微生物密度在線檢測儀的研制*

周鵬飛，王振華，章曉眉，王金輝，梁　偉，蔡佳玲，劉　戈，3，蔡　強，*

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018; 2.浙江清華長三角研究院，嘉興314006; 3.北京華夏科創(chuàng)儀器技術(shù)公司，北京100085)

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微生物密度在線檢測儀的研制*

周鵬飛1，王振華2，章曉眉2，王金輝2，梁偉2，蔡佳玲2，劉戈2，3，蔡強1，2*

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018; 2.浙江清華長三角研究院，嘉興314006; 3.北京華夏科創(chuàng)儀器技術(shù)公司，北京100085)

摘要:由于微生物密度是生化培養(yǎng)過程中的重要參數(shù)，故為了檢測此參數(shù)，設(shè)計中采用在線測量反應(yīng)器內(nèi)溶液光密度的方法獲取微生物的生長信息，并以此原理研制了流動式光電比色儀。通過微控制器STM32F107VC輸出PWM波形控制蠕動泵，實現(xiàn)培養(yǎng)液的連續(xù)流過流動式光學(xué)比色池，采用光電池檢測培養(yǎng)液吸收的光強。該儀器可獨立顯示檢測參數(shù)與調(diào)整控制參數(shù)，也可通過RS485與PC機通信。該儀器能實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)微生物生長過程的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞:微生物密度;光密度;光電池; RS485;在線檢測

項目來源:嘉興市科技計劃項目(2012AY1001)

微生物密度直接反應(yīng)了微生物的生長狀況、生長速度、生理生化、生態(tài)等方面，其測定方法有很多，常使用的有細胞計數(shù)法、干重測量法、葉綠素法、濁度法、最大比生長速率法等。細胞顯微直接計數(shù)法由于大多數(shù)微生物形狀不規(guī)則及在線顯微鏡設(shè)備較復(fù)雜，因此不適合實時監(jiān)測［1］。葉綠素測量法采用熒光分析技術(shù)，檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜。光密度測量法檢測系統(tǒng)較為簡單，更適合在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用［1］。

通過研究國內(nèi)外的在線檢測儀，有基于紫外吸收法測量化學(xué)需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)的在線分析儀，其系統(tǒng)架構(gòu)主要分為光學(xué)、電學(xué)的硬件和軟件。用低壓汞燈為光源，日本濱松公司生產(chǎn)的S2684－254型硅光電二極管作為探測器，實時測量254 nm處紫外光的吸光度，利用吸光度與COD之間存在的相關(guān)性來計算當(dāng)前的COD值。硬件平臺采用研華公司生產(chǎn)的嵌入WinCE系統(tǒng)的板卡，然后此系統(tǒng)上面開發(fā)應(yīng)用軟件［2］。

另一臺污水COD在線檢測儀運用電化學(xué)分析檢測法，結(jié)合由蠕動泵、電磁閥、測量槽、電磁攪拌器以及各種進液管路組成的采樣系統(tǒng)，由三電極、電極信號采集、控制電路、工控機組成的硬件電路，由NI公司的圖形化編程語言LabVIEW(虛擬儀器)軟件開發(fā)平臺來進行數(shù)據(jù)采集和信號處理，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期［3］。

還有一臺類似的智能化微生物發(fā)酵乙醇濃度在線檢測儀是利用氣敏傳感器來測量微生物發(fā)酵中乙醇蒸汽濃度，硬件電路以飛利浦(PHILIPS)公司生產(chǎn)的P80C592微處理器作為核心工作單元，結(jié)合A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、CAN控制器、信號調(diào)理模塊等搭建，軟件程序主要是數(shù)據(jù)處理子程序，包括數(shù)字信息量的濾波處理、根據(jù)前期系統(tǒng)辨識算法得到的采集電壓與所測乙醇濃度值之間的擬合關(guān)系式計算最后結(jié)果;最終將所研制的智能化乙醇濃度在線檢測儀在微生物發(fā)酵環(huán)境下進行儀器標(biāo)定和校驗，得到檢測儀的測量模型，以此進行相應(yīng)的實驗［4］。也有運用流動注射分析技術(shù)［5］來實現(xiàn)生物和化學(xué)分析的自動化。而在此類國外的檢測儀器中，較為出名的儀器公司有PE、Biotek、MD等，他們的儀器功能全面，性能高，但是價格昂貴，而且系統(tǒng)架構(gòu)和檢測部件都大同小異。

