CN113655011B - 一种微流控检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控检测系统及其检测方法，其中，所述系统包括：MCU处理器、光源控制IO、700nm特征变频光源控制电路、总磷试剂盘芯片、PD接收电路、小信号放大与滤波电路和AD采样电路。本发明的微流控检测系统及其检测方法，采用一种特征变频信号检测，能够自适应在不同干扰信号下，包括光源波动、PD温漂波动、零点漂移等情况下，提高测量精度，减小误差范围。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，具体而言，涉及一种微流控检测系统及其检测方法。
背景技术
目前常规的在线测量总磷设备，是将未经过消解的水样消解，在消解过程中，测试试剂的溶液在高温环境下将水样中的磷和氮，包括溶解的、颗粒的、有机的、无机的磷全部氧化为正磷酸盐，水样中的含氮化合物完全转化为硝酸盐，然后再与其他试剂混合后，在一定波长下测量吸光度，计算总磷含量。
只是常规的在线测量方法中基本上都采用的是光信号强度检测方法，这种方法会存在受到发光源光强波动、PD接收器受环境温度影响、检测电路在长时间工作时零点漂移等问题，而使得测量误差逐渐增大。
发明内容
本发明解决的问题是：现有在线测量总磷方法存在受到发光源光强波动、PD接收器受环境温度影响、检测电路在长时间工作时零点漂移等问题。
为解决上述问题，一方面，本发明提供一种微流控检测系统，其中，所述系统包括：
MCU处理器、光源控制IO、700nm特征变频光源控制电路、总磷试剂盘芯片、PD接收电路、小信号放大与滤波电路和AD采样电路；
所述MCU处理器，与所述光源控制IO连接，用于发送开关信号至所述光源控制IO；
所述光源控制IO，与所述700nm特征变频光源控制电路连接，用于接收所述开关信号并经可控信号开关DD1恒流源输出至所述700nm特征变频光源控制电路；
所述700nm特征变频光源控制电路，用于接收可控信号开关DD1输出的高低电平信号并控制700nm发光二极管D1发光；
所述总磷试剂盘芯片，位于所述700nm特征变频光源控制电路与所述PD接收电路之间，用于吸收所述700nm特征变频光源控制电路发射到所述PD接收电路的部分光线；
所述PD接收电路，与所述小信号放大与滤波电路连接，用于接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号输出至所述小信号放大与滤波电路；
所述小信号放大与滤波电路，与所述AD采样电路连接，用于将所述PD接收电路输出的小电流信号进行放大和滤波，并输出至所述AD采样电路；
所述AD采样电路，与所述MCU处理器连接，用于接收所述小信号放大与滤波电路的输出信号，输出至所述MCU处理器进行处理。
优选地，所述700nm特征变频光源控制电路包括：
运算放大器U4A、三极管Q2、发光二极管D1、电阻R25、R26、R27和电容C31；
所述可控信号开关DD1连接运算放大器U4A的同相输入端，运算放大器U4A的反相输入端连接电阻R26的前端，运算放大器U4A的正电源输入端连接GND，运算放大器U4A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C31的后端，电容C31的前端连接GND，运算放大器U4A的输出端连接电阻R25的前端，三极管Q2的基极连接电阻R25的后端，三极管Q2的集电极连接发光二极管D1的阳极，三极管Q2的发射极连接发光二极管D1的阴极、电阻R26的后端和电阻R27的前端，电阻R27的后端连接GND。
优选地，所述PD接收电路包括：
运算放大器U3A、光电二极管D2、电阻R14和电容C14、C15、C17；
所述运算放大器U3A的同相输入端连接光电二极管D2的阳极、偏置电压VREF_ADC和电容C17的前端，运算放大器U3A的反相输入端连接光电二极管D2的阴极、电阻R14的前端和电容C14的前端，运算放大器U3A的正电源输入端连接电容C17的后端和GND，运算放大器U3A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C15的前端，电容C15的后端连接GND，运算放大器U3A的输出端连接电阻R14的后端和电容C14的后端且输出信号VOUT1。
