微生物密度在線檢測儀的研制*

周鵬飛，王振華，章曉眉，王金輝，梁　偉，蔡佳玲，劉　戈，3，蔡　強，*

(1.杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018; 2.浙江清華長三角研究院，嘉興314006; 3.北京華夏科創儀器技術公司，北京100085)

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微生物密度在線檢測儀的研制*

周鵬飛1，王振華2，章曉眉2，王金輝2，梁偉2，蔡佳玲2，劉戈2，3，蔡強1，2*

(1.杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018; 2.浙江清華長三角研究院，嘉興314006; 3.北京華夏科創儀器技術公司，北京100085)

摘要:由于微生物密度是生化培養過程中的重要參數，故為了檢測此參數，設計中采用在線測量反應器內溶液光密度的方法獲取微生物的生長信息，并以此原理研制了流動式光電比色儀。通過微控制器STM32F107VC輸出PWM波形控制蠕動泵，實現培養液的連續流過流動式光學比色池，采用光電池檢測培養液吸收的光強。該儀器可獨立顯示檢測參數與調整控制參數，也可通過RS485與PC機通信。該儀器能實現反應器內微生物生長過程的實時監測。

關鍵詞:微生物密度;光密度;光電池; RS485;在線檢測

項目來源:嘉興市科技計劃項目(2012AY1001)

微生物密度直接反應了微生物的生長狀況、生長速度、生理生化、生態等方面，其測定方法有很多，常使用的有細胞計數法、干重測量法、葉綠素法、濁度法、最大比生長速率法等。細胞顯微直接計數法由于大多數微生物形狀不規則及在線顯微鏡設備較復雜，因此不適合實時監測［1］。葉綠素測量法采用熒光分析技術，檢測系統較為復雜。光密度測量法檢測系統較為簡單，更適合在線監測系統應用［1］。

通過研究國內外的在線檢測儀，有基于紫外吸收法測量化學需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)的在線分析儀，其系統架構主要分為光學、電學的硬件和軟件。用低壓汞燈為光源，日本濱松公司生產的S2684－254型硅光電二極管作為探測器，實時測量254 nm處紫外光的吸光度，利用吸光度與COD之間存在的相關性來計算當前的COD值。硬件平臺采用研華公司生產的嵌入WinCE系統的板卡，然后此系統上面開發應用軟件［2］。

另一臺污水COD在線檢測儀運用電化學分析檢測法，結合由蠕動泵、電磁閥、測量槽、電磁攪拌器以及各種進液管路組成的采樣系統，由三電極、電極信號采集、控制電路、工控機組成的硬件電路，由NI公司的圖形化編程語言LabVIEW(虛擬儀器)軟件開發平臺來進行數據采集和信號處理，大大縮短了系統開發周期［3］。

還有一臺類似的智能化微生物發酵乙醇濃度在線檢測儀是利用氣敏傳感器來測量微生物發酵中乙醇蒸汽濃度，硬件電路以飛利浦(PHILIPS)公司生產的P80C592微處理器作為核心工作單元，結合A/D模數轉換、CAN控制器、信號調理模塊等搭建，軟件程序主要是數據處理子程序，包括數字信息量的濾波處理、根據前期系統辨識算法得到的采集電壓與所測乙醇濃度值之間的擬合關系式計算最后結果;最終將所研制的智能化乙醇濃度在線檢測儀在微生物發酵環境下進行儀器標定和校驗，得到檢測儀的測量模型，以此進行相應的實驗［4］。也有運用流動注射分析技術［5］來實現生物和化學分析的自動化。而在此類國外的檢測儀器中，較為出名的儀器公司有PE、Biotek、MD等，他們的儀器功能全面，性能高，但是價格昂貴，而且系統架構和檢測部件都大同小異。

因此本文設計的在線檢測系統，可以參考以上系統架構并結合微生物的特點，控制成本的同時提高易用性，進行參數實時測量和數據存儲顯示，有效地解決由于離線測量帶來的各種繁瑣操作。

1　系統設計

微生物密度檢測原理主要運用分光光度法。通常采用600 nm波長追蹤液體培養物中微生物生長的標準方法。在600 nm波長下，以未加菌液的培養液作為空白液，測量定量培養后的含菌培養液。根據郎伯－比爾定律，吸收度與微生物密度呈線性關系。為了連續測定微生物密度，本系統采用蠕動泵將培養液連續泵入比色池，連續地記錄吸光度，從而實現微生物密度參數連續監測。

