI2為X射線探測(cè)器，以109Cd, 55Fe, 241AM為X射線激發(fā)源，重8.6kg；可測(cè)元素種類圍為SU，且可實(shí)現(xiàn)多達(dá)26種元素的同時(shí)分析，采用基本參數(shù)校正方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，可直接讀取

29、土壤中多種元素的含量，檢出限約（30100）g/g；又如美國(guó)NITON公司生產(chǎn)的“Inspector”油畫(huà)測(cè)鉛儀，重量?jī)Hl kg左右，可連續(xù)工作18小時(shí)，可在15秒鐘定量檢測(cè)出油畫(huà)中的鉛含量；還有日本精工電子納米科技株式會(huì)社的SEA200型能量色散X熒光分析儀，采用室溫電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器和X射線管激發(fā)裝置，探頭中置用于觀察實(shí)際樣品探測(cè)面的CCD攝像頭。整機(jī)重量約5kg，工作時(shí)需外接計(jì)算機(jī)和12V直流電源6。上述這些技術(shù)成熟、商品化的多元素X熒光探測(cè)系統(tǒng)，基本上都采用能常溫狀態(tài)工作（電致冷）的HgI2探測(cè)器。HgI2探測(cè)器的能量分辨率（對(duì)5.9keV的X射線的FWHM）為250300eV，已經(jīng)能

30、夠勝任在組成元素種類相對(duì)固定的合金分析領(lǐng)域、或其它組成元素種類較少的樣品分析領(lǐng)域的分析工作。但是，對(duì)于組成元素種類多、基體情況變化復(fù)雜的地質(zhì)樣品的分析，相鄰元素的特征X射線譜峰的相互干擾較嚴(yán)重的情況，對(duì)探測(cè)器的能量分辨率指標(biāo)提出更高的要求。1997年，意大利學(xué)者就發(fā)表了采用室溫電致冷SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器研制的X熒光探測(cè)系統(tǒng)的文章。1997年7月，美國(guó)在“Pathfinder”火星登陸器上使用了基于SI-PIN探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)X熒光分析設(shè)備，遠(yuǎn)程采集火星上巖石、土壤的多元素含量信息。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率（對(duì)5.9keV的X射線的FWHM）可以達(dá)到196eV。而

31、2001年，該探測(cè)器的能量分辨率己經(jīng)可以達(dá)到158eV。從“Pathfinder”火星登陸器發(fā)回的火星巖石現(xiàn)場(chǎng)分析X射線譜可以看出7，該探測(cè)器能較好分辨出中等原子序數(shù)元素的K系特征X射線譜峰。但尚未查閱到國(guó)際上有基于SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器的、針對(duì)地質(zhì)、礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)多元素X熒光探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品的信息。從激發(fā)源來(lái)看，大多便攜式X熒光探測(cè)系統(tǒng)均采用放射性同位素激發(fā)源，采用的同位素源的種類包括55Fe, 238Pu, 241Am和109Cd等。個(gè)別型號(hào)也采用X射線管激發(fā)源。從電子線路來(lái)看，國(guó)外便攜式儀器均實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。均采用基于多道脈沖幅度分析器的多道X射線譜分析技術(shù)，并具有數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理的能力。而配

32、套的方法技術(shù)軟件一般是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象而開(kāi)發(fā)，目前還沒(méi)有某一個(gè)產(chǎn)品配套能同時(shí)包含適合地質(zhì)樣品分析、合金分析和古藝術(shù)品分析等齊全數(shù)據(jù)庫(kù)的全能軟件。而且這些X熒光分析應(yīng)用軟件均屬商業(yè)，用戶不能獲得軟件原代碼并根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行有針對(duì)性的改造，從而制約進(jìn)口儀器在國(guó)的應(yīng)用。2.1.2國(guó)研究現(xiàn)狀1976年，我國(guó)自行研制了第一臺(tái)便攜式X射線熒光儀。在20世紀(jì)70年末至80年代中期，在原地質(zhì)礦產(chǎn)部科技司的支持下，又先后研制了以閃爍計(jì)數(shù)器為X射線探測(cè)器的三種型號(hào)的便攜式儀器（HYX-1，HYX-2，HYX-3型）。這些儀器一次測(cè)量只能確定一種元素的含量，其分析元素的檢出限一般為（501000）g/g。20世