因此本文設(shè)計的在線檢測系統(tǒng)，可以參考以上系統(tǒng)架構(gòu)并結(jié)合微生物的特點，控制成本的同時提高易用性，進行參數(shù)實時測量和數(shù)據(jù)存儲顯示，有效地解決由于離線測量帶來的各種繁瑣操作。

1　系統(tǒng)設(shè)計

微生物密度檢測原理主要運用分光光度法。通常采用600 nm波長追蹤液體培養(yǎng)物中微生物生長的標(biāo)準(zhǔn)方法。在600 nm波長下，以未加菌液的培養(yǎng)液作為空白液，測量定量培養(yǎng)后的含菌培養(yǎng)液。根據(jù)郎伯－比爾定律，吸收度與微生物密度呈線性關(guān)系。為了連續(xù)測定微生物密度，本系統(tǒng)采用蠕動泵將培養(yǎng)液連續(xù)泵入比色池，連續(xù)地記錄吸光度，從而實現(xiàn)微生物密度參數(shù)連續(xù)監(jiān)測。

描述的檢測原理以及結(jié)構(gòu)圖1。由于微生物對不同波長的光吸收能力不同，故對不同微生物，采用不同濾光片及光源較為合適。設(shè)計還要考慮選擇峰值波長為單色光中心波長的光電池，確保測量的準(zhǔn)確性。檢測流程具體如下:系統(tǒng)先通過三通閥來切換到標(biāo)準(zhǔn)溶液，在蠕動泵的作用下，讓標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)過比色池，得到其標(biāo)準(zhǔn)光強，接下來對測量溶液也進行同樣的操作，得到測量溶液光強，將標(biāo)準(zhǔn)溶液與測量溶液光強按照相應(yīng)的計算公式便能得到其測量溶液的吸光度。結(jié)合現(xiàn)場實驗，在線檢測系統(tǒng)的吸光度測量范圍為0～3，并實現(xiàn)每秒上傳1～2次數(shù)據(jù)。

圖1　吸光度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　光路設(shè)計

流通式比色池結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3。為適應(yīng)不同微生物類型和濃度測量，該部件可更換不同的濾光片，也可通過更好的樣品池來調(diào)整到不同光程(如: 1 mm、3 mm、10 mm)，使其適應(yīng)高密度微生物測量。

圖2　比色池的光路結(jié)構(gòu)

圖3　比色池實物

3　電路設(shè)計

該儀器的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集、光源、兩位三通電磁閥控制、現(xiàn)場顯示、遠程通信、步進電機驅(qū)動、和系統(tǒng)電源等方面，故其硬件電路主要包括信號處理電路、光源和三通閥控制電路、液晶屏顯示電路、RS485通信電路、蠕動泵驅(qū)動電路、供電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4。其中光電信號檢測電路采用BPW21R型硅光電池［6］，提取其光電流信號并轉(zhuǎn)換成電壓信號后進入AD轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計如圖5所示。光電信號調(diào)理電路主要是通過I/V轉(zhuǎn)換、反比例放大、電壓跟隨電路，并將輸出的電壓控制在0～3.3 V范圍內(nèi)。其光電池信號放大調(diào)理電路如圖6所示。

圖4　在線檢測系統(tǒng)電路框圖

圖5　信號處理框圖

圖6　光電池信號放大調(diào)理電路

光源和三通閥控制電路。吸光度在線監(jiān)測系統(tǒng)選用鹵素?zé)?Philips，20 W)作為系統(tǒng)光源，通過繼電器(OMRON，G5V－1)來實現(xiàn)5 V控12 V鹵素?zé)舻拈_關(guān)，采用MCU的I/O口高低電位作為控制鹵素?zé)舻拈_關(guān)量;使用三通閥作為溶液流入比色池通道的切換器件，通過控制12 V電壓來控制三通閥的導(dǎo)通。由一個I/O口控制三通閥驅(qū)動電路，故控制了由12 V供電的三通閥電壓的通斷。燈、三通閥控制電路如圖7所示。

