莫秋月

（广东粤丘检测科技有限公司，广东 广州 511400）

为方便水环境中重金属的检测工作，设计并应用重金属便携式检测仪极为必要。同时，出于对保证检测结果精度与直观性的考虑，需要着重对其分析控制软件系统的设计进行优化。

1 水环境重金属便携式检测仪器的检测原理分析

本次设计的水环境重金属便携式检测仪器的检测原理主要为电化学溶出伏安分析法，该方法能促使被检测物质在进行待测离子极谱分析时，先在产生极限电流的电位下电解一定的时间，然后对电极的电位做出调整，促使在该电极区域富集的物质再次溶出，并结合此次溶出过程中获得的伏安曲线，完成对待测离子的定量性分析。在当前的金属离子检测实践中，电化学溶出伏安法的使用较为常见，此时，初始浓度与富集成效之间并不存在显著的相关性。通常情况下，想要获得更为理想的富集成效，就要减小溶液体积和扩散层厚度，或是增加电极的面积并提升搅拌速度。总体来说，电流与富集、溶出过程之间有着明显的相关性。另外，由于电化学溶出伏安分析有着较好的灵敏性，所以在超纯物质分析实践中也可以达到较为理想的效果，且在多领域试样的微量元素测定中也得到了较好地利用。

2 水环境重金属便携式检测仪器的系统设计

本次设计的水环境重金属便携式检测仪器的硬件系统主要由无线单元、电源单元、重金属电化学检测电路构成，其中，在设置硬件电路时，着重对其高增益、低噪音、弱失真特性进行维护与突显，并尽量降低电路稳定性下降问题的发生概率，因此主要在电路中引入四层FR4材质基底的PCB设计。集成式检测手柄也是该检测仪器硬件系统中的重要构件，主要由测试腔、搅拌体、对电极、参比电极以及丝网印刷电极这几部分构成。在该检测手柄的头部位置包含着搅拌体、对电极、参比电极以及丝网印刷电极；检测手柄底部位置连接测试腔螺纹，且在其头部位置预设开标口。同时，为了避免出现较为严重的腐蚀现象，主要使用有机玻璃材料进行该集成式检测手柄测试腔的制作，且方便相关工作人员实时、直观地观察测试腔内的现实情况；单独屏蔽引出电机控制线，防止电极信号受到更严重的干扰。

下位机软件程序在水环境重金属便携式检测仪器中也发挥着极为重要的作用，存储位置为单片机的FLASH存储器内。在实际运行中，下位机软件程序的主要功能集中在以下几方面：（1）为来源于上位机的指令、检测参数指令展开全面接收，同时正确执行不同指令对应的检测操作；（2）在无线或是串口方式的支持下，实时上报检测数据，及时将数据传送至上位机区域。下位机软件程序的运行流程是在程序转入启动状态后，实施单口监听，并接收串口数据；对执行指令做出判断，此时有：①如果指令为镀汞，控制DAC完成镀汞；控制DAC落实静息；扫描获取镀汞曲线；完成数据上传后程序转入结束运行状态。②如果指令为自检，则自动转入自检操作；完成数据上传后程序转入结束运行状态。③如果指令为检测，控制DAC完成富集；控制DAC落实静息；扫描获取检测曲线；完成数据上传后程序转入结束运行状态。

3 水环境重金属便携式检测仪器控制软件的方案设计

3.1 串口通信单元

3.1.1 串口通信测试模块

Polling查询方式与事件驱动方式为QextSerialPort类中包含的两种串口读取模式。其中，Polling查询方式主要同步实施串口的读和写，而信号在这样的条件下难以正常运行，同时，还需要对读写口的读写行为展开全面监控（要引入基于自定义定时器的定时监控模式）。对于事件驱动方式而言，主要异步实施串口的读和写，串口的读取操作普遍依托Qt中包含的事件类完成处理；在串口接收到数据后，会迅速发出对应信号，结合对该信号的关联即可实现对串口数据的读取[1]。综合对比上述两种串口读取模式的可操作性、便捷性，在本次水环境重金属便携式检测仪器的控制软件串口通信单元设计中，主要引入事件驱动方式作为串口读取模式。

在上下位机展开实际通信的过程中，要对上位机所发出的指令实施测试，判断下位机是否可以正确、全面地返回相应数据。基于此，搭建串口通信测试模块是必然选择。在实际运行过程中，该模块可以自动在终端上完成对可用串口的查询，并直接出现在页面下拉项目中，以方便用户自行选取。选取波特率并打开串口，对状态确认串口的开启状态进行查看，在确认成功开启后即可依托对应按键的操作完成数据的发送。

