分光光度计实验-光谱传感器

这篇文章中我将带大家使用光谱传感器来做一个简易的分光光度计，通过数据采集、拟合曲线等操作，最终实现能将水中的溶解物质的浓度显示出来。

一、背景介绍

首先来给大家介绍一下分光光度计和光谱传感器是什么。

1.分光光度计

分光光度计：又称光谱仪，主要由光源、单色器、样品室、检测器、信号处理器和显示与存储系统组成。当我们用他来测量一个液体中含有某物质的浓度时，由于很多物质是有吸光性的，而且不同物质吸收的光谱（颜色）是不同的，利用这些特性就可以鉴别出液体中含有某种物质的浓度。

光源和单色器：真实的光度计光源使用的是钨光灯，然后用棱镜作为单色器将钨光灯的光折射，得到由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的连续色谱。我们为了实验的简单性，直接使用一个普通的红色LED灯来模拟光源。

剩下的，样品室我们使用的是比色皿，某宝3RMB/个；检测器就是我们的光谱传感器；信号处理单元使用UNO控制器

2.光谱传感器

AS7341可见光传感器，采用业内知名的ams公司推出的新一代AS7341光谱传感IC。该传感器有8个可见光通道、1个闪烁通道、1个NIR通道和1个未加滤光片的通道。该传感器拥有6个独立的16位ADC通道，可以并行的处理数据。可检测F1(405-425nm)、F2(435-455nm)、F3(470-490nm)、F4(505-525nm)、F5(545-565nm)、F6(580-600nm)、F7(620-640nm)、F8(670-690nm)八个波段的波长强度。

3.设备安装

需要准备：

Arduino UNO - 1

Arduino扩展板 - 1

光谱传感器 - 1

红色LED灯 - 1

比色皿 - 1

显示器 - 1

3D打印外壳 - 1

烧杯 - 6（或其他容器）

染料（或其他溶于水的物质）

由于组装比较简单，这里就不一步步展示安装过程了，组装完成后：

二、调试光谱传感器

将LED灯的正负极对应接到板子的正负极上点亮小灯，光谱传感器按照上图连接，然后烧录代码：

[mw_shl_code=cpp,false]/*!
* @file getData.ino
* @brief 读取光谱传感器10个光通道的数值，光源的某波长的光越多，对应通道的数值越大
*
* @copyright   Copyright (c) 2010 DFRobot Co.Ltd (http://www.dfrobot.com)
* @licence     The MIT License (MIT)
* @author [fengli](li.feng@dfrobot.com)
* @version  V1.0
* @date  2020-07-16
* @get from https://www.dfrobot.com
* @url https://github.com/DFRobot/DFRobot_AS7341
*/
#include "DFRobot_AS7341.h"
/*!
* @brief Construct the function
* @param pWire IC bus pointer object and construction device, can both pass or not pass parameters, Wire in default.
*/
DFRobot_AS7341 as7341;

void setup(void)
{
  Serial.begin(115200);
  //检测IIC是否能正常通信
  while (as7341.begin() != 0) {
    Serial.println("IIC初始化失败，请检测连线是否正确");
    delay(1000);
  }
//  //Integration time = (ATIME + 1) x (ASTEP + 1) x 2.78µs
//  //设置寄存器ATIME的值，通过该值可计算Integration time的值，该值表示读取数据过程中必须要消耗的时间
//  as7341.setAtime(29);
//  //设置ASTEP寄存器的值，通过该值可计算Integration time的值，该值表示读取数据过程中必须要消耗的时间
//  as7341.setAstep(599);
//  //设置增益(0~10对应 X0.5,X1,X2,X4,X8,X16,X32,X64,X128,X256,X512)
//  as7341.setAGAIN(7);
//  //使能LED
//  //as7341.enableLed(true);
//  //设置引脚电流控制亮度(1~20对应电流 4mA,6mA,8mA,10mA,12mA,......,42mA)
//  //as7341.controlLed(10);

}
void loop(void)
{
  DFRobot_AS7341::sModeOneData_t data1;
  DFRobot_AS7341::sModeTwoData_t data2;


  //开始光谱的测量.
  //通道映射的模式 :1.eF1F4ClearNIR,2.eF5F8ClearNIR
  as7341.startMeasure(as7341.eF1F4ClearNIR);
  //读取传感器数据通道0~5的值，eF1F4ClearNIR模式下.
  data1 = as7341.readSpectralDataOne();

