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基于C8051F320的便携式分光光度计的设计

时间:2019-02-09 19:56:08 来源:诺亚彩票 作者:匿名



介绍

分光光度计广泛用于化学分析领域。分光光度法是基于不同分子结构的物质选择性吸收光的方法。它基于分子对特定波长的光的吸收。物质分子的电子能级,振动能级和旋转能级均被量化。只有当辐射分子的能量等于两个能级之间的能量差时,分子才会吸收能量。分光光度法测得的电磁辐射光谱范围在190-800nm之间,因此应通过紫外 - 可见分光光度法准确测定。分光光度计具有分析精度高,测量范围宽,分析速度快,样品消耗低等优点,已成为探索自然,改造自然,发展科学技术和生产的有力工具,是一种现代分析实验。室内必需的常规仪器之一可广泛用于食品卫生,水质检测,病毒检测等。有许多类型的分光光度计,但主要单元通常由六个部分组成。分光光度计的总体框图如图1所示。

传统的分光光度计具有以下缺点::

(1)繁琐且难以携带;

(2)机械头不易直接读取,由于吸光度不是线性的,表盘刻度不均匀,读数不准确;

(3)没有存储系统,测量结果只能手动记录,既费时又费力。

针对这些情况,开发了一种紧凑,重量轻且灵活的新型便携式分光光度计,特别适用于卫生系统和环境友好系统。通过LCD显示屏直接读取,快速,方便,高度准确。数据采集??,分析,显示和存储完全由嵌入式处理器完成。此外,可以告别实验室并测量现场的物理量,这大大扩展了分光光度计的应用范围。为了将数据传输到PC,此处选择USB接口进行数据传输。虽然USB设备的开发比串口和并口复杂得多,但USB具有即插即用,数据传输速度快,可靠性高等诸多优点,随着USB的普及,一些笔记本电脑甚至取消了串口和并口。因此,USB接口用于将测量结果传输到PC。该方法省去了手动记录数据的麻烦。综上所述,便携式分光光度计具有广阔的应用前景。1C8051F320简介

C8051F320是Cygnal产品,是一种集成的混合信号SOC,与标准8051指令集兼容。它采用流水线架构,70%的指令在一个或两个系统时钟周期内执行,峰值速度为25 MIPS。内部包含2 304 b内部数据RAM(1 k 256 1 kUSB FIFO),16 kb闪存,可在系统中编程。片上集成了常见的模拟组件和数字外设,如模拟多路复用器,DAC,ADC,电压基准,时钟振荡器,PCA等。通过JTAG接口进行全速,非侵入式系统内调试。

C8051F320集成了USB功能控制器,支持实现USB接口的外部设备的全速和低速操作(C8051F320不能用作USB主机设备)。 USB功能控制器包括一个串行接口引擎(SIE),一个USB收发器(包括匹配电阻和可配置的上拉电阻),一个1KB FIFO存储器和一个时钟恢复电路(可以在没有晶体的情况下使用),从而消除需要外部组件。 USB功能控制器和收发器符合通用串行总线规范2.0版。有8个端点:双向控制端点(端点0)和三对输入/输出端点(端点1~3输入/输出)。 XRAM中的1KB内存块专用于USB FIFO空间。该FIFO空间分配给端点0~3;端点1-3的FIFO可以配置为输入(IN),输出(OUT)或输入/输出(分离模式)。最大FIFO大小为512 b(端点3)。

2系统原理

分光光度定量分析基于朗伯 - 比尔定律,其基于被测物质的分子对特定波长的单色光的吸收。: A=log(I0/It)=log(1/T)=εbC

其中: A是吸光度; I0,分别是入射光和透射光的强度; T是透射率; ε是光吸收系数; b是吸收介质厚度; C是样品浓度。该系统主要测量物质的吸光度A,透射率T和浓度C3物理量。在LED光源通过空白溶液后,测量值为I0。在光源通过样品溶液后,测量值为It。根据朗伯 - 比尔定律,可以获得溶液的吸光度A和透射率T.待测溶液的浓度C可以基于通过已知浓度的溶液测量的吸光度从Lambert-Beer定律确定。

