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标题: 开源的高精度亚硝酸盐、磷酸盐检测仪 [打印本页]
作者: xukejing 时间: 2022-6-27 10:40
标题: 开源的高精度亚硝酸盐、磷酸盐检测仪
本帖最后由 xukejing 于 2022-6-27 10:54 编辑
ESP32/Arduino/Matlab兼容的开源亚硝酸盐、磷酸盐检测仪。本项目以GPL协议开源，提供传感器驱动库的源码、仪器固件源码、上位机源码、结构零件CAD图，以及详细开发文档。
详细中文版说明文档见：高精度亚硝酸盐、磷酸盐检测仪开发文档
需要3D打印的结构件见：Open-Source Photometer by xukejing
(, 下载次数: 556)
仪器使用光度计原理，按照海水化学要素调查的国标规范GB/T 12763.4-2007，亚硝酸盐检测使用磺胺和盐酸萘乙二胺的亚硝酸重氮偶合显色反应，磷酸盐检测使用酒石酸锑钾、钼酸铵和维生素C的磷酸盐磷钼蓝显色反应。本仪器对亚硝酸盐显色反应有较高的分辨率，可正常检测0.1umol/L以下的亚硝酸盐浓度。其中亚硝酸盐检测标准浓度曲线的线性回归系数R2高达0.9985，接近实验室专业仪器，下图是实际测量鱼缸亚硝酸含量时的截图，其中1.091为测量后换算得到鱼缸亚硝酸盐测量值，R2为线性回归系数。左右两图使用不同的方式拟合标准浓度曲线，使测算结果略有不同，但浓度检测的小数点后3位都是一致的。
(, 下载次数: 722)
仪器使用的比色皿光程1厘米，低于国标要求。但得益于所使用的光电传感器方案具有较高的放大倍数和灵敏度，且分辨率位数高达16位，使仪器可以识别非常微小的透光度变化。甚至对于肉眼看完全透明的溶液的吸光度差异也能正常识别，可以正常定量检测纯水、矿泉水、海水之间的吸光度差别。
物料清单（总采购成本小于55元）硬件方案对成本做了优化。单台检测仪造价的物料采购成本小于55元。如果工程批量采购，预计能低至50元以内。具体物料如下：
电子设备方面，GY-2561模块11元，微雪TSL25911模块19元，ESP32开发板15元，1颗绿光520nm 3mm LED和1颗红外850nm 3mmLED忽略不计，2个250欧电阻忽略不计，杜邦线若干忽略不计；
结构方面，外壳及传感器支架全部使用3D打印，材料用量约58克，按50元每公斤计，约3元；
标准件方面，两个10mm玻璃比色皿5元，M3x4x3 注塑预埋螺母4颗忽略不计，M3x8螺丝4颗忽略不计。
硬件原理图和接线实物图
(, 下载次数: 505)
(, 下载次数: 565)
固件和软件源码
仪器固件、上位机软件的开源地址见：Gitee上的开源地址
致谢
感谢林博士提供的方案参考，参考文章：
林北辰,环境水体营养盐的无泵无阀低成本原位分析仪器的研发及应用[D],厦门大学
作者: nickolas 时间: 2022-6-27 11:01
感谢分享
作者: 吴奇隆 时间: 2022-6-27 12:42
牛人
作者: 秦大毅 时间: 2022-6-27 13:06
牛逼 牛逼
作者: 有时寂寞 时间: 2022-6-27 15:01
真牛
作者: 礁岩极限 时间: 2022-6-27 15:52
真厉害
作者: 547506657 时间: 2022-6-27 20:20
这个牛逼，可以搞起来
作者: 彩虹小羊 时间: 2022-6-27 21:45
开源好啊。
作者: beggar 时间: 2022-6-28 00:13
来众筹100台
作者: xukejing 时间: 2022-6-28 09:52
这个项目不直接商业化，也没必要搞套件出售。本项目的硬件方案是完全为DIY爱好者量身定做的，自行采购不会有难度。
