mikrofluidni nizkopretoČni fotometer - core.ac.uk · frekvence (rf). fotometer je naprava, ki...

Andrej Šmit

MIKROFLUIDNI NIZKOPRETOČNI FOTOMETER

Diplomsko delo

Maribor, maj 2012

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

ELEKTROTEHNIKA

Študent: Andrej Šmit

Študijski program: UN ŠP - Elektrotehnika

Smer: Avtomatika

Mentor(ica): red. prof. ddr. Denis Đonlagić

Maribor, september 2009

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju za pomoč in vodenje

pri opravljanju diplomskega dela. Zahvala gre

tudi vsem zaposlenim v Laboratoriju za elektro-

optične in senzorske sisteme. Hvala tudi Alešu

Doliški za pomoč pri kemijskem delu. Zahvalil

bi se rad tudi Anji Kuhar za pomoč pri urejanju

besedila.

Posebna zahvala velja staršem, starim staršem in

Premogovniku Velenje, ki so mi omogočili

študij.

IV

MIKROFLUIDNI NIZKOPRETOČNI FOTOMETER

Ključne besede: Mikrofluidika, fotometer, spektroskopija, absorpcija,

transmisija, laserska dioda, fotodetektor, filter, pH, indikator

UDK: 681.785.4:681.542.8(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu je predstavljena izdelava mikrofluidnega nizkopretočnega fotometra

za kvalitete vode, kjer se meri pH, prisotnost aluminija, železa, svinca, amonijaka, itn..

V delu smo podrobno opisali izdelavo optičnega in mehanskega dela, elektronskih vezij,

programa za mikrokrmilnik in osebni računalnik in priprave indikatorja, ki se obarva

glede na pH vrednost.

Merilnik smo na koncu preizkusili kot merilnik pH vrednosti. Podali smo tudi pogrešek

merilnika.

V

MICROFLUIDIC ONLINE PHOTOMETER

Key words: Microfluidic, photometer, spectroscopy, absorption, transmission,

laser diode, photodetector, filter, pH, indicator

UDK: 681.785.4:681.542.8(043.2)

Abstract

Diploma work describes development of microfluidic online photometer for water

quality analysis where we measure pH value presence of aluminum, iron, lead

ammonium etc. We described manufacturing of optics and mechanics, electrical circuit,

program for microcontroller and personal computer and indicator preparation which

changes color depending on pH value.

Photometer was also tested as pH meter. At the end we stated photometer’s accuracy.

VI

VSEBINA

1 UVOD ...................................................................................................................... 1

2 OSNOVE SPEKTROSKOPIJE ............................................................................ 1

2.1 SVETLOBA ......................................................................................................... 1

2.2 INTERAKCIJA SVETLOBE S SNOVJO ..................................................................... 1

2.3 ABSORPCIJA ....................................................................................................... 1

2.4 SPEKTROMETER ................................................................................................. 4

2.5 NAPAKA PRI MERJENJU ABSORPCIJE - IZBIRA VALOVNE DOLŽINE ...................... 6

2.6 KONCEPTI PRETOČNE SPEKTROMETRIJE ............................................................. 6

3 MIKROFLUIDIKA ................................................................................................ 8

3.1 LAMINARNI PRETOK .......................................................................................... 9

3.2 MEŠANJE TEKOČINE ......................................................................................... 10

4 ZASNOVA MIKROFLUIDNEGA NIZKOPRETOČNEGA FOTOMETRA . 1

5 MEHANSKI SKLOP FOTOMETRA .................................................................. 1

5.1 CELICA .............................................................................................................. 1

5.2 KOMORA ........................................................................................................... 3

5.3 NADZOR PRETOKA IN MEŠANJE .......................................................................... 4

5.4 VENTILI ............................................................................................................. 7

