基于GPRS的顯微鏡自動控制設計及在孢子中的應用

李相 張春光

摘 要：為了方便用CCD相機采集顯微鏡下的圖像，設計了一種實現顯微鏡自動控制的方法。利用THB6128芯片驅動步進電機實現焦距的電控調節，利用PT4115芯片控制LED燈實現照明燈光亮暗的調節。上位機通過控制GPRS給單片機發送指令，然后單片機再控制步進電機運動和調節燈光的亮暗，實現顯微鏡的自動控制；實驗證明，上位機通過GPRS，向下位機發送指令，通過調節LED燈的亮暗以及步進電機轉動帶動載物臺的上下移動，實現了在一個合適的光照和焦距下獲取清晰的圖像；使顯微鏡控制更加的簡化與精確，便于圖像的采集。

關鍵詞：STM32；GPRS；步進電機；LED；圖像采集

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A

Abstract： In order to use the CCD camera image acquisition under the microscope is convenient，design a method to realize the automatic control of the microscope，drive the stepper motor to achieve the focal length controlled by THB6128 chip control，LED lamp and the lamp can light the dark regulation by the use of PT4115 chip.The host computer through the GPRS control to give instruction to the MCU，then MCU to control stepping motor and adjust the lighting brightness，to achieve automatic control of microscope；experiments show that the host computer through the GPRS command，the crew sent LED，by adjusting the brightness of a lamp and a stepper motor rotates to drive the next stage mobile，can obtain the clear image in a proper light under the microscope and the focal length；more simplified and accurate control，easy image acquisition.

Key words： STM32；GPRS；stepper motor；LED；image acquisition

1 引 言

中國是一個農業發展的大國，為了保證糧食的產量，達到每個居民正常的生活需要，如何保證農產品的質量就變得很重要，所以要對農作物的病害進行提前發現，預防以及治療[1-2]。水稻作為世界最為重要的糧食作物之一，其病蟲防害尤為關鍵。經調查顯示，真菌病害在感染植物時，一般是靠細菌的有性的孢子，作為傳播的方法[3-4]。農作物在受到感染后，在潮濕的條件下，一般會產生孢子和菌絲，形成各式各樣的白色的絲狀物，或者粉末狀物體，然后通過空氣，水等方式傳播出去，因此只要檢測空氣中孢子的含量，就可以判斷農作物是否受到感染[5]。傳統的計數方式基本為將在田間采集到的孢子樣本，帶回實驗室后，利用顯微鏡進行人工計數，但是由于孢子個體小，數量大，利用該方法費時費力，且誤差較大[6]。

隨著科技的高速發展，計算機顯微圖像處理技術的應用顯得廣泛起來，通過高精度顯微鏡下拍照獲取孢子的圖像，然后后期進行圖像處理技術來完成孢子的自動計數，方法更加準確，高效。而顯微鏡的焦距條件以及光照的亮度是獲取清晰圖像的關鍵所在[7]。

設計了一種實現顯微鏡自動控制的方法，完成對焦距以及光照亮度的調節控制，使調焦過程更加的簡便，直觀，特別可以應用于遠程智能控制。

2 顯微鏡自動控制系統硬件設計

系統硬件電路由STM32L151C8T6單片機作為主控芯片，連接THB6128，PT4115芯片，實現對步進電機和可調光LED燈的控制。PC機通過GPRS，控制主控芯片，實現上位機對下位機的指令控制。

自動控制系統硬件設計分為三部分：（1）主控單片機電路：系統采用STM32L151C8T6單片機作為主控制器。（2）步進電機驅動電路：通過控制載物臺的上下移動，調節物鏡與所觀測孢子培養皿的距離，達到最佳拍攝距離。（3）LED燈控制電路：調節光源的亮度，為圖像采集提供合適的照明亮度。

2.1 主控單片機電路設計

系統采用STM32L151C8T6單片機為控制核心，STM32L151C8T6是超低功耗STM32L151xx系列芯片，此款芯片共有48個引腳，37個I/O端口，芯片的工作電壓是1.65V-3.6V，芯片內嵌的Flash容量是64KB，RAM容量是10KB，EEPROM容量是4KB，有6個通用定時器和2個基本定時器，3個串口，2個SPI，2個IIC，芯片的工作溫度范圍是-40℃-85℃，封裝是LQFP48[8]。

2.2 步進電機驅動電路

通過載物臺的上下移動實現焦距的調節，載物臺的移動由步進電機帶動。本系統設計采用兩相四線步進電機控制，步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移，再通過精細的機械傳動轉化成直線位移的執行元件，其輸入量為脈沖序列，輸出為相應的角度或直線增量，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的[9-10]。電機的正反向轉動帶動控制臺的上下移動，即焦距的增大，減小。

系統采用THB6128芯片驅動步進電機。THB6128芯片引腳ENABLE引腳與單片機P0.1引腳連接控制輸出，當ENABLE為低電平時，輸出關斷，高電平時則電平輸出，CW引腳與單片機P0.2連接控制電機的正反轉，為低電平時電機正轉，高電平時電機反轉，CLK引腳與單片機P0.3引腳連接，可控制時鐘頻率來控制電機的轉速[11]。步進電機驅動電路設計如圖1所示。

2.3 LED燈控制電路

本系統設計中，光源采用可調光LED燈，LED燈可獲取高品質，高對比度圖像。系統中LED燈光照明亮暗的調節控制采用的芯片是PT4115芯片，PT4115芯片是一款電感電流導通模式的降壓恒流源，該芯片具有過溫，過壓，過流，LED開路保護等多種功能，非常適合于照明LED燈的驅動電路[12]。該芯片通過DIM引腳接單片機輸出PWM方波的引腳，通過PWM調制實現調光。LED電路設計如圖2所示。

3 顯微鏡自動控制系統軟件設計

系統的軟件設計包括兩部分：下位機和上位機。下位機程序為系統外圍硬件運行所需程序；上位機程序為PC通過控制GPRS與下位機通信的程序。

3.1 上位機程序設計

SIM900A內嵌TCP/IP協議，可以實現語音，SMS和GPRS數據的傳輸。用戶可以通過AT命令控制SIM900A，在AT命令操作過程中，當等待握手超時后，GPRS模塊主要完成三個任務：（1）建立通訊鏈路；（2）和遠程監控中心建立TCP/IP連接；（3）收發數據。執行流程就是當檢測到需要上位機對下位機進行控制時，則執行數據發送子程序，其中大多使用到AT指令[13]，子程序流程圖3所示。

AT即Attention，是調制解調器通信接口的工業標準，AT指令最初是推出的一套解調器通信操作命令集，后逐漸深化并加入GSM07.05標準，以及之后的GSM07.07標準。AT命令的格式是AT字符加上命令字符以及相關設置參數組成[14]。數據發送子程序中使用的相關主要AT指令及其功能如表1所示

數據發送子程序中定義了多個返回值，其中返回值0證明連接成功，這時可以收發數據，返回其他值證明發生錯誤，其中每一種錯誤情況分別對應不同的返回值，這樣可以根據返回值的情況來判斷發生了哪種錯誤，有利于快速判斷情況[15]。

3.2 下位機程序設計

下位機單片機程序編程語言為C語言。單片機接收上位機發送過來的指令，控制單片機運動，在串口中斷函數中執行相應操作。用開關語句，switch-case語句進行判斷，收到數字1則是控制燈光變亮，收到數字2是控制燈光變暗，收到數字5是控制電機往上運動，收到數字6是控制電機往下運動。程序設計流程如圖4所示

4 系統測試

對自動控制程序進行驗證，以拍攝的孢子為例。利用圖像采集模塊成像，上位機呈現未經過調焦的圖像如圖5（a）所示。運行自動控制程序，上位機發送數字1，LED燈光亮度會不斷增強，直到視野達到合適亮度停止調光，如圖5（b）所示；第二步調節焦距，發送數字5和6不斷調節焦距距離樣本的距離，直至獲得清晰的圖像為止，如圖5（c）和5（d）所示。經過測試，本自動控制設計可實現圖像采集過程中清晰圖像的獲取。

5 總 結

提出了基于GPRS技術的無線遠程孢子圖像的采集系統的方案設計，該方案能夠利用GPRS技術，進行遠程的數據采集及傳輸。經過在田間的試驗，與傳統的方法相比，該系統具有通信性強，可靠性高等特點，取得了良好的應用效果。

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