尿液是反映人体健康状况的一个重要依据，以往尿液检测都是通过干化学法，即试纸检测法，但是这一方需要额外的检测试纸，较为麻烦。因此一个简单便携、无需额外试纸的尿液检测仪是人们希望拥有的。
根据朗伯-比尔定律：当一束平行单光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度C及吸收层厚度L成正比。
A=-log
10I
t
I
=log
10
1
T=K·L·C
此外，根据红外光谱检测法，物质在近红外光波段，存在不同的吸收波峰。本文所研究的尿液检测仪，便是基于以上两个定律，合理地选择红外光波长，分析红外光投射尿液前后的光强度，得出对应物质在尿液中的大致浓度范围。
1硬件总体设计
硬件组成如图1所示，主要由主控电路、LED电路和AD电路组成。其中主控电路实现了电源的稳压、对气阀水阀等电机的控制、数据的存储及传输等功能;AD电路将光电传感器采集到的光强信号转换为电流信号，再转换成电压信号传输给主控芯片;LED电路采用了若干种不同波长的红外LED灯，通以恒定的电流，保证其波长稳定。 图1硬件总体示意图
2硬件各模块设计
2.1主控电路
主控电路部分主要由电源模块、电机控制模块组成。
2.1.1主控芯片
本系统采用STM32F407作为主控芯片，该处理器基于Cortex-M432位RISC内核架构，能够工作在高达168MHz 的频率下，片内集成了512kB的Flash和192kB的SRAM、硬件乘法器、浮点数处理器、2个12位DAC、17个定时器、实时时钟、随机数发生器等外设，具有动态功耗调整的功能，配合ST官方提供的数字信号处理库，能够实现较为复杂的数字滤波。此外，集成的通讯接口十分丰富，有6个速度高达11.25Mb/s的UART,UART可以复用为SPI、I2C、CAN等其他接口;2个全速USB接口，其中一个可以作为主设备。 总的来说，该处理器具有主频高、性能较强、集成度较高的特点，在医疗方面有很广泛的应用，能很好地满足红外尿液检测仪的硬件设计需求。
2.1.2电源模块
这部分电路主要有两个部分，一个是数字电源的设计，另一个是模拟电源的设计。因为AD电路是模拟电路，因此不能让数字电源干扰它，需要模拟电源供电，否则检测精度会受影响。
数字电源的设计采用了两款芯片,78M05和AMS117-3.3，这两者的作用是产生5V和3.3V的稳定电压，需要两种电压的原因是电路中的芯片的供电电压有5V和3.3V两种。
模拟电源的设计采用了金升阳的WRB-ST-3WR2芯片，如图2，这是一款DC-DC隔离芯片，能够很好地实现电源隔离的功能，输入12V，输出5V稳定电压。
图2模拟电源电路
2.1.3电机控制
尿液检测仪需要搭配水阀气阀进行冲洗与烘干，因此需要一个控制模块对电机进行通断的控制。在设计方案中采用了NPN三极管搭配继电器来进行通断控制，如图3,CONTROL1 基于红外光的尿液检测仪的硬件设计
裴以明吕明张捷(南京理工大学自动化学院，江苏南京210094)
Hardware Design of Urine Detector Based on Infrared Light
摘要：光谱技术在生物医学领域中应用广泛，以红外光谱法的基本原理，如重要的分子振动光谱学和朗伯-比尔定律等知识为基础，合理选择红外光源、光电传感器、单片机及其他电子器件，以小巧、简易、便携的设计理念，设计出一款尿液检测仪。
关键词：光电传感器;STM32XX；尿液检测
Abstract押Spectroscopy is widely used in biomedical fields.This paper is based on the basic principle of infrared spec⁃troscopy熏such as the important molecular vibrational spectroscopy and Lambert-Beer law熏and reasonable selection of infrared light sources熏photoelectric sensor熏single-chip microcomputer and other electronic devices熏with the design concept of com⁃pactness熏simplicity and portability熏designs a urine detector.
