基于单片机的双通道比色检测系统开发及应用

张 权 文一章 邹雄伟 黄海萍 熊 毅 罗志琴

(1.力合科技(湖南)股份有限公司, 长沙 410205；2.湖南大学电气与信息工程学院仪器科学与技术系, 长沙 410082)

比色法是基于有色化合物的显色反应，通过比较或测量被测物质溶液颜色深度，对待测组分进行定量的一种分析方法，比色法广泛用于水质分析[1]。其理论基础为朗伯—比尔定律：在一定条件下，当入射光一定时，溶液对光的吸收程度与溶液浓度及液层厚度成正比[2]。表达式见式(1)。

A= log(I0/It)=εbc

(1)

式(1)中，A:吸光度；I0:入射光信号强度；It:透射光信号强度；ε：吸光系数；b：液层厚度；c：溶液浓度。

影响比色分析检测系统测试的因素有：

(1)I0和It为分时测得的光信号强度，必须确保测定It的过程中，I0须一直保持稳定不变；

(2)自身干扰。包括仪器元件或组成部分温漂引起的误差或电路产生的噪声等；

(3)背景干扰。包括被测溶液浊度的变化、杂光产生的干扰等。

传统比色分析检测系统的光源为直流恒流供电方式，这样LED光源长期大电流通电，会导致其寿命短，功耗大，发光强度不稳定有漂移；光敏信号采集为使用跨阻运放将光敏器件感应光源产生的电流信号转换成电压信号，再对电压信号进行放大后定时采集的方式，这样较容易受到外界杂光干扰。同时，在工作的过程中，电路及元件效率较低，容易产生热量，形成温漂，从而加大自身干扰。

为克服传统比色检测仪器的诸多不足与缺陷，本研究开发了基于Aducm360单片机的双通道比色检测系统，该系统使用的是50%占空比的调制光源和同步检波的工作方式，降低了背景干扰和自身噪声干扰[3]，降低了驱动LED光源的的功耗，仅为直流恒流控制方式的一半左右，降低了LED光源温漂，同时双通道的设计及应用也能确保测试过程中，即使入射光发生漂移，也能保持吸光度计算的正确性和准确性。

1 系统的组成及工作原理

1.1 系统的组成

系统组成包括：Aducm360单片机、电源模块、光源发射模块、光敏接收模块、信号采集模块、通信模块、检测池夹具等。

1.2 工作原理

基于Aducm360单片机的多通道比色检测系统以Aducm360单片机为主控制器，实时产生某一固定频率的调制/解调信号，比如5kHz[4]的工作方波输出给光源发射模块，使其对光源进行调制恒流驱动。同时该频率方波输出给光敏接收模块，使得该模块将光敏元件接收到的光电信号进行同步解调，经过信号采集模块进行滤波后进行高精度AD采集。与此同时，Aducm360单片机通过通信模块与上位机进行485串口的Modbus通信协议通信，见图1。

图1 工作原理框图

2 系统的软硬件设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1单片机(Aducm360)

Aducm360的标准外设包括：单12位电压输出DAC、ARM Cortex-M3 32位微控制器、128KB flash、8KB SRAM、UART、16bit PWM控制器、两个通用定时器、内置16M晶振[5]。该单片机集成的双核高性能的24位Σ-Δ型AD转换器完全能完成该系统的小信号高精度采集。

单片机电路如图2所示，系统将8-9脚的差分电压作为第一路光路ADC采集，将10-9脚的差分电压作为第二路光路ADC采集。40脚输出占空比为50%、5kHz的方波作为光路调制控制使用。19脚为单片机DAC输出端，输出最高为1.2V的电压用来控制一通道光路的LED恒流源。第二通道光路的LED恒流源由AD5681RBRMZ输出控制，它是单通道12位SPI接口、输出2.5V电压DAC芯片，内置2×10-6/℃的2.5V电压源[6]，作为该系统的参考电压源。

图2 Aducm360单片机电路

2.1.2电源模块

该系统为直流6V～30V宽电源电压输入，采用了高效率、高速、同步、单片式、降压型开关稳压器LT8610芯片[7]，该芯片最大的特点：高效率，最高可到96% ；低纹波输出，低于10mVp-p。为了降低电源干扰对系统的影响，该系统进行了隔离的电源方案设计，整机输出功率为1.5W左右(图3)。

图3 供电电源电路

2.1.3通信模块

该系统通过485串口与上位机进行MODBUS协议的通信，其核心部件为ADM2483BRWZ。它是隔离型的RS485收发器[8]，允许通信波特率最高500kbps(图4)。

图4 通信电路

2.1.4光源发射模块

单片机DAC端输出0～1.2V电压接至了U2的第3脚。单片机的5kHz调制控制开关信号接至了U2的第9脚。U2为ADG633，它是内含3组单刀双掷的模拟开关芯片[9]。运放AD8615、9013三极管组成的恒流源电路用来对光源LED1进行驱动，其最大电流为23.5mA。

LED光源选取方面，尽量选取大封装(Φ5)、发光效率与放大器匹配、低温漂、发射角小于等于60°、半波宽窄(小于40nm)的LED光源(图5)。

图5 光源电路

2.1.5光敏接收及滤波模块

光敏器件与U7 AD8615运放组成了跨阻放大电路。AD8615有着极低的输入偏置电流(1pA)、输入失调电压(100μV)及噪声[10]。本系统中通过单片机IO口P11、P04的切换，可以形成4个不同的转换通道。多转换通道的设计有利于提高系统适用性。转换后的电压信号经C4耦合，这样低频的进入光敏传感器的杂散光产生的直流电平都无法进入下一级。U4的同相输入端有上拉至2.5V参考源，因此该运放在5kHz调制方波的低高电平控制下，对应输出的电平范围为1.25V～3.75V。模拟开关ADG733与差动运放AD8271[11]组成了同步检波电路。ADG733导通电阻较小，为4.5Ω，且温漂小于1×10-6/℃[12]。单片机产生5kHz的调制方波用来切换U5的第一第二通道。当调制方波为低电平时，D1= S1A,D2= S2A,信号电压接至U6的反相输入端，参考电压接至U6的同相输入端，U6的输出同步检波电压V0= 2×2.5V-Vi；同步检波输入电压Vi的范围为1.25V～2.5V；当调制方波为高电平时，D1= S1B,D2= S2B,信号电压接至U6的同相输入端，参考电压接至U6的反相输入端，U6的输出电压Vo = Vi；Vi的范围为2.5V～3.75V；因此，通过同步检波以后的V0电压范围在2.5V～3.75V，该电压再通过RC滤波器滤波后接至单片机ADC采样端，与2.5V参考电压进行差分电压采集。第二路光路硬件设计同第一路光路。

环境杂散光包括白炽灯、荧光灯光、太阳光等。白炽灯工作频率为工频50Hz，高频荧光灯工作频率为20～26kHz,普通荧光灯工作频率为100Hz。因此，为避开不同频率杂光的影响，最佳调制的方波频率范围为2～10kHz，本设计选择使用5kHz的调制方波。

光敏器件的遴选方面主要考虑的方面有：光响应灵敏度、暗电流、线性度、光谱响应范围宽(320nm～1100nm)、温漂等(图6)。

图6 光敏接收及滤波电路

2.2 系统软件设计

2.2.1软件总体设计

系统软件使用模块化的设计架构，用C语言编写，这样有利于软件的调试与测试，提高开发的效率。根据系统的使用功能，系统软件大体可以分为两个模块：485串口通信模块、光源光敏采集控制模块。

2.2.2串口通信程序框图

485串口通信模块主要是用来处理上位机与该系统的通信功能。串口中断程序用来接收上位机发来的指令字节，每收到一个字节，队列所有队员就进行一次由队尾到队首的移位，队首字节被覆盖，接收到的字节存至队尾[13]。根据协议，判断队列中上位机发来的指令是否完毕，如果接收完毕，则树校验标志；否则继续暂存接收的字节。继续判断指令帧的地址码和功能码是否正确，若不正确，退出中断；若正确则从队列中取出数据帧，树帧继续暂存标志，确保下次接收的数据能存至暂存器，暂存器指针自加(图7)。