过去开源界发生过一些有趣的事情，比如稚晖君兴致勃勃地搞了个高大上的开源项目，分享后发现即使是自动化专业出身的玩家，拿到稚晖君的设计资料后也因为加工条件限制而复现不了，最后还得找专业厂家代工。
于是，本项目为了让高中生参加科创比赛也能正常使用，考虑了玩家们的实际条件，没有在电子设备和机械工艺上设置任何绊脚石。电子零件使用的都是非常容易购买到的现成的模块，比如广盈的GY2561，微雪的TSL25911，单片机开发板更是非常便宜的ESP32；CAD零件也已考虑配合间隙，对加工精度要求不高，普通桌面级3D打印机就能胜任。
作者: xukejing 时间: 2022-6-28 10:10
以前我们这些极客就探讨过用GNU开源的智能车方案造辆车，还是买一台现成的特斯拉。我们的开源方案不一定比商品闭源的性能好，但是我们任何时候都能改进它；比如我们可以换装任何车门，想装啥规格的车门就是啥，甚至车头可以左右安装两个不同型号的前灯；如果车坏了，通过详细的技术文档和可方便购买到的零件，玩家自己就可以动手修复它；最后，即使在某个版本里，它的某项功能还不完善，也可以通过GNU界的开发者们共同努力，在下个版本或下下个版本里被改进。
(, 下载次数: 420)
感谢支持，虽然现在这个项目的外观还很丑陋，我们也不一定能把它做得像那些闭源商品那样美观，但是相信能给国内水族电子设备厂家一些灵感，通过来自GNU开源界的新技术技术的驱动力注入，推动水族电子设备的技术演替。
如果森森或尼特利能推出200块钱一套的水质监测仪，工业设计做得跟苹果，我们都会购买的。
作者: beggar 时间: 2022-6-28 19:25
xukejing 发表于 2022-06-28 09:52
这个项目不直接商业化，也没必要搞套件出售。本项目的硬件方案是完全为DIY爱好者量身定做的，自行采购不会有难度。
过去开源界发生过一些有趣的事情，比如稚晖君兴致勃勃地搞了个高大上的开源项目，分享后发现即使是自动化专业出身的玩家，拿到稚晖君的设计资料后也因为加工条件限制而复现不了，最后还得找专业厂家代工。
于是，本项目为了让高中生参加科创比赛也能正常使用，考虑了玩家们的实际条件，没有在电子设备和机械工艺上设置任何绊脚石。电子零件使用的都是非常容易购买到的现成的模块，比如广盈的GY2561，微雪的TSL25911，单片机开发板更是非常便宜的ESP32；CAD零件也已考虑配合间隙，对加工精度要求不高，普通桌面级3D打印机就能胜任。
实在扛不住懒
作者: zoea 时间: 2022-6-28 21:13
太好了，民间的创造力越来越强大了！
作者: gggqqv 时间: 2022-6-29 21:25
强烈支持！
作者: 康康康康康康 时间: 2022-7-1 17:16
理科废柴的我，手工能力八级残废的我，默默的说一句，楼主成品化可以么，我买可以吗
作者: xukejing 时间: 2022-7-2 23:18
今天更新了磷酸盐检测代码。并调配了各个浓度标准溶液测试了曲线。磷酸盐检测标准浓度曲线的线性回归系数R2为0.9950，略低于实验室专业仪器。
因为没有移液枪精确控制微量液体，我在调标准溶液时按每3滴0.1mL稀释，稍微引入了一些实验误差。但总的来说，R2还是可以看的。磷酸盐标准浓度-吸光度校准曲线、磷酸盐检测代码都已更新到我的gitee项目中。
(, 下载次数: 566)
作者: 海新 时间: 2022-7-3 20:36
楼主可以私信一下led的购买链接么？
作者: 彩虹小羊 时间: 2022-7-5 11:00
 不明觉厉
作者: xukejing 时间: 2022-7-5 19:33
分别淘宝关键字
led 3mm 850nm
led 3mm 翠绿
作者: 海新 时间: 2022-7-9 17:05
