CN216525437U

CN216525437U - 一种基于esp32微控制器与多波长led的简易光谱仪

Info

Publication number: CN216525437U
Application number: CN202122619531.7U
Authority: CN
Inventors: 黄昱凌; 匡文剑; 潘江涌; 刘向; 陶治; 刘兆海; 汤振武
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing Dongkeda Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-28

Abstract

本实用新型涉及一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，包括底板，所述底板的顶面设有光源驱动模块，所述光源驱动模块的上方设有信号采集模块，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有光谱显示模块，所述光谱显示模块为显示屏，此外，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有ESP32微控制器，进而使LED光谱仪具有测量和显示光谱的功能，所述ESP32微控制器固定在ESP32驱动板上，且信号连接有光敏传感器。通过基于国产上海乐鑫科技ESP32芯片的控制板，结合光电探测器与显示屏，完成RGB和红外及紫外光的测量和光谱显示，光源与ESP32通信实现驱动不同光源发光，光电传感器和光谱显示模块与ESP32通信实现数据采集、传输、处理和显示，总体低成本控制。

Description

一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱仪技术领域，具体为一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪。

背景技术

目前，无论是工业生产还是生活领域，光谱仪已经得到了极大的应用，在农业、天文学、汽车、生物、化学、涂料、色度测量、环境监测、膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、混色以及匹配等领域得到了极大的发展，而传统的光谱仪体积较大，使用十分笨重且价格昂贵，无法满足便携性使用的要求并且精度较低。

尤其在颜色识别及物理教学中需要一种小型的LED光谱仪，它能快速的对透射光谱进行识别，便于大规模生产，并拓展其在工业领域的应用范围，同时具有体积小价格低的特点，可以广泛应用于生活领域，其微控制器可利用国产ESP32芯片开发，替代常用进口的Raspberry Pi、意法半导体STM32及德州仪器的MSP430等，实现全国产自主模块，因此，研发一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪具有十分重大的意义。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，具备体积小、结构简单及使用方便的优点，解决了现有光谱仪电路体积大结构复杂，光谱仪使用笨重的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，包括底板，所述底板的顶面设有光源驱动模块，所述光源驱动模块的上方设有用以对信号进行采集的信号采集模块，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有光谱显示模块，所述光谱显示模块为显示屏，此外，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有负责数据处理的ESP32微控制器，进而使LED光谱仪具有测量和显示光谱的功能，所述ESP32微控制器固定在ESP32驱动板上，且信号连接有光敏传感器。

其中，所述光源驱动模块包括LED光源驱动板，所述LED光源驱动板的顶面设有从左至右依次排布的蓝光光源、红外光光源、绿光光源、红光光源、紫外光光源和器件接地模块，所述蓝光光源、红外光光源、绿光光源、红光光源、紫外光光源和器件接地模块均固定在LED光源驱动板的顶面，所述蓝光光源、红外光光源、绿光光源、红光光源、紫外光光源形成LED模组。

同时，所述信号采集模块包括光电探测器和传感器驱动板，所述光电探测器固定在传感器驱动板底部。

进一步，所述紫外光光源为波长395nm的紫外，所述红外光光源为波长850nm的红外，所述红光光源为波长625nm的红光，所述绿光光源为波长525nm的绿光，所述蓝光光源为波长470nm的蓝光，所述ESP32微控制器为基于国产上海乐鑫科技ESP32芯片的控制板，芯片型号为ESP32-WROOM-D。

进一步，所述光电探测器采集光源，所述光源经ESP32微控制器处理后传输到显示屏显示光谱。

与现有技术相比，本申请的技术方案具备以下有益效果：

(1)通过基于国产上海乐鑫科技ESP32芯片的控制板，结合光电探测器与显示屏，完成RGB和红外及紫外光的测量和光谱显示，光源与ESP32通信实现驱动不同光源发光，光电传感器和光谱显示模块与ESP32通信实现数据采集、传输、处理和显示，总体低成本控制，硬件总成本低于200元；

(2)ESP32微控制器通过DAC和PWM驱动光源发光，光电探测器采集光源，由于基于材料的选择吸收特性，利用朗伯-比尔定律可计算吸收系数，具有灵敏度高、稳定性好、成本低、检测范围广等特点。

附图说明

图1为本光谱仪的结构示意图；

图2为本光谱仪的ESP32电路接线图；

图中：1底板、2LED光源驱动板、21显示屏、22ESP32驱动板、23LED模组、24光敏传感器、3蓝光光源、4绿光光源、5红光光源、6器件接地模块、7红外光光源、9光电探测器、10传感器驱动板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型中基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，可测量波长为395-850nm的紫外-可见-近红外吸收光谱，采用395nm的紫外、波长为850nm的红外、波长为625nm的红光、波长为525nm的绿光与波长为470nm的蓝光LED，并显示物体吸收透射光谱。

需要说明的是，光穿过被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片时，若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体，若是单色片时会只透过该单色频率光近似频率的光谱段，这样得到的光谱就叫透射谱。

具体的，请参阅图1-2，包括底板1，底板1的顶面设有光源驱动模块，光源驱动模块的上方设有用以对信号进行采集的信号采集模块，光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有光谱显示模块，光谱显示模块为显示屏21，此外，光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有负责数据处理的ESP32微控制器，进而使LED光谱仪具有测量和显示光谱的功能，ESP32微控制器固定在ESP32驱动板22上，且信号连接有光敏传感器24。

