基于STM32單片機(jī)的在線恒溫光譜分析系統(tǒng)研制與測(cè)試

黃 超, 趙宇紅, 張洪明, 呂 波, 尹相輝, 沈永才, 符 佳, 李建康, 6

1. 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng) 421001

2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所, 安徽 合肥 230031

3. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院, 安徽 合肥 230031

4. 合肥師范學(xué)院物理與材料工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601

5. 合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院, 安徽 合肥 230031

6. 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng) 421001

引 言

近紅外(near infrared, NIR, 波長(zhǎng)范圍: 780～2 500 nm)光譜分析技術(shù)具有方便、 快速、 高效、 準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于食品加工、 化工和制藥等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)[1-2]。 相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室或化驗(yàn)室離線使用的光譜分析系統(tǒng), 工業(yè)在線檢測(cè)對(duì)光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求更高。 在線光譜分析系統(tǒng)的光譜儀主要由分光光路和用于光譜信號(hào)檢測(cè)的半導(dǎo)體探測(cè)器組成。 溫度變化容易引起微型光譜儀內(nèi)半導(dǎo)體器件的參數(shù)變化和光學(xué)器件的變形, 從而導(dǎo)致探測(cè)器上譜線中心位置發(fā)生偏移, 造成譜線漂移, 而且溫度升高還會(huì)增加探測(cè)器的暗電流噪聲, 降低測(cè)量精度[3-4]。 除此之外, 溫度過(guò)高還會(huì)影響光譜儀器件的使用壽命, 試驗(yàn)表明, 溫度每增加25 ℃, 器件的壽命會(huì)減小一半[5], 因此控制光譜儀的工作溫度非常重要。 由于在線檢測(cè)對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高, 需要在線光譜分析系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制, 以降低環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)的干擾。 但目前的光譜儀大多采用僅對(duì)傳感器進(jìn)行恒溫制冷的方式, 而外界溫度變化仍會(huì)對(duì)光路部分及探測(cè)器電路產(chǎn)生影響, 測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度變化的影響仍然比較大, 在一定程度上降低了檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性[6-8]。

此外, 為了方便開展數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)置及調(diào)試, 在線光譜分析系統(tǒng)多采用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。 目前許多微型光譜儀的控制系統(tǒng)主要采用PC主機(jī), 系統(tǒng)體積龐大、 功耗高, 而且在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域, PC主機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性較低, 難以應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間在線檢測(cè)的工作模式[9]。 在采集光譜再完成樣品的理化指標(biāo)計(jì)算之后, 需將計(jì)算結(jié)果通過(guò)獨(dú)立的工業(yè)通訊模塊實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)線總控系統(tǒng)的通訊。 這種架構(gòu)不僅增加了設(shè)備成本與體積, 也顯著降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 因此, 使用更加一體化、 穩(wěn)定性高的控制系統(tǒng), 并降低溫度對(duì)光譜儀光路和電路部分的影響, 以降低光譜的噪聲和溫漂, 延長(zhǎng)光譜儀使用壽命, 從而達(dá)到提升在線光譜分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

STM32單片機(jī)系統(tǒng)作為工業(yè)級(jí)的單片機(jī)控制系統(tǒng), 其運(yùn)行穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于PC計(jì)算機(jī), 且能較好地?cái)嚯娭貑⒒謴?fù), 適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線控制。 此外, STM32系統(tǒng)成本較低, 適合于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量布置。 因此, 國(guó)內(nèi)外也有嘗試基于STM32單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行光譜儀數(shù)據(jù)采集的相關(guān)研究。 魏旭可等[10]、 周安萌等[11]實(shí)現(xiàn)了STM32控制微型光譜儀, 如控制光譜采集、 改變單次采集積分時(shí)間、 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的顯示。 袁晨[12]等采用STM32實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集、 光譜儀與激光器工作狀態(tài)控制和系統(tǒng)工作環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。 但對(duì)于應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)的光譜儀, 保持較高的測(cè)量穩(wěn)定性更為重要, 所以對(duì)光譜儀冷卻控溫抑制溫漂也得到越來(lái)越多的重視。 目前國(guó)內(nèi)外許多團(tuán)隊(duì)對(duì)微型光譜儀恒溫控制方面做了大量研究。 周安萌等[11]基于STM32實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜儀探測(cè)器的制冷, 中國(guó)臺(tái)灣超微光學(xué)開發(fā)的SW8與SW9系列制冷光譜儀, 以及美國(guó)海洋光學(xué)(Ocean Optics)公司設(shè)計(jì)的制冷型微型光譜儀NIRQUEST, 都能將溫度降到-20 ℃。 但是, 前人的研究都只是針對(duì)探測(cè)器部分制冷, 這種制冷方式雖然能較好地降低傳感器的暗噪聲, 但光譜儀的光路部分仍然會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響, 光學(xué)器件的溫漂問(wèn)題仍未完全徹底解決。 此外, 制冷型探測(cè)器成本遠(yuǎn)高于非制冷型探測(cè)器, 因此, 采用制冷型探測(cè)器的光譜儀成本通常較高, 極大增加了企業(yè)裝配在線光譜檢測(cè)設(shè)備的成本。