6 ELEKTRONSKI SKLOP FOTOMETRA ........................................................... 9

6.1 STABILIZATOR ELEKTRIČNE NAPETOSTI ............................................................. 9

6.2 MIKROKRMILNIK ............................................................................................. 10

6.2.1 Algoritem .................................................................................................... 11

6.2.2 Komunikacija med mikrokrmilnikom in osebnim računalnikom ................ 13

6.3 VIR IN DETEKTOR ............................................................................................ 13

6.3.1 Laserska dioda ............................................................................................ 13

6.3.2 Fotodetektor ............................................................................................... 15

6.4 A/D PRETVORNIK ............................................................................................ 16

6.4.1 SPI .............................................................................................................. 17

6.5 FILTER ............................................................................................................. 19

VII

6.6 TISKANO INTEGRIRANO VEZJE ......................................................................... 22

6.7 PROGRAM ZA OSEBNI RAČUNALNIK ................................................................. 22

6.8 KORAČNI MOTORJI ........................................................................................... 24

7 MIKROFLUIDNI NIZKOPRETOČNI FOTOMETER .................................. 27

7.1 MERJENJE PH Z INDIKATORJEM ....................................................................... 28

7.2 IZDELAVA UMERITVENE KRIVULJE ................................................................... 31

7.3 OPIS DELOVANJA ............................................................................................. 33

8 PREDSTAVITEV REZULTATOV .................................................................... 34

9 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 35

9.1 IZBOLJŠAVE ..................................................................................................... 36

10 LITERATURA ..................................................................................................... 36

11 KAZALO SLIK .................................................................................................... 37

12 KAZALO TABEL ................................................................................................ 39

13 PRILOGE .............................................................................................................. 39

13.1 PRILOGA A. MEHANSKI SISTEM ....................................................................... 40

PRILOGA B. SHEME IN TIV .......................................................................................... 53

13.2 PRILOGA C. SPI SIGNALI ................................................................................. 55

13.3 PRILOGA D. PROGRAM .................................................................................... 56

13.3.1 Main.c ..................................................................................................... 56

13.3.2 Spi_andrej.c ............................................................................................ 70

13.3.3 Motor.c ................................................................................................... 71

13.3.4 Fuses.c .................................................................................................... 74

13.3.5 AD.c ........................................................................................................ 75

13.3.6 Prekinitve.c ............................................................................................. 75

13.3.7 pH.c ........................................................................................................ 76

13.4 NASLOV ŠTUDENTA ......................................................................................... 76

13.5 KRATEK ŽIVLJENJEPIS...................................................................................... 76

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

E – energija valovanja,

h – Planckova konstanta ( 346,626 10 Js ) ali višina,

f– frekvenca,

c– hitrost svetlobe ( 82,9979 10 /m s ) ali molarna koncentracija,

– valovna dolžina,

– valovodno število,

I – svetlobni ali električni tok,

– molarni absorpcijski koeficient,

l – optična pot ali dolžina,

T – transmisija,

n – lomni količnik,

Re – Reynoldsovo število,

– gostota,

– viskoznost,

Q – pretok ali kvaliteta ojačevalnika,

r – premer in

g – gravitacijski pospešek (9,81 /m s ).

IX

UPORABLJENE KRATICE

UV – ultravijolična svetloba,

VIS – vidna svetloba,

IR – infrardeča svetloba,

PZT –ime zvočnika iz kvarca,

A/D – analogno/digitalno,

ICD –ime MPLAB-ovega programatorja,

LCD – prikazovalnik s tekočimi kristali

USB – univerzalno serijsko vodilo,

COM –serijski komunikacijski vmesnik,

LED – dioda, ki seva svetlobo,

SPI – serijski periferni vmesnik,

SCLK – serijski urin takt,

MOSI – gospodar izhod, suženj vhod,

SDO – izhodni podatkovni signal,

MISO – gospodar vhod, suženj izhod,

SDI – vhodni podatkovni signal,

SS – signal za izbiro sužnja,

EOC/INT – signal za konec pretvorbe,

GBW – ojačenje pasovne širine in

TIV – tiskano integrirano vezje.

