手持式仪器的种类及其应用领域

[导读]‌手持式仪器‌是指那些设计为便于携带和操作的仪器设备，通常用于现场检测、监测或分析。这类仪器通常具有体积小、重量轻、操作简便等特点，适合在各种环境下使用。

‌手持式仪器‌是指那些设计为便于携带和操作的仪器设备，通常用于现场检测、监测或分析。这类仪器通常具有体积小、重量轻、操作简便等特点，适合在各种环境下使用。

手持式仪器的种类和应用领域

手持式仪器种类繁多，常见的包括：

‌手持式光谱仪‌：基于X射线荧光光谱分析技术(XRF)，用于分析样品中的元素成分，广泛应用于合金、矿石、环境、消费品等领域‌12。

‌手持式土壤分析仪‌：用于快速检测土壤中的重金属和其他元素，适用于农业土壤检测、环境监测、土地规划与管理等‌3。

‌手持式矿石分析仪‌：同样基于XRF技术，用于分析矿石中的元素种类及其含量‌4。

手持式仪器的技术原理和操作方法

以手持式光谱仪为例，其工作原理基于X射线荧光光谱分析技术。当X射线照射到被测样品时，样品中的原子会吸收X射线能量，处于激发态的电子在回到基态时会释放出特征X射线荧光。不同元素的原子结构不同，所产生的特征X射线荧光的能量和强度也不同，通过检测这些特征X射线荧光的能量和强度，可以确定样品中存在的元素种类及含量‌12。

手持式仪器的优缺点

‌优点‌：

‌便携性‌：体积小、重量轻，便于携带和操作。

‌灵活性‌：适用于各种现场检测和环境，提高了工作效率。

‌实时性‌：许多手持式仪器能够提供即时检测结果。

‌缺点‌：

‌精度限制‌：由于体积和重量的限制，某些高精度测量可能需要更复杂的实验室设备。

‌电池寿命‌：长时间使用可能受限于电池寿命。

手持式仪器是嵌入式系统应用开发的重要领域，手持式仪器具有便于携带、操作方便、LCD显示清晰等优点。本文结合手持式电量测量仪开发项目，设计了以MSP430F449为核心的手持式仪器。系统采用16位A/D转换器AD7705和128×64像素LCD图形显示器设计互动式图形用户界面，用于显示测量结果数字和图形。符合人体工程学的按键和易于操作的菜单，实现了仪器的4按键图形菜单操作。设计了对测量数据进行分析处理并实时存储的应用软件。仪器具有测量精度高、数据处理能力强、信息容量大、智能化、体积小、功耗低等特点，适合于电池供电的工作环境。

1 核心模块硬件设计

1.1 16位嵌入式处理器MSP430F449单片机

德州仪器公司的MSP430系列单片机是一种16位超低功耗微处理器，低供电电压范围为1.8～3.6 V，1 MHz时钟运行时耗电电流在O.1～400 μA之间，并具有多种低功耗模式，关断模式下耗电仅为0.1μA;从中断请求到CPU唤醒只要6μs;具有丰富的片内资源。本系统中选用的是MSP430F449单片机，该单片机具有5种节电模式(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作电流O.1～280μA，具有2个16位和1个8位定时器;具有1个12位A/D转换器，2个串行通信接口，可通过软件选择UART/SPI模式;Flash存储器多达60 KB，RAM多达2 KB。手持式仪器核心模块基本组成的硬件电路框图如图l所示。

1.2 Flash数据存储器

由于系统要存放大量的数据，因此需要大容量的存储芯片。可选用的存储芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等类型。FRAM存储器虽然擦写次数无限制但其价格昂贵，EEPROM、Flash型存储芯片虽有擦写次数的限制但价格较低，其中Flash存储容量更大。本文选用AT45DB041B串行Flash芯片作为数据存储器。AT45DB041B与AT45DB04l、AT45DB041A完全兼容，但供电电压更低，为2.5～3.6 V或者2.7～3.6 V，功耗更低，且封装尺寸和引脚数更少。该存储器主存储页容量为4 Mb，共分为2 048页，每页容量为264字节，此外还具有2个264字节的缓存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被编程时仍可接收数据。它采用SPI串口模式0～3可与任何单片机或微机进行通信，几乎无需外接元器件。电路开发较为简单，而且数据存储量大，安全性较好。

1.3 16位A/D转换器AD7705

模数转换器选择ADI公司的16位∑一△A/D转换器AD7705。该器件提供双三通道、低成本、高分辨率的模数转换功能。由于采用∑一△结构并具有可编程增益放大器，应用于低频测量的模拟前端，可以直接接收来自传感器的低电压输入信号，实现16位无丢失代码并产生串行的数字输出。当电源电压为3.3 V，基准电压为1.225V时，可处理O～10mV或O～1.225 V的单极性模拟输入信号;双极性模拟输入信号范围是±10 mV及±1.225V，无需外部仪表放大器，简化了仪器硬件电路的设计。AD7705工作电压为2.7～3.3 V，与系统CPUMSP430F449的3.3 V端口电压兼容，可直接与MSP430F1449连接。AD7705的CMOS功耗极低，3 V电压时最大功耗为1 mW。器件带有节电模式，方便电池供电。AD7705能确保14位的准确度，分辨率达到小数点后4位，满足系统对测量数据小数点后3位的准确性要求。在本仪器核心电路设计中，采用MSP430F449的并行口模拟SPI串行口时序，实现对AD7705的操作。在AD7705的PCB设计时，应避免在器件下布置数字信号线，否则会导致片内噪声成倍增加。同时，应注意模拟地与和数字地在一点接地。

1.4 128×64 LCD显示器

液晶模块选用北京青云创新科技发展公司的LCMl28645ZK液晶模块，显示内容为128×64点阵，外形尺寸为93 mm×70 mm×13 mm，视域尺寸为70.7 mm×38.8 mm，显示类型为STN黄绿模式，正向显示，控制器为ST7920，工作电压3.3 V，和微处理器供电电压兼容。该模块自带8 000多GBl、GB2中文汉字字库，具有8位、4位并行编程模式和3线串行编程模式。引脚定义如表1所列。串行编程模式下所需I/O口线少，硬件连接简单。本系统即采用串行编程模式。

手持式光谱仪是一种小型、便携的分析仪器，它能够通过光谱分析技术，快速测定物质中的元素成分。仪德公司提供的斯派克手持式光谱仪，以其卓越的性能和便携性，满足了客户对高科技实验室分析仪器的需求。

手持式光谱仪之所以重要，主要基于以下几点：

即时性：能够在现场快速得到分析结果，无需将样品送至实验室。

无损检测：分析过程中不会破坏样品，适合贵重或不可再生材料的检测。

操作简便：用户界面友好，简化了操作流程，降低了专业门槛。

应用广泛：适用于金属、矿石、土壤、环境、食品等多种样品的分析。

仪德公司不仅提供这些高科技设备，还免费为客户提供工程技术、仪器购置、设备投资等方面的咨询服务，确保客户能够充分利用这些设备，发挥其最大价值。

手持式光谱仪的工作原理通常包括以下几个步骤：

激发样品：通过内置光源激发样品，使其发出特征光谱。

光谱分离：利用光谱仪内部的光学系统将光谱分离成不同波长的光。

信号检测：通过高灵敏度的检测器捕捉不同波长的光信号。

数据处理：内置软件系统分析检测到的光谱数据，确定元素成分。