33、紀(jì)90年代以正比計(jì)數(shù)器為X射線探測(cè)器的HYX-4型攜帶式X射線熒光儀投入實(shí)際應(yīng)用，該儀器一次測(cè)量可同時(shí)確定24種元素的含量。近年來(lái)，國(guó)也開(kāi)始了室溫電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器為X射線探測(cè)器的便攜式X熒光探測(cè)設(shè)備的研究工作11,12，并己經(jīng)取得初步的成果。我國(guó)研制的便攜式X熒光儀的激發(fā)源大多采用238Pu和241Am放射性同位素源，238Pu用于激發(fā)較低原子序數(shù)元素的K系特征X射線和高原子序數(shù)的L系X射線，如VA，MnK，F(xiàn)eK，NiK，CuK，ZnK和PbL等；241Am用于激發(fā)較高原子序數(shù)的K系X特征射線，如：AgK，SnK，SbK和BaK等。目前，國(guó)也開(kāi)始有基于X射線管激發(fā)源的攜帶式科研樣機(jī)8，但體

34、積和功耗與采用同位素激發(fā)源的X熒光探測(cè)系統(tǒng)相比還是偏大。而且固有的散射本底高，分析檢出限相對(duì)較高。在電子線路上，大多數(shù)便攜式儀器也實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化。其中，大部分儀器只是實(shí)現(xiàn)多道脈沖信號(hào)采集控制的微機(jī)化，并未提供現(xiàn)場(chǎng)多道譜數(shù)據(jù)處理的功能?；蛘咧惶峁┗镜淖V線光滑、尋峰、求峰面積等基本譜數(shù)據(jù)處理功能，不能在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)直接輸出多種元素的含量結(jié)果。另外，大多儀器在電子線路上并未針對(duì)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)行深入的研究與開(kāi)發(fā)。如在有關(guān)引進(jìn)SI-PIN探測(cè)器進(jìn)行新型X熒光探測(cè)設(shè)備的研制的相關(guān)文獻(xiàn)中，尚未見(jiàn)有針對(duì)該探測(cè)器，進(jìn)行高穩(wěn)定性、低噪聲、小體積高壓偏置電源的研制的文獻(xiàn)；未見(jiàn)針對(duì)該探測(cè)器，進(jìn)行有利于降低系統(tǒng)功耗、提高

35、系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能的溫控致冷方案的研究資料；未見(jiàn)針對(duì)該探測(cè)器，專門設(shè)計(jì)小體積（袖珍型）、高性能的成形放大器與多道分析器的報(bào)道。綜上所述，國(guó)際上已經(jīng)有對(duì)基于SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器的高靈敏度多元素現(xiàn)場(chǎng)X熒光探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究的文獻(xiàn)，但并未實(shí)現(xiàn)商品化。2.2對(duì)X熒光探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求本論文開(kāi)發(fā)的高靈敏度現(xiàn)場(chǎng)X射線熒光探測(cè)系統(tǒng)，主要面向蔬菜種植基地的土壤環(huán)境檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)原生土壤和處理后的土壤樣品進(jìn)行多元素定量、半定量測(cè)定。因此要求儀器除了具有容易攜帶、高穩(wěn)定性、低功耗和容易操作等技術(shù)特點(diǎn)外，還應(yīng)該具有高靈敏度、多元素快速分析的能力。為了達(dá)到以上目標(biāo)，具體的技術(shù)要：(1) 需要使用具有高能量分辨

36、本領(lǐng)的X射線探測(cè)器，以便能精確地分辨出各種元素特征X射線。分析中等原子序數(shù)元素時(shí)，要求X射線探測(cè)器的能量分辨率（FWHM）應(yīng)達(dá)到200250eV（對(duì)5.9keV X射線）；分析輕元素（如Al、Si、P、S、K、Ca等）時(shí)，由于其特征X射線的能量較低（1.03.5keV），相鄰元素的特征X射線相隔很近，所以要求X射線探測(cè)器的能量分辨率（CFWHM）至少應(yīng)達(dá)到180200eV（對(duì)5.9keV X射線）；(2) 輕便、靈活、高效的X射線激發(fā)源裝置；(3) 需要體積小，而且更精密的、穩(wěn)定性更高的、能與高能量分辨率高的X射線探測(cè)器相匹配的信號(hào)成形放大器，以保證整套測(cè)量系統(tǒng)具有高的能量分辨率；(4) 需要