优选地，所述小信号放大与滤波电路包括：
运算放大器U3B、电阻R15、R16、R17、R20和电容C21、C22、C23、C24、C26；
所述输出信号VOUT1连接电容C23的前端，运算放大器U3B的同相输入端连接电容C23的后端和电阻R17的前端，电阻R17的后端连接偏置电压VREF_ADC和电容C24的前端，电容C24的后端连接GND，运算放大器U3B的反相输入端连接电阻R16的后端、R15的前端和C21的前端，电阻R16的前端连接电容C22的后端，电容C22的前端连接GND，运算放大器U3B的输出端连接电阻R15的后端和电容C21的后端且输出信号PT1_SIG，输出信号PT1_SIG连接电阻R20的前端，电阻R20的后端连接电容C26的前端且输出信号ADC0，电容C26的后端连接GND。
另一方面，本发明还提供一种检测方法，其采用了如上所述的微流控检测系统，其中，包括如下步骤：
S1.MCU处理器控制可控信号开关DD1输出500HZ高低电平信号；
S2.所述信号经过光源控制IO输出至700nm特征变频光源控制电路，PD接收电路接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号，经过小信号放大与滤波电路输出至AD采样电路，得到原始信号数据；
S3.将得到的原始信号数据经过素因子数值变换算法处理，把ADC0处的电压信号值转换成频谱变化值；
S4.计算出500HZ频点处的幅值V1；
S5.控制可控信号开关DD1输出0HZ低电平信号，重复步骤S2、S3，计算出500HZ频点处的幅值V2；
S6.最终光源穿透总磷试剂盘芯片后检测出来浓度对应的光电二极管的真实变化幅值为V=V1-V2。
相对于现有技术，本发明所述的微流控检测系统及其检测方法具有以下有益效果：
（1）本发明选择700nm可穿透总磷波长的LED发光管，通过恒流源电路驱动发光二极管，在控制端DD1输入500HZ方波信号，占空比50%；
（2）本发明选择信号接收峰值在700nm为最大强度值的PD接收传感器，连接在运算放大器的同相端与反相端，通过反馈电阻将电流信号转化成电压信号；
（3）本发明电容C23过滤掉接收信号中的直流分量，引入偏置电压VREF_ADC，使交流分量通过运算放大器U3B放大，放大倍数为Av=1+R15/R16，所以Vo=Vi*Av=Vi*(1+R15/R16)；C21为反馈积分电容，使接收信号在高低翻转时能减少阻尼振荡；
（4）本发明通过素因子数值变换算法把ADC0处的电压信号值转换成频谱变化值，只有500HZ频点处的幅值才是通过PD传感器接收的特征信号值，其他频点处的变化幅值皆由噪声干扰与偏置电压产生；
（5）本发明第一次通过DD1控制输出500HZ光源变化，得到其500HZ频点幅值V1，第二次DD1控制输出0V，再次得到其500HZ频点幅值V2，通过V1-V2即是最终光源穿透试剂后检测出来浓度对应的变化值。
附图说明
图1为本发明的微流控检测系统示意图；
图2为本发明的700nm特征变频光源控制电路图；
图3为本发明的PD接收电路图；
图4为本发明的小信号放大与滤波电路图；
图5为本发明的微流控检测方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例一
提供一种微流控检测系统，如图1所示，其中，所述系统包括：
MCU处理器、光源控制IO、700nm特征变频光源控制电路、总磷试剂盘芯片、PD接收电路、小信号放大与滤波电路和AD采样电路；
所述MCU处理器，与所述光源控制IO连接，用于发送开关信号至所述光源控制IO；
所述光源控制IO，与所述700nm特征变频光源控制电路连接，用于接收所述开关信号并经可控信号开关DD1恒流源输出至所述700nm特征变频光源控制电路；
所述700nm特征变频光源控制电路，用于接收可控信号开关DD1输出的高低电平信号并控制700nm发光二极管D1发光；
所述总磷试剂盘芯片，位于所述700nm特征变频光源控制电路与所述PD接收电路之间，用于吸收所述700nm特征变频光源控制电路发射到所述PD接收电路的部分光线；
所述PD接收电路，与所述小信号放大与滤波电路连接，用于接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号输出至所述小信号放大与滤波电路；
