基于STM32單片機(jī)的分光光度計(jì)改裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心的分光光度計(jì)改裝系統(tǒng)，建立了一種為普通手動式分光光度計(jì)增加數(shù)據(jù)輸出、光譜圖顯示等功能的改裝方法。使用STM32單片機(jī)對分光光度計(jì)的光電電壓信號進(jìn)行采集、模-數(shù)轉(zhuǎn)換、串口發(fā)送等數(shù)字化處理，將分光光度計(jì)輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并實(shí)現(xiàn)電腦端的數(shù)據(jù)處理、譜圖顯示、結(jié)果保存等功能。改裝方案技術(shù)簡單、成本低廉，可極大地?cái)U(kuò)展普通分光光度計(jì)的功能。

關(guān)鍵詞：STM32；分光光度計(jì)；光譜圖；改裝

一、前言

紫外—可見分光光度計(jì)是測試物質(zhì)在紫外—可見光波段內(nèi)的吸光度、透光率等光譜參數(shù)的通用光學(xué)分析儀器，可用于物質(zhì)的定量、定性分析，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)藥、環(huán)境等諸多領(lǐng)域。國產(chǎn)721/722等型號的手動型分光光度計(jì)由于性能穩(wěn)定、使用簡單且價(jià)格低廉，目前仍在學(xué)校、工廠、研究機(jī)構(gòu)等許多部門中廣泛使用。這些光度計(jì)大多采用三棱鏡/光柵為分光器件，手動轉(zhuǎn)動波長刻度盤選擇測量波長進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)成熟，工作可靠，性能穩(wěn)定，但是通常不具備連接電腦、發(fā)送數(shù)據(jù)、顯示光譜圖等功能，只能手動操作和手動記錄，因此對它們的升級和改造屢有報(bào)道[1-3]。本文研究了一種基于STM32單片機(jī)控制手動型分光光度計(jì)的方法，對這類光度計(jì)進(jìn)行數(shù)字化改造，使其具備數(shù)據(jù)自動處理和輸出、光譜圖顯示等新功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

721/722系列的分光光度計(jì)均使用光電池/光電管等光電器件來接收測量樣品時(shí)產(chǎn)生的光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生電壓/電流等模擬信號，儀器內(nèi)部的電路對模擬信號進(jìn)行處理后得到吸光度、透光率等信號，再使用指針、數(shù)碼管、液晶屏等器件來顯示測量結(jié)果，需要操作者人工讀數(shù)和記錄，一般不具備輸出數(shù)據(jù)到電腦的功能。本系統(tǒng)使用采樣電路采集分光光度計(jì)光電檢測器件上的光電電壓，送入STM32單片機(jī)進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換，將檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理后，即可通過串行口發(fā)送到電腦端進(jìn)行后續(xù)的處理。系統(tǒng)的組成方框圖如圖1所示，由STM32核心板、采樣模塊、控制模塊、串口連接線等部分組成。系統(tǒng)核心處理器采用STM32F103C8T6芯片，具有外設(shè)豐富、功能全面、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，能充分地滿足開發(fā)工作的要求。系統(tǒng)工作流程為在STM32核心板的控制下，采樣模塊采集光度計(jì)檢測樣品時(shí)得到的光電信號，送入STM32核心板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、運(yùn)算等處理，得到測量樣品時(shí)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)。光譜數(shù)據(jù)在控制模塊的控制下，通過串口連接線同步發(fā)送至電腦端。電腦端使用VS2019編寫的軟件，接收串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，處理后得到吸光度、測量波長等數(shù)值，并在電腦上顯示測量結(jié)果和光譜圖，如圖1所示。