37、高效能電源變換電路，以便盡可能提高電池的效率；(5) 需要建立能滿足現(xiàn)場(chǎng)分析要求的數(shù)理模型，開(kāi)發(fā)出適合現(xiàn)場(chǎng)原位分析的X熒光分析配套應(yīng)用軟件。綜上所述，在本文設(shè)計(jì)預(yù)期實(shí)現(xiàn)指標(biāo)如下：(1) 系統(tǒng)體積小、重量輕，單人能夠輕松攜帶于操作；(2) 便于非技術(shù)專業(yè)人員操作；(3) 單次測(cè)量能完成5至6種主要元素或相關(guān)土壤化學(xué)場(chǎng)指示元素的定量分析，具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理能力，能直接輸出目標(biāo)元素含量結(jié)果的能力；(5) 輸出結(jié)果精確度高的目標(biāo)。2.3論文選題與研究意義生態(tài)仍然是制約當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的一大問(wèn)題。隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的廣泛提高，我國(guó)對(duì)物化探方法、手段和設(shè)備提出新的要求。傳統(tǒng)的化探方法進(jìn)行異常發(fā)現(xiàn)、查證，

38、需要經(jīng)過(guò)“野外采樣樣品運(yùn)輸樣品加工與縮分化學(xué)分析”等過(guò)程之后，才能得到野外采樣點(diǎn)地質(zhì)體相關(guān)主要元素、次主要元素的含量信息。根據(jù)交通情況與實(shí)際工作部署情況，該周期一般為13個(gè)月。采用這種傳統(tǒng)的方法進(jìn)行異常查證工作，其工作周期之長(zhǎng)已經(jīng)大大制約土壤環(huán)境檢測(cè)的進(jìn)展與效果。X熒光分析技術(shù)作為一種現(xiàn)場(chǎng)快速分析方法，也曾在金礦、銅礦和多金屬礦等勘查中得到應(yīng)用。目前，已經(jīng)商品化的便攜式X熒光探測(cè)系統(tǒng)的分析靈敏度（主要指檢出限指標(biāo)）、精確度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可同時(shí)分析元素種類等指標(biāo)均不能達(dá)到野外精確檢測(cè)工作的需求。而且這些儀器的讀數(shù)均為X熒光計(jì)數(shù)，需由熟練掌握X熒光分析方法的專家或技術(shù)人員，通過(guò)較復(fù)雜的換算才能得到

39、目標(biāo)測(cè)量元素的含量，使用不夠方便。因此，沒(méi)有得到大量的推廣與運(yùn)用。因此，本論文擬采用室溫電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器，進(jìn)行便攜式高靈敏度多元素現(xiàn)場(chǎng)X熒光探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)完成多種指示元素的定量/半定量測(cè)定，具有以下3點(diǎn)重要意義：(1) 本論文的研究成果在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查上具有實(shí)用價(jià)值，具有巨大潛在經(jīng)濟(jì)效益。既節(jié)省樣品運(yùn)輸、化學(xué)分析的費(fèi)用，又能縮短工作周期，而且便于現(xiàn)場(chǎng)異常追蹤指導(dǎo)，能大幅度提高探礦效率，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益；(2) 本論文設(shè)計(jì)對(duì)象在國(guó)尚屬先進(jìn)。采用SI-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器進(jìn)行高靈敏度多元素現(xiàn)場(chǎng)X熒光探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可以很好解決國(guó)檢測(cè)領(lǐng)域的一些問(wèn)題；(3) 本論文的相關(guān)研究，為大幅度提

