微生物密度在线检测仪的研制*

周鹏飞，王振华，章晓眉，王金辉，梁　伟，蔡佳玲，刘　戈，3，蔡　强，*

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018; 2.浙江清华长三角研究院，嘉兴314006; 3.北京华夏科创仪器技术公司，北京100085)



微生物密度在线检测仪的研制*

周鹏飞1，王振华2，章晓眉2，王金辉2，梁伟2，蔡佳玲2，刘戈2，3，蔡强1，2*

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018; 2.浙江清华长三角研究院，嘉兴314006; 3.北京华夏科创仪器技术公司，北京100085)

摘要:由于微生物密度是生化培养过程中的重要参数，故为了检测此参数，设计中采用在线测量反应器内溶液光密度的方法获取微生物的生长信息，并以此原理研制了流动式光电比色仪。通过微控制器STM32F107VC输出PWM波形控制蠕动泵，实现培养液的连续流过流动式光学比色池，采用光电池检测培养液吸收的光强。该仪器可独立显示检测参数与调整控制参数，也可通过RS485与PC机通信。该仪器能实现反应器内微生物生长过程的实时监测。

关键词:微生物密度;光密度;光电池; RS485;在线检测

项目来源:嘉兴市科技计划项目(2012AY1001)

微生物密度直接反应了微生物的生长状况、生长速度、生理生化、生态等方面，其测定方法有很多，常使用的有细胞计数法、干重测量法、叶绿素法、浊度法、最大比生长速率法等。细胞显微直接计数法由于大多数微生物形状不规则及在线显微镜设备较复杂，因此不适合实时监测［1］。叶绿素测量法采用荧光分析技术，检测系统较为复杂。光密度测量法检测系统较为简单，更适合在线监测系统应用［1］。

通过研究国内外的在线检测仪，有基于紫外吸收法测量化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)的在线分析仪，其系统架构主要分为光学、电学的硬件和软件。用低压汞灯为光源，日本滨松公司生产的S2684－254型硅光电二极管作为探测器，实时测量254 nm处紫外光的吸光度，利用吸光度与COD之间存在的相关性来计算当前的COD值。硬件平台采用研华公司生产的嵌入WinCE系统的板卡，然后此系统上面开发应用软件［2］。

另一台污水COD在线检测仪运用电化学分析检测法，结合由蠕动泵、电磁阀、测量槽、电磁搅拌器以及各种进液管路组成的采样系统，由三电极、电极信号采集、控制电路、工控机组成的硬件电路，由NI公司的图形化编程语言LabVIEW(虚拟仪器)软件开发平台来进行数据采集和信号处理，大大缩短了系统开发周期［3］。

还有一台类似的智能化微生物发酵乙醇浓度在线检测仪是利用气敏传感器来测量微生物发酵中乙醇蒸汽浓度，硬件电路以飞利浦(PHILIPS)公司生产的P80C592微处理器作为核心工作单元，结合A/D模数转换、CAN控制器、信号调理模块等搭建，软件程序主要是数据处理子程序，包括数字信息量的滤波处理、根据前期系统辨识算法得到的采集电压与所测乙醇浓度值之间的拟合关系式计算最后结果;最终将所研制的智能化乙醇浓度在线检测仪在微生物发酵环境下进行仪器标定和校验，得到检测仪的测量模型，以此进行相应的实验［4］。也有运用流动注射分析技术［5］来实现生物和化学分析的自动化。而在此类国外的检测仪器中，较为出名的仪器公司有PE、Biotek、MD等，他们的仪器功能全面，性能高，但是价格昂贵，而且系统架构和检测部件都大同小异。

因此本文设计的在线检测系统，可以参考以上系统架构并结合微生物的特点，控制成本的同时提高易用性，进行参数实时测量和数据存储显示，有效地解决由于离线测量带来的各种繁琐操作。

1　系统设计

微生物密度检测原理主要运用分光光度法。通常采用600 nm波长追踪液体培养物中微生物生长的标准方法。在600 nm波长下，以未加菌液的培养液作为空白液，测量定量培养后的含菌培养液。根据郎伯－比尔定律，吸收度与微生物密度呈线性关系。为了连续测定微生物密度，本系统采用蠕动泵将培养液连续泵入比色池，连续地记录吸光度，从而实现微生物密度参数连续监测。

描述的检测原理以及结构图1。由于微生物对不同波长的光吸收能力不同，故对不同微生物，采用不同滤光片及光源较为合适。设计还要考虑选择峰值波长为单色光中心波长的光电池，确保测量的准确性。检测流程具体如下:系统先通过三通阀来切换到标准溶液，在蠕动泵的作用下，让标准溶液经过比色池，得到其标准光强，接下来对测量溶液也进行同样的操作，得到测量溶液光强，将标准溶液与测量溶液光强按照相应的计算公式便能得到其测量溶液的吸光度。结合现场实验，在线检测系统的吸光度测量范围为0～3，并实现每秒上传1～2次数据。

