基于STM32單片機的分光光度計改裝系統設計

摘要：設計了一款以STM32F103C8T6單片機為核心的分光光度計改裝系統，建立了一種為普通手動式分光光度計增加數據輸出、光譜圖顯示等功能的改裝方法。使用STM32單片機對分光光度計的光電電壓信號進行采集、模-數轉換、串口發送等數字化處理，將分光光度計輸出的模擬信號轉變為數字信號，并實現電腦端的數據處理、譜圖顯示、結果保存等功能。改裝方案技術簡單、成本低廉，可極大地擴展普通分光光度計的功能。

關鍵詞：STM32；分光光度計；光譜圖；改裝

一、前言

紫外—可見分光光度計是測試物質在紫外—可見光波段內的吸光度、透光率等光譜參數的通用光學分析儀器，可用于物質的定量、定性分析，廣泛應用于化學、生物、醫藥、環境等諸多領域。國產721/722等型號的手動型分光光度計由于性能穩定、使用簡單且價格低廉，目前仍在學校、工廠、研究機構等許多部門中廣泛使用。這些光度計大多采用三棱鏡/光柵為分光器件，手動轉動波長刻度盤選擇測量波長進行測試，設計成熟，工作可靠，性能穩定，但是通常不具備連接電腦、發送數據、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道[1-3]。本文研究了一種基于STM32單片機控制手動型分光光度計的方法，對這類光度計進行數字化改造，使其具備數據自動處理和輸出、光譜圖顯示等新功能。

二、系統總體設計

721/722系列的分光光度計均使用光電池/光電管等光電器件來接收測量樣品時產生的光信號，進行光電轉化后產生電壓/電流等模擬信號，儀器內部的電路對模擬信號進行處理后得到吸光度、透光率等信號，再使用指針、數碼管、液晶屏等器件來顯示測量結果，需要操作者人工讀數和記錄，一般不具備輸出數據到電腦的功能。本系統使用采樣電路采集分光光度計光電檢測器件上的光電電壓，送入STM32單片機進行模—數轉換，將檢測結果進行數字化處理后，即可通過串行口發送到電腦端進行后續的處理。系統的組成方框圖如圖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。系統核心處理器采用STM32F103C8T6芯片，具有外設豐富、功能全面、價格低廉等優點[4-5]，能充分地滿足開發工作的要求。系統工作流程為在STM32核心板的控制下，采樣模塊采集光度計檢測樣品時得到的光電信號，送入STM32核心板進行A/D轉換、濾波、運算等處理，得到測量樣品時產生的光譜數據。光譜數據在控制模塊的控制下，通過串口連接線同步發送至電腦端。電腦端使用VS2019編寫的軟件，接收串口發來的數據，處理后得到吸光度、測量波長等數值，并在電腦上顯示測量結果和光譜圖，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，從分光光度計機器內部的光電傳感器或電壓放大器，用導線接出檢測試樣時產生的光電電壓，分壓后送到STM32單片機PA0口進行采集，并由STM32單片機對采集到的信號進行模—數轉換，將模擬電壓信號轉換為數字信號。STM32F103系列的單片機內部自帶12位AD轉換模塊，可轉換0～3.3V的模擬電壓信號，轉換速度最大可達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成[8]。光纖傳感器固定于分光光度計的波長刻度盤上方，其探頭對準刻度線，操作者轉動波長刻度盤時，每當光纖傳感器發射的光束經過一條波長刻度線，光纖放大器即可產生1個開關信號，將此開關信號送至STM32單片機PB0端口，并控制STM32單片機的數據發送，即可實現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、系統軟件設計

STM32單片機的處理程序使用Keil uVision5軟件進行編寫。分光光度計檢測試樣時，其光電傳感器或電壓放大器會產生相應的光電電壓信號，STM32單片機利用采樣模塊采集此光電信號并進行AD模—數轉換處理，AD轉換處理的部分代碼如下：

