張 權(quán) 文一章 鄒雄偉 黃海萍 熊 毅 羅志琴

(1.力合科技(湖南)股份有限公司, 長沙 410205；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系, 長沙 410082)

比色法是基于有色化合物的顯色反應(yīng)，通過比較或測量被測物質(zhì)溶液顏色深度，對待測組分進(jìn)行定量的一種分析方法，比色法廣泛用于水質(zhì)分析[1]。其理論基礎(chǔ)為朗伯—比爾定律：在一定條件下，當(dāng)入射光一定時，溶液對光的吸收程度與溶液濃度及液層厚度成正比[2]。表達(dá)式見式(1)。

A= log(I0/It)=εbc

(1)

式(1)中，A:吸光度；I0:入射光信號強(qiáng)度；It:透射光信號強(qiáng)度；ε：吸光系數(shù)；b：液層厚度；c：溶液濃度。

影響比色分析檢測系統(tǒng)測試的因素有：

(1)I0和It為分時測得的光信號強(qiáng)度，必須確保測定It的過程中，I0須一直保持穩(wěn)定不變；

(2)自身干擾。包括儀器元件或組成部分溫漂引起的誤差或電路產(chǎn)生的噪聲等；

(3)背景干擾。包括被測溶液濁度的變化、雜光產(chǎn)生的干擾等。

傳統(tǒng)比色分析檢測系統(tǒng)的光源為直流恒流供電方式，這樣LED光源長期大電流通電，會導(dǎo)致其壽命短，功耗大，發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定有漂移；光敏信號采集為使用跨阻運(yùn)放將光敏器件感應(yīng)光源產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再對電壓信號進(jìn)行放大后定時采集的方式，這樣較容易受到外界雜光干擾。同時，在工作的過程中，電路及元件效率較低，容易產(chǎn)生熱量，形成溫漂，從而加大自身干擾。

為克服傳統(tǒng)比色檢測儀器的諸多不足與缺陷，本研究開發(fā)了基于Aducm360單片機(jī)的雙通道比色檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的是50%占空比的調(diào)制光源和同步檢波的工作方式，降低了背景干擾和自身噪聲干擾[3]，降低了驅(qū)動LED光源的的功耗，僅為直流恒流控制方式的一半左右，降低了LED光源溫漂，同時雙通道的設(shè)計及應(yīng)用也能確保測試過程中，即使入射光發(fā)生漂移，也能保持吸光度計算的正確性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)組成包括：Aducm360單片機(jī)、電源模塊、光源發(fā)射模塊、光敏接收模塊、信號采集模塊、通信模塊、檢測池夾具等。

1.2 工作原理

基于Aducm360單片機(jī)的多通道比色檢測系統(tǒng)以Aducm360單片機(jī)為主控制器，實時產(chǎn)生某一固定頻率的調(diào)制/解調(diào)信號，比如5kHz[4]的工作方波輸出給光源發(fā)射模塊，使其對光源進(jìn)行調(diào)制恒流驅(qū)動。同時該頻率方波輸出給光敏接收模塊，使得該模塊將光敏元件接收到的光電信號進(jìn)行同步解調(diào)，經(jīng)過信號采集模塊進(jìn)行濾波后進(jìn)行高精度AD采集。與此同時，Aducm360單片機(jī)通過通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行485串口的Modbus通信協(xié)議通信，見圖1。

圖1 工作原理框圖

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1單片機(jī)(Aducm360)

Aducm360的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括：單12位電壓輸出DAC、ARM Cortex-M3 32位微控制器、128KB flash、8KB SRAM、UART、16bit PWM控制器、兩個通用定時器、內(nèi)置16M晶振[5]。該單片機(jī)集成的雙核高性能的24位Σ-Δ型AD轉(zhuǎn)換器完全能完成該系統(tǒng)的小信號高精度采集。

單片機(jī)電路如圖2所示，系統(tǒng)將8-9腳的差分電壓作為第一路光路ADC采集，將10-9腳的差分電壓作為第二路光路ADC采集。40腳輸出占空比為50%、5kHz的方波作為光路調(diào)制控制使用。19腳為單片機(jī)DAC輸出端，輸出最高為1.2V的電壓用來控制一通道光路的LED恒流源。第二通道光路的LED恒流源由AD5681RBRMZ輸出控制，它是單通道12位SPI接口、輸出2.5V電壓DAC芯片，內(nèi)置2×10-6/℃的2.5V電壓源[6]，作為該系統(tǒng)的參考電壓源。

圖2 Aducm360單片機(jī)電路

2.1.2電源模塊

該系統(tǒng)為直流6V～30V寬電源電壓輸入，采用了高效率、高速、同步、單片式、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器LT8610芯片[7]，該芯片最大的特點(diǎn)：高效率，最高可到96% ；低紋波輸出，低于10mVp-p。為了降低電源干擾對系統(tǒng)的影響，該系統(tǒng)進(jìn)行了隔離的電源方案設(shè)計，整機(jī)輸出功率為1.5W左右(圖3)。