Mikrofluidni nizkopretočni fotometer Stran 1

1 UVOD

Spektroskopija je obširno področje, ki se ukvarja z merjenjem frekvenčne razporeditve

moči oddanega ali absorbiranega sevanja. Najpogostejše meritve se opravljajo z merjenjem

vidnega spektra in drugih območij elektromagnetnega sevanja. Področja

elektromagnetnega sevanja, ki se najpogosteje uporabljajo, so γ-žarki, X-žarki,

ultravijolična (UV), vidna (VIS), infrardeča (IR) svetloba, mikrovalovi in radijske

frekvence (RF). Fotometer je naprava, ki namesto spektra za meritev, uporablja samo eno

valovno dolžino [1].

Cilj diplomske naloge je izdelava mikrofluidnega nizkopretočnega fotometra, namenjenega

za industrijo, s katerim bomo lahko sprotno merili pH ali kakšne druge snovi v vodi

(odvisno od uporabljenega indikatorja). Kar se tiče točnosti smo si zadali cilj, da bi lahko

izmerili pH natančnejše od barvnih lestvic, ki so priložene indikatorjem.

V začetnih treh poglavjih se bomo usmerili na razlago pojmov, ki jih srečamo v

spektroskopiji oz. fotometriji, optiki in mikrofluidiki. Predstavili bomo način izvedbe

meritve. V kasnejših poglavjih se bomo osredotočili na izvedbo mehanskih komponent. Tu

bomo na kratko opisali tudi izvedbe, ki smo jih preizkusili in se niso obnesle. Sledilo bo

večje poglavje, v katerem bomo opisali elektronske komponente in kako smo jih povezali v

delujočo enoto. Naslednje poglavje smo posvetili umerjanju merilnika. Nato bomo podali

rezultate in zaključek.


2 OSNOVE SPEKTROSKOPIJE

Leta 1666 je Isaac Newton s pomočjo prizme ustvaril mavrico. Ta poskus je pokazal, da je

vidna/bela svetloba sestavljena iz več barv oz. valovnih dolžin. Od takrat naprej so lahko

ljudje opazovali spekter. Leta 1802 in 1814 sta William Wollaston in Joseph Fraunhofer

opazovala temne črte v sončnem spektru. To so bili začetki spektroskopske analize.

Nemški znanstvenik August Beer je leta 1852 objavil članek, kjer je pokazal, da je količina

absorbirane svetlobe proporcionalna količini topljenca v raztopini. Sedem let kasneje sta

nemški fizik Gustav Robert Kirchoff in kemik Robert Wilhelm Eberhard von Bunsen

odkrila, da so spektralne črte edinstvene za posamezen element. [2].

Kasneje so spektroskopijo uporabili za odkrivanje novih elementov, kemijske in biološke

analize, DNK analize, farmacijo…

2.1 Svetloba

Svetlobo lahko razložimo na dva načina, in sicer kot delec (foton) ali kot valovanje. Vidna

svetloba je majhen del spektra elektromagnetnega valovanja, ki ga lahko zaznamo z očmi.

Za razlago pojavov bomo svetlobo včasih pojmovali kot foton, drugič kot

valovanje.Valovanje opišemo z lastnostmi, kot so valovna dolžina, frekvenca, hitrost in

amplituda. Foton ima energijo, ki jo lahko opišemo z (2.1) [1].


(2.1)

kjer je:

- Planck-ova konstanta ( ),

– frekvenca v ,

– hitrost svetlobe (

),

– valovna dolžina v in

– valovno število v .

Zgornja enačba nam pove, da je energija fotona premo sorazmerno odvisna od frekvence.

2.2 Interakcija svetlobe s snovjo

Med interakcijo svetlobe in snovi se lahko odvije več pojavov: odboj, sipanje, absorpcija,

fluorescenca/fosforescenca in fotokemična reakcija. Odboj je vsem poznan pojav, kjer se

svetloba od nekega predmeta ali površine odbije. Do sipanja pride kadar oddano valovanje

ne seva več v isti smeri kot vpadno, ampak v vse smeri. Kadar svetloba prehaja skozi snov,

jo ta absorbira. To pomeni, da je izstopni svetlobni tok manjši od vstopnega. Koliko

svetlobe je snov absorbirala lahko opišemo z absorpcijo ali transmisijo.