所述小信号放大与滤波电路，与所述AD采样电路连接，用于将所述PD接收电路输出的小电流信号进行放大和滤波，并输出至所述AD采样电路；
所述AD采样电路，与所述MCU处理器连接，用于接收所述小信号放大与滤波电路的输出信号，输出至所述MCU处理器进行处理。
其中，如图2所示，所述700nm特征变频光源控制电路包括：
运算放大器U4A、三极管Q2、发光二极管D1、电阻R25、R26、R27和电容C31；
所述可控信号开关DD1连接运算放大器U4A的同相输入端，运算放大器U4A的反相输入端连接电阻R26的前端，运算放大器U4A的正电源输入端连接GND，运算放大器U4A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C31的后端，电容C31的前端连接GND，运算放大器U4A的输出端连接电阻R25的前端，三极管Q2的基极连接电阻R25的后端，三极管Q2的集电极连接发光二极管D1的阳极，三极管Q2的发射极连接发光二极管D1的阴极、电阻R26的后端和电阻R27的前端，电阻R27的后端连接GND。
发光二极管D1为700nmLED光源，三极管Q2，电阻R25、R26、R27组成恒流源电路给发光二极管D1输出恒定电流使它能够发光，电阻R25、R26为驱动三极管Q2导通或不导通的限流电阻，电阻R27为调节恒流源给发光二极管D1供电的限流电阻，选定阻值200Ω, Iout=VCC/R27=3.3V/200Ω=16.5mA，U4A为运算放大器，可控信号开关DD1接入运算放大器U4A的同相输入端3脚，当可控信号开关DD1输出H电平时，运算放大器U4A的输出端1脚输出H电平，此时三极管Q2导通，电流Iout流过发光二极管D1，发光二极管D1发光；当可控信号开关DD1输出L电平时，运算放大器U4A的输出端1脚输出L电平，此时三极管Q2截止，Iout=0，发光二极管D1不发光。
其中，如图3所示，所述PD接收电路包括：
运算放大器U3A、光电二极管D2、电阻R14和电容C14、C15、C17；
所述运算放大器U3A的同相输入端连接光电二极管D2的阳极、偏置电压VREF_ADC和电容C17的前端，运算放大器U3A的反相输入端连接光电二极管D2的阴极、电阻R14的前端和电容C14的前端，运算放大器U3A的正电源输入端连接电容C17的后端和GND，运算放大器U3A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C15的前端，电容C15的后端连接GND，运算放大器U3A的输出端连接电阻R14的后端和电容C14的后端且输出信号VOUT1。
PD为光源接收传感器（光电二极管），其阴极连接运算放大器U3A的反相输入端，其阳极连接运算放大器U3A的同相输入端，通过接收700nmLED光源信号强度，转换成小电流信号，运算放大器U3A的输出端1脚与反向输入端之间跨接的R14，把电流信号转换成放大后的电压信号，VERF_ADC为偏置电压，因芯片供电都为3.3V供电电压，这里VERF_ADC电压值取3.3V/ 2=1.65V，输出的电压变化会以偏置电压为基线的方波信号，方波信号的峰-峰值即是PD接收信号变化强度值；C15与C17为退耦电容，过滤掉因供电电源波动而引起的零漂；C14为反馈积分电容，使接收信号在高低翻转时能减少阻尼振荡。
其中，如图4所示，所述小信号放大与滤波电路包括：
运算放大器U3B、电阻R15、R16、R17、R20和电容C21、C22、C23、C24、C26；
所述输出信号VOUT1连接电容C23的前端，运算放大器U3B的同相输入端连接电容C23的后端和电阻R17的前端，电阻R17的后端连接偏置电压VREF_ADC和电容C24的前端，电容C24的后端连接GND，运算放大器U3B的反相输入端连接电阻R16的后端、R15的前端和C21的前端，电阻R16的前端连接电容C22的后端，电容C22的前端连接GND，运算放大器U3B的输出端连接电阻R15的后端和电容C21的后端且输出信号PT1_SIG，输出信号PT1_SIG连接电阻R20的前端，电阻R20的后端连接电容C26的前端且输出信号ADC0，电容C26的后端连接GND。