描述的檢測原理以及結構圖1。由于微生物對不同波長的光吸收能力不同，故對不同微生物，采用不同濾光片及光源較為合適。設計還要考慮選擇峰值波長為單色光中心波長的光電池，確保測量的準確性。檢測流程具體如下:系統先通過三通閥來切換到標準溶液，在蠕動泵的作用下，讓標準溶液經過比色池，得到其標準光強，接下來對測量溶液也進行同樣的操作，得到測量溶液光強，將標準溶液與測量溶液光強按照相應的計算公式便能得到其測量溶液的吸光度。結合現場實驗，在線檢測系統的吸光度測量范圍為0～3，并實現每秒上傳1～2次數據。

圖1　吸光度在線監測系統結構

2　光路設計

流通式比色池結構設計如圖3。為適應不同微生物類型和濃度測量，該部件可更換不同的濾光片，也可通過更好的樣品池來調整到不同光程(如: 1 mm、3 mm、10 mm)，使其適應高密度微生物測量。

圖2　比色池的光路結構

圖3　比色池實物

3　電路設計

該儀器的硬件主要包括數據采集、光源、兩位三通電磁閥控制、現場顯示、遠程通信、步進電機驅動、和系統電源等方面，故其硬件電路主要包括信號處理電路、光源和三通閥控制電路、液晶屏顯示電路、RS485通信電路、蠕動泵驅動電路、供電系統。系統結構圖如圖4。其中光電信號檢測電路采用BPW21R型硅光電池［6］，提取其光電流信號并轉換成電壓信號后進入AD轉換器，其設計如圖5所示。光電信號調理電路主要是通過I/V轉換、反比例放大、電壓跟隨電路，并將輸出的電壓控制在0～3.3 V范圍內。其光電池信號放大調理電路如圖6所示。

圖4　在線檢測系統電路框圖

圖5　信號處理框圖

圖6　光電池信號放大調理電路

光源和三通閥控制電路。吸光度在線監測系統選用鹵素燈(Philips，20 W)作為系統光源，通過繼電器(OMRON，G5V－1)來實現5 V控12 V鹵素燈的開關，采用MCU的I/O口高低電位作為控制鹵素燈的開關量;使用三通閥作為溶液流入比色池通道的切換器件，通過控制12 V電壓來控制三通閥的導通。由一個I/O口控制三通閥驅動電路，故控制了由12 V供電的三通閥電壓的通斷。燈、三通閥控制電路如圖7所示。

圖7　控制電路模塊

液晶屏顯示電路本系統采用托普微3.8 inch 320×240點陣液晶顯示模塊LM2068E－1［7］。LM2068E提供了Intel 8080時序的并行接口，減少了與所選用微處理器STM32F107VC之間的時序匹配工作。

RS485通信電路系統要用到微藻培養現場，選擇RS485作為通信方式，實現數據的遠距離傳輸，確保其準確傳輸數據的要求。設計的方式是將STM32F107VC的USART2作為數據傳輸的發送和接收模塊，通過外加電平轉換芯片MAX3082實現了串口轉RS485功能，進行數據的傳輸［8－9］。RS485通信模塊如圖8所示。

圖8　RS485通信模塊框圖

為避免現場干擾導致數據傳輸錯誤等，使用光耦對數據進行隔離處理，根據數據傳輸速度快的特點，微控制器輸出引腳和接收引腳與MAX3082芯片之間用快速通斷光耦6N137進行數據隔離;對于MAX3082數據傳輸的控制引腳，使用了光耦TLP512，這樣的設計合理有效地利用了數據傳輸的特點。

蠕動泵由步進電機驅動［10］，其由步進電機驅動芯片THB6064H［11］組成，通過微控制器I/O口控制電機的正反轉動、起停等，由TIMER產生PWM波控制驅動芯片，產生控制步進電機轉速的信號。步進電機驅動電路模塊如圖9所示。

圖9　步進電機驅動模塊框圖

供電系統本系統是通過+12 V電壓轉換成±12 V給運放雙極性供電，+12 V電壓轉換成+5 V 給RS485供電，通過LM2575將+5 V轉換成+3.3 V給系統的其他模塊供電。值得一提的是，運放供電的+12 V不能再用于供電電機，得單獨供電+12 V，否則對光電信號來說，大功率的電機會產生很大的干擾，這是影響光電檢測器檢測數據精度的一個重要方面。系統供電結構如圖10所示。

圖10　系統供電結構圖

4　軟件設計

軟件方面，主要是初始化、器件驅動程序、信號采集傳輸程序、液晶屏顯示以及觸摸板控制程序等設計。系統下位機設計理念是將采集、控制、數據傳輸、液晶屏顯示等進行模塊化設計。