3.1.2 多线程监听串口模块

在线程中涵盖着的事件循环允许该线程应用Qt中的部分需要事件循环的非GUI类，也为任意线程中的信号在特定线程槽链中连接的实现提供操作条件。实际运行过程中，当某一信号成功发出后，无法立即调用槽函数，此时，主要在对应线程中事件循环实现控制的时期做出调动，从这一角度看，接受对象所在线程承担着执行槽函数的任务。在本次水环境重金属便携式检测仪器控制软件的设计过程中，引入子类化QTherd，同时重新实现其中run（）函数的落实，以此确保子线程可以展开对串口接收数据的全面监听。

3.2 参数设置单元

在本系统控制软件结构中搭建起参数设置单元，为用户进行循环伏安扫描参数以及DPSV扫描参数的设置提供界面支持。该单元界面内，用户结合现实需要调整、变更参数，并在确认、启动检测仪器后，所有的检测操作与分析操作均可严格依照该界面内设置的参数要求完成，保证水环境重金属检测与分析过程可控，提升检测结果的针对性、真实性与准确性。

3.3 实时数据显示单元

在进行本系统的实时数据显示单元的设计与构建过程中，主要引入了QWT库，完成绘制科学图表、曲线的任务，同时实现对各种统计图的自动生成。在QWT库内，包含较为多样的GUI组件以及实用类组件，不仅拥有绘图窗口组件，还能够为用户提供温度计、仪表盘、刻度、圆盘、滚动条等组件。

3.3.1 实时曲线动态显示

在该仪器系统展开实际的水环境重金属检测分析过程中，需要依据对曲线发展趋势的观察形成分析结果，并判断是否存在异常问题。基于这样的操作需求，在进行水环境重金属便携式检测仪器的控制软件设计中，引入了实时曲线动态显示模块。实践中，新数据的动态存储主要依托QwtArrayData对象实现，而动态显示实时曲线的方法常用的有两种，具体如下：①当检测到新数据后，对QwtArrayData对象展开动态更新处理，实施曲线数据的设置，并结合对replot（）函数的调动完成对整个曲线的绘制；②当检测到新数据后，对QwtArrayData对象展开更新处理，调动draw（）函数后仅对最后一位数据点进行描记，此时不需要对整个画布实施重新绘制[2]。相比较来说，后一种显示实时曲线的方法在规避绘画迟滞性方面所展现出的优势更为理想，因此在本检测仪器系统软件实时曲线动态显示模块的设计中，选用第二种方法。

实时曲线的纵轴刻度值发生变化后，会对视觉体验产生较为明显的影响。站在DPSV扫描操作的角度看，每组纵轴数值中最大值发生变化的频率维持在较低水平，所以在相应扫描操作中主要选用每组纵轴数值中的最大值完成对纵轴显示最大值的确定；站在循环伏安扫描的角度看，每组纵轴数值中最大值发生变化的频率维持在较高水平，所以在相应扫描操作中主要应用对灵敏度自行设定的方式完成对纵轴显示最大值的确定。

3.3.2 循环伏安扫描的曲线绘制

受到位数存在差异性的影响，上下位机在数据精度方面有所缺失，为避免这一问题的出现，在由上位机对下位机实施参数设置的过程中，要及时落实数值转换操作；而下位机在对上位机进行数据发送的过程中，同样也要及时展开数值转换操作。这一流程增加了循环伏安扫描的曲线绘制难度。基于此，本次系统软件设计中主要对循环伏安扫描的曲线绘制流程进行了优化。对正向初始扫描方向下循环伏安扫描横坐标值产生流程进行说明：接收到新数据后，判断用于保存x值的动态数组是否为空，若为空则执行“CVFlag=false；xTemp=CVInit”；若为否，继续判断XArray.last（）是否近似等于CVInit，若为是则执行“CVFlag=false；xTemp=XArray.last（）+CVInc”；若为否，继续判断last是否近似等于CVFin，若为是则执行“CVFlag=true；xTemp=XArray.last（）-CVInc”；若为否，继续判断“CVFlag=false”，若为是则执行“xTemp=XArray.last（）+CVInc”；若为否，则执行“xTemp=XArray.last（）-CVInc”。

4 总结

综上所述，为方便水环境检测工作的展开，设计并应用重金属便携式检测仪极为必要。实践中，依托基于无线单元、电源单元、重金属电化学检测电路的硬件系统设计，结合包含串口通信单元、参数设置单元、实时数据显示单元的软件设计，完成了重金属便携式检测仪器系统的构建，促进了水质检测工作的升级。