电容C23起隔直通交作用，去掉信号前端的直流分量，仅让交流分量Vi通过，运算放大器U3B与电阻R15、R16和电容C22一起构成同相放大器，放大倍数为Av=1+R15/R16，C21为反馈积分电容，使接收信号在高低翻转时能减少阻尼振荡；输出信号PT1_SIG通过电阻R20和电容C26构成的一阶低通滤波器后，输出到MCU处理器的AD采样中；VREF_ADC为偏置电压1.65V，因此最后的ADC0信号是以VREF_ADC为基线上下变化的方波信号，其峰-峰值即是光源信号被放大后的V值，ADC0信号连入处理器芯片作模数采样。
本实施例中的微流控检测系统，采用一种特征变频信号检测，能够自适应在不同干扰信号下，包括光源波动、PD温漂波动、零点漂移等情况下，提高测量精度，减小误差范围。
实施例二
提供一种检测方法，其采用了如实施例一所述的微流控检测系统，如图5所示，其中，包括如下步骤：
S1.MCU处理器控制可控信号开关DD1输出500HZ高低电平信号；
S2.所述信号经过光源控制IO输出至700nm特征变频光源控制电路，PD接收电路接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号，经过小信号放大与滤波电路输出至AD采样电路，得到原始信号数据；
S3.将得到的原始信号数据经过素因子数值变换算法处理，把ADC0处的电压信号值转换成频谱变化值；
S4.计算出500HZ频点处的幅值V1；
S5.控制可控信号开关DD1输出0HZ低电平信号，重复步骤S2、S3，计算出500HZ频点处的幅值V2；
S6.最终光源穿透总磷试剂盘芯片后检测出来浓度对应的光电二极管的真实变化幅值为V=V1-V2。
只有500HZ的信号峰-峰值是有用的光信号，其他频率的幅值变换均不是有用信号。根据H.奈奎斯定律，采样频率至少大于信号最高频率的2倍时，采样后的数字信号才能完整地保留原始信号的信息，这里处理器采样5040频率做采样频率Fs，满足采集1个完整的周波10个数据，因此采样数据数量N = 1008。将原始数据分解成以FS/N=5HZ为基波频率的N/2组正弦波组合信号，其中500HZ信号在[0:504]中的第101位置（第1位为直流分量信号）。
用素因子分解算法计算实序列的离散傅里叶变换，序列长度是数值{2,3,4,5,7,8,9,16}中的一个或几个互素因子的乘积。如果实序列x(n)可以分解为两两互素因子的乘积：N=N1*N2*N3*...*Nm，那么就将原来长度为N的一维数据映射为N1，N2，N3...Nm的M维傅里叶变换，从而一维DFT变换可用多维短DFT实现。
如需满足以上的数值分解计算，选择传统的FFT来做运算的话，N必须是2的n次方，最小满足条件的n=10，即N=1024，按照FFT的运算逻辑，需要复数乘法次数N*log2(N)次，即1024*10=10240次乘法运算，需要加法运算N/2*log2(N)=5120次，每次乘法运算中包含1次sin运算和1次cos运算，共需耗时124ms。
这里选用的素因子选择的是7，9，16，因此N=N7*N9*N16，其缓存RAM为7*9*16=1008个序列数据，其中N7中乘法运算次数16次，N9中乘法运算次数20次，N16中乘法运算次数20次，其数值乘法次数9*16*16+7*9*20+7*16*20=5804次，计算耗时65.8ms，比常规FFT耗时减少约一半时间。
通过上述步骤1-4可以求得LED光源发光频率在500HZ时，PD接收信号总强度对应的幅值V1；停止步骤1中DD1输出500HZ的高低电平信号，再次通过步骤2-4测出无光源时PD对应的接收信号幅值V2，V2为外部可见光与电路杂波干扰下求得的值，属于毛刺干扰信号，最终PD的真实变化幅值为V=V1-V2。
本实施例中的检测方法，采用一种特征变频信号检测，能够自适应在不同干扰信号下，包括光源波动、PD温漂波动、零点漂移等情况下，提高测量精度，减小误差范围。
虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种微流控检测系统的检测方法，其特征在于，所述系统包括：
MCU处理器、光源控制IO、700nm特征变频光源控制电路、总磷试剂盘芯片、PD接收电路、小信号放大与滤波电路和AD采样电路；