圖3 供電電源電路

2.1.3通信模塊

該系統(tǒng)通過485串口與上位機(jī)進(jìn)行MODBUS協(xié)議的通信，其核心部件為ADM2483BRWZ。它是隔離型的RS485收發(fā)器[8]，允許通信波特率最高500kbps(圖4)。

圖4 通信電路

2.1.4光源發(fā)射模塊

單片機(jī)DAC端輸出0～1.2V電壓接至了U2的第3腳。單片機(jī)的5kHz調(diào)制控制開關(guān)信號接至了U2的第9腳。U2為ADG633，它是內(nèi)含3組單刀雙擲的模擬開關(guān)芯片[9]。運(yùn)放AD8615、9013三極管組成的恒流源電路用來對光源LED1進(jìn)行驅(qū)動，其最大電流為23.5mA。

LED光源選取方面，盡量選取大封裝(Φ5)、發(fā)光效率與放大器匹配、低溫漂、發(fā)射角小于等于60°、半波寬窄(小于40nm)的LED光源(圖5)。

圖5 光源電路

2.1.5光敏接收及濾波模塊

光敏器件與U7 AD8615運(yùn)放組成了跨阻放大電路。AD8615有著極低的輸入偏置電流(1pA)、輸入失調(diào)電壓(100μV)及噪聲[10]。本系統(tǒng)中通過單片機(jī)IO口P11、P04的切換，可以形成4個不同的轉(zhuǎn)換通道。多轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計有利于提高系統(tǒng)適用性。轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)C4耦合，這樣低頻的進(jìn)入光敏傳感器的雜散光產(chǎn)生的直流電平都無法進(jìn)入下一級。U4的同相輸入端有上拉至2.5V參考源，因此該運(yùn)放在5kHz調(diào)制方波的低高電平控制下，對應(yīng)輸出的電平范圍為1.25V～3.75V。模擬開關(guān)ADG733與差動運(yùn)放AD8271[11]組成了同步檢波電路。ADG733導(dǎo)通電阻較小，為4.5Ω，且溫漂小于1×10-6/℃[12]。單片機(jī)產(chǎn)生5kHz的調(diào)制方波用來切換U5的第一第二通道。當(dāng)調(diào)制方波為低電平時，D1= S1A,D2= S2A,信號電壓接至U6的反相輸入端，參考電壓接至U6的同相輸入端，U6的輸出同步檢波電壓V0= 2×2.5V-Vi；同步檢波輸入電壓Vi的范圍為1.25V～2.5V；當(dāng)調(diào)制方波為高電平時，D1= S1B,D2= S2B,信號電壓接至U6的同相輸入端，參考電壓接至U6的反相輸入端，U6的輸出電壓Vo = Vi；Vi的范圍為2.5V～3.75V；因此，通過同步檢波以后的V0電壓范圍在2.5V～3.75V，該電壓再通過RC濾波器濾波后接至單片機(jī)ADC采樣端，與2.5V參考電壓進(jìn)行差分電壓采集。第二路光路硬件設(shè)計同第一路光路。

環(huán)境雜散光包括白熾燈、熒光燈光、太陽光等。白熾燈工作頻率為工頻50Hz，高頻熒光燈工作頻率為20～26kHz,普通熒光燈工作頻率為100Hz。因此，為避開不同頻率雜光的影響，最佳調(diào)制的方波頻率范圍為2～10kHz，本設(shè)計選擇使用5kHz的調(diào)制方波。

光敏器件的遴選方面主要考慮的方面有：光響應(yīng)靈敏度、暗電流、線性度、光譜響應(yīng)范圍寬(320nm～1100nm)、溫漂等(圖6)。

圖6 光敏接收及濾波電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用模塊化的設(shè)計架構(gòu)，用C語言編寫，這樣有利于軟件的調(diào)試與測試，提高開發(fā)的效率。根據(jù)系統(tǒng)的使用功能，系統(tǒng)軟件大體可以分為兩個模塊：485串口通信模塊、光源光敏采集控制模塊。

2.2.2串口通信程序框圖

485串口通信模塊主要是用來處理上位機(jī)與該系統(tǒng)的通信功能。串口中斷程序用來接收上位機(jī)發(fā)來的指令字節(jié)，每收到一個字節(jié)，隊列所有隊員就進(jìn)行一次由隊尾到隊首的移位，隊首字節(jié)被覆蓋，接收到的字節(jié)存至隊尾[13]。根據(jù)協(xié)議，判斷隊列中上位機(jī)發(fā)來的指令是否完畢，如果接收完畢，則樹校驗標(biāo)志；否則繼續(xù)暫存接收的字節(jié)。繼續(xù)判斷指令幀的地址碼和功能碼是否正確，若不正確，退出中斷；若正確則從隊列中取出數(shù)據(jù)幀，樹幀繼續(xù)暫存標(biāo)志，確保下次接收的數(shù)據(jù)能存至?xí)捍嫫鳎瑫捍嫫髦羔樧约?圖7)。