40、高檢測(cè)部門工作效率，更加廣泛的推廣綠色無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品種植提供方便，并有效的節(jié)制成本預(yù)算。2.4論文的主要任務(wù)(1) 對(duì)土壤中有毒元素的檢測(cè)方法有深層次的理解；(2) 完成信號(hào)的檢測(cè)與處理任務(wù)。包括數(shù)據(jù)采集、處理電路的設(shè)計(jì)；(3) 基于單片機(jī)89C51對(duì)數(shù)據(jù)有選擇的輸出，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能；(4) 使用特征射線熒光檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中有毒元素的定量和半定量的檢測(cè)；(5) 系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言這種有較高運(yùn)行效率的編程語(yǔ)言，以Keil為編譯平臺(tái)，并調(diào)用其部函數(shù)以使程序結(jié)構(gòu)緊湊；(6) 手提式X熒光探頭設(shè)計(jì)。3 基本原理與整體設(shè)計(jì)方案由于檢測(cè)對(duì)象的化學(xué)性質(zhì)相差較大，在傳統(tǒng)的化學(xué)分析理論基礎(chǔ)上難于找出一種

41、集簡(jiǎn)便、精確于一身的成熟方法。再次，我們選擇使用X射線熒光檢測(cè)在其理論方面是基于前人經(jīng)驗(yàn)的積累、總結(jié)和應(yīng)用。系統(tǒng)中按功能和位置大致可以分為三大部分：檢測(cè)元件、信號(hào)放大調(diào)理電路和數(shù)據(jù)處理器，了解它們的工作原理和使用方法成了我們進(jìn)行下一步工作的前提。3.1X熒光分析的基本原理原子由原子核和核外電子組成，核外電子呈層狀分布。當(dāng)X光子、X光子或其它電磁輻射與物質(zhì)中原子的束縛電子發(fā)生作用時(shí)，如果入射光子的能量大于電子的結(jié)合能，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子使其發(fā)射出去，形成光電子。同時(shí)在原子的電子殼層形成空位，原子處于激發(fā)態(tài)。該物理過(guò)程稱為光電效應(yīng)。電子在原子中受到束縛越緊，就越容易產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此在K

42、層激發(fā)光電效應(yīng)的機(jī)率最大，L層次之，其它層更小。發(fā)生光電效應(yīng)后，處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，其外層電子會(huì)躍遷填充層空位，同時(shí)發(fā)出X射線（熒光）。該X射線（熒光）的能量與外層電子與層電子的能級(jí)之差準(zhǔn)確相當(dāng)。即：（3-1）式（3-1）中，Ex為X射線（熒光）的能量；R為里德伯常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；C為光速；Z為原子序數(shù)；n1，n2分別為躍遷前后所處殼層的主量子數(shù)；n為正數(shù)，與激發(fā)能級(jí)有關(guān)，對(duì)于K系n=1。式（3-1）表明，光電效應(yīng)后原子退激過(guò)程中發(fā)出的X射線的能量與原子序數(shù)Z的平方成正比，這就是莫塞萊定律。每種原子光電效應(yīng)后原子退激過(guò)程中發(fā)出的X射線的能量具有特征性，因此稱之為特征X射線，或X射線

43、熒光。根據(jù)莫塞萊定律，借助對(duì)特征X射線能量的測(cè)量，就能推斷某種原子的存在與否，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)元素組分的定性判別。這就是X熒光定性分析的理論基礎(chǔ)。特征X射線的照射量率與被測(cè)樣品中元素的含量成比例13 （3-2）式（3-2）中：I0，Ix分別為源初級(jí)射線與目標(biāo)元素特征X射線照射量率；0，x和分別為介質(zhì)對(duì)源初級(jí)射線與目標(biāo)元素特征X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)；C為待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的含量；F（H）為樣品不平度因子；K為與探測(cè)裝置相關(guān)的常數(shù)。根據(jù)特征X射線的照射量率與被測(cè)樣品中元素的含量的關(guān)系，用儀器記錄特征X射線的能量與照射量率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的定量測(cè)定。3.2信號(hào)放大調(diào)理電路的原理(1) CR

