基于GPRS的显微镜自动控制设计及在孢子中的应用

李相 张春光

摘 要：为了方便用CCD相机采集显微镜下的图像，设计了一种实现显微镜自动控制的方法。利用THB6128芯片驱动步进电机实现焦距的电控调节，利用PT4115芯片控制LED灯实现照明灯光亮暗的调节。上位机通过控制GPRS给单片机发送指令，然后单片机再控制步进电机运动和调节灯光的亮暗，实现显微镜的自动控制；实验证明，上位机通过GPRS，向下位机发送指令，通过调节LED灯的亮暗以及步进电机转动带动载物台的上下移动，实现了在一个合适的光照和焦距下获取清晰的图像；使显微镜控制更加的简化与精确，便于图像的采集。

关键词：STM32；GPRS；步进电机；LED；图像采集

中图分类号：TP2 文献标识码：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

中國是一个农业发展的大国，为了保证粮食的产量，达到每个居民正常的生活需要，如何保证农产品的质量就变得很重要，所以要对农作物的病害进行提前发现，预防以及治疗[1-2]。水稻作为世界最为重要的粮食作物之一，其病虫防害尤为关键。经调查显示，真菌病害在感染植物时，一般是靠细菌的有性的孢子，作为传播的方法[3-4]。农作物在受到感染后，在潮湿的条件下，一般会产生孢子和菌丝，形成各式各样的白色的丝状物，或者粉末状物体，然后通过空气，水等方式传播出去，因此只要检测空气中孢子的含量，就可以判断农作物是否受到感染[5]。传统的计数方式基本为将在田间采集到的孢子样本，带回实验室后，利用显微镜进行人工计数，但是由于孢子个体小，数量大，利用该方法费时费力，且误差较大[6]。

随着科技的高速发展，计算机显微图像处理技术的应用显得广泛起来，通过高精度显微镜下拍照获取孢子的图像，然后后期进行图像处理技术来完成孢子的自动计数，方法更加准确，高效。而显微镜的焦距条件以及光照的亮度是获取清晰图像的关键所在[7]。

设计了一种实现显微镜自动控制的方法，完成对焦距以及光照亮度的调节控制，使调焦过程更加的简便，直观，特别可以应用于远程智能控制。

2 显微镜自动控制系统硬件设计

系统硬件电路由STM32L151C8T6单片机作为主控芯片，连接THB6128，PT4115芯片，实现对步进电机和可调光LED灯的控制。PC机通过GPRS，控制主控芯片，实现上位机对下位机的指令控制。

自动控制系统硬件设计分为三部分：（1）主控单片机电路：系统采用STM32L151C8T6单片机作为主控制器。（2）步进电机驱动电路：通过控制载物台的上下移动，调节物镜与所观测孢子培养皿的距离，达到最佳拍摄距离。（3）LED灯控制电路：调节光源的亮度，为图像采集提供合适的照明亮度。

2.1 主控单片机电路设计

系统采用STM32L151C8T6单片机为控制核心，STM32L151C8T6是超低功耗STM32L151xx系列芯片，此款芯片共有48个引脚，37个I/O端口，芯片的工作电压是1.65V-3.6V，芯片内嵌的Flash容量是64KB，RAM容量是10KB，EEPROM容量是4KB，有6个通用定时器和2个基本定时器，3个串口，2个SPI，2个IIC，芯片的工作温度范围是-40℃-85℃，封装是LQFP48[8]。

2.2 步进电机驱动电路

通过载物台的上下移动实现焦距的调节，载物台的移动由步进电机带动。本系统设计采用两相四线步进电机控制，步进电机是将电脉冲信号转换成角位移，再通过精细的机械传动转化成直线位移的执行元件，其输入量为脉冲序列，输出为相应的角度或直线增量，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[9-10]。电机的正反向转动带动控制台的上下移动，即焦距的增大，减小。

系统采用THB6128芯片驅动步进电机。THB6128芯片引脚ENABLE引脚与单片机P0.1引脚连接控制输出，当ENABLE为低电平时，输出关断，高电平时则电平输出，CW引脚与单片机P0.2连接控制电机的正反转，为低电平时电机正转，高电平时电机反转，CLK引脚与单片机P0.3引脚连接，可控制时钟频率来控制电机的转速[11]。步进电机驱动电路设计如图1所示。

2.3 LED灯控制电路

本系统设计中，光源采用可调光LED灯，LED灯可获取高品质，高对比度图像。系统中LED灯光照明亮暗的调节控制采用的芯片是PT4115芯片，PT4115芯片是一款电感电流导通模式的降压恒流源，该芯片具有过温，过压，过流，LED开路保护等多种功能，非常适合于照明LED灯的驱动电路[12]。该芯片通过DIM引脚接单片机输出PWM方波的引脚，通过PWM调制实现调光。LED电路设计如图2所示。

3 显微镜自动控制系统软件设计

系统的软件设计包括两部分：下位机和上位机。下位机程序为系统外围硬件运行所需程序；上位机程序为PC通过控制GPRS与下位机通信的程序。

3.1 上位机程序设计

SIM900A内嵌TCP/IP协议，可以实现语音，SMS和GPRS数据的传输。用户可以通过AT命令控制SIM900A，在AT命令操作过程中，当等待握手超时后，GPRS模块主要完成三个任务：（1）建立通讯链路；（2）和远程监控中心建立TCP/IP连接；（3）收发数据。执行流程就是当检测到需要上位机对下位机进行控制时，则执行数据发送子程序，其中大多使用到AT指令[13]，子程序流程图3所示。

AT即Attention，是调制解调器通信接口的工业标准，AT指令最初是推出的一套解调器通信操作命令集，后逐渐深化并加入GSM07.05标准，以及之后的GSM07.07标准。AT命令的格式是AT字符加上命令字符以及相关设置参数组成[14]。数据发送子程序中使用的相关主要AT指令及其功能如表1所示

数据发送子程序中定义了多个返回值，其中返回值0证明连接成功，这时可以收发数据，返回其他值证明发生错误，其中每一种错误情况分别对应不同的返回值，这样可以根据返回值的情况来判断发生了哪种错误，有利于快速判断情况[15]。

3.2 下位机程序设计

下位机单片机程序编程语言为C语言。单片机接收上位机发送过来的指令，控制单片机运动，在串口中断函数中执行相应操作。用开关语句，switch-case语句进行判断，收到数字1则是控制灯光变亮，收到数字2是控制灯光变暗，收到数字5是控制电机往上运动，收到数字6是控制电机往下运动。程序设计流程如图4所示

4 系统测试

对自动控制程序进行验证，以拍摄的孢子为例。利用图像采集模块成像，上位机呈现未经过调焦的图像如图5（a）所示。运行自动控制程序，上位机发送数字1，LED灯光亮度会不断增强，直到视野达到合适亮度停止调光，如图5（b）所示；第二步调节焦距，发送数字5和6不断调节焦距距离样本的距离，直至获得清晰的图像为止，如图5（c）和5（d）所示。经过测试，本自动控制设计可实现图像采集过程中清晰图像的获取。

5 总 结

提出了基于GPRS技术的无线远程孢子图像的采集系统的方案设计，该方案能够利用GPRS技术，进行远程的数据采集及传输。经过在田间的试验，与传统的方法相比，该系统具有通信性强，可靠性高等特点，取得了良好的应用效果。

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