2.3 Absorpcija

Najpogosteje in najlažje se v spektroskopiji izmeri spektralna transmisija oz. absorpcija.

Pojav, pri katerem vpadna svetloba oz. foton vzbudi elektron iz nižje molekulske ali

atomske orbitale v višjo, imenujemo absorpcija. Energija fotona (2.1) mora biti natanko

enaka energijski razliki ene in druge orbitale. Pri UV in VIS pride do elektronskega in

vibracijskega prehoda. Pri IR v glavnem ne pride do elektronskega prehoda, pride pa do

vibracije in rotacije atomov. Pri UV in vidni svetlobi pride do elektronskega (electronic

transition) in vibracijskega prehoda (vibrational transition), med tem, ko pri IR v glavnem

ne pride do elektronskega prehoda, pride pa do vibracije in rotacije atomov v molekulah.

Do rotacij (rotational transition) atomov pride pri nižjih energijah, ki jih lažje ustvarimo z


mikrovalovi. Slika 2.1 prikazuje prehode med energijskimi nivoji, Slika 2.2 pa

elektromagnetni spekter.

Slika 2.1: Prehajanje med energijskimi prehodi [1], stanj je več kot jih prikazuje slika

Slika 2.2: Elektromagnetni spekter [3]

Na Sliki 2.1 lahko vidimo, da so najvišji prehodi pri valovnih dolžinah od λ1\\ do λ4

\\, ki

pripadajo ultravijolični svetlobi. Prehod iz energijskega nivoja E0 v energijski nivo E1 ali

E2 je posledica elektronskega prehoda oz. tranzicije. Prehode znotraj posameznega

energijskega nivoja E0, E1 ali E2 imenujemo vibracijski prehodi, števila 0, 1, 2 in 3 pa

predstavljajo vibracijske nivoje. Vsak vibracijski nivo je sestavljen iz več rotacijskih

nivojev, ki pa jih ni na sliki. Slika 2.3 prikazuje spekter, ki bi ga dobili, če bi izmerili

absorpcijo energijskih nivojev.

E2

E1

E0

IR VIS UV

1 λ λ1 λ4 λ1 λ4


Slika 2.3: Spekter energijskih nivojev [4]

Prehodi med nivoji niso strogi in del vidne svetlobe lahko povzroči elektronske in

vibracijske prehode, IR svetloba, ki je razdeljena na več pasov, pa vibracijske in rotacijske

prehode.

Enačba (2.2) predstavlja Beerov zakon, (2.3) pa Lambertov zakon.

10

0

logI

A lcI

(2.2)

kjer je:

A - absorpcija,

– začetni svetlobni tok ali elektromagnetno sevanje v

,

– svetlobni tok ali elektromagnetno sevanje v

,

– molarni absorpcijski koeficient v

,

– optična pot v in

– molarna koncentracija v

.

0 0/ 10 ali % ( / ) 100lcT I I T I I (2.3)

kjer je:

– transmisija in

– transmisija v procentih.


Iz Beerovega zakona lahko razberemo, da se absorpcija spreminja linearno z optično potjo

in koncentracijo. Če v (2.2) namesto

vstavimo , lahko vidimo, da logaritemska funkcija

povezuje transmisijo in absorpcijo. Absorpcija nima enote, njena vrednost se lahko giba

med 0 (svetloba ni absorbirana) in (vsa svetloba je absorbirana). Tudi transmisija je brez

enote, vendar se pogosteje uporablja vrednost v odstotkih (%T). Absorpcijo običajno

merimo glede na destilirano vodo. Začetni svetlobni tok je tok skozi vzorec destilirane

vode.

O elektronski spektroskopiji govorimo, kadar imamo opravka z elektronskim prenosom

energije (electronic transition) elektrona. Elektronska spektroskopija izkorišča UV/VIS

fotone, ki imajo višje energije kot fotoni v IR področju (krajša valovna dolžina).