44、微分成形電路與主放大器如圖3-1中C1與R1構(gòu)成無(wú)源CR微分電路。CR微分電路一方面既充當(dāng)信號(hào)白化濾波器，又可有效濾除XR-100CR探測(cè)器組件輸出的低頻波形和由電纜串入的低頻噪聲，有利于獲取較理想的信噪比。另一方面，又與后續(xù)多級(jí)有源積分成形電路結(jié)合，構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)接近準(zhǔn)高斯濾波的成形電路。電路中Cl取4700pF，Rl取1.74k，則濾波器的截止頻率為f=1/（2C1R1）19. 5kHz。圖3-1 CR微分成形電路與主放大器為了將前置放大器輸出幅度為幾十mV的脈沖信號(hào)放大至05V，使信號(hào)能盡可能與后端處理電路的線性輸入圍（05V）相匹配。主放大器的電壓增益應(yīng)為50倍左右。為了獲得高的輸入阻抗，

45、主放大器采用同相比例放大形式，電壓增益為Av=（R2+R3）/R2。圖3-1中R2取50，則R3可取2.7k（增益誤差可由增益微調(diào)電路校正）。R2和R3的穩(wěn)定性對(duì)放大器增益穩(wěn)定性起決定性作用，應(yīng)選用低溫度系數(shù)的金屬膜電阻。(2) 濾波器電路圖3-2 VCVS低通濾波器圖3-2為電壓控制電壓源（VCVS）濾波器電路，該電路與簡(jiǎn)單二階有源濾波器相比，使用元件數(shù)量相當(dāng)。而VCVS濾波器的過(guò)度帶（即截止頻率附近區(qū)域）的幅頻特性可以通過(guò)選擇合適元件參數(shù)、改變Q值來(lái)調(diào)整，使其幅頻特性更接近理想濾波器的幅頻特性，可以改善成形電路的性能。因而，VCVS濾波器在高能量分辨率探測(cè)系統(tǒng)的成形電路中得到廣泛的應(yīng)用。3

46、.3數(shù)據(jù)處理單元的原理MCS-51單片機(jī)采用的是8位中央處理器，能處理8位2進(jìn)制數(shù)或代碼。設(shè)計(jì)采用該系列的89C51芯片，其有8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線。共有256個(gè)RAM單元，其中后128單元被特殊功能寄存器占用，所以供用戶當(dāng)做寄存器使用的只有前128單元。89C51有四個(gè)8位并行I/O接口P0-P3，每個(gè)接口既可以作為輸入又可以用作輸出，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。另外，89C51共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)和定時(shí)方式，并可以根據(jù)技術(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。系統(tǒng)有2個(gè)外中斷，兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷，一個(gè)串行中斷共5個(gè)中斷，分為高級(jí)和低級(jí)兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。一

47、個(gè)全雙工的UART的串行I/O口，用以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行通信。89C51芯片部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率位12MHz。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖3-3。圖3-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)引腳說(shuō)明：AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，部自帶4K字節(jié)可編程FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八

48、位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此，AT89C51構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、效率高的微控制系統(tǒng)，減少了硬件開(kāi)銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。 AT89C51是一個(gè)有40個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖3-3所示。與8031相比，AT80C51自帶4K的ROM和128B的RAM，因此編寫中小型系統(tǒng)就無(wú)需任何硬件進(jìn)行擴(kuò)展。主要有以下特點(diǎn)：(1) 與MCS-51 兼容           (2) 壽命：1000寫/擦循環(huán)    &

49、#160;(3) 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz      (4) 128×8位部RAM           (5) 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器    (6) 可編程串行通道            (7) 片振蕩器和時(shí)鐘電路 (8) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器(9)

50、 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年(10) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定(11) 32可編程I/O線(12) 5個(gè)中斷源 (13) 低功耗的閑置和掉電模式AT89C51芯片的40個(gè)引腳功能為：VCC：電源電壓                 GND：接地RST：復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)所有I/O引腳復(fù)位至“1”XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入XTAL2：來(lái)自反向振蕩放大器的輸出ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外

51、部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。/VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。P0口：8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫“1”時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0

52、 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：8位雙向I/O口。引腳P1.2P1.7提供部上拉，當(dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流，這是因部上拉的緣故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P2口：帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并

53、因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P3口：引腳P3.0P3.7為帶部上拉的雙向I/0引腳。P3口的輸出緩沖器能接收20mA的灌電流；P3口寫入“1”后，部上拉，可用輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見(jiàn)表3-1。P3口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)。在AT89C51中，P3端口還用于一些特殊功能，這些特殊功能如表3-1。表3-1 P3端口特殊功

54、能端口引腳特殊功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）/INT0 （外部中斷0）/INT1 （外部中斷1）T0（定時(shí)器0外部輸入）T1（定時(shí)器1外部輸入）/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）3.3.1 復(fù)位電路復(fù)位操作是單片機(jī)的初始化操作。復(fù)位電路的成功與否，關(guān)系到一個(gè)單片機(jī)能否正常運(yùn)行。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外。當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸

55、入端，高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)震蕩脈沖周期，即兩個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)2us才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作有上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖3-4，這樣只要電源VCC的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位由電平復(fù)位和脈沖復(fù)位兩種，考慮到本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用，該設(shè)計(jì)選擇按鍵電平復(fù)位，電路如圖3-4：（a）上電復(fù)位所用圖形 （b）按鍵復(fù)位圖3-4 復(fù)位電路圖3.3.2 外部時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，它是研究單片機(jī)

56、指令執(zhí)行中沒(méi)個(gè)信號(hào)之間關(guān)系的基礎(chǔ)。同時(shí)，單片機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)。電路應(yīng)該在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。在MCS-51系列單片機(jī)的部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路。如圖3-5所示。電容C1和C2通常取30PF左右，對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩頻率圍是1.2MHz12MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度就快，同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印刷電路板的工藝要求

57、也就越高（線間寄生的電容要?。?。圖3-5 時(shí)鐘振蕩電路MCS-51單片機(jī)在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12MHz主要是用在高速通信系統(tǒng)中。3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路由于現(xiàn)在常用的器件都是TTL電路或MOS電路，這些電路的驅(qū)動(dòng)能力有限，尤其應(yīng)用但控制場(chǎng)合時(shí)，如輸出驅(qū)動(dòng)交流接觸器線圈，就要增加電流放大和電子轉(zhuǎn)換電路，使之和控制設(shè)備適應(yīng)達(dá)到控制的目的。在常用的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路中，通常有功率晶體管驅(qū)動(dòng)、復(fù)核人晶體管驅(qū)動(dòng)、可控硅驅(qū)動(dòng)（包括單向和雙向可控硅）、小繼電器驅(qū)動(dòng)和功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)等。在設(shè)計(jì)中，我們要絕對(duì)依從接口驅(qū)動(dòng)能力和控制設(shè)備相匹配的原則。在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路中，采用固態(tài)繼電器，它是

58、一個(gè)將雙向可控硅和光電耦合驅(qū)動(dòng)封裝在一個(gè)密封塊中，這種無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)對(duì)提高單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)對(duì)系統(tǒng)的影響是有利的。這種固態(tài)繼電器價(jià)格比較昂貴，但在一些系統(tǒng)工作干擾大或?qū)φw精度要求較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。4無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)無(wú)公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀是基于X射線熒光檢測(cè)原理，以單片機(jī)89C51為核心的非電量信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。它以快速響應(yīng)、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)適用為出特點(diǎn)。其硬件主要有三部分組成，它們是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的根本，也是任一檢測(cè)系統(tǒng)不可或缺的組成要素。4.1 探測(cè)器選擇樣品在射線照射下，外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生躍遷現(xiàn)象，伴隨長(zhǎng)生特征X射線。在本設(shè)計(jì)中特征X射線信息檢測(cè)裝置以SI-PIN為核心檢測(cè)元件，任務(wù)在于采集樣品受激發(fā)狀態(tài)下所發(fā)出特征X射線量值，檢測(cè)元件產(chǎn)生的微電流在前端放大器作用下變?yōu)榭蓽y(cè)電流。此時(shí)，包含信息的電流還要經(jīng)過(guò)整形電路加以調(diào)整，然后由A/D轉(zhuǎn)換器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的加工即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)檢測(cè)出作用對(duì)象在樣品中的含量。4.1.1X射線熒光探測(cè)器X熒光探頭的性能，對(duì)整套探測(cè)系統(tǒng)的性能起決定性作用。針對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)多種元素定量測(cè)定的需要，系統(tǒng)應(yīng)易于攜帶，而且具有較高的分析靈敏度。因而需合理進(jìn)行探測(cè)器選型，同時(shí)選擇既能滿足野外測(cè)量需要、又無(wú)需供電或功耗小、而且小巧