采樣模塊使用簡單的電阻分壓電路如圖2所示，從分光光度計(jì)機(jī)器內(nèi)部的光電傳感器或電壓放大器，用導(dǎo)線接出檢測試樣時(shí)產(chǎn)生的光電電壓，分壓后送到STM32單片機(jī)PA0口進(jìn)行采集，并由STM32單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。STM32F103系列的單片機(jī)內(nèi)部自帶12位AD轉(zhuǎn)換模塊，可轉(zhuǎn)換0～3.3V的模擬電壓信號，轉(zhuǎn)換速度最大可達(dá)14MHz，具有良好的AD處理性能[6-7]。控制模塊由光纖傳感器和光纖放大器構(gòu)成[8]。光纖傳感器固定于分光光度計(jì)的波長刻度盤上方，其探頭對準(zhǔn)刻度線，操作者轉(zhuǎn)動波長刻度盤時(shí)，每當(dāng)光纖傳感器發(fā)射的光束經(jīng)過一條波長刻度線，光纖放大器即可產(chǎn)生1個開關(guān)信號，將此開關(guān)信號送至STM32單片機(jī)PB0端口，并控制STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送，即可實(shí)現(xiàn)波長信號和光譜檢測信號的同步，用于繪制樣品的光譜圖。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的處理程序使用Keil uVision5軟件進(jìn)行編寫。分光光度計(jì)檢測試樣時(shí)，其光電傳感器或電壓放大器會產(chǎn)生相應(yīng)的光電電壓信號，STM32單片機(jī)利用采樣模塊采集此光電信號并進(jìn)行AD模—數(shù)轉(zhuǎn)換處理，AD轉(zhuǎn)換處理的部分代碼如下：

/* ADC1 configuration */

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent； " " " " " " " " " "http:// ADC接口獨(dú)立工作

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE； // 掃描模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE； " " " "http:// 連續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None； " " " "http:// 使用軟件觸發(fā)

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right； " " " " " // 數(shù)據(jù)右對齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1； // 只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列1

ADC_Init（ADC1， amp;ADC_InitStructure）；

ADC_RegularChannelConfig（ADC1， ADC_Channel_0， 1， ADC_SampleTime_55Cycles5）； //采樣周期55.5個時(shí)鐘周期

由于分光光度計(jì)每次測定時(shí)需要一段時(shí)間讀數(shù)才能穩(wěn)定，在采集信號時(shí)，若每個波長只選取1個數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)送至上位機(jī)，容易造成數(shù)據(jù)漂移和噪音干擾，如圖3所示。為了濾除隨機(jī)信號的干擾，提高測量精度，STM32單片機(jī)在使用中常采用均值濾波、加權(quán)濾波等軟件濾波的方式處理采集數(shù)據(jù)[9]。本系統(tǒng)采用去極值平均濾波的方式減小干擾，具體方法為，在每個測量波長處都進(jìn)行15次測量，得到15個數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后使用軟件排序，去除最大值、次最大值、最小值和次最小值4個極值后，對剩余的11個數(shù)值取平均值，再發(fā)送到上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)濾波處理后，系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性顯著提高，所得譜圖明顯變得更加平滑，如圖4所示。 濾波處理的部分代碼如下：

for（n=0； nlt;=14； n++）

{ " AD_value_temp[n]= ADC_ConvertedValue； " " " // 讀取15次AD轉(zhuǎn)換值，存入AD_value_temp [ ]

Delay（1）； " " " " " }

for （i=0； ilt;=13； i++） " " " " " " " " " " " " " " " " // 排序

{ "for （j=0； jlt;=（13-i）； j++）

{ if （AD_value_temp[j] gt; AD_value_temp[j+1]） " " // 比較法排序

{ "temp = AD_value_temp[j]；

AD_value_temp[j] = AD_value_temp[j+1]；

AD_value_temp[j+1] = temp； " " " " " "http://將15個數(shù)據(jù)按大小順序依次存入數(shù)組

} " "} " "}

temp = 0；

for （n=2； nlt;=12； n++） " " " " " " " " " " " "http:// 去除最大、最小的4個值，只取中間11個點(diǎn)

{ temp += AD_value_temp[n]； " "} " " " " "http:// 中間的11個點(diǎn)相加

AD_value_Average = temp/11； " " " " " // 總和除以11即可得到11次的平均值，完成濾波。

濾波后的平均測量數(shù)據(jù)AD_value_Average 按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