其中，光源驱动模块包括LED光源驱动板2，LED光源驱动板2的顶面设有从左至右依次排布的蓝光光源3、红外光光源7、绿光光源4、红光光源5、紫外光光源8和器件接地模块6，蓝光光源3、红外光光源7、绿光光源4、红光光源5、紫外光光源8和器件接地模块6均固定在LED光源驱动板2的顶面，蓝光光源3、红外光光源7、绿光光源4、红光光源5、紫外光光源8形成LED模组23。

同时，信号采集模块包括光电探测器9和传感器驱动板10，光电探测器9固定在传感器驱动板10底部。

其中，紫外光光源8为波长395nm的紫外，红外光光源7为波长850nm的红外，红光光源5为波长625nm的红光，绿光光源4为波长525nm的绿光，蓝光光源3为波长470nm的蓝光，ESP32微控制器为基于国产上海乐鑫科技ESP32芯片的控制板，芯片型号为ESP32-WROOM-32D，光电探测器9采集光源，光源经ESP32微控制器处理后传输到显示屏21显示光谱。

需要说明的是，本简易光谱仪分为5个数组，实现60个点，可见光波段硬件分辨率<100nm，拟合60个点后模拟分辨率<8nm，通过PWM来调控可见光LED发光强度，通过电压调光来调控红外和紫外发光强度，红外的DAC电压控制分9个点，电压范围1.92V-2.27V，紫外的DAC电压控制分9个点，电压范围4.51V-4.67V。

装置采用国产ESP32芯片，通过DAC和PWM驱动光源发光，光电探测器采集光源，由于基于材料的选择吸收特性，可利用朗伯-比尔定律可计算吸收系数，具有灵敏度高、稳定性好、成本低、检测范围广等特点，经ESP32微控制器处理后传输到显示屏21显示光谱，此外，光源驱动电路、信号采集电路以及数据处理模块的设计滤除了传感器信号中的大量噪声，并在微伏级的电压信号中将有用信号进行采集放大，然后将处理后的传感器电信号通过AD转换为数字信号传送到后端ESP32处理核心进行数据分析，同时，该装置具有降低噪声的功能，能够减少电源噪声的影响，同时减少传感器噪声提高信噪比，提高传感器灵敏度，从而使光谱仪具有较高精度测量和显示光谱的功能。

上述实施例的工作原理为：

通过程序对各项参数进行设置，通过DAC驱动红外、紫外光，通过PWM驱动RGB光源，光源发光后由光电探测器采集光源，光源驱动电路、信号采集电路以及数据处理模块的设计滤除了传感器信号中的大量噪声，并在微伏级的电压信号中将有用信号进行采集放大，然后将处理后的传感器电信号通过AD转换为数字信号传送到后端ESP32处理核心进行数据分析，经ESP32微控制器处理后传输到光谱显示模块显示光谱。

本实用新型以ESP32微控制器为核心，使用高集成芯片减小器件体积，并且保持与传统大体积光谱仪同样灵敏度，整个装置可测量波长为395-850nm的紫外-可见-近红外吸收光谱，采用395nm的紫外、波长为850nm的红外、波长为625nm的红光、波长为525nm的绿光与波长为470nm的蓝光LED，并显示物体吸收透射光谱，微控制器利用国产ESP32芯片开发，替代常用进口的Raspberry Pi、意法半导体STM32、德州仪器的MSP430等，实现全国产自主模块，解决了传统光谱仪体积过大，价格昂贵等系列难题，芯片实现了进口替代，在国内市场竞争中具备优势。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，包括底板(1)，其特征在于：所述底板(1)的顶面设有光源驱动模块，所述光源驱动模块的上方设有用以对信号进行采集的信号采集模块，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有光谱显示模块，所述光谱显示模块为显示屏(21)，此外，所述光源驱动模块和信号采集模块均信号连接有负责数据处理的ESP32微控制器，进而使LED光谱仪具有测量和显示光谱的功能，所述ESP32微控制器固定在ESP32驱动板(22)上，且信号连接有光敏传感器(24)；

其中，所述光源驱动模块包括LED光源驱动板(2)，所述LED光源驱动板(2)的顶面设有从左至右依次排布的蓝光光源(3)、红外光光源(7)、绿光光源(4)、红光光源(5)、紫外光光源(8)和器件接地模块(6)，所述蓝光光源(3)、红外光光源(7)、绿光光源(4)、红光光源(5)、紫外光光源(8)和器件接地模块(6)均固定在LED光源驱动板(2)的顶面，所述蓝光光源(3)、红外光光源(7)、绿光光源(4)、红光光源(5)、紫外光光源(8)形成LED模组(23)；

同时，所述信号采集模块包括光电探测器(9)和传感器驱动板(10)，所述光电探测器(9)固定在传感器驱动板(10)底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，其特征在于：所述紫外光光源(8)为波长395nm的紫外，所述红外光光源(7)为波长850nm的红外，所述红光光源(5)为波长625nm的红光，所述绿光光源(4)为波长525nm的绿光，所述蓝光光源(3)为波长470nm的蓝光，所述ESP32微控制器为基于国产上海乐鑫科技ESP32芯片的控制板，芯片型号为ESP32-WROOM-32D。

3.根据权利要求1所述的一种基于ESP32微控制器与多波长LED的简易光谱仪，其特征在于：所述光电探测器(9)采集光源，所述光源经ESP32微控制器处理后传输到显示屏(21)显示光谱。