系统硬件框图如图2所示。光源部分采用红色LED。在通过比色皿之后,通过光学变频器将光强度转换成频率,然后可以通过单片机测量频率,并显示测量结果。测量完成后,系统自动按序列号存储测量结果,序列号范围为1至999.由于仪器不能完全封闭,以避免外部光线变化引起的测量误差(如人体在测量仪器期间,行走,亮和暗的变化)和暗电流,有必要以ms的顺序调制LED光源。 LED亮度交替变化,两次测量之间的差异是测量值。此外,为了提高测量精度,系统使用多次测量来平均测量。测量时间可以设置为1到99秒。在测量过程中,LCD显示测量时间倒计时。

3软件设计

3.1主要计划部分

主程序流程图如图3所示。系统启动后,首先显示启动界面。按下shift键后,界面会切换并等待用户设置参数。参数包括测量序列号,测量时间,测量物理量等。可以在设置参数后进行测量。由于经常测量I0,因此设置了一个按钮。按RUN按钮可以完成其他测量。测量完成后,系统会自动存储测量结果,最多可存储999组数据。

3.2USB通信部分

USB软件设计可分为三个部分:: MCU固件程序,驱动程序和PC应用程序设计。

USB开发使用由Cygnal提供的USBXpress开发套件。 USBXpress开发套件主要包括由动态链接库文件(SiUSBXp.dll)提供的主机接口函数库(HOST API),设备接口函数库(USB_API.LIB)和设备驱动程序。3.2.1固件程序

C8051F320内部的USB控制器完成了大多数底层协议。 USB固件的主要任务包括:解码和处理控制请求,完成数据输入和输出,管理USB设备的状态(默认,寻址,配置等),处理重置,暂停,唤醒等。固件API函数在文件USB_API.LIB中给出,该文件是文件

在Keil C51下预编译。固件编程使用中断驱动模式,开发人员必须提供中断编号为16的中断服务程序。任何形式的USB中断都将进入中断服务程序。

主设备接口功能如下:

USB_Init()—— - 初始化

Block_Write—— - 微控制器将数据写入主机

Block_Read()—— - 微控制器从主机读取数据

Get_Interrupt_Source()—— - 表示中断的原因

USB_Int_Enable()—— - 启用USB中断

USB_Int_Disable()—— - 禁用USB中断

USB_Disable()—— - 禁用USB接口

USB_Suspend()—— - 挂起USB设备

USB中断服务程序流程图如图4所示。

3.2.2申请

主机API作为动态链接库提供,文件名为SiUSBXp.dll。它通过给定的设备驱动程序和操作系统的USB堆栈与USB设备交换数据。 HOST API的主要功能如下::

SI_GetNumDevices() - 返回已连接USB设备的数量

SI_GetProductString() - 返回设备描述符

SI_Open() - 打开设备并返回句柄

SI_Close() - 关闭设备SI_Read() - 从设备读取数据

SI_Write() - 将数据写入设备

首先调用SI_GetNumDevices()函数以与目标USB设备建立初始通信。此函数返回目标设备的数量。然后调用SI_GetProductString()函数以创建设备序列号或产品描述符的列表。要访问设备,必须先调用SI_Open(),它返回设备句柄。此句柄很重要,将由后续访问使用。数据的输入和输出由两个函数SI_Read()和SI_Write()完成。数据传输完成后,通过调用SI_Close()函数关闭设备。 PC应用程序是使用C Builder 6.0开发的,应用程序的主界面如图5所示。

3.2.3司机

USBXpress开发套件提供相应的驱动程序,支持WIN98,WIN 2000和WIN XP。将驱动程序复制到PC。当USB接口检测到分光光度计时,请指定驱动程序的安装路径。

4。结论

分光光度分析测量精度高,准确度高,可测元素多,方法成熟,简便快速,在分析化学中占有很大比例。本文详细描述了可用的便携式分光光度计的实现。它测量多种物理量,例如溶液的吸光度,透射率和浓度。随着USB接口的普及,越来越多的电子产品使用USB接口。但是,由于USB协议的复杂性,开发USB接口设备并非易事。使用Cygnal提供的USBXpress开发套件,可以大大简化USB接口设备的开发,并且可以在短时间内开发出高效可靠的USB接口设备。该系统还为其他USB接口设备提供了良好的数据采集和存储解决方案。

摘录自:中国计量与测量网络

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