圖7　控制電路模塊

液晶屏顯示電路本系統(tǒng)采用托普微3.8 inch 320×240點陣液晶顯示模塊LM2068E－1［7］。LM2068E提供了Intel 8080時序的并行接口，減少了與所選用微處理器STM32F107VC之間的時序匹配工作。

RS485通信電路系統(tǒng)要用到微藻培養(yǎng)現(xiàn)場，選擇RS485作為通信方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，確保其準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)的要求。設(shè)計的方式是將STM32F107VC的USART2作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送和接收模塊，通過外加電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3082實現(xiàn)了串口轉(zhuǎn)RS485功能，進行數(shù)據(jù)的傳輸［8－9］。RS485通信模塊如圖8所示。

圖8　RS485通信模塊框圖

為避免現(xiàn)場干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤等，使用光耦對數(shù)據(jù)進行隔離處理，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度快的特點，微控制器輸出引腳和接收引腳與MAX3082芯片之間用快速通斷光耦6N137進行數(shù)據(jù)隔離;對于MAX3082數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂埔_，使用了光耦TLP512，這樣的設(shè)計合理有效地利用了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c。

蠕動泵由步進電機驅(qū)動［10］，其由步進電機驅(qū)動芯片THB6064H［11］組成，通過微控制器I/O口控制電機的正反轉(zhuǎn)動、起停等，由TIMER產(chǎn)生PWM波控制驅(qū)動芯片，產(chǎn)生控制步進電機轉(zhuǎn)速的信號。步進電機驅(qū)動電路模塊如圖9所示。

圖9　步進電機驅(qū)動模塊框圖

供電系統(tǒng)本系統(tǒng)是通過+12 V電壓轉(zhuǎn)換成±12 V給運放雙極性供電，+12 V電壓轉(zhuǎn)換成+5 V 給RS485供電，通過LM2575將+5 V轉(zhuǎn)換成+3.3 V給系統(tǒng)的其他模塊供電。值得一提的是，運放供電的+12 V不能再用于供電電機，得單獨供電+12 V，否則對光電信號來說，大功率的電機會產(chǎn)生很大的干擾，這是影響光電檢測器檢測數(shù)據(jù)精度的一個重要方面。系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10　系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)圖

4　軟件設(shè)計

軟件方面，主要是初始化、器件驅(qū)動程序、信號采集傳輸程序、液晶屏顯示以及觸摸板控制程序等設(shè)計。系統(tǒng)下位機設(shè)計理念是將采集、控制、數(shù)據(jù)傳輸、液晶屏顯示等進行模塊化設(shè)計。

4.1液晶屏程序設(shè)計

液晶屏程序主要是液晶屏和觸摸板模塊引腳配置和功能初始化，液晶屏顯示功能參數(shù)，啟動讀取命令后實時地顯示采集計算后的吸光度值;計算微生物密度;觸摸板用于產(chǎn)生觸摸中斷，MCU根據(jù)液晶屏上顯示的功能選項和觸摸坐標(biāo)判斷來執(zhí)行何種操作。液晶屏顯示程序流程圖如圖11所示。顯示內(nèi)容采用自定義函數(shù)Print_bmp實現(xiàn)，即為void Print_bmp (ucharx，uchary，ucharm，ucharn，uchar* pstr)。該函數(shù)可顯示任何字符或者圖片，使用圖片前需將其用取字模軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)組形式(其中，坐標(biāo)(x，y)，x為水平方向像素位; y為垂直方向像素位; m:相關(guān)圖片的行數(shù)，n:相關(guān)圖片的列的字節(jié)數(shù)，即列數(shù)÷8)。

圖11　液晶屏顯示程序流程圖

圖12　觸摸操作的人機界面

4.2信號采集傳輸程序設(shè)計

信號采集傳輸程序主要是通過STM32F107VC的片內(nèi)ADC1中的通道10實現(xiàn)，在程序設(shè)計工程中使用了DMA［12］功能，這樣能有效解決處理器處理任務(wù)過多的問題。本系統(tǒng)需要集成到整個養(yǎng)藻系統(tǒng)中，軟件通信設(shè)計主要是采用MODBUS-RTU協(xié)議［13］，通過RS485總線來下發(fā)命令控制下位機動作、液晶屏顯示等。軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13　系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