Keywords押photoelectric sensors熏STM32XX熏urine
test
基于红外光的尿液检测仪的硬件设计134
图3电机控制电
路
为单片机控制信号，经过一个NPN三极管进行电流信号的放大，当CONTROL1为高电平时，继电器的2、3引脚导通，输出12V高电平到电机上，反之当CONTROL1为低电平时，继电器2、3引进断开，不输出电压。
2.2LED电路
LED电路部分主要功能是搭建出稳定的红外光源,“稳定”的意思是指波长不随着电流电压的微弱变化而抖动。
2.2.1光源的选择
朗伯比尔定律能够应用的一个重要前提条件就是透射的光必须是平行光，由于红外LED的光是散射的，所以必须搭配上凸透镜进行汇聚。本文采用了华尚光电的HSE-L504系列直插式LED，凸透镜采用的是庚旭光电的平凸透镜，有效地保证了光的平行度。光路结构如图4所示。
图4光路结构
2.2.2恒流源
LED灯射出的光的波长与其供电电流密切相关，只有输入稳定的电流，才能够保证波长不会抖动，不对仪器的精度造成影响。恒流源可以采用半导体三极管、稳压管等器件进行搭建，但是往往这种恒流源受温度影响较大，而且目前已经出现了很多好的集成式的恒流源芯片，在本设计方案中采用的恒流源驱动芯片是泉芯科技的QX7136,QX7136是一款低静态电流、低压差的LED恒流驱动器件，使用一个高精度的外接电阻，即可在10mA~400mA范围内调节输出电流。
如图5所示，芯片外接一个高精度的电阻，即可调节红外LED的通过电流，针对本方案中的不同波长的灯的驱动电流大小不一致问题，调节这个高精度电阻的大小即可很方便地解决问题。
图5恒流源电路
2.2.3LED通断控制
由于灯的数量较多，一直开启功耗较大，因此需要设计一个通断控制电路，实现对LED灯的亮灭控制，在本设计方案中采用了和电机通断控制一样的继电器。
如图6，继电器的2号脚接排针的一端,LED的正负极分别接在排针两侧，当CONTROL1为高电平时，继电器2号脚与5V导通,LED灯导通。
图6LED通断控制电路2.3AD电路
这部分的功能是将光电传感器采集到的光强信号转换为电流信号，再转换成电压信号传输给单片机，主要包括光电传感器、I/V转换、基准电压设计、AD模块这几个部分。
2.3.1光电传感器
光电传感器的主要作用是，检测透过其感光区域的红外光的强度，将这个强弱程度通过电流的大小反映出来。为了更好地兼容LED部分，光电传感器采用了华尚光电的HIPD800-S35N 和HSPD700-M555P，需要使用两种光电传感器的原因是，方案中采用了多种LED灯,LED灯的波长从600nm到1600nm 均有涉及，单种光电传感器无法横跨这么大的范围。
2.3.2I/V转换
光电传感器产生的电流信号无法直接被AD模块读取分析成对应的数值，目前常见的AD模块还是只能接受电压信号的输入。方案中采用了TI的OPA380运放搭建了一个I/V转换电路，该款运放具有带宽范围大、转换速率快、温漂低、噪声低等特点，很适合应用于电流电压转换的场景。穿孔管
如图7，输出的电压大小由电阻R20决定，通过光电传感器的数据表可以发现，其产生的电流为微安级，但在检测过程中不能达到极限状态，所以选择1MΩ左右的电阻能够得到幅值接近1V的电压信号。
图7I/V转换电路
2.3.3基准电压
AD模块工作时需要一个基准电压，这个电压的稳定度及准确度直接影响了AD模块的检测精度，因此需要设计一个电路，输出纯净稳定的参考电压到AD芯片上。
在本文的设计方案中，采用了德州仪器的ADR3425芯片，德州仪器的ADR系列芯片专门用于产生AD模块所需的纯净稳定的基准电压。如图8，输入5V至ADR3425中，芯片输出2.5V基准电压。
图8基准电压
2.3.4AD模块
悬浮机器人
AD模块采用的是CHIPSEA的CS1242，这是一款高精度24位Sigmal-Delta模数转换器，内部集成低噪声放大器，它的最高有效精度可达22位，能够完全满足我们的需求。
(下转第137页
)
(上接第135页)
3电路测试
3.1电源电路测试