圖7 串口通信程序框圖

2.2.3光源、光敏采集控制程序框圖

該系統(tǒng)使用了較為簡潔且實用的算法來實現(xiàn)光源校準(zhǔn)過程。程序框圖如圖8所示。

圖8 光源、光敏采集控制程序框圖

上位機(jī)發(fā)給系統(tǒng)比色的校準(zhǔn)光源目標(biāo)AD值，該模塊DAC值清零后慢慢的加大，控制光源電流慢慢變大，這時實時采集到的經(jīng)過信號調(diào)理以后的光路電壓值與2.5V的參考源差分電壓值也會慢慢變大，當(dāng)16位ADC值加大到目標(biāo)AD值范圍內(nèi)，校準(zhǔn)過程完成后退出，系統(tǒng)一直保持該光路的狀態(tài)即可。若校準(zhǔn)不到目標(biāo)值，將切換更大跨阻通道，DAC從零開始繼續(xù)自加直至校準(zhǔn)到光源目標(biāo)值。若使用了所有4個跨阻通道都無法使ADC值加大到校準(zhǔn)目標(biāo)值范圍內(nèi)，模塊將提示光源校準(zhǔn)故障后退出。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用與實驗數(shù)據(jù)

基于Aducm360單片機(jī)的雙通道比色檢測系統(tǒng)的應(yīng)用可分為兩種應(yīng)用方式：單通道比色方式、雙通道比色方式。

比色檢測系統(tǒng)在線水質(zhì)儀器應(yīng)用最廣泛的參數(shù)是化學(xué)需氧量(COD)，所以實驗選取化學(xué)需氧量這一參數(shù)進(jìn)行驗證，化學(xué)需氧量水質(zhì)分析儀流路圖如圖9所示，檢測波長470 nm。采用按標(biāo)準(zhǔn)流程檢測典型濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品(COD=100mg/L)，通過每兩小時自動啟動檢測一組吸光度，連續(xù)檢測24小時，比較吸光度的穩(wěn)定性情況。

圖9 化學(xué)需氧量水質(zhì)分析儀流路

其測試過程如下：先在比色檢測系統(tǒng)的檢測池內(nèi)加入去離子水校正光源、光敏后讀取I0值；然后排空檢測池，依次加入樣品和相應(yīng)試劑并加熱至175℃消解15min；消解完畢后降溫至70℃讀取It值；最后根據(jù)測試的兩個值計算吸光度A[14,15]。

檢測方式一：傳統(tǒng)檢測方式，光源常亮，使用跨阻運(yùn)放將光敏器件感應(yīng)光源產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再對電壓信號進(jìn)行放大后定時采集，讀取AD值進(jìn)行吸光度計算。

檢測方式二：以5kHz、50%占空比的頻率控制光源發(fā)光，LED驅(qū)動平均電流降為傳統(tǒng)檢測方式的一半左右，使用跨阻運(yùn)放將光敏器件感應(yīng)光源產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再用同頻率信號控制同步解調(diào)電路對該電壓信號進(jìn)行同步解調(diào)后定時采集，讀取AD值進(jìn)行吸光度計算。

檢測方式三：由于光源LED輸出的光強(qiáng)會隨溫度的變化而改變，為了克服這一缺陷，在方式二的基礎(chǔ)上，引入光源亮度監(jiān)視光敏傳感器，構(gòu)成一種準(zhǔn)雙通道檢測系統(tǒng)，最終吸光度扣除因光源波動而引起的微弱變化。

3種方式的吸光度穩(wěn)定性如圖10所示。 其中以第三種方式最優(yōu)，吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到0.0008，極差只有0.0023。

為驗證同步解調(diào)的效果，實驗中用單通道方案，選取比色檢測(鉬酸銨分光光度法)總磷[16,17]進(jìn)行了驗證，檢測波長為880nm，取得了與COD檢測非常一致的穩(wěn)定性。如圖10下方吸光度曲線所示。

圖10 不同比色檢測方式吸光度穩(wěn)定性

4 結(jié)論

基于Aducm360單片機(jī)的雙通道比色檢測系統(tǒng)靈敏度高、抗背景噪聲雜波的干擾能力強(qiáng)，且每個通道有4個光敏跨阻通道，這樣就保證光敏傳感器電流轉(zhuǎn)換成電壓有足夠的分辨率，允許系統(tǒng)對吸光情況大不相同的不同液體進(jìn)行比色。在使用前的光源校準(zhǔn)過程中，對同步解調(diào)后的AD采集值進(jìn)行存儲、大數(shù)據(jù)分析，對校準(zhǔn)的過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行分析后報警，比如無法校準(zhǔn)至目標(biāo)值、光源光敏故障等。在比色的過程中，根據(jù)采集AD值的大小，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的提示，比如檢測AD值為0時，報無法檢測光信號故障等。

常亮檢測、同步解調(diào)單通道、同步解調(diào)雙通道校正3種比色檢測方式，吸光度的穩(wěn)定性依次提升。使用者可以根據(jù)對所需比色檢測應(yīng)用的吸光度穩(wěn)定性的需要，靈活采用。同步解調(diào)兩種比色檢測方案都具有廣闊的應(yīng)用前景。