5　系統(tǒng)調(diào)試

5.1主要部件調(diào)試方法

系統(tǒng)設(shè)計有液晶屏現(xiàn)場顯示功能，通過觸摸屏可以對儀器進行現(xiàn)場控制，調(diào)試主要部件，流動式微生物密度在線檢測儀組裝圖如圖14所示。

圖14　流動式微生物密度在線檢測儀組裝圖

測試中，下位機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕敛@示所測量的吸光度數(shù)據(jù)值，再利用RS485轉(zhuǎn)RS232模塊將吸光度數(shù)據(jù)上傳到PC機上，便于遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在測量不同濃度的溶液時，所測溶液使吸光度值曲線會有明顯階段性的變化，說明系統(tǒng)測量吸光度的靈敏度滿足在線測量靈敏度的要求。

5.2系統(tǒng)檢測性能測試

采用孔雀石綠和甲基紅作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測試在不同波長下測試系統(tǒng)的檢測精度。檢測結(jié)果分別如圖15和圖16所示。從數(shù)據(jù)可知，儀器性能如表1所示。

圖15　孔雀石綠檢測擬合曲線

圖16　甲基紅檢測擬合曲線

表1　儀器性能參數(shù)

圖17　小球藻密度生長曲線

然后，以高密度培養(yǎng)小球藻為例，采用本文設(shè)計的微生物密度在線檢測儀，實時檢測小球藻生長過程。小球藻采取靜置培養(yǎng)方式，溫度25℃，pH 6.5～7.5，光暗比12∶12，每天早上開啟攪拌約5 min，使小球藻均勻分布在培養(yǎng)液中。將在線OD檢測儀接入發(fā)酵罐，記錄其OD值。圖17為截取的部分數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)可以看出:

(1)在實驗過程中采用靜置培養(yǎng)方式，小球藻在靜置狀態(tài)下會慢慢沉到底部，導(dǎo)致夜間(0～9 h)測得OD偏小。由于小球藻下沉的過程非常緩慢，因此OD值變化不大。

(2)在第9個小時左右，OD值變化較大是因為在這個時間段開啟攪拌，使得小球藻分布均勻，導(dǎo)致OD值明顯上升。

(3)在光照條件下，小球藻進行光合作用，生長速度較快，因此在9 h后，OD值開始緩慢上升。

6　結(jié)論

考慮現(xiàn)場比較惡劣的培養(yǎng)環(huán)境會對信號的質(zhì)量和傳輸造成比較大的影響，需要對系統(tǒng)進行長時間和反復(fù)測試，故對儀器進行了一天的連續(xù)測試，其運行正常，結(jié)果較為穩(wěn)定。由此可見，此研究方法用于微生物培養(yǎng)檢測具有一定的可行性［8］。

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周鵬飛(1987－)，男，漢族，湖南常德人，杭州電子科技大學(xué)在讀研究生，主要研究方向為電子信息系統(tǒng)集成技術(shù)，466755004@ qq.com;

蔡　強(1972－)，男，漢族，研究員，安徽蚌埠人，浙江清華長三角研究院，主要研究方向為環(huán)境監(jiān)測儀器技術(shù)研究，caiq@ tsinghua.edu.cn。

Design of Detection Circuit for Photoionization Gas Concentration
Based on C8051f040 Microcontroller*

GAO Licong1，2，LIANG Ting1，2*，SUN Yuhong1，2，ZHOU Leigang1，2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Gas concentration can be measured by detecting the photoionization micro-current.C8051f040 microcontroller is used as the core device，using the internal ADC and signal acquisition unit to design a measurement system that can be measured gas concentration within the range of 0～200×10－6and real-time detection with digital display.The system by using the metal shielding signal acquisition unit and in the software programming combining sampling，digital filtering method improved the SNR of the system.In computer automatic distribution system the concentration of dimethyl ether is tested，which showed the error did not exceed the scope of 0.07×10－6，together with fast response and reliable work made it work properly in the practical application.

Key words:photoionization; data acquisition; I－V converter; oversampling; digital filtering; concentration calculation EEACC: 7230L; 1265

doi:10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.031

中圖分類號:TP216

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0626－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－20