所述MCU处理器，与所述光源控制IO连接，用于发送开关信号至所述光源控制IO；
所述光源控制IO，与所述700nm特征变频光源控制电路连接，用于接收所述开关信号并经可控信号开关DD1恒流源输出至所述700nm特征变频光源控制电路；
所述700nm特征变频光源控制电路，用于接收可控信号开关DD1输出的高低电平信号并控制700nm发光二极管D1发光；
所述总磷试剂盘芯片，位于所述700nm特征变频光源控制电路与所述PD接收电路之间，用于吸收所述700nm特征变频光源控制电路发射到所述PD接收电路的部分光线；
所述PD接收电路，与所述小信号放大与滤波电路连接，用于接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号输出至所述小信号放大与滤波电路；
所述小信号放大与滤波电路，与所述AD采样电路连接，用于将所述PD接收电路输出的小电流信号进行放大和滤波，并输出至所述AD采样电路；
所述AD采样电路，与所述MCU处理器连接，用于接收所述小信号放大与滤波电路的输出信号，输出至所述MCU处理器进行处理；
所述700nm特征变频光源控制电路包括：
运算放大器U4A、三极管Q2、发光二极管D1、电阻R25、R26、R27和电容C31；
所述可控信号开关DD1连接运算放大器U4A的同相输入端，运算放大器U4A的反相输入端连接电阻R26的前端，运算放大器U4A的正电源输入端连接GND，运算放大器U4A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C31的后端，电容C31的前端连接GND，运算放大器U4A的输出端连接电阻R25的前端，三极管Q2的基极连接电阻R25的后端，三极管Q2的集电极连接发光二极管D1的阳极，三极管Q2的发射极连接发光二极管D1的阴极、电阻R26的后端和电阻R27的前端，电阻R27的后端连接GND；
所述PD接收电路包括：
运算放大器U3A、光电二极管D2、电阻R14和电容C14、C15、C17；
所述运算放大器U3A的同相输入端连接光电二极管D2的阳极、偏置电压VREF_ADC和电容C17的前端，运算放大器U3A的反相输入端连接光电二极管D2的阴极、电阻R14的前端和电容C14的前端，运算放大器U3A的正电源输入端连接电容C17的后端和GND，运算放大器U3A的负电源输入端连接+3.3V电源和电容C15的前端，电容C15的后端连接GND，运算放大器U3A的输出端连接电阻R14的后端和电容C14的后端且输出信号VOUT1；
所述小信号放大与滤波电路包括：
运算放大器U3B、电阻R15、R16、R17、R20和电容C21、C22、C23、C24、C26；
所述输出信号VOUT1连接电容C23的前端，运算放大器U3B的同相输入端连接电容C23的后端和电阻R17的前端，电阻R17的后端连接偏置电压VREF_ADC和电容C24的前端，电容C24的后端连接GND，运算放大器U3B的反相输入端连接电阻R16的后端、R15的前端和C21的前端，电阻R16的前端连接电容C22的后端，电容C22的前端连接GND，运算放大器U3B的输出端连接电阻R15的后端和电容C21的后端且输出信号PT1_SIG，输出信号PT1_SIG连接电阻R20的前端，电阻R20的后端连接电容C26的前端且输出信号ADC0，电容C26的后端连接GND；
所述方法包括如下步骤：
S1.MCU处理器控制可控信号开关DD1输出500HZ高低电平信号；
S2.所述信号经过光源控制IO输出至700nm特征变频光源控制电路，PD接收电路接收所述700nm特征变频光源控制电路发射的透过所述总磷试剂盘芯片的光源信号强度，并转换成小电流信号，经过小信号放大与滤波电路输出至AD采样电路，得到原始信号数据；
S3.将得到的原始信号数据经过素因子数值变换算法处理，把ADC0处的电压信号值转换成频谱变化值；
S4.计算出500HZ频点处的幅值V1；
S5.控制可控信号开关DD1输出0HZ低电平信号，重复步骤S2、S3，计算出500HZ频点处的幅值V2；
S6.最终光源穿透总磷试剂盘芯片后检测出来浓度对应的光电二极管的真实变化幅值为V=V1-V2。
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