2.4 Spektrometer

Spektrometer je naprava, ki posname in prikaže spekter. Spekter posnamemo na principu

absorpcije ali transmisije, pri katerem pa se razlikuje način spreminjana energijskih

nivojev. V območju radijskih valov se spreminja energija v obliki spina jedra, v

mikrovalovnem območju se spreminja spin elektrona, v IR območju se spreminja vibracija

molekul, v vidnem in UV območju pa se spreminjajo atomski ali molekulski elektronski

nivoji, kot prikazuje Tabela 2.1 [5].

Tabela 2.1: Tipi spektroskopije preko elektromagnetnega spektra [5]

Območje Spektroskopija Proces

Radijski

valovi

Nuklearno magnetno resonančna Sprememba orientacije spina jedra

Mikrovalovi Resonančno spinsko elektronska Sprememba orientacije spina elektrona

Rotacijska Sprememba molekulskega rotacijskega stanja

IR svetloba Vibracijska Sprememba molekulskega vibracijskega stanja

UV svetloba Elektronska Sprememba molekulskega ali atomskega

elekronskega stanja


X žarki Notranje elektronska Sprememba elektronskega stanja ali oddajanje

elektronov

Gama žarki Mössbauerjeva Sprememba nivoja jedrske energije

Spektrometer je v grobem sestavljen iz: vira, izbiralnika valovne dolžine, vzorca in

detektorja. Emisijski in absorpcijski spektrometer prikazuje Slika 2.4. Glede na to ali se

meri absorpcija ali transmisija, se opazuje svetloba v smeri vstopne svetlobe ali pravokotno

na njo.

Slika 2.4: Absorpcijski in emisijski spektrometer [5]

Disperzni element (monochromator na sliki) je lahko prizma ali uklonska mrežica, ki

vpadno belo svetlobo razdeli na sestavne valovne dolžine. Reža (slit) izloči ozek pas

valovnih dolžin. Držalo za vzorec (sample holder) je običajno kiveta, v katero nalijemo

tekočino, ki bi jo radi analizirali.


2.5 Napaka pri merjenju absorpcije - Izbira valovne dolžine

Pri merjenju absorpcije lahko dobimo napačen rezultat zaradi sipanja svetlobe, slabe izbire

valovne dolžine, neprimerne koncentracije indikatorja itn. Svetloba se sipa v primeru, ko

so delci v snovi majhni v primerjavi z valovno dolžino (Rayleighovo sipanje) ali veliki v

primerjavi z valovno dolžino (Tyndallovo sipanje). Učinek sipanja lahko zmanjšamo tako,

da vzorec postavimo čim bližje detektorju ali obratno [4].

Pri izbiri valovne dolžine naletimo na dve lastnosti, in sicer linearnost in maksimalna

absorpcija. Večina literature navaja, da se uporablja valovna dolžina, pri kateri je najvišja

absorpcija. Zaradi tega ni nujno, da bomo imeli najboljšo linearnost, saj lahko uporabimo

valovno dolžino, ki je blizu vrha, in se bo absorpcija pri tej valovni dolžini spreminjala

linearno, vendar bo manjša. Linearnost lahko izboljšamo na več načinov. Lahko uporabimo

notranjo referenčno valovno dolžino ali pa se zatečemo h kalibracijski krivulji [4].

Linearnost in absorpcija sta odvisni od snovi/indikatorja, ki jo/ga uporabljamo. Če

uporabljamo valovno dolžino, ki je blizu najvišje absorpcije, bomo imeli najmanjšo napako

pri meritvi zaradi spremembe same valovne dolžine, saj se tu absorpcija ne bo spremenila

veliko, kot se to zgodi v primeru največje strmine absorpcijske krivulje.

2.6 Koncepti pretočne spektrometrije

V kemiji, biologiji, medicini in še na mnogo drugih področjih se v večini analizira

tekočinske vzorce. Te se lahko prelije v viale, ki se jih nato vstavi v spektrometer in

analizira. S pretakanjem vzorca lahko dosežemo boljši nadzor, saj lahko nadziramo pretok

in s tem porabimo manj indikatorja ali reagenta. Znanstveniki so ustvarili pretočne

spektrometre, ki jim v stroki pravijo tekočinski valovodni senzorji (Liquid Waveguide

Sensors). Pri teh senzorjih se vzorec pretaka skozi cev, izhod cevi pa enostavno usmerimo

v odplake oz. zbiralnik.