图7 串口通信程序框图

2.2.3光源、光敏采集控制程序框图

该系统使用了较为简洁且实用的算法来实现光源校准过程。程序框图如图8所示。

图8 光源、光敏采集控制程序框图

上位机发给系统比色的校准光源目标AD值，该模块DAC值清零后慢慢的加大，控制光源电流慢慢变大，这时实时采集到的经过信号调理以后的光路电压值与2.5V的参考源差分电压值也会慢慢变大，当16位ADC值加大到目标AD值范围内，校准过程完成后退出，系统一直保持该光路的状态即可。若校准不到目标值，将切换更大跨阻通道，DAC从零开始继续自加直至校准到光源目标值。若使用了所有4个跨阻通道都无法使ADC值加大到校准目标值范围内，模块将提示光源校准故障后退出。

3 系统的应用与实验数据

基于Aducm360单片机的双通道比色检测系统的应用可分为两种应用方式：单通道比色方式、双通道比色方式。

比色检测系统在线水质仪器应用最广泛的参数是化学需氧量(COD)，所以实验选取化学需氧量这一参数进行验证，化学需氧量水质分析仪流路图如图9所示，检测波长470 nm。采用按标准流程检测典型浓度标准样品(COD=100mg/L)，通过每两小时自动启动检测一组吸光度，连续检测24小时，比较吸光度的稳定性情况。

图9 化学需氧量水质分析仪流路

其测试过程如下：先在比色检测系统的检测池内加入去离子水校正光源、光敏后读取I0值；然后排空检测池，依次加入样品和相应试剂并加热至175℃消解15min；消解完毕后降温至70℃读取It值；最后根据测试的两个值计算吸光度A[14,15]。

检测方式一：传统检测方式，光源常亮，使用跨阻运放将光敏器件感应光源产生的电流信号转换成电压信号，再对电压信号进行放大后定时采集，读取AD值进行吸光度计算。

检测方式二：以5kHz、50%占空比的频率控制光源发光，LED驱动平均电流降为传统检测方式的一半左右，使用跨阻运放将光敏器件感应光源产生的电流信号转换成电压信号，再用同频率信号控制同步解调电路对该电压信号进行同步解调后定时采集，读取AD值进行吸光度计算。

检测方式三：由于光源LED输出的光强会随温度的变化而改变，为了克服这一缺陷，在方式二的基础上，引入光源亮度监视光敏传感器，构成一种准双通道检测系统，最终吸光度扣除因光源波动而引起的微弱变化。

3种方式的吸光度稳定性如图10所示。 其中以第三种方式最优，吸光度的标准偏差达到0.0008，极差只有0.0023。

为验证同步解调的效果，实验中用单通道方案，选取比色检测(钼酸铵分光光度法)总磷[16,17]进行了验证，检测波长为880nm，取得了与COD检测非常一致的稳定性。如图10下方吸光度曲线所示。

图10 不同比色检测方式吸光度稳定性

4 结论

基于Aducm360单片机的双通道比色检测系统灵敏度高、抗背景噪声杂波的干扰能力强，且每个通道有4个光敏跨阻通道，这样就保证光敏传感器电流转换成电压有足够的分辨率，允许系统对吸光情况大不相同的不同液体进行比色。在使用前的光源校准过程中，对同步解调后的AD采集值进行存储、大数据分析，对校准的过程中出现的各种故障进行分析后报警，比如无法校准至目标值、光源光敏故障等。在比色的过程中，根据采集AD值的大小，进行运行状态的提示，比如检测AD值为0时，报无法检测光信号故障等。

常亮检测、同步解调单通道、同步解调双通道校正3种比色检测方式，吸光度的稳定性依次提升。使用者可以根据对所需比色检测应用的吸光度稳定性的需要，灵活采用。同步解调两种比色检测方案都具有广阔的应用前景。