雙光束分光光度計(jì)研究范文

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《信息技術(shù)雜志》2015年第二期

1雙光束分光光度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.1信號(hào)采集處理電路設(shè)計(jì)信號(hào)采集處理電路總體設(shè)計(jì)思路為被調(diào)制的光信號(hào)投射在光電倍增管上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再把采集到的電信號(hào)做一些必要的處理之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。信號(hào)采集處理電路圖如圖3所示，光電倍增管是一種高阻抗電流器件，所以前置放大器采用高阻抗輸入，以轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并進(jìn)行適度的線形放大。被放大了的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終通過(guò)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理［4］。在雙光束分光光度計(jì)中需要兩個(gè)采集放大板，一個(gè)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)樣品的信號(hào)，稱為參考信號(hào);另一個(gè)是經(jīng)過(guò)樣品被吸收后的信號(hào)，稱為樣品信號(hào);這也正是雙光束名稱的由來(lái)。通過(guò)光電二極管(PD)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采集，光電二極管和普通二極管相比，它的PN結(jié)面積相對(duì)比較大，目的是方便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作，當(dāng)沒(méi)有光照射的時(shí)候，反向電流很微弱，被稱為暗電流;當(dāng)有光照射時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，被稱為光電流，光越強(qiáng)則光電流越大。光電流流經(jīng)電阻之后，電流信號(hào)就轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)OUTPUT，該信號(hào)經(jīng)過(guò)CA3140和OP07這兩個(gè)集成運(yùn)算放大器之后，最終輸出信號(hào)ADC_CHA和ADC_CHB已經(jīng)滿足了AD轉(zhuǎn)換電路的要求。這兩個(gè)信號(hào)最后都送到AD轉(zhuǎn)換電路。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)采用的是24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1255，其中模擬電壓輸入為5V，數(shù)字電壓輸入為3.3V，VREF25提供的是獨(dú)立的2.5V參考電壓，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管和電容來(lái)保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度;XTAL1和XTAL2是晶振輸入信號(hào)，選用的晶振為7.68MHz，所以其兩端的電容選用18pF;SPI_CS片選輸入信號(hào)、SPI_CLK時(shí)鐘輸入信號(hào)、SPI_MOSI輸入數(shù)字信號(hào)都是來(lái)自主芯片ARM的控制信號(hào)，主芯片通過(guò)它們來(lái)控制其工作情況;ADS_SPI_DRDY轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)位和ADC_SPI_MISO輸出數(shù)字信號(hào)是輸給主芯片ARM的信號(hào)，正是把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供系統(tǒng)分析;SYNCP/DWN、RESET、D0和D1不接信號(hào)，其中SYNCP/DWN、RESET直接接3.3V將它們拉高，D0和D1直接懸空即可。

1.2分析顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主芯片板選用的是STM32F103RBT6，它是32位基于ARM核心的微控制器［5］。ARM內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集成行高、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格優(yōu)勢(shì)。該芯片最高工作頻率可達(dá)到72MHz，具有512k字節(jié)的閃存以及64k字節(jié)的SRAM，豐富的片上資源大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)功耗。STM32F103具有5個(gè)USART串行通信接口，內(nèi)置分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，最高達(dá)4.5Mbit/s，數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)度、停止位均可設(shè)置。此外，靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC能夠通過(guò)同步或異步存儲(chǔ)器與16位PC卡接口相連，便于外擴(kuò)存儲(chǔ)器和液晶顯示屏。圖4主芯片連接電路主芯片連接電路圖如圖4所示，與STM32F103RBT6連接的有兩個(gè)晶振輸入，與OSC_IN和OSC_OUT連接的是8MHz的晶振輸入，用于外部高頻晶或PLL倍頻用;與OSC32_IN和OSC32_OUT連接的是32.768kHz的晶振輸入，用于外部低頻晶振，也叫時(shí)鐘晶振，用于系統(tǒng)待機(jī)或低功耗。BOOT0和BOOT1是決定STM32的啟動(dòng)模式，STM32的啟動(dòng)模式主要有三種，第一種為有用戶閃存啟動(dòng)，這是正常的啟動(dòng)模式;第二種為從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，這種模式是是由廠家設(shè)定的;第三中模式為內(nèi)置SRAM啟動(dòng)，主要是用于調(diào)試。對(duì)比一下，應(yīng)該選擇第一種模式即用戶閃存啟動(dòng)，因此讓BOOT1懸空BOOT0接地即BOOT1=X、BOOT0=1。JTAG0和JTAG1輸入的是JTAG程序調(diào)試下載接口，這種下載模式斷電后數(shù)據(jù)丟失，主要是用于程序調(diào)試使用;MAX232CSE是雙通道的RS232驅(qū)動(dòng)器及接收器，其中程序燒寫也是通過(guò)該串口實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于STM32來(lái)說(shuō)高電平為+5V，低電平為0V，而計(jì)算機(jī)的RS232串口的高電平為－12V，低電平為+12V，因此需要MAX232CSE來(lái)轉(zhuǎn)換一下;USB接口，由于通用串行總線(USB)是一種支持熱插拔的系統(tǒng)，對(duì)靜電特別敏感，因此在出口處連接了PR-TR5V0U2X低電容雙軌到軌ESD(靜電釋放)保護(hù)二極管來(lái)保護(hù)電路，防止靜電對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響;信號(hào)MTLR_RXD、MRLT_TXD與輸出顯示屏連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。主界面能夠進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置和功能測(cè)試，功能測(cè)試主要包括光度測(cè)量、光譜測(cè)量、定量測(cè)量、動(dòng)力學(xué)測(cè)量、多波長(zhǎng)測(cè)量。開(kāi)機(jī)后自動(dòng)進(jìn)入應(yīng)用系統(tǒng)的歡迎畫面，經(jīng)過(guò)短時(shí)間等待及載入自檢系統(tǒng)，各檢測(cè)項(xiàng)目均無(wú)異常時(shí)進(jìn)入初始化系統(tǒng)主界面，依次鎢燈初始化、濾色片初始化、樣品池初始化、尋找零極光位置、波長(zhǎng)定位校準(zhǔn)。之后就進(jìn)入了測(cè)試界面，等待數(shù)據(jù)輸入。