图1　吸光度在线监测系统结构

2　光路设计

流通式比色池结构设计如图3。为适应不同微生物类型和浓度测量，该部件可更换不同的滤光片，也可通过更好的样品池来调整到不同光程(如: 1 mm、3 mm、10 mm)，使其适应高密度微生物测量。

图2　比色池的光路结构

图3　比色池实物

3　电路设计

该仪器的硬件主要包括数据采集、光源、两位三通电磁阀控制、现场显示、远程通信、步进电机驱动、和系统电源等方面，故其硬件电路主要包括信号处理电路、光源和三通阀控制电路、液晶屏显示电路、RS485通信电路、蠕动泵驱动电路、供电系统。系统结构图如图4。其中光电信号检测电路采用BPW21R型硅光电池［6］，提取其光电流信号并转换成电压信号后进入AD转换器，其设计如图5所示。光电信号调理电路主要是通过I/V转换、反比例放大、电压跟随电路，并将输出的电压控制在0～3.3 V范围内。其光电池信号放大调理电路如图6所示。

图4　在线检测系统电路框图

图5　信号处理框图

图6　光电池信号放大调理电路

光源和三通阀控制电路。吸光度在线监测系统选用卤素灯(Philips，20 W)作为系统光源，通过继电器(OMRON，G5V－1)来实现5 V控12 V卤素灯的开关，采用MCU的I/O口高低电位作为控制卤素灯的开关量;使用三通阀作为溶液流入比色池通道的切换器件，通过控制12 V电压来控制三通阀的导通。由一个I/O口控制三通阀驱动电路，故控制了由12 V供电的三通阀电压的通断。灯、三通阀控制电路如图7所示。

图7　控制电路模块

液晶屏显示电路本系统采用托普微3.8 inch 320×240点阵液晶显示模块LM2068E－1［7］。LM2068E提供了Intel 8080时序的并行接口，减少了与所选用微处理器STM32F107VC之间的时序匹配工作。

RS485通信电路系统要用到微藻培养现场，选择RS485作为通信方式，实现数据的远距离传输，确保其准确传输数据的要求。设计的方式是将STM32F107VC的USART2作为数据传输的发送和接收模块，通过外加电平转换芯片MAX3082实现了串口转RS485功能，进行数据的传输［8－9］。RS485通信模块如图8所示。

图8　RS485通信模块框图

为避免现场干扰导致数据传输错误等，使用光耦对数据进行隔离处理，根据数据传输速度快的特点，微控制器输出引脚和接收引脚与MAX3082芯片之间用快速通断光耦6N137进行数据隔离;对于MAX3082数据传输的控制引脚，使用了光耦TLP512，这样的设计合理有效地利用了数据传输的特点。

蠕动泵由步进电机驱动［10］，其由步进电机驱动芯片THB6064H［11］组成，通过微控制器I/O口控制电机的正反转动、起停等，由TIMER产生PWM波控制驱动芯片，产生控制步进电机转速的信号。步进电机驱动电路模块如图9所示。

图9　步进电机驱动模块框图

供电系统本系统是通过+12 V电压转换成±12 V给运放双极性供电，+12 V电压转换成+5 V 给RS485供电，通过LM2575将+5 V转换成+3.3 V给系统的其他模块供电。值得一提的是，运放供电的+12 V不能再用于供电电机，得单独供电+12 V，否则对光电信号来说，大功率的电机会产生很大的干扰，这是影响光电检测器检测数据精度的一个重要方面。系统供电结构如图10所示。

图10　系统供电结构图

4　软件设计

软件方面，主要是初始化、器件驱动程序、信号采集传输程序、液晶屏显示以及触摸板控制程序等设计。系统下位机设计理念是将采集、控制、数据传输、液晶屏显示等进行模块化设计。

4.1液晶屏程序设计

液晶屏程序主要是液晶屏和触摸板模块引脚配置和功能初始化，液晶屏显示功能参数，启动读取命令后实时地显示采集计算后的吸光度值;计算微生物密度;触摸板用于产生触摸中断，MCU根据液晶屏上显示的功能选项和触摸坐标判断来执行何种操作。液晶屏显示程序流程图如图11所示。显示内容采用自定义函数Print_bmp实现，即为void Print_bmp (ucharx，uchary，ucharm，ucharn，uchar* pstr)。该函数可显示任何字符或者图片，使用图片前需将其用取字模软件转化为数组形式(其中，坐标(x，y)，x为水平方向像素位; y为垂直方向像素位; m:相关图片的行数，n:相关图片的列的字节数，即列数÷8)。