测量磷要配置的溶液好多，楼主有什么简单的测量方法么？
作者: weicyboy 时间: 2022-7-10 15:04
大佬太牛逼了！！感谢！！正好我有打印机 元件也在淘宝搞定了 就是电路图不会看怎么办
作者: xukejing 时间: 2022-7-10 21:06
电路原理图的电路网络标签可以用来标识导线网络名， 或者标识两个导线间的连接关系。可以使原理图变得清晰简洁，没有过多的导线，只需给每个端口设置一个网络名称。
接线时需要把标记了相同的电路网络名称的点连在一起，比如原理图里的LOLON32 LITE、GY2561和TSL25911上各有一个SDA，这3个SDA需要并联在一起。
作者: xukejing 时间: 2022-7-10 21:36
显色剂可以用成品的水产快速测试液。每个厂家的配方略有不同，反应起点的原始黄色深度和反应终点的蓝色深度略有不一样，但原理都是磷钼蓝显色反应，只要850nm的吸光度会变，哪怕肉眼看水的颜色都是黄色，也不影响磷酸盐的标准浓度曲线校准，
作者: weicyboy 时间: 2022-7-10 23:42
xukejing 发表于 2022-07-10 21:06
电路原理图的电路网络标签可以用来标识导线网络名， 或者标识两个导线间的连接关系。可以使原理图变得清晰简洁，没有过多的导线，只需给每个端口设置一个网络名称。
接线时需要把标记了相同的电路网络名称的点连在一起，比如原理图里的LOLON32 LITE、GY2561和TSL25911上各有一个SDA，这3个SDA需要并联在一起。
原来如此啊！！那我就明白了！另外您没有说在测试的时候如何供电和查看数据的过程，还请教教小弟
作者: 早早海里游 时间: 2022-7-13 09:31
虽然我有两个蛋机了，但是很奇怪为啥国内没厂家跟进。
作者: xukejing 时间: 2022-7-13 12:33
上位机是matlab，matlab端的控制代码在gitee里也提供了。matlab需要点机缘和悟性，不妨试试，这个跟学历没有直接关系。
我遇到好几个重点大学的本科生，有靠谱老师教，最后挂科了。
名不见经传的高中生，自学了高等数学，结果玩得贼6。
作者: xukejing 时间: 2022-7-13 12:46
森森和yee肯定是想仿造的，你看他们最近把foc变频泵也做出来了。
这就像大国工匠会做鬼工球，但是还没自己琢磨出造飞机，一旦有个靠谱老师带他做一遍，两弹一星就有了
作者: 早早海里游 时间: 2022-7-13 16:08
大佬你不去开个公司卖技术可惜了。
作者: smileyuli 时间: 2022-7-13 22:52
真是不错
作者: gggqqv 时间: 2022-7-16 07:55
大佬有做廉价kh的计划吗
作者: s3ce738 时间: 2022-7-22 18:53
对于普通的用户，要做校准，看起来也不是那么容易啊
作者: xukejing 时间: 2022-7-22 21:22
确实是这样，各个标准浓度都必须现配，实验过程需要非常仔细。
大家都知道生、化、环、材，很苦逼，1是体现在工作技术性强，除了吃苦耐劳，还需要很高超的操作技术。2是体现在成果的“产出低”，你忙活了大半天，可能才刚完成仪器的校准，然后在你老婆看来就是干了半天啥也没干，还要连人带鱼都被骂一顿。
作者: 彩虹小羊 时间: 2022-7-23 01:15
xukejing 发表于 2022-07-22 21:22
确实是这样，各个标准浓度都必须现配，实验过程需要非常仔细。
大家都知道生、化、环、材，很苦逼，1是体现在工作技术性强，除了吃苦耐劳，还需要很高超的操作技术。2是体现在成果的“产出低”，你忙活了大半天，可能才刚完成仪器的校准，然后在你老婆看来就是干了半天啥也没干，还要连人带鱼都被骂一顿。