  Serial.print("F1(405-425nm):");
  Serial.println(data1.ADF1);
  Serial.print("F2(435-455nm):");
  Serial.println(data1.ADF2);
  Serial.print("F3(470-490nm):");
  Serial.println(data1.ADF3);
  Serial.print("F4(505-525nm):");   
  Serial.println(data1.ADF4);
  //Serial.print("Clear:");
  //Serial.println(data1.ADCLEAR);
  //Serial.print("NIR:");
  //Serial.println(data1.ADNIR);
  as7341.startMeasure(as7341.eF5F8ClearNIR);
  //读取传感器数据通道0~5的值,eF5F8ClearNIR模式下.
  data2 = as7341.readSpectralDataTwo();
  Serial.print("F5(545-565nm):");
  Serial.println(data2.ADF5);
  Serial.print("F6(580-600nm):");
  Serial.println(data2.ADF6);
  Serial.print("F7(620-640nm):");
  Serial.println(data2.ADF7);
  Serial.print("F8(670-690nm):");
  Serial.println(data2.ADF8);
  Serial.print("Clear:");
  Serial.println(data2.ADCLEAR);
  Serial.print("NIR:");
  Serial.println(data2.ADNIR);
  delay(1000);
}[/mw_shl_code]

在比色皿中什么都没加入的情况下，打开串口监视器后，可以观察到数据中，F7波段的光强度最高，因此我们将采用F7波段光的强度作为参考，记录F7的数据。

三、实验

接下来我们通过一个实验来记录几组数据。需要准备6个烧杯（或其他容器），一些染料。

1.将6个烧杯中都倒入100ml的清水准备好

2.将染料按照一定比例加入6个清水的烧杯中，第一杯不加，第二杯加入1滴，第三杯加入2滴，第四杯加入3滴，第五杯加入4滴，第六杯加入5滴。

3.将6个烧杯中的溶液搅拌好，分别倒入到比色皿中进行数据测量，为保证数据准确性，每一次更换溶液时要将比色皿清洗干净，并将测量出的数据记录到excel表格中。

四、分析数据

通过观察数据，我们可以看到随着染料浓度越来越高，F7的强度就变得越来越低，我们假设每滴入一滴染料会使浓度增加15%，所以我们的六次数据可以拟合成一条浓度0%-75%的曲线。接下来我们就在Excel中将这条曲线拟合出来。

1.首先选中浓度一行的数据，然后选中F7一行的数据，最后点击创建散点图。

2.在出现的散点图中任选一点右键，选择添加趋势线，趋势线选项选择一个最贴合数据点的曲线，最后显示公式，这样就可以得到最终拟合出的公式了。我获得的公式是：y = 2E-06x2 - 0.0257x + 70.525。

五、屏幕直接显示未知的浓度

将上一步的公式直接带入到代码中，在代码中添加代码：*outdata=(0.000002data2.ADF7data2.ADF7-0.0257data2.ADF7+70.525);**

然后加入对应的显示屏的库文件，以及修改显示部分的代码，教程最后的附件中会给出最终的代码和需要的库。

[mw_shl_code=cpp,false]#include "DFRobot_AS7341.h"
#include <DFRobot_SSD1306_I2C.h>

const chCode chBuf[] = {
  {0x6d53,0xe6b593,0xC5A8,{0x00,0x40,0x20,0x40,0x10,0x40,0x17,0xfc,0x84,0x84,0x48,0x88,0x41,0x40,0x11,0x44,0x13,0x48,0x25,0x30,0xe9,0x20,0x21,0x10,0x21,0x08,0x21,0x44,0x21,0x82,0x01,0x00}},
  {0x5ea6,0xe5baa6,0xB6C8,{0x01,0x00,0x00,0x80,0x3f,0xfe,0x22,0x20,0x22,0x20,0x3f,0xfc,0x22,0x20,0x22,0x20,0x23,0xe0,0x20,0x00,0x2f,0xf0,0x24,0x10,0x42,0x20,0x41,0xc0,0x86,0x30,0x38,0x0e}}
};

DFRobot_AS7341 as7341;
DFRobot_SSD1306_I2C oled12864;
double outdata;
void setup(void)
{
  Serial.begin(115200);
  oled12864.begin(0x3c);
  //检测IIC是否能正常通信
  while (as7341.begin() != 0) {
    Serial.println("IIC初始化失败，请检测连线是否正确");
    delay(1000);
  }
}
void loop(void)
{
  DFRobot_AS7341::sModeOneData_t data1;
  DFRobot_AS7341::sModeTwoData_t data2;


  //开始光谱的测量.
  //通道映射的模式 :1.eF1F4ClearNIR,2.eF5F8ClearNIR
  as7341.startMeasure(as7341.eF1F4ClearNIR);
  //读取传感器数据通道0~5的值，eF1F4ClearNIR模式下.
  data1 = as7341.readSpectralDataOne();

  Serial.print("F1(405-425nm):");
  Serial.println(data1.ADF1);
  Serial.print("F2(435-455nm):");
  Serial.println(data1.ADF2);
  Serial.print("F3(470-490nm):");
  Serial.println(data1.ADF3);
  Serial.print("F4(505-525nm):");   
  Serial.println(data1.ADF4);
  //Serial.print("Clear:");
  //Serial.println(data1.ADCLEAR);
  //Serial.print("NIR:");
  //Serial.println(data1.ADNIR);
  as7341.startMeasure(as7341.eF5F8ClearNIR);
  //读取传感器数据通道0~5的值,eF5F8ClearNIR模式下.
  data2 = as7341.readSpectralDataTwo();
  Serial.print("F5(545-565nm):");
  Serial.println(data2.ADF5);
  Serial.print("F6(580-600nm):");
  Serial.println(data2.ADF6);
  Serial.print("F7(620-640nm):");
  Serial.println(data2.ADF7);
  Serial.print("F8(670-690nm):");
  Serial.println(data2.ADF8);
  Serial.print("Clear:");
  Serial.println(data2.ADCLEAR);
  Serial.print("NIR:");
  Serial.println(data2.ADNIR);
  delay(1000);
  outdata=(0.000002*data2.ADF7*data2.ADF7-0.0257*data2.ADF7+70.525);
  Serial.print("浓度:");
  Serial.println(outdata);

  oled12864.setChCode(chBuf);

  oled12864.setCursor(1, 1);
  oled12864.print("浓度");
  oled12864.setCursor(110, 1);
  oled12864.print("%");
  oled12864.setCursor(40, 1);
  oled12864.print(outdata);
}[/mw_shl_code]

最后我随意混合了一些溶液装入了比色皿中

将比色皿放入我们的仪器中，可以通过屏幕直接读取到溶液的浓度

官方wiki链接：https://wiki.dfrobot.com.cn/_SKU_SEN0365_AS7341_Visible_Light_Sensor

库文件和代码.zip

AS7341玻璃比色皿.zip

高级啊， 能不能对不同的玉米油做个比对啊，能不能查地沟油啊，哈！

wcm_e45 发表于 2020-10-13 15:39
高级啊， 能不能对不同的玉米油做个比对啊，能不能查地沟油啊，哈！

可以的，你这个点子非常棒

wcm_e45 发表于 2020-10-13 15:39
高级啊， 能不能对不同的玉米油做个比对啊，能不能查地沟油啊，哈！

这个需要做实验，不确定他们的光谱吸收特性。
不过这是一个非常好的想法，建议实际的测一下。

这个能做什么衣服最吸热的实验吗？ 比如黑色把所有的光都吸收了，然后就测不出光谱值了。这样的场景也要在全黑的情况下实现吗？

川山甲的壳 发表于 2020-11-2 11:26
这个能做什么衣服最吸热的实验吗？ 比如黑色把所有的光都吸收了，然后就测不出光谱值了。这样的场景也要在 ...

衣服是布料，它的遮光效果比吸光效果要强，所以还要看布料的透光性，这个影响因素不稳定，检测衣服吸热性的话还是直接用测温传感器效果更好。纯黑的环境问题，试验中也不是纯黑的环境，盒子里是有一个LED灯作为光源的，之所以在盒子里是为了去除环境光的影响，保证每一种液体都是在相同的光源下。

科学探究很好的器材

rzegkly 发表于 2020-11-7 07:23
科学探究很好的器材

柳春晓 发表于 2020-11-10 11:55

专业

趋势线，提取公式很好。

这是我们公司的核心技术

啊！厉害！！！