/* ADC1 configuration */

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent； " " " " " " " " " "http:// ADC接口獨立工作

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE； // 掃描模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE； " " " "http:// 連續進行轉換

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

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right； " " " " " // 數據右對齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1； // 只轉換規則序列1

ADC_Init（ADC1， amp;ADC_InitStructure）；

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

由于分光光度計每次測定時需要一段時間讀數才能穩定，在采集信號時，若每個波長只選取1個數據點發送至上位機，容易造成數據漂移和噪音干擾，如圖3所示。為了濾除隨機信號的干擾，提高測量精度，STM32單片機在使用中常采用均值濾波、加權濾波等軟件濾波的方式處理采集數據[9]。本系統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行15次測量，得到15個數據點。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個數值取平均值，再發送到上位機。實驗結果表明，經濾波處理后，系統的抗干擾能力和數據穩定性顯著提高，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個數據按大小順序依次存入數組

} " "} " "}

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

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

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據AD_value_Average 按照式（1）進行計算：

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

即可得到實際電壓值AD_value。經過對比，AD_value的數值與分光光度計上采樣電路的輸入點位置用電壓表測得的原始電壓值基本一致，證實系統可以正確地采集測量樣品時光度計光電檢測元件上的光電信號，并進行準確的A-D轉換。

AD_value 值由STM32單片機通過CH340轉USB數據線發送到電腦端，使用VS2019設計的軟件對數據進行處理，根據朗伯—比爾定律，按照式（2）進行轉換，最終計算得到吸光度、透光率等光譜數據，并在電腦屏幕上顯示吸光度的數值。

A= -lg（Vb - Vs ） / Vb （2）

式中，Vb為空白樣品產生的電壓值，Vs為待測樣品產生的電壓值。

要繪制樣品的吸收光譜圖，不僅需要獲得樣品在某一時刻測得的吸光度信號，而且需要獲得測量時所處波長的數值，波長和吸光度二者需保持測量時間點一致，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、產生開關信號控制吸光度數據發送的方法，實現了波長信號和吸光度信號的同步。系統使用光纖傳感器來探測波長刻度盤轉動時產生的信號，每當光纖傳感器的探頭下方有一條波長刻度線轉過時，就可產生一個開關信號，此開關信號即可控制STM32單片機發送一次當前的光譜測量信號。電腦端對開關信號進行計數，并按照式（3）計算當前的波長λi：

λi = λ0 + n * Δλ （3）

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

四、測試與結果

使用本系統對舜宇721、儀電722G等多種不同型號的分光光度計進行了改裝，并對樣品進行了實際測試，結果表明，幾種光度計上本系統均可以順利運行。原來的儀器只能通過查看波長刻度指針來讀取波長數據，觀看數碼管的數字來人工記錄結果。經過改裝后，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，而且可以在電腦上顯示出樣品的波長—吸光度光譜圖。測量時得到的全部數據信息還可自動保存在電腦硬盤上，方便以后進行查看和處理，如圖5所示。

五、結語

本文設計了一款基于STM32單片機的分光光度計改裝系統，通過對系統的測試，驗證了系統可以使手動型分光光度計在改裝后成功實現測量數據的數字化處理和自動傳輸，增加高檔儀器才具備的連接電腦、輸出和記錄數據、繪制光譜圖等多項功能，且改裝成本低廉，適用性強，可用于對國內多種傳統型號的手動式紫外—可見分光光度計進行改裝，拓展這些儀器的功能和使用范圍。

參考文獻

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[9]譚強，李俊，薄翠梅，等.基于電化學酶傳感器的葡萄糖分析儀的設計[J].電子器件，2022，45（01）：239-243.

基金項目：福建省自然科學基金項目“亞甲基藍介導光動力法殺傷水產病原菌研究”（項目編號：2022J01802）

作者單位：集美大學水產學院

責任編輯：王穎振 鄭凱津