綜上, 上述研究目前均未全部實(shí)現(xiàn)光譜儀數(shù)據(jù)采集、 恒溫控制和工業(yè)信號(hào)通訊功能的一體化設(shè)計(jì)。 針對(duì)這一問(wèn)題, 本文基于STM32單片機(jī)開展了在線恒溫光譜分析系統(tǒng)的研制與測(cè)試[13-15]。 本系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)控制近紅外光譜儀, 設(shè)定和修改采集間隔時(shí)間并采集光譜數(shù)據(jù), 對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 并計(jì)算得到目標(biāo)樣品的理化指標(biāo)。 開發(fā)了在STM32單片機(jī)上運(yùn)行的基于比例-積分-微分(PID)控制算法[16-19]的恒溫控制系統(tǒng), 對(duì)光譜儀整體(包含光路和電路部分)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)恒溫控制。 開發(fā)了基于STM32單片機(jī)的工業(yè)通訊接口(包含Modbus協(xié)議通訊和4～20 mA電流信號(hào)通訊)。 對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 在線光譜分析系統(tǒng)整體介紹

本研究采用了基于數(shù)字微鏡(DMD)微型近紅外光譜儀來(lái)開展在線光譜分析系統(tǒng)研制。 該光譜儀為基于德州儀器(TI)的DLP技術(shù)所設(shè)計(jì)的微型光譜儀, 采用了TI的數(shù)字微鏡DMD與單點(diǎn)探測(cè)器的組合來(lái)替代價(jià)格昂貴的線陣探測(cè)器, 在不降低光學(xué)性能的前提下, 大幅度降低了設(shè)備成本, 便于開展多通道分布式在線檢測(cè)。 本款光譜儀輸入端為標(biāo)準(zhǔn)的SMA905光纖接口, 便于開展光學(xué)調(diào)試與系統(tǒng)裝配。 其波長(zhǎng)觀測(cè)范圍約為900～1 700 nm, 波長(zhǎng)分辨率約為10 nm, 單次數(shù)據(jù)采集時(shí)間通常約為2 s, 基本可以滿足工業(yè)在線檢測(cè)的需求。 光譜儀可以通過(guò)MiniUSB或UART串口與計(jì)算機(jī)或STM32單片機(jī)系統(tǒng)連接, 以實(shí)現(xiàn)光譜儀數(shù)據(jù)采集控制與光譜數(shù)據(jù)傳輸。

由于光譜儀采用的探測(cè)器為非制冷探測(cè)器, 在環(huán)境溫度變化的條件下會(huì)有較為明顯的溫度漂移。 因此, 本研究中為了降低外界環(huán)境的干擾, 為此光譜儀設(shè)計(jì)了一款微型恒溫腔室, 如圖1所示。 本設(shè)計(jì)可以將光譜儀整體放置在恒溫腔室內(nèi), 以實(shí)現(xiàn)對(duì)光路與探測(cè)器的整體恒溫控制, 降低環(huán)境溫度變化對(duì)光路和電路產(chǎn)生的干擾。 制冷系統(tǒng)采用內(nèi)外風(fēng)扇散熱, 使用半導(dǎo)體制冷片對(duì)微型光譜儀進(jìn)行制冷, 為實(shí)現(xiàn)光譜儀制冷效果最大化, 在腔室內(nèi)外表面添加保溫層。

