面向近红外光谱速测的卤钨灯光源控制系统设计

2021-04-14舒韵涛吴海云艾成龙杨仁杰曾雅楠赵依烽王展鸿

农业开发与装备 2021年3期

舒韵涛，吴海云*，卫勇，艾成龙，杨仁杰，曾雅楠，赵依烽，王展鸿

（1.天津农学院工程技术学院，天津市 300384；2.中科国技（天津）智能系统工程有限责任公司，天津市 300384）

0 引言

近红外光谱分析技术是20世纪80年代后期以来发展最快、最引人注目的快速高效现代分析技术。作为一种快速的无损检测技术，目前已在许多领域特别是农业领域得到了广泛的应用[1-2]。

光源是光谱检测装置中的重要组成部分，对于近红外光谱仪器而言，光源的稳定性直接影响仪器的稳定性[3]。光源光强在工作过程中会随着温度、电压等因素的变化而变化，进一步导致红外光谱仪的基线发生漂移，严重影响仪器采集数据的重复性和再现性[4-6]。卤钨灯是近红外波段的理想光源，其工作电压为24 V，一般采用变压器将220 V市电降压使用[7-9]。利用变压器降压较笨重，并且没有稳压功能。本文针对近红外光谱仪的应用需求，主要进行卤钨灯驱动电路设计、输出光强的监控及暗室温度监控的研究。利用微控制器使得输出光强可调且输入电压稳定，降低卤钨灯受电压波动的影响。从而弥补卤钨灯对电压波动敏感这一缺点，不断完善改进卤钨灯的使用性能。对近红外光谱仪的开发具有重要意义。

1 硬件系统组成及工作原理

系统以Arduino为控制核心，主要包括稳压电源驱动模块、光强监控模块、温度监控模块、风扇、继电器模块、按键模块及液晶显示模块，系统框图如图1所示。稳压驱动模块接入市电，通过降压、稳压为卤钨灯提供稳定的电源。同时由测温模块DS18B20接收温度信号传送给Arduino，利用PID算法，当温度达到一定值时，风扇转动开始降温，使温度保持在设置值左右。系统实时检测并显示光强值，利用PWM方法来控制卤钨灯的输出光强。

图1 系统方案框图

2 主要模块的设计

2.1 微控制器模块

图2 稳压电路原理图

选用Arduino UNO作为系统微控制器。Arduino Uno是一款基于高速ATmega328的微控制器板，具有实时性强、功耗低的优点，集成度高，成本低，便于开发[10-11]。

2.2 稳压驱动模块

稳压驱动模块接入市电，通过开关电源降压、稳压对卤钨灯进行稳定的供电。稳压电路如图2所示。由电流限制电阻和电压稳定二极管组成。当稳压二极管稳压电路负载电阻变小时，要保持输出电压不变，负载电流要变大。由于输入电压保持不变，流过电阻R的电流也保持不变，此时负载需要增大的电流由稳压管调节，所以，可以被认为通过调整流过它的电流的大小来满足负载电流的变化，并与电流限制电阻R结合，电流的变化转化为电压的变化，以适应电网电压的变化。

2.3 卤钨灯控制模块

卤钨灯输出光强的调节由Arduino Uno控制。在微控制器的数字端口中，其3、5、6、9、11端口是支持脉冲宽度调制（PWM）输出的，利用引脚9的PWM波输出，配合继电器，可调节卤钨灯的输出光强。卤钨灯光强控制过程如图2所示。

图3 光强调控控制流程图

2.4 光强检测模块设计

光强的监测选用KY-018光敏电阻传感器。利用光敏电阻的阻值与电压之间的变化关系检测系统的强度。并利用液晶模块显示系统实际光强值及设定值。

2.5 温度PID监控模块设计

温度的监测选择数字式温度传感器DS18B20。使用PID参数试凑法，Arduino Uno对系统温度进行控制。控制过程中温度值可以通过串口发送到电脑，Matlab访问串口采集显示温度数据，实时监控温度变化过程。控制过程软件流程如图3所示。控制逻辑如下（图4）：采用PID参数试凑法，控制温控箱中的温度稳定在设定值。当温度小于设定值，卤钨灯开启，大于设定值，卤钨灯关闭，并开启风扇散热。