AD_value = 3300000/4096*AD_value_Average/1000 （1）

即可得到實(shí)際電壓值A(chǔ)D_value。經(jīng)過對比，AD_value的數(shù)值與分光光度計(jì)上采樣電路的輸入點(diǎn)位置用電壓表測得的原始電壓值基本一致，證實(shí)系統(tǒng)可以正確地采集測量樣品時(shí)光度計(jì)光電檢測元件上的光電信號，并進(jìn)行準(zhǔn)確的A-D轉(zhuǎn)換。

AD_value 值由STM32單片機(jī)通過CH340轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線發(fā)送到電腦端，使用VS2019設(shè)計(jì)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)朗伯—比爾定律，按照式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終計(jì)算得到吸光度、透光率等光譜數(shù)據(jù)，并在電腦屏幕上顯示吸光度的數(shù)值。

A= -lg（Vb - Vs ） / Vb （2）

式中，Vb為空白樣品產(chǎn)生的電壓值，Vs為待測樣品產(chǎn)生的電壓值。

要繪制樣品的吸收光譜圖，不僅需要獲得樣品在某一時(shí)刻測得的吸光度信號，而且需要獲得測量時(shí)所處波長的數(shù)值，波長和吸光度二者需保持測量時(shí)間點(diǎn)一致，才能得到正確的光譜圖。本文采用光纖傳感器探測波長刻度線、產(chǎn)生開關(guān)信號控制吸光度數(shù)據(jù)發(fā)送的方法，實(shí)現(xiàn)了波長信號和吸光度信號的同步。系統(tǒng)使用光纖傳感器來探測波長刻度盤轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的信號，每當(dāng)光纖傳感器的探頭下方有一條波長刻度線轉(zhuǎn)過時(shí)，就可產(chǎn)生一個開關(guān)信號，此開關(guān)信號即可控制STM32單片機(jī)發(fā)送一次當(dāng)前的光譜測量信號。電腦端對開關(guān)信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按照式（3）計(jì)算當(dāng)前的波長λi：

λi = λ0 + n * Δλ （3）

式中，λi為當(dāng)前光度計(jì)所用的波長，λ0為起始波長，由操作者根據(jù)需要在電腦上手動輸入。Δλ為波長間隔，即光度計(jì)波長刻度盤上刻度線之間的間隔，721/722分光光度計(jì)的波長間隔通常為2nm。n為計(jì)數(shù)次數(shù)，STM32下位機(jī)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，電腦端就將n值自動加1進(jìn)行計(jì)數(shù)，并據(jù)此計(jì)算當(dāng)前測量所用的波長λi。得到某一時(shí)刻的測量波長λi、吸光度Ai的數(shù)據(jù)后，即可使用繪圖函數(shù)series1.Points.AddXY（λi， Ai）繪制出波長—吸光度的光譜圖，如圖5所示。

四、測試與結(jié)果

使用本系統(tǒng)對舜宇721、儀電722G等多種不同型號的分光光度計(jì)進(jìn)行了改裝，并對樣品進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果表明，幾種光度計(jì)上本系統(tǒng)均可以順利運(yùn)行。原來的儀器只能通過查看波長刻度指針來讀取波長數(shù)據(jù)，觀看數(shù)碼管的數(shù)字來人工記錄結(jié)果。經(jīng)過改裝后，不僅可以順利地在電腦上正確地自動顯示樣品的波長、吸光度等光譜參數(shù)，而且可以在電腦上顯示出樣品的波長—吸光度光譜圖。測量時(shí)得到的全部數(shù)據(jù)信息還可自動保存在電腦硬盤上，方便以后進(jìn)行查看和處理，如圖5所示。

五、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的分光光度計(jì)改裝系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)可以使手動型分光光度計(jì)在改裝后成功實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理和自動傳輸，增加高檔儀器才具備的連接電腦、輸出和記錄數(shù)據(jù)、繪制光譜圖等多項(xiàng)功能，且改裝成本低廉，適用性強(qiáng)，可用于對國內(nèi)多種傳統(tǒng)型號的手動式紫外—可見分光光度計(jì)進(jìn)行改裝，拓展這些儀器的功能和使用范圍。

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基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“亞甲基藍(lán)介導(dǎo)光動力法殺傷水產(chǎn)病原菌研究”（項(xiàng)目編號：2022J01802）

作者單位：集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振 鄭凱津