一种基于STM32的可见分光光度计的制作方法

本实用新型涉及一种基于STM32的可见分光光度计，属于检测仪表技术领域。

背景技术：

分光光度计是利用分光光度发对物质进行定性、定量分析的仪器，由于其具有灵敏度高、选择性好、准确度高和使用溶液浓度范围广等优点，常被用于医学医药、卫生防疫、农业化工等领域。

近年来问世的分光光度计多是以8位单片机为处理器，往往存在处理能力较低、没有片内AD转换等缺点，从而影响设备的响应速度和准确度。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于STM32的可见分光光度计。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于STM32的可见分光光度计，由光学模块、信号采集模块、微处理器模块、人机交互模块、电源模块组成；其中电源模块分别与光学模块、微处理器模块电连接，信号采集模块、人机交互模块分别与微处理器模块连接；所述信号采集模块包括硅光电池、ICL7650S运算放大器、RC低通滤波器连接形成的光电转换电路；所述微处理器模块的主控芯片采用STM32系列芯片。

进一步地，所述硅光电池的响应波长为190nm到1100nm。

进一步地，所述光学模块设有光源灯、反射镜、单色器进狭缝、聚光镜、准直镜、色散原件光栅以及出射狭缝；所述单色器进狭缝位于聚光镜及准直镜的焦平面上；所述出射狭缝设置在准直镜的焦平面上。

进一步地，所述光源灯为钨卤素灯。

进一步地，所述人机交互模块由四个按键和一个LCD显示屏构成。

进一步地，所述四个按键分别是确认键、上调键、下调键以及功能键。

进一步地，所述电源模块的电源为开关电源。

进一步地，所述分光光度计具备两个散热风扇，分别设置在光学模块的两侧。

进一步地，所述主控芯片、钨卤素灯及散热风扇分别与开关电源电连接，由开关电源供电。

有益效果：本实用新型提供的一种基于STM32的可见分光光度计，其显著优点在于：

（1）STM32处理器具有性能高、体积小、功耗低、成本低，16/32位双指令集，支持多种操作系统和开发环境等特点；本实用新型采用的STM32F103系列处理器内置12位AD转换，可以克服低端单片机在芯片功能上的不足。

（2）采用具有超低暗电流的硅光电池进行光电信号转换，使得本实用新型具有很高的线性度；光电转换部分采用ICL7650S精密运放，并且是正负5V电源工作，经过I-V转换的电压信号非常稳定，保证了本实用新型的高测量精度。

（3）由于散热风扇的设置，本实用新型的仪器响应时间远远小于没有采用主动散热的分光光度计。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型光学模块的光路示意图；

图3为本实用新型的信号采集模块的光电转换示意图；

图4为本实用新型所采用的芯片引脚示意图；

图5为本实用新型的用户操作界面示意图。

图中：1.钨卤素灯；2.反射镜；3.滤色片；4.进狭缝；5.准直镜；6.光栅；7.出狭缝；8.聚光镜；9.比色皿；10.硅光电池；11.LCD显示屏；12.功能键；13.上调键；14.下调键；15.确认键。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，基于STM32的可见分光光度计，由光学模块、信号采集模块、微处理模块、人机交互模块、电源模块构成。其中电源模块分别与光学模块、微处理器模块电连接，电源模块给光学模块、微处理器模块供电；信号采集模块、人机交互模块分别与微处理器模块连接，进行数据与信号的传输。

所述光学模块采用光栅CT色散系统和单光速结构光路，布置如图2所示。

钨卤素灯1发出的连续辐射光由反射镜2反射并经过滤色片3后投向单色器进狭缝4，此进狭缝4正好位于聚光镜及单色器内准直镜5的焦平面上，因此进入单色器的复合光通过反射镜2及准直镜5变成平行光射向色散原件光栅6，光栅6将入射的复合光通过衍射作用形成按照一定顺序排列的连续的单色光谱，此单色光谱反射在准直镜5上，由于仪器出射狭缝7设置在准直镜5的焦平面上，这样，从光栅色散出来的光谱经准直镜后利用聚光原理成像在出射狭缝7上，出射狭缝选出指定宽带的单色光通过聚光镜8落在试样室装有被测样品的比色皿9中心，样品吸收后投射的光经聚光镜射向硅光电池10。