可以根据吸收率来制作比较稳定校准液体，可以校准设备本身误差。要校准测试药品的误差，那就麻烦了
作者: xukejing 时间: 2022-7-29 10:40
药品的浓度误差对结果影响不大，药品本身的吸收波长峰值是避开测试用的540nm和850nm的。
我设计这个项目的时候，考虑到准备以开源项目发布，还会有后人改进，于是只关注了原理，而没有太注重简单化操作和用户体验。仪器上甚至连屏幕和按键也没有，所有测量操作全部用matlab做接口。
工作量较大的地方，主要在标准工作曲线的绘制（或者叫现场采集）。需要现场调一堆标准浓度的溶液，按操作规范是至少做6点，过程确实非常麻烦，特别是低浓度的几组的稀释过程。这样的操作，优点是可以对实验误差进行定量分析，比如给出量程范围的线性回归系数。这很接近正常科学实验的套路，不止定量地给出结果的值，还把结果的可信度进行定量的分析。而且Matlab本身的入门门槛就非常高，毕竟是数学工具，需要天赋超过努力，即使是重点大学的学生，学matlab都有挂科的。
我猜想，实际做成水族产品，6点工作曲线校准需要改成两点，只对0浓度和1ppm做一下两点的直线。最后的测量结果只给出拟合后的值，但不再给出线性回归系数。并且工作曲线不再现场做了，而只是出厂做一下，后面漂移了就不管了。这样可以防止用户买去后可以用好几年，结果厂家倒闭。
或者，只对0浓度点做单点校准，这样就更是玩具了，用户体验一定棒棒的。
水族低成本测试的需求是一直存在的，市场可能不大，但现在工程技术有了。我创造性地使用了TSL25911传感器作为吸光度测量的核心方案，具有一定的引领性和示范性，可能会颠覆过去的一些技术。具体怎么以更低的使用成本和更优秀的用户体验来实现这个方案，请看国内厂家的后续改进吧。
我相信我们是制造大国，国内很快就会有性价比超过哈纳蛋机的产品出现，并且会带比哈纳或莎利法廉价的测试液。
作者: xukejing 时间: 2022-7-29 11:11
我们玩开源的，一般不对项目的使用进行收费，但必要的话，可以做技术培训，培训可以收费。
现实世界中很多伟大的项目，其实都是开源的。比如一个网站，它的服务器的Linux操作系统，它的网页服务软件Apache，它的数据库MySQL，都是可以免费获得的。如果你硬盘空间充足，源代码都可以给你。
作者: 礁岩极限 时间: 2022-7-29 16:47
楼上是我这十多年见过最牛逼的 ，关键是心态没有扭曲的技术大牛，没有之一。
作者: Leo.Peng 时间: 2022-8-20 13:30
厉害厉害
作者: app366362 时间: 2022-9-1 23:38
po4显色剂 能给个链接吗？
作者: 彩虹小羊 时间: 2022-9-11 18:18
不知道亮度，对吸光度有没有影响
作者: xukejing 时间: 2022-9-19 21:22
本帖最后由 xukejing 于 2022-9-19 21:25 编辑
没有影响，吸光度是液体本身的属性，是客观的。光源亮度只影响测到的光强值，不影响吸光后的光强值/基准光强值。
诚然，数值误差和模数电路的背景噪声是需要考虑的。这就像同样的一套电子元件做成音响放大器，不同的工程师调教，信噪比可以差很多，这并不是玄学。
我的程序里确实有通过DAC调节LED电压的代码，目的是让基准光强被放大并被模数转换后的数值尽量接近65535但又不超过截断误差。见程序代码photometer_esp32/myudp.ino的10和11行
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这个设计是考虑了电路本身的背景噪声误差。举个例子，同样吸光度50%的情况，两个电路有相同的背景噪声（假设ADC数值±10），一个测到的是(500±10)/(1000±10)，另一个是(3000±10)/(6000±10)。显然，后者的误差可以更小。