Z namenom miniaturizacije so med temi senzorji postale zelo popularne kapilare. Kapilare

so cevi z zelo majhnimi premeri (nekaj desetink milimetra ali manj). Kapilare so zanimive,


ker lahko analiziramo majhne vzorce, zaradi česar je tudi poraba indikatorja sorazmerno

manjša. O majhnih pretokih in pripadajočih lastnostih je posvečeno naslednje, 3. poglavje

z naslovom Mikrofluidika. Prednost takšnega miniaturnega sistema je tudi majhna količina

odpadkov.

Material, iz katerega je izdelana kapilara, je večinoma SiO2 (steklo). Silicijevo steklo se

uporablja tudi za izdelavo optičnih vlaken. Da lahko optično vlakno vodi svetlobo, mora

imeti jedro višji lomni količnik (n) od obloge. Na meji med plastema z različnima lomnima

količnikoma, pride do popolnega notranjega odboja. Pri tekočinskih valovodnih senzorjih

jedro odstranimo in ga zamenjamo z vzorcem, ki teče skozi kapilaro. Da takšen valovod

uspešno vodi svetlobo, mora imeti vzorec primeren lomni količnik. Obstaja tudi izvedba

senzorja, ki izkorišča evanescentno polje. Pri tem senzorju se svetloba razširja po oblogi in

s pomočjo evanescentnega polja prodre v jedro, kjer pride v stik z vzorcem. Globina

evanescentnega polja je veliko krajša od valovne dolžine valovanja. Kadar si

predstavljamo in rišemo odboje so ti nezvezni. Svetloba se ne more razširjati po takšni

poti, zato se odbije v loku. Najlažja analogija bi bila z žogico za tenis. Ko se ta odbije od

tal se stisne, deformirajo pa se tudi tla. Svetloba se odbije tako, da se razširja tudi po

drugem materialu. Razlago prikazuje Slika 2.5.

Slika 2.5: Evanescentno polje

Na voljo so tudi senzorji, ki so na zunanji strani prevlečeni s kovino. Takšen sloj deluje kot

zrcalo in preusmeri svetlobo nazaj v jedro. V tem primeru lomni količnik tekočine ni tako

pomemben. Takšne celice so bile prve valovodne s tekočinskim jedrom, saj jih je

enostavno izdelati. Na takšnem principu deluje naš merilnik. To izvedbo se da izboljšati


tako, da se notranja stran prevleče s kovino, vendar mi nismo imeli na razpolago

tehnologije, s katero bi to lahko izdelali. Izvedbo valovoda, s komoro in detektorjem,

prikazuje Slika 2.6.

Slika 2.6: Izvedba valovoda

S tem, ko se svetloba odbija od sten kapilare (notranje ali zunanje), se poveča interakcijska

dolžina. Pri teh senzorjih govorimo o dolžini samega senzorja in o optični poti. Dolžina

senzorja nam pove, koliko meri v dolžino, optična pot pa nam pove dolžino poti, ki jo

prepotuje žarek, ko potuje skozi celico z vzorcem.

Obstajajo tudi celice, pri katerih žarek opravi več preletov, imenujemo jih večpreletne

celice (multipass cells) . Takšne celice imajo vgrajena ogledala na obeh koncih. Na primer,

pri dolžini senzorja 0,5 m lahko dosežemo optično pot 20,5 m. Takšnim celicam lahko

nastavljamo optično pot, odvisno od absorpcije vzorca. [1] Najpogosteje se uporabljajo pri

analizi plinov, saj so plini redkejši od tekočin, kar pomeni, da je interakcija med svetlobo

in plinom slabša. Pri takšnih analizah se indikatorji ne uporabljajo.

3 MIKROFLUIDIKA

Beseda optofluidika se je prvič pojavila leta 2003. Namen novega področja je bila

združitev optike in mikrofluidike za izdelavo novih optičnih naprav [6]. Mikrofluidika je

omogočila razvoj novih naprav, ki jim pravimo laboratorij na čipu (ang. Lab On Chip).