信号采集模块主要有光电转换电路构成，电路图如图3所示，设计采用的硅光电池应用的光谱范围广，可以工作在190nm到1100nm之间，同时暗电流非常小，只有10pA左右。该硅光电池工作在光导模式下，即连接反向偏置电压，使透射光转换为电信号，再经过ICL7650S运算放大器将信号进行放大，然后通过RC低通滤波器，最后传输到STM32F103的12位模数转换通道。

微处理器模块采用STM32F103作为主控芯片，其内核为Cortex-M3，优势在于低功耗、低成本、高性能，此类芯片可从市场购得。本实施例中采用的芯片型号为STM32F103RBT6，该芯片封装形式为LQFP(thin quad flat package，即薄塑封四角扁平封装)，引脚数为64，闪存存储器容量为128K字节，图4为芯片引脚示意图。在光学模块的两侧各安装有一个散热风扇。

人机交互模块由四个按键和LCD显示屏构成，如图5所示。LCD显示屏11用来显示检测结果，包括透射比、吸光度、浓度及浓度因子；四个按键分别是功能键12、上调键13、下调键14及确认键15，其中功能键12用来切换LCD显示屏显示透射比、吸光度、浓度、浓度因子的值，确认键15有确认功能，上调键13有校准功能以及设置浓度因子的功能，下调键14有调零功能以及设置浓度因子的功能。

电源模块采用的是开关电源，该电源与钨卤素灯、微处理器主控板以及两个散热风扇电连接，提供电能。本实用新型采用的钨卤素灯是12V 20W规格的，两个散热风扇的功率在5W左右，因此选用一款12V 40W的开关电源作为系统的总电源，既能保证各模块正常工作，又不会因为开关电源满负荷运行而导致发热量过大，影响系统的可靠性。本实用新型选用的开关电源在正常工作时，功率消耗是额定功率的60%左右，长时间工作后，电源壳体只有微热的感觉。

本实用新型的基本工作原理如下：

当溶液中的物质在光的照射激发下，产生了对光的吸收效应，物质对光的吸收具有选择性。各种不同的物质都具有其各自的吸收光谱，因此当某单色光通过溶液时，其能量就会被吸收而减弱，光能量减弱的程度和物质的浓度存在一定的比例关系，也即符合比色原理-比耳定律：

A = log1/τ = KCL (1)

公式（1）中：A为吸光度；τ为透射比（τ=I_out/I_in，I_out为透射光强度，I_in为入透射光强度）；K为吸收系数；L为溶液的光径长度；C为溶液的浓度。

由钨卤素灯发出连续的辐射光，经过单色光器变为单色光，照射到比色皿上，部分能量被溶液吸收，部分能量透过溶液照射到光电池上转换为微弱光电流。光电流经过放大、滤波送往STM32处理器进行分析A/D处理，并处理结果输送到人机交互模块，通过LCD显示屏显示结果。

待测溶液的某物质的透射比计算原理如下：利用黑体进行调零，此时主控芯片记录黑体对应的光电转换电流值Ia，然后利用标准样品调100%透射比，此时主控芯片记录参比样品的光电转换电流值Ib；最后测量待测溶液，主控芯片会记录待测溶液的光电转换电流值Ic；那么待测溶液的透射比τc就用公式（2）进行计算：

τc = [( Ic– Ia ) / ( Ib- Ia )] *100% (2)

本实用新型的使用过程如下：

使用本实用新型进行检测工作时，首先打开电源，预热若干分钟。然后旋转波长旋钮到所需波长的位置，打开样品室盒子，把黑体放入样品池中，按功能键切换到透射比，这时的透射比应该为0%，按下调键校准至0；拿掉黑体，直接以空气为测试参照物，此时透射比应该为100%，按上调键校准至100。此时初始化工作完成，然后将比色皿放入样品池，此时LCD显示屏上显示的透射比即为样品透射比，按功能键可以切换显示透射比、吸光度、浓度及浓度因子。默认的浓度因子为1000，可以根据实际进行调整。

在同一波长的情况下，通过对同一溶液的多次检测，透射比的测量结果误差波动只有0.2%左右。其次通过开机后，记录透射比的数值，发现通过主动散热，能够尽快建立系统内部的热平衡，从而使得测量数据趋于稳定，本实用新型的测量数据稳定只需要70秒的热机时间。测试结果表明该系统的测量结果非常精确，并且具有较好的重复性和较快的响应速度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。