1.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_(kāi)環(huán)控制器件。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移分別取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，即只要給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。由于具有這種線性關(guān)系，且只有周期誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，所以在需要精確控制位置的領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制［6］。本系統(tǒng)用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制，第一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于控制擋板的位置，實(shí)現(xiàn)氘燈和鎢燈的自動(dòng)切換;第二個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制濾色片的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾色片上多種顏色鏡片的選擇;第三個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于控制樣品池的位置。第四個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制準(zhǔn)直鏡、光柵、物鏡的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇。由STM32輸出控制信號(hào)來(lái)調(diào)整四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的位置，步進(jìn)電機(jī)連接電路圖如圖5所示，STM32輸出的控制信號(hào)M1A—M1D、M2A—M2D、M3A—M3D、M4A—M4D電流比較小不能去直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以需要ULN2803把這些信號(hào)放大之后再去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)過(guò)ULN2803放大后對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為M1AA—M1DD、M2AA—M2DD、M3AA—M3DD、M4AA—M4DD，就可以直接去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)了，這些信號(hào)是連接到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈和定子線圈上來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還有一根是電源線，所以連接到每個(gè)電機(jī)的線有五根。PDrv和PDet是來(lái)反映各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置，它是通過(guò)一個(gè)光點(diǎn)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到一定位置之后會(huì)把光電二極管前面的光擋住，這樣就把電機(jī)的位置反饋給STM32，來(lái)確保電機(jī)能夠精確定位。

1.4鎢燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)T_ONOFF、D_ONOFF分別控制鎢燈和氘燈的信號(hào)，其中氘燈采用現(xiàn)成的氘燈電源來(lái)供電，所以只需把它的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)接到氘燈電源上即可。鎢燈沒(méi)有采用現(xiàn)成的電源，所以需要給它配置開(kāi)關(guān)電路，鎢燈的配置電路圖如圖6所示，選用的繼電器是G5LA－112VDC，它的接點(diǎn)極數(shù)為1極，是單刀雙擲開(kāi)關(guān)，額定線圈電壓為12VDC。1管腳直接接到12V電壓，由它來(lái)給鎢燈提供電源，2和5管腳之間接的是線圈，3管腳是常開(kāi)開(kāi)關(guān)，4管腳是常閉開(kāi)關(guān)。當(dāng)STM32輸出的信號(hào)是高電平時(shí)，即讓鎢燈點(diǎn)亮的時(shí)候，PC817S1的發(fā)光二極管不亮，即5管腳懸空就沒(méi)有電流流經(jīng)線圈，是4管腳常閉開(kāi)關(guān)在在工作，所以1、4直接導(dǎo)通輸出12V電壓給鎢燈，若信號(hào)STM32輸出的是低電平剛好相反。

2結(jié)束語(yǔ)

雙光束分光光度計(jì)在食品、醫(yī)療、化工、冶煉等各行各業(yè)大量的使用，所以要求它的測(cè)量結(jié)果要精確統(tǒng)一，受外界影響要小。本文主要介紹了雙光束分光光度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)，選用STM32來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析;選用光電倍增管來(lái)采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào);選用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制光源的轉(zhuǎn)換、濾色片、光柵的精準(zhǔn)定位。

作者：易映萍王瑋高玲玲陳建帥單位：上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院