圖1 在線光譜分析系統(tǒng)整體布局

1.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示, 在控制電路設(shè)計(jì)部分, 本研究采用STM32F407作為主控芯片, 主頻率達(dá)到168 MHz, 能實(shí)現(xiàn)光譜儀的控制與數(shù)據(jù)的預(yù)處理, 同時(shí)也能在主程序中運(yùn)行增量式PID算法, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的恒溫控制。

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)整體框圖

由圖2可知, 電路控制系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)系統(tǒng)、 光譜儀、 可編程恒壓恒流電源和TEC制冷片組成。 主要功能可以分為兩部分: 首先是STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制光譜儀采集數(shù)據(jù), 并開展目標(biāo)樣品的理化指標(biāo)計(jì)算, 并通過(guò)Modbus協(xié)議和4～20 mA電流信號(hào)將計(jì)算得到的理化指標(biāo)實(shí)時(shí)地反饋給產(chǎn)線的總控系統(tǒng); 其次是通過(guò)在STM32單片機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜儀整體的恒溫控制。

STM32系統(tǒng)通過(guò)UART串口與光譜儀相連, 采集的光譜數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口回傳給STM32系統(tǒng)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中。 在STM32系統(tǒng)中對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 并計(jì)算目標(biāo)樣品的理化指標(biāo), 通過(guò)Modbus協(xié)議和4～20 mA電流信號(hào)將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給產(chǎn)線總控系統(tǒng)。

STM32單片機(jī)通過(guò)放置在恒溫腔室內(nèi)的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 并將實(shí)時(shí)溫度作為輸入量, 輸入給PID算法。 單片機(jī)通過(guò)RS232串口與可編程恒壓恒流電源相連, 恒壓恒流電源的輸出端與半導(dǎo)體制冷片相連。 根據(jù)PID的計(jì)算結(jié)果, 可以實(shí)時(shí)調(diào)整恒壓恒流電源的輸出電壓, 進(jìn)而調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的制冷功率, 最終實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜儀溫度的閉環(huán)控制。

1.3 主程序設(shè)計(jì)

本研究采用Keil5實(shí)現(xiàn)了STM32系統(tǒng)程序的開發(fā), 程序主要流程如圖3所示。 程序設(shè)置有定時(shí)器, 可以設(shè)定循環(huán)周期時(shí)間。 在每個(gè)循環(huán)開始之初, 首先對(duì)STM32的UART串口和用于Modbus協(xié)議通訊的RS485串口等進(jìn)行初始化; 然后讀取配置文件, 完成設(shè)定溫度和光譜儀采集參數(shù)設(shè)定。 之后STM32系統(tǒng)讀取溫度傳感器DS18B20所采集的恒溫腔室的實(shí)時(shí)溫度, 將實(shí)時(shí)溫度作為輸入量輸入系統(tǒng)運(yùn)用PID算法, PID算法經(jīng)過(guò)計(jì)算后來(lái)調(diào)整可編程恒壓恒流電源的輸出電壓, 以調(diào)整制冷片制冷功率, 最終實(shí)現(xiàn)腔室的恒溫控制。 在光譜儀數(shù)據(jù)采集方面, 在完成光譜儀參數(shù)設(shè)置之后, STM32系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令并等待光譜儀完成光譜數(shù)據(jù)采集。

圖3 主程序流程圖

如圖4所示, 所用到的PID控制算法的核心公式為

圖4 PID程序框圖

式中,Kp為比例系數(shù);Tt為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù);U(t)為PID控制器的輸出信號(hào);e(t)為控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

在收到光譜儀回傳的光譜數(shù)據(jù)之后, STM32系統(tǒng)開展光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理, 所采用的預(yù)處理的方法由從配置文件讀取的配置參數(shù)決定。 主要的預(yù)處理方法包含平滑、 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(SNV)、 一階求導(dǎo)、 二階求導(dǎo)和多元散射校正(MSC)等。 在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后, 將預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)代入模型, 計(jì)算目標(biāo)樣品的理化指標(biāo)。 最終, 通過(guò)RS485串口以Modbus協(xié)議和4～20 mA模塊以電流信號(hào)將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到產(chǎn)線的總控系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 系統(tǒng)部件參數(shù)

在完成系統(tǒng)搭建與程序開發(fā)之后, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 在實(shí)驗(yàn)中, 采用寬譜鹵素?zé)糇鳛楣庠? 其可提供波段為360～2 500 nm, 壽命約10 000 h。 采用的可編程恒壓恒流電源最大輸出電壓為60 V, 最大功率為1 440 W, 可以滿足半導(dǎo)體制冷片的供電要求。 制冷片采用雙層TEC半導(dǎo)體制冷片, 最高電壓與最大電流分別為12 V和6 A, 最大制冷功率為72 W。 經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn), 在室溫為20 ℃情況下, 恒溫腔室內(nèi)的溫度可以恒定控制在-10 ℃, 實(shí)現(xiàn)腔室內(nèi)外溫差30 ℃。

2.2 測(cè)試方法

為測(cè)試所研制的在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 以及溫度變化對(duì)微型光譜儀采集數(shù)據(jù)的影響, 對(duì)所研制的系統(tǒng)分別進(jìn)行了有溫控和無(wú)溫控48 h的數(shù)據(jù)采集。 有無(wú)溫控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序相同, 二者唯一區(qū)別在于是否對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行恒溫制冷控制。 光譜儀采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間設(shè)置為30 s, 放置在恒溫腔室內(nèi)的溫度傳感器的采集頻率設(shè)置為1 Hz。 選用的測(cè)試樣品為蒸餾水, 且在測(cè)試期間其各項(xiàng)理化指標(biāo)保持不變。 在線光譜分析系統(tǒng)分別在室溫?zé)o恒溫控制和恒溫控制在5 ℃的條件下連續(xù)運(yùn)行采集48 h的光譜數(shù)據(jù), 然后分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(數(shù)據(jù)平滑)), 并對(duì)有溫控和無(wú)溫控的光譜數(shù)據(jù)求平均值、 標(biāo)準(zhǔn)差、 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析, 以評(píng)估系統(tǒng)在有無(wú)恒溫控制條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度控制效果

在有無(wú)恒溫控制條件下溫度傳感器檢測(cè)的光譜儀腔室內(nèi)的溫度變化如圖5所示。 圖5(a)是在無(wú)溫控的條件下腔室內(nèi)的溫度變化曲線, 起始溫度值為24.75 ℃。 此后的5 h內(nèi), 隨著光譜儀的持續(xù)運(yùn)行, 腔室內(nèi)溫度一直在上升, 最高達(dá)到29.25 ℃。 隨著外界環(huán)境溫度的降低, 當(dāng)測(cè)試時(shí)間為24 h時(shí), 光譜儀溫度回落到26 ℃左右, 表明無(wú)溫控的腔室內(nèi)溫度變化較大, 最大溫差約4.5 ℃, 溫度波動(dòng)周期時(shí)間達(dá)到24 h。 這有可能是既受到光譜儀運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量累積的影響, 也受到外界環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的影響。 后24 h由于環(huán)境溫度變化不大, 光譜儀溫度基本穩(wěn)定在26 ℃左右。 可以推知, 在無(wú)溫控條件下, 如果環(huán)境溫度變化較大, 對(duì)采集光譜結(jié)果產(chǎn)生較大誤差, 會(huì)影響光譜儀的穩(wěn)定性, 尤其是長(zhǎng)時(shí)間在線測(cè)量時(shí), 溫度的變化通常是比較大的。

圖5 有無(wú)溫控時(shí)光譜儀溫度測(cè)試

圖5(b)展示了在恒溫控制條件下腔室內(nèi)溫度的變化。 系統(tǒng)設(shè)定溫度值為5.0 ℃。 在系統(tǒng)啟動(dòng)后約5 min左右, 腔室內(nèi)溫度開始穩(wěn)定在5.0 ℃, 波動(dòng)范圍在4.75～5.25 ℃之間, 有少數(shù)溫度值到達(dá)4.5或5.5 ℃, 總體的溫度差值在±0.25 ℃左右。 在48 h的測(cè)試過(guò)程中, 外界環(huán)境溫度依然有變化, 但是未對(duì)腔室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。

3.2 光譜數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在對(duì)比了系統(tǒng)的溫度控制效果之后, 對(duì)系統(tǒng)所采集的測(cè)試樣品蒸餾水的吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。 圖6展示了在有/無(wú)溫控的條件下連續(xù)采集48 h的吸收光譜強(qiáng)度的平均值對(duì)比。 可以發(fā)現(xiàn), 兩種情況下其譜峰位置基本相同。 可以看出, 在985、 1 364與1 416 nm位置有較為明顯的吸收峰。 由于采用的光譜儀分辨率較低, 因此, 1 157與1 226 nm位置的吸收峰重疊較為嚴(yán)重, 在譜線上無(wú)法直接分辨。 但是通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立模型后[20], 可以較好的進(jìn)行分析。 在無(wú)溫控條件下, 除了強(qiáng)度有一定差異之外, 還可以發(fā)現(xiàn)譜線的吸收峰的半高全寬和波長(zhǎng)位置均有較為明顯的差異, 說(shuō)明溫度的變化不僅影響了探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率也對(duì)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響, 導(dǎo)致產(chǎn)生了一定的波長(zhǎng)漂移。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了對(duì)光譜儀光學(xué)部分進(jìn)行恒溫控制的必要性, 突出了本研究的重要意義。

通過(guò)分析連續(xù)測(cè)量的多個(gè)光譜數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如圖7所示, 分別分析了有/無(wú)溫控條件下連續(xù)采集48 h的光譜數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。 整體上, 無(wú)溫控時(shí)光譜相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較大, 有溫控時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差要小得多, 尤其在900～1 300 nm波段之間的光譜。 在1 300～1 650 nm波段之間, 光譜相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差都較小, 主要是因?yàn)檫@個(gè)波段內(nèi)吸收光譜強(qiáng)度較大, 測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小, 而900～1 300 nm之間的光譜強(qiáng)度相對(duì)較弱, 測(cè)量誤差偏大。 表1給出了有無(wú)溫控條件下幾個(gè)典型的波長(zhǎng)位置的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差, 可以發(fā)現(xiàn)在采用溫控的條件下吸收光譜強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值顯著降低。 結(jié)果表明在有溫控的條件下系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果更為穩(wěn)定, 尤其是當(dāng)測(cè)量強(qiáng)度較弱的譜線信號(hào)時(shí), 溫度變化對(duì)譜線強(qiáng)度測(cè)量產(chǎn)生的干擾更為明顯。 因此, 在測(cè)量譜線強(qiáng)度較弱的情況下對(duì)在線光譜分析系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制就更為重要。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明, 采用本文提出的對(duì)光譜儀整體進(jìn)行恒溫控制的方法可以有效地降低溫度變化對(duì)光譜測(cè)試產(chǎn)生的影響,可以顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 不同波長(zhǎng)下有無(wú)溫控吸收光譜強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

圖7 有無(wú)溫控吸收光譜強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)的在線光譜分析系統(tǒng)采用的僅對(duì)探測(cè)器制冷的恒溫控制方式、 計(jì)算機(jī)用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制及通訊方式等帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定性問(wèn)題, 本研究基于STM32單片機(jī)開展了在線恒溫光譜分析系統(tǒng)研制, 并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試以驗(yàn)證其性能。 本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光譜儀的數(shù)據(jù)采集, 數(shù)據(jù)預(yù)處理, 樣品理化指標(biāo)計(jì)算和工業(yè)通訊, 實(shí)現(xiàn)了控制和通訊系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì), 提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 此外, 自主開發(fā)了在STM32單片機(jī)上運(yùn)行的基于PID控制算法的恒溫控制系統(tǒng), 對(duì)光譜儀整體實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)恒溫控制。 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明, 本設(shè)計(jì)能夠在無(wú)上位機(jī)的條件下獨(dú)立穩(wěn)定地運(yùn)行, 并且發(fā)現(xiàn)恒溫控制有效降低了環(huán)境溫度變化對(duì)光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾。 在48 h的運(yùn)行過(guò)程中, 光譜儀溫度穩(wěn)定控制在5 ℃左右, 溫控精度優(yōu)于0.25 ℃。 相對(duì)于未恒溫控制的運(yùn)行模式, 恒溫控制條件下的平均吸收光譜強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差顯著減小。 本研究基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了光譜儀控制、 光譜數(shù)據(jù)處理、 工業(yè)信號(hào)通訊和溫度控制的一體化設(shè)計(jì), 顯著提升了在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 對(duì)促進(jìn)在線光譜分析技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用有較好的參考意義。 下一步將基于本光譜儀系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)開展近紅外光譜數(shù)據(jù)建模等工作。