面向近紅外光譜速測(cè)的鹵鎢燈光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舒韻濤，吳海云*，衛(wèi) 勇，艾成龍，楊仁杰，曾雅楠，趙依烽，王展鴻

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津市 300384；2.中科國(guó)技（天津）智能系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司，天津市 300384）

0 引言

近紅外光譜分析技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期以來(lái)發(fā)展最快、最引人注目的快速高效現(xiàn)代分析技術(shù)。作為一種快速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，目前已在許多領(lǐng)域特別是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

光源是光譜檢測(cè)裝置中的重要組成部分，對(duì)于近紅外光譜儀器而言，光源的穩(wěn)定性直接影響儀器的穩(wěn)定性[3]。光源光強(qiáng)在工作過(guò)程中會(huì)隨著溫度、電壓等因素的變化而變化，進(jìn)一步導(dǎo)致紅外光譜儀的基線(xiàn)發(fā)生漂移，嚴(yán)重影響儀器采集數(shù)據(jù)的重復(fù)性和再現(xiàn)性[4-6]。鹵鎢燈是近紅外波段的理想光源，其工作電壓為24 V，一般采用變壓器將220 V市電降壓使用[7-9]。利用變壓器降壓較笨重，并且沒(méi)有穩(wěn)壓功能。本文針對(duì)近紅外光譜儀的應(yīng)用需求，主要進(jìn)行鹵鎢燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、輸出光強(qiáng)的監(jiān)控及暗室溫度監(jiān)控的研究。利用微控制器使得輸出光強(qiáng)可調(diào)且輸入電壓穩(wěn)定，降低鹵鎢燈受電壓波動(dòng)的影響。從而彌補(bǔ)鹵鎢燈對(duì)電壓波動(dòng)敏感這一缺點(diǎn)，不斷完善改進(jìn)鹵鎢燈的使用性能。對(duì)近紅外光譜儀的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 硬件系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)以Arduino為控制核心，主要包括穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)模塊、光強(qiáng)監(jiān)控模塊、溫度監(jiān)控模塊、風(fēng)扇、繼電器模塊、按鍵模塊及液晶顯示模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)模塊接入市電，通過(guò)降壓、穩(wěn)壓為鹵鎢燈提供穩(wěn)定的電源。同時(shí)由測(cè)溫模塊DS18B20接收溫度信號(hào)傳送給Arduino，利用PID算法，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始降溫，使溫度保持在設(shè)置值左右。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示光強(qiáng)值，利用PWM方法來(lái)控制鹵鎢燈的輸出光強(qiáng)。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

2 主要模塊的設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊

圖2 穩(wěn)壓電路原理圖

選用Arduino UNO作為系統(tǒng)微控制器。Arduino Uno是一款基于高速ATmega328的微控制器板，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，集成度高，成本低，便于開(kāi)發(fā)[10-11]。

2.2 穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)模塊

穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)模塊接入市電，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源降壓、穩(wěn)壓對(duì)鹵鎢燈進(jìn)行穩(wěn)定的供電。穩(wěn)壓電路如圖2所示。由電流限制電阻和電壓穩(wěn)定二極管組成。當(dāng)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路負(fù)載電阻變小時(shí)，要保持輸出電壓不變，負(fù)載電流要變大。由于輸入電壓保持不變，流過(guò)電阻R的電流也保持不變，此時(shí)負(fù)載需要增大的電流由穩(wěn)壓管調(diào)節(jié)，所以，可以被認(rèn)為通過(guò)調(diào)整流過(guò)它的電流的大小來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載電流的變化，并與電流限制電阻R結(jié)合，電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化。

2.3 鹵鎢燈控制模塊

鹵鎢燈輸出光強(qiáng)的調(diào)節(jié)由Arduino Uno控制。在微控制器的數(shù)字端口中，其3、5、6、9、11端口是支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出的，利用引腳9的PWM波輸出，配合繼電器，可調(diào)節(jié)鹵鎢燈的輸出光強(qiáng)。鹵鎢燈光強(qiáng)控制過(guò)程如圖2所示。

圖3 光強(qiáng)調(diào)控控制流程圖

2.4 光強(qiáng)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)選用KY-018光敏電阻傳感器。利用光敏電阻的阻值與電壓之間的變化關(guān)系檢測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)度。并利用液晶模塊顯示系統(tǒng)實(shí)際光強(qiáng)值及設(shè)定值。

2.5 溫度PID監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

溫度的監(jiān)測(cè)選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。使用PID參數(shù)試湊法，Arduino Uno對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制。控制過(guò)程中溫度值可以通過(guò)串口發(fā)送到電腦，Matlab訪問(wèn)串口采集顯示溫度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化過(guò)程。控制過(guò)程軟件流程如圖3所示。控制邏輯如下（圖4）：采用PID參數(shù)試湊法，控制溫控箱中的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)溫度小于設(shè)定值，鹵鎢燈開(kāi)啟，大于設(shè)定值，鹵鎢燈關(guān)閉，并開(kāi)啟風(fēng)扇散熱。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于Arduino的鹵鎢燈光源控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的延展性，可為簡(jiǎn)易近紅外光譜儀的研制提供技術(shù)參考。

圖4 PID控制流程圖