焊接电源电路部分的芯片及其外围电路，仔细检查有无短路、虚焊、漏焊等情况。接入12V电压，测量电源口及稳压芯片电压输出是否达到期望。上电后，检查各电源芯片是否发热，若发热则立即断开输入电源进行检查。
3.2LED电路测试
这里具体分为以下几个测试步骤:
1)下载好程序，并给电路通上电;
2)观察处于可见红外光范围的LED灯能否正常发出红光;
3)通电一段时间检查恒流驱动芯片及LED灯是否过烫。
3.3AD电路测试
当之前的测试没有错误后，可进行AD电路的测试；输入值较小的电压至AD模块的输入引脚上，观察能否正确读出电压值；反复遮挡光电传感器的感光区域，观察输出的电压值是否有相应的波动；将LED板与传感器板相对放置，观察电压值是否有相应的变化。网带窑
4结束语
本文设计了基于红外光的尿液检测仪的硬件电路板，通过实际应用测试，该电路板能够很好地进行红外光发射及检测，具有较好的可靠性和稳定性，满足系统需求。
参考文献
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[收稿日期:2020.11.2]
实现智能立体种植系统的自动化和智能化、数据的可视化和数字化，同时实现的数据共享。
3.1硬件控制和执行单元
硬件控制中心根据定位信息和传感器装置获取此时植物内外部环境的基本参数，将数据反馈到单片机，由软件处理后，通过MCU控制单元控制执行设备自动化工作。执行设备接收到控制中心指令，执行相应的下行执行机构，如水气两用泵(连接喷雾头)、补光灯、太阳追踪、加热器等。 3.2自主供能系统
设备正常工作需要充足的电能，而为了最大化地利用太阳能并实现节能减排，因此为设备设计了太阳能发电系统。通过太阳能追踪系统、光伏发电板、蓄电池等组成设备能源自主供给系统。一天中，不同时刻太阳能所发出的电压和电流的大小不同，为了减少过压和低压对蓄电池造成的损坏，同时保证
不对用电设备造成损害，对太阳能发电系统所发出的电能通过降压稳压模块，将太阳能板所发出的电能进行处理成稳定的5V电压和3A电流。然后再给蓄电池充电。蓄电池充电采用并联分流蓄电，串行升压为用电器供电。实现设备自主供给能源。
3.3检测及数据采集
对于设备内部，传感器装置用于实时采集植物根部的环境各参数信息，如温度、湿度、氧气浓度等；外部则是检测光强度。将检测到的数据实时传输到单片机，通过处理后判断是否需要自动化执行，同时通过通信模块，利用局域网将实时数据传输到数据中心。监控装置(3D定位算法)对设备外部情况及环境进行监控检测，将监测数据实时回数据中心。
3.4App数据
数据中心担任数据中转、设备云控、设备管理和数据可视化处理。数据中心将接收到的数据行进处理分析，建立可视化模型。将同时刻植物根部的温湿度信息、氧含量信息、外界的光照强度和植物生长状态进行分析，并通过不同时间、不同季节对比推断，得出植物的最佳生长环境，从而提高种植效率。
而用户可以通过客户端App通过C/S通信请求数据中心，获取植物生长状态。同时可以获取设备的定位，
机器人模型制作
通过监控装置和3D引擎算法将区域植物生长状态进行模拟显示。同时客户端也可向数据中心发送设备控制强求，实现远距离控制。
同时数据中心可对外开放，其他用户也可通过App客户端获取植物的最佳生长条件，从而可以避免重复投资带来的资源浪费，提高了整体效率。
4结束语
本产品系统是户外较大规模的设备系统采用的化整为零模式，通过对植物根部的基本参数检测，相对而言更将精确。以单片机为控制中心，依据传感器和监控设备对植物参数进行采集监控，通过采集得到的数据实现设备的智能化控制，数据回传数据中心对数据参数分析并建立数学模型，实现数据可视化处理。
利用大数据对植物各参数分析得到最佳参数，并实现数据共享。对于经济价值较高的作物和具备高观赏性价值的植物，避免了因为环境污染问题影响植物品质和产量。
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[收稿日期:2020.12.6]
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