Značilnosti teh »laboratorijev« so zelo nizki pretoki, tudi reda piko litra. Takšne naprave se


že uporabljajo v praksi za analizo krvi, biokemične analize itd. Pacient si lahko sam, v

domačem okolju, izmeri, na primer, vsebnost litija v krvi. Takšni sistemi so cenovno

ugodni, uporabi se majhna količina krvi, so miniaturni itn. V prihodnosti se jih namerava

uporabiti za analizo DNK in hitrih analizah bolezni.

3.1 Laminarni pretok

Pri majhnih pretokih, kakršni so v mikrofluidiki, govorimo o laminarnem toku. Obstaja

tudi turbulentni, ki se pojavi pri večjih pretokih. Reynoldsovo število lahko izračunamo na

osnovi enačbe (3.1), s čimer lahko ugotovimo, ali bo tok laminaren ali turbulenten. V

grobem velja, da je pretok laminaren, ko je Re<2000, pri Re>2000 pa je tok turbulenten.

Rel

(3.1)

kjer je:

- povprečna hitrost pretoka v m

s,

l - dolžina kanala v m ,

- gostota tekočine v 3

kg

m in

- dinamična viskoznost v Pa s .

Slika 3.1 prikazuje laminarni tok, kjer lahko vidimo, da se indikator (obarvan rdeče) ne

meša z vodo. Vsak tok (vode in indikatorja) teče po svojem »tiru«.

Slika 3.1: Laminarni tok


Pri turbulentnem toku se zaradi vrtinčenja tekočina meša, pri laminarnem toku pa tega

pojava ni. Zaradi tega moramo mešanje v našem mikrofluidnem sistemu zagotoviti na

drugačen način.

3.2 Mešanje tekočine

Načine mešanja v mikrofluidiki ločimo na pasivne in aktivne. V sistem lahko vstavimo

mešalni element, izkoristimo difuzijo, posebej oblikujemo kanal itn.

Pri difuziji se zmešata tekočini z različnima gostotama delcev. Če je v eni tekočini več

delcev, kot v drugi, se bodo ti sčasoma preselili v tekočino, kjer jih je manj. To se zgodi

zaradi Brownovega gibanja. Delci se porazdelijo tako, da je povprečna koncentracija v

nekem volumnu konstantna. Slika 3.2 prikazuje mešanje dveh tekočin z difuzijo.

Slika 3.2: Difuzija [7]

Takšno mešanje je lahko tudi dolgotrajno, zato smo se odločili in izdelali svoj mešalni

element, ki ga prikazuje Slika 5.5 (podrobneje je razložen v poglavju 5.3).


4 ZASNOVA MIKROFLUIDNEGA NIZKOPRETOČNEGA

FOTOMETRA

Ker imamo opravka z optičnim sistemom, smo morali zagotoviti čim manjši vpliv zunanje

svetlobe, zato smo potrebovali nekakšen zaprt prostor/komoro. Vir je lahko v komori ali

zunaj. Dobro bi bilo, če bi lahko imeli več virov, s katerimi bi lahko merili več kemičnih

lastnosti. Ker bomo morali v celico, ki bo v komori, dozirati indikator in vodo v pravem

razmerju, bomo potrebovali tlačni sistem z ventili. Celica mora biti pretočna in čim

manjša, da bomo porabili čim manj indikatorja in vode. Zraven bomo potrebovali še

elektroniko, s pomočjo katere bomo krmilili ventile, vir, opravljali izračune, komunicirali z

osebnim računalnikom itn.