4.1液晶屏程序設計

液晶屏程序主要是液晶屏和觸摸板模塊引腳配置和功能初始化，液晶屏顯示功能參數，啟動讀取命令后實時地顯示采集計算后的吸光度值;計算微生物密度;觸摸板用于產生觸摸中斷，MCU根據液晶屏上顯示的功能選項和觸摸坐標判斷來執行何種操作。液晶屏顯示程序流程圖如圖11所示。顯示內容采用自定義函數Print_bmp實現，即為void Print_bmp (ucharx，uchary，ucharm，ucharn，uchar* pstr)。該函數可顯示任何字符或者圖片，使用圖片前需將其用取字模軟件轉化為數組形式(其中，坐標(x，y)，x為水平方向像素位; y為垂直方向像素位; m:相關圖片的行數，n:相關圖片的列的字節數，即列數÷8)。

圖11　液晶屏顯示程序流程圖

圖12　觸摸操作的人機界面

4.2信號采集傳輸程序設計

信號采集傳輸程序主要是通過STM32F107VC的片內ADC1中的通道10實現，在程序設計工程中使用了DMA［12］功能，這樣能有效解決處理器處理任務過多的問題。本系統需要集成到整個養藻系統中，軟件通信設計主要是采用MODBUS-RTU協議［13］，通過RS485總線來下發命令控制下位機動作、液晶屏顯示等。軟件設計總體結構如圖13所示。

圖13　系統軟件總體結構圖

5　系統調試

5.1主要部件調試方法

系統設計有液晶屏現場顯示功能，通過觸摸屏可以對儀器進行現場控制，調試主要部件，流動式微生物密度在線檢測儀組裝圖如圖14所示。

圖14　流動式微生物密度在線檢測儀組裝圖

測試中，下位機將數據傳輸到液晶屏并顯示所測量的吸光度數據值，再利用RS485轉RS232模塊將吸光度數據上傳到PC機上，便于遠程監測數據。系統在測量不同濃度的溶液時，所測溶液使吸光度值曲線會有明顯階段性的變化，說明系統測量吸光度的靈敏度滿足在線測量靈敏度的要求。

5.2系統檢測性能測試

采用孔雀石綠和甲基紅作為標準溶液，分別測試在不同波長下測試系統的檢測精度。檢測結果分別如圖15和圖16所示。從數據可知，儀器性能如表1所示。

圖15　孔雀石綠檢測擬合曲線

圖16　甲基紅檢測擬合曲線

表1　儀器性能參數

圖17　小球藻密度生長曲線

然后，以高密度培養小球藻為例，采用本文設計的微生物密度在線檢測儀，實時檢測小球藻生長過程。小球藻采取靜置培養方式，溫度25℃，pH 6.5～7.5，光暗比12∶12，每天早上開啟攪拌約5 min，使小球藻均勻分布在培養液中。將在線OD檢測儀接入發酵罐，記錄其OD值。圖17為截取的部分數據。

從數據可以看出:

(1)在實驗過程中采用靜置培養方式，小球藻在靜置狀態下會慢慢沉到底部，導致夜間(0～9 h)測得OD偏小。由于小球藻下沉的過程非常緩慢，因此OD值變化不大。

(2)在第9個小時左右，OD值變化較大是因為在這個時間段開啟攪拌，使得小球藻分布均勻，導致OD值明顯上升。

(3)在光照條件下，小球藻進行光合作用，生長速度較快，因此在9 h后，OD值開始緩慢上升。

6　結論

考慮現場比較惡劣的培養環境會對信號的質量和傳輸造成比較大的影響，需要對系統進行長時間和反復測試，故對儀器進行了一天的連續測試，其運行正常，結果較為穩定。由此可見，此研究方法用于微生物培養檢測具有一定的可行性［8］。

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周鵬飛(1987－)，男，漢族，湖南常德人，杭州電子科技大學在讀研究生，主要研究方向為電子信息系統集成技術，466755004@ qq.com;

蔡　強(1972－)，男，漢族，研究員，安徽蚌埠人，浙江清華長三角研究院，主要研究方向為環境監測儀器技術研究，caiq@ tsinghua.edu.cn。

Design of Detection Circuit for Photoionization Gas Concentration
Based on C8051f040 Microcontroller*

GAO Licong1，2，LIANG Ting1，2*，SUN Yuhong1，2，ZHOU Leigang1，2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Gas concentration can be measured by detecting the photoionization micro-current.C8051f040 microcontroller is used as the core device，using the internal ADC and signal acquisition unit to design a measurement system that can be measured gas concentration within the range of 0～200×10－6and real-time detection with digital display.The system by using the metal shielding signal acquisition unit and in the software programming combining sampling，digital filtering method improved the SNR of the system.In computer automatic distribution system the concentration of dimethyl ether is tested，which showed the error did not exceed the scope of 0.07×10－6，together with fast response and reliable work made it work properly in the practical application.

Key words:photoionization; data acquisition; I－V converter; oversampling; digital filtering; concentration calculation EEACC: 7230L; 1265

doi:10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.031

中圖分類號:TP216

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0626－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－20