图11　液晶屏显示程序流程图

图12　触摸操作的人机界面

4.2信号采集传输程序设计

信号采集传输程序主要是通过STM32F107VC的片内ADC1中的通道10实现，在程序设计工程中使用了DMA［12］功能，这样能有效解决处理器处理任务过多的问题。本系统需要集成到整个养藻系统中，软件通信设计主要是采用MODBUS-RTU协议［13］，通过RS485总线来下发命令控制下位机动作、液晶屏显示等。软件设计总体结构如图13所示。

图13　系统软件总体结构图

5　系统调试

5.1主要部件调试方法

系统设计有液晶屏现场显示功能，通过触摸屏可以对仪器进行现场控制，调试主要部件，流动式微生物密度在线检测仪组装图如图14所示。

图14　流动式微生物密度在线检测仪组装图

测试中，下位机将数据传输到液晶屏并显示所测量的吸光度数据值，再利用RS485转RS232模块将吸光度数据上传到PC机上，便于远程监测数据。系统在测量不同浓度的溶液时，所测溶液使吸光度值曲线会有明显阶段性的变化，说明系统测量吸光度的灵敏度满足在线测量灵敏度的要求。

5.2系统检测性能测试

采用孔雀石绿和甲基红作为标准溶液，分别测试在不同波长下测试系统的检测精度。检测结果分别如图15和图16所示。从数据可知，仪器性能如表1所示。

图15　孔雀石绿检测拟合曲线

图16　甲基红检测拟合曲线

表1　仪器性能参数

图17　小球藻密度生长曲线

然后，以高密度培养小球藻为例，采用本文设计的微生物密度在线检测仪，实时检测小球藻生长过程。小球藻采取静置培养方式，温度25℃，pH 6.5～7.5，光暗比12∶12，每天早上开启搅拌约5 min，使小球藻均匀分布在培养液中。将在线OD检测仪接入发酵罐，记录其OD值。图17为截取的部分数据。

从数据可以看出:

(1)在实验过程中采用静置培养方式，小球藻在静置状态下会慢慢沉到底部，导致夜间(0～9 h)测得OD偏小。由于小球藻下沉的过程非常缓慢，因此OD值变化不大。

(2)在第9个小时左右，OD值变化较大是因为在这个时间段开启搅拌，使得小球藻分布均匀，导致OD值明显上升。

(3)在光照条件下，小球藻进行光合作用，生长速度较快，因此在9 h后，OD值开始缓慢上升。

6　结论

考虑现场比较恶劣的培养环境会对信号的质量和传输造成比较大的影响，需要对系统进行长时间和反复测试，故对仪器进行了一天的连续测试，其运行正常，结果较为稳定。由此可见，此研究方法用于微生物培养检测具有一定的可行性［8］。

参考文献:

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［4］王建林，赵利强，于涛.智能化微生物发酵乙醇浓度在线检测仪的研制［J］.应用基础与工程科学学报，2009(5) : 782－789.

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［9］曹利波.基于STM32数据采集器的设计［J］.电子制作，2014 (5) : 36－37.

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［11］幸坤涛.步进电机驱动器THB6064H及其应用［J］.电子世界，2010(12) : 14－16.

［12］张滔.基于STM32单片机DMA机制的多通道数据采集［J］.黑龙江科技信息，2013(30) : 27.

［13］Peng D G，Zhang H，Yang L，et al.Design and Realization of Modbus Protocol Based on Embedded Linux System［J］.ICESS2008，2008: 275－280.

周鹏飞(1987－)，男，汉族，湖南常德人，杭州电子科技大学在读研究生，主要研究方向为电子信息系统集成技术，466755004@ qq.com;

蔡　强(1972－)，男，汉族，研究员，安徽蚌埠人，浙江清华长三角研究院，主要研究方向为环境监测仪器技术研究，caiq@ tsinghua.edu.cn。

Design of Detection Circuit for Photoionization Gas Concentration
Based on C8051f040 Microcontroller*

GAO Licong1，2，LIANG Ting1，2*，SUN Yuhong1，2，ZHOU Leigang1，2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Gas concentration can be measured by detecting the photoionization micro-current.C8051f040 microcontroller is used as the core device，using the internal ADC and signal acquisition unit to design a measurement system that can be measured gas concentration within the range of 0～200×10－6and real-time detection with digital display.The system by using the metal shielding signal acquisition unit and in the software programming combining sampling，digital filtering method improved the SNR of the system.In computer automatic distribution system the concentration of dimethyl ether is tested，which showed the error did not exceed the scope of 0.07×10－6，together with fast response and reliable work made it work properly in the practical application.

Key words:photoionization; data acquisition; I－V converter; oversampling; digital filtering; concentration calculation EEACC: 7230L; 1265

doi:10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.031

中图分类号:TP216

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0626－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－20