Najprej smo se odločili, da bomo izdelali celico, ki je najpomembnejši del merilnika. Po

številnih poskusih smo prišli do izvedbe s kapilaro iz silicijevega stekla. S tem smo

zagotovili, da bo tekočina lahko stekla iz merilnika v odplake in majhen volumen. Komoro

smo izdelali iz aluminija. Indikator in vodo smo dozirali preko cevnega sistema, mešalno

razmerje smo določili z dolžinami in premeri cevi. Za dovajanje tekočin smo uporabili

ventile, s katerimi smo ustavili dotok vode ali indikatorja. Na koncu smo potrebovali še

elektroniko. Odločili smo se za mikrokrmilnik, s katerim smo lahko opravljali meritve in

pošiljali rezultate osebnemu računalniku, saj smo želeli, da je sistem primeren za

industrijo. Slika 4.1 prikazuje blokovno shemo merilnika. Slika končnega merilnika je v

Prilogi A.


Komora

Voda Indikator

LD2 LD1

Slika 4.1: Blokovna shema merilnika

5 MEHANSKI SKLOP FOTOMETRA

5.1 Celica

Ker je naš sistem pretočni, smo celico izdelali iz kapilare. Kapilaro (zunanjo steno), s

premerom od 250 µm do 500 µm, smo prevlekli s srebrom. Slika 5.1 prikazuje posrebreno

kapilaro. Posrebrili smo jo s kemičnim postopkom, kjer smo zmešali tri zmesi (A,B in C) v

enakem razmerju (1:1:1).

A: 2

3

1

3

dl H O

g AgNO

B:

3

2

0,25 24 % koncentracija

0,75

4

dl NH

dl H O

g KOH


C: 21

15

dl H O

g glukoze

Zmes smo pripravili v epruveti, po abecednem vrstnem redu (najprej A in B). Ko je nova

zmes postala prozorna, smo vstavili kapilaro in dodali zmes C. Nato smo počakali nekaj

minut (ko se je stena epruvete posrebrila, je bilo postopka konec) in nato iz epruvete vzeli

kapilaro. Da smo preprečili srebrenje notranje stene kapilare, smo kapilaro na koncu

zalepili z Neostikom.

Slika 5.1: Posrebrena kapilara

Sloj srebra je bil krhek in je ob kontaktu začel odstopati. Da bi srebro ostalo na kapilari,

smo jo potopili v lak za kovino. Nato smo kapilaro premazali z barvo za kovino. Barva je

bila namenjena za popolni stik med kapilaro in luknjo v komori, kamor smo jo vstavili, da

vanjo ni vstopala svetloba iz okolice. Da je svetloba lahko izstopila iz kapilare in jo je

lahko zaznal detektor, smo na dolžini približno 1,45 cm odstranili sloje barve, laka in

srebra z nožem. Izdelano celico prikazuje Slika 5.2, Slika 5.3 pa valovodno lastnost naše

celice.

Slika 5.2: Izdelana celica


Slika 5.3: Valovodna lastnost celice

Optično pot smo dobili tako, da smo najprej izmerili absorpcijo na obstoječem

spektrometru (UV-VIS CARY 50) pri valovni dolžini naše laserske diode, ki je znašala

λ=532 nm in optični poti 1 cm. Nato smo isto tekočino vbrizgali v našo celico in izmerili

absorpcijo. S pomočjo (2.2) lahko izračunamo razmerje med absorpcijama, kar predstavlja

razmerje dolžin optičnih poti oz. dolžino optične poti celice v centimetrih. Pri dolžini

celice ~1,45 cm je optična pot znašala ~1,6 cm. Optična pot je daljša zaradi odboja

svetlobe od stene kapilare, ki predstavlja zrcalo.

5.2 Komora

Kot smo že omenili v prejšnjem poglavju, smo celico vstavili v komoro, da smo izločili

svetlobo iz okolice. Komoro prikazuje Slika 5.4, kjer lahko vidimo še postavitev vira in

zbiralnik tekočine z odtokom. Nosilec za lasersko diodo pod zbiralnikom tekočine služi za

nastavitev kota med lasersko diodo in kapilaro.

Slika 5.4: Komora z virom


Mehanske dele smo načrtovali s programom za 3D modeliranje. Načrti in slike so v Prilogi

A.

5.3 Nadzor pretoka in mešanje

Pretok indikatorja in vode smo določili računsko na osnovi Hagen-Poiseuillovega zakona,

ki ga opisuje enačba (5.1). Pretok je odvisen od upornosti cevi in razlike v tlