基于GPRS的顯微鏡自動(dòng)控制設(shè)計(jì)及在孢子中的應(yīng)用

李相 張春光

摘 要：為了方便用CCD相機(jī)采集顯微鏡下的圖像，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)顯微鏡自動(dòng)控制的方法。利用THB6128芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)焦距的電控調(diào)節(jié)，利用PT4115芯片控制LED燈實(shí)現(xiàn)照明燈光亮暗的調(diào)節(jié)。上位機(jī)通過控制GPRS給單片機(jī)發(fā)送指令，然后單片機(jī)再控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)燈光的亮暗，實(shí)現(xiàn)顯微鏡的自動(dòng)控制；實(shí)驗(yàn)證明，上位機(jī)通過GPRS，向下位機(jī)發(fā)送指令，通過調(diào)節(jié)LED燈的亮暗以及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)載物臺(tái)的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)合適的光照和焦距下獲取清晰的圖像；使顯微鏡控制更加的簡化與精確，便于圖像的采集。

關(guān)鍵詞：STM32；GPRS；步進(jìn)電機(jī)；LED；圖像采集

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展的大國，為了保證糧食的產(chǎn)量，達(dá)到每個(gè)居民正常的生活需要，如何保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量就變得很重要，所以要對農(nóng)作物的病害進(jìn)行提前發(fā)現(xiàn)，預(yù)防以及治療[1-2]。水稻作為世界最為重要的糧食作物之一，其病蟲防害尤為關(guān)鍵。經(jīng)調(diào)查顯示，真菌病害在感染植物時(shí)，一般是靠細(xì)菌的有性的孢子，作為傳播的方法[3-4]。農(nóng)作物在受到感染后，在潮濕的條件下，一般會(huì)產(chǎn)生孢子和菌絲，形成各式各樣的白色的絲狀物，或者粉末狀物體，然后通過空氣，水等方式傳播出去，因此只要檢測空氣中孢子的含量，就可以判斷農(nóng)作物是否受到感染[5]。傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方式基本為將在田間采集到的孢子樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室后，利用顯微鏡進(jìn)行人工計(jì)數(shù)，但是由于孢子個(gè)體小，數(shù)量大，利用該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且誤差較大[6]。

隨著科技的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)顯微圖像處理技術(shù)的應(yīng)用顯得廣泛起來，通過高精度顯微鏡下拍照獲取孢子的圖像，然后后期進(jìn)行圖像處理技術(shù)來完成孢子的自動(dòng)計(jì)數(shù)，方法更加準(zhǔn)確，高效。而顯微鏡的焦距條件以及光照的亮度是獲取清晰圖像的關(guān)鍵所在[7]。

設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)顯微鏡自動(dòng)控制的方法，完成對焦距以及光照亮度的調(diào)節(jié)控制，使調(diào)焦過程更加的簡便，直觀，特別可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程智能控制。

2 顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由STM32L151C8T6單片機(jī)作為主控芯片，連接THB6128，PT4115芯片，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)和可調(diào)光LED燈的控制。PC機(jī)通過GPRS，控制主控芯片，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的指令控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為三部分：（1）主控單片機(jī)電路：系統(tǒng)采用STM32L151C8T6單片機(jī)作為主控制器。（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：通過控制載物臺(tái)的上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)物鏡與所觀測孢子培養(yǎng)皿的距離，達(dá)到最佳拍攝距離。（3）LED燈控制電路：調(diào)節(jié)光源的亮度，為圖像采集提供合適的照明亮度。

2.1 主控單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32L151C8T6單片機(jī)為控制核心，STM32L151C8T6是超低功耗STM32L151xx系列芯片，此款芯片共有48個(gè)引腳，37個(gè)I/O端口，芯片的工作電壓是1.65V-3.6V，芯片內(nèi)嵌的Flash容量是64KB，RAM容量是10KB，EEPROM容量是4KB，有6個(gè)通用定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器，3個(gè)串口，2個(gè)SPI，2個(gè)IIC，芯片的工作溫度范圍是-40℃-85℃，封裝是LQFP48[8]。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

通過載物臺(tái)的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)，載物臺(tái)的移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，再通過精細(xì)的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線位移的執(zhí)行元件，其輸入量為脈沖序列，輸出為相應(yīng)的角度或直線增量，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的[9-10]。電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)控制臺(tái)的上下移動(dòng)，即焦距的增大，減小。

系統(tǒng)采用THB6128芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。THB6128芯片引腳ENABLE引腳與單片機(jī)P0.1引腳連接控制輸出，當(dāng)ENABLE為低電平時(shí)，輸出關(guān)斷，高電平時(shí)則電平輸出，CW引腳與單片機(jī)P0.2連接控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，高電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，CLK引腳與單片機(jī)P0.3引腳連接，可控制時(shí)鐘頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[11]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.3 LED燈控制電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光源采用可調(diào)光LED燈，LED燈可獲取高品質(zhì)，高對比度圖像。系統(tǒng)中LED燈光照明亮暗的調(diào)節(jié)控制采用的芯片是PT4115芯片，PT4115芯片是一款電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，該芯片具有過溫，過壓，過流，LED開路保護(hù)等多種功能，非常適合于照明LED燈的驅(qū)動(dòng)電路[12]。該芯片通過DIM引腳接單片機(jī)輸出PWM方波的引腳，通過PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)調(diào)光。LED電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：下位機(jī)和上位機(jī)。下位機(jī)程序?yàn)橄到y(tǒng)外圍硬件運(yùn)行所需程序；上位機(jī)程序?yàn)镻C通過控制GPRS與下位機(jī)通信的程序。

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)語音，SMS和GPRS數(shù)據(jù)的傳輸。用戶可以通過AT命令控制SIM900A，在AT命令操作過程中，當(dāng)?shù)却帐殖瑫r(shí)后，GPRS模塊主要完成三個(gè)任務(wù)：（1）建立通訊鏈路；（2）和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立TCP/IP連接；（3）收發(fā)數(shù)據(jù)。執(zhí)行流程就是當(dāng)檢測到需要上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，則執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，其中大多使用到AT指令[13]，子程序流程圖3所示。

AT即Attention，是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，AT指令最初是推出的一套解調(diào)器通信操作命令集，后逐漸深化并加入GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)，以及之后的GSM07.07標(biāo)準(zhǔn)。AT命令的格式是AT字符加上命令字符以及相關(guān)設(shè)置參數(shù)組成[14]。數(shù)據(jù)發(fā)送子程序中使用的相關(guān)主要AT指令及其功能如表1所示

數(shù)據(jù)發(fā)送子程序中定義了多個(gè)返回值，其中返回值0證明連接成功，這時(shí)可以收發(fā)數(shù)據(jù)，返回其他值證明發(fā)生錯(cuò)誤，其中每一種錯(cuò)誤情況分別對應(yīng)不同的返回值，這樣可以根據(jù)返回值的情況來判斷發(fā)生了哪種錯(cuò)誤，有利于快速判斷情況[15]。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)程序編程語言為C語言。單片機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送過來的指令，控制單片機(jī)運(yùn)動(dòng)，在串口中斷函數(shù)中執(zhí)行相應(yīng)操作。用開關(guān)語句，switch-case語句進(jìn)行判斷，收到數(shù)字1則是控制燈光變亮，收到數(shù)字2是控制燈光變暗，收到數(shù)字5是控制電機(jī)往上運(yùn)動(dòng)，收到數(shù)字6是控制電機(jī)往下運(yùn)動(dòng)。程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示

4 系統(tǒng)測試

對自動(dòng)控制程序進(jìn)行驗(yàn)證，以拍攝的孢子為例。利用圖像采集模塊成像，上位機(jī)呈現(xiàn)未經(jīng)過調(diào)焦的圖像如圖5（a）所示。運(yùn)行自動(dòng)控制程序，上位機(jī)發(fā)送數(shù)字1，LED燈光亮度會(huì)不斷增強(qiáng)，直到視野達(dá)到合適亮度停止調(diào)光，如圖5（b）所示；第二步調(diào)節(jié)焦距，發(fā)送數(shù)字5和6不斷調(diào)節(jié)焦距距離樣本的距離，直至獲得清晰的圖像為止，如圖5（c）和5（d）所示。經(jīng)過測試，本自動(dòng)控制設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)圖像采集過程中清晰圖像的獲取。

5 總 結(jié)

提出了基于GPRS技術(shù)的無線遠(yuǎn)程孢子圖像的采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，該方案能夠利用GPRS技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集及傳輸。經(jīng)過在田間的試驗(yàn)，與傳統(tǒng)的方法相比，該系統(tǒng)具有通信性強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

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