基于DSP的智能化青霉素效价快速测量仪

　　0　引言

　　在测量青霉素效价时,目前常规方法是化学分析法,即碘滴定法,或叫碘量法。这种方法操作程序繁琐,耗时多,测试数据重复性差,而且要用到一些有毒的化学物质,对人体可能产生伤害,为此研制了基于DSP的智能化青霉素快速测量仪,它用离子敏场效应晶体管(ISFET)作为检测用传感器,在测试过程中,不涉及任何有毒物质,可以对青霉素生产过程实现在线检测,使原来人工检测处理(滴定)时间4~5 h缩短至2 min之内。与8031单片机作为控制系统的测量仪[1]相比,该系统减少了许多外围芯片的使用,具有体积小,耗电少,实时性好的优点,大大提高了测量精度,且通过MAX232与PC机相连,可以在微机控制室对所有生产过程参数进行实时监控和记录。

　　1　离子敏场效应管型传感器的工作原理

　　传感器结构如图1所示,在p型硅衬底上用扩散技术制作2个n+区作为源漏区。在源区和漏区引出电极,栅区无栅金属。当器件放置在被测溶液中时,栅介质(或离子敏感膜)直接与被测溶液接触。漏源电极用绝缘材料保护,防止电解液使源漏电极短路。在电解液中放置甘汞电极,通过它施加电压以使传感器合理地工作。电解液相当溶液栅,它和栅介质界面处产生的电化学势调制半导体表面的沟道电导,因此改变了栅极电流。所以传感器对溶液中离子浓度的响应可由栅介质与电解液界面处的电化学势对阀电压的影响来说明。传感器阀值电压表达式为:

　　式中:为电解液和栅介质层界面处的电化学势;为参考电压与电解液之间的结电势;为等效界面陷阱和氧化层电荷;为单位面积的栅极电容;为p型衬底的体内费米能级;为耗尽区的单位面积电荷。

　　对于特定结构的传感器除外,其他各项均为常数,的大小决定于敏感膜的性质和电解液中离子活度(在稀溶液中离子的活度与浓度相等)。所以可用阀值电压的变化测量电解液中离子的活度。

　　2　系统硬件与软件

　　2·1　系统硬件组成

　　该仪器采用TI公司生产的TMS320LF2407A数字控制芯片作为系统的核心控制器件,配置LCD液晶显示器、4×4轻触薄膜面板,能对半导体离子敏场效应管型青霉素传感器的输出信号进行采集、放大、线性化以及参数补偿和运算,并将运算结果———青霉素效价显示于液晶显示器上,在测量过程中能自动调零,能自动控制磁力搅拌器工作,并向用户发出声响信号,提醒用户可随时输入命令和设置参数,具备良好的人机对话界面。由于控制系统采用了DSP芯片控制,整个系统的防震、抗干扰、可靠性进一步提高,实时性更好,而且使该测量仪的体积减小到原来的1/3,同时便于将来继续开发,扩充系统功能,如配有打印机等。该测量仪还通过MAX232与PC机相连,很好的实现了对测量过程和测量结果进行远程监控。