比如下面这个例子，基准光强的测量值L0=64379，非常接近65535，见程序代码matlab / calibration_R2.m的11和12行，其中L0和L1是来自实测的值
(, 下载次数: 637)
读取L0和L1的光强ADC值的代码见matlab / udp_callback.m，4个通道的数据会存进Cj1 Cj2 Cj3 Cj4，对于NO2-测试，会把Cj2数组画成曲线，看到曲线基本上转平并伴随小幅度震荡（主要是来自电源背景噪声），等20秒，取Cj2最后10个数做一下平均值就得到L0或L1了。
L0是对纯水或还没滴显色剂的海水测基准光强，L1是显色后的光强
(, 下载次数: 765)
一不小心就话痨症发作，写了那么长一篇。真是一个敢教，一个敢学。
作者: chales 时间: 2022-12-3 20:31
牛人呀，学习了
作者: s3ce738 时间: 2022-12-4 10:24
没有看明白，测试液要怎么调制，用多少定量进行测量。能否请楼主再指教一下
作者: heyong163b 时间: 2022-12-4 18:11
本帖最后由 heyong163b 于 2022-12-4 18:15 编辑
这年纪的人大都这样纯洁可爱的，但社会是个熔炉也是大染缸，能禁得住诱惑的应该不多，包括楼主。
退休老头没事找事，我也在研究鱼缸电子产品，与你一样纯粹爱好以玩为主，新手，对水质的感官远不如你们深邃，很好的文章，所有资料都下载了，慢慢阅读，对我应该有极大的帮助。
作者: xukejing 时间: 2022-12-9 14:20
按GB/T 12763.4-2007的10.3.1到10.3.5
其中显色药剂买分析纯的原料调，或买已经初步兑好的符合国标的试剂溶液成品都可以。显色剂的用量取决于样品的营养盐浓度，对于1ppm内的情况，3滴显色剂就可以保证对6ml水样是足量的。水产的快速测试盒里的试剂也可以，价格适中，量也够大。
别买观赏鱼专用的，因为太贵了，做个标准曲线，几个点测完，已经一百元试剂消耗完了，然后鱼缸的营养盐还没测。
家里做实验，需要相对精确地调兑溶液，如果没有移液器，可以用带刻度的1ml注射器
作者: s3ce738 时间: 2022-12-10 21:52
谢谢回复。对于3滴显色剂，每1滴的容积，在不同的条件下，是否会有较差大的差异？从而导致测量结果误差太大？
作者: tanzhi 时间: 2022-12-12 20:42
这个已经大聪明在海鲜市场开卖了。
作者: xukejing 时间: 2022-12-16 22:21
如果你像我一样对0.01ppm后小数点四五位后面的数据感兴趣。滴管尽量认准一个用。然后实验尽量做快点，一轮标准曲线和待测液尽量在两小时内做完，这样气温变化不会太离谱。
作者: 有时寂寞 时间: 2022-12-22 13:35
这个不用测试剂吗，只用海水就可以吗
作者: 西瓜小丑吖 时间: 2023-2-3 08:11
帮顶
作者: 广州宝宝 时间: 2023-2-7 19:08
厉害
作者: 顽皮小鱼 时间: 2025-1-22 14:43
请问一下，目前楼主设备使用如何了？
作者: yao777 时间: 2025-1-22 15:16
估计已经上岸，最后一次登录是去年10月
作者: tparmor 时间: 2025-2-21 13:48
厉害
养鱼变成搞科研了是吧
作者: 彩虹小羊 时间: 2025-2-21 20:38
科技改变生活
作者: smileyuli 时间: 2025-2-24 08:15
现在在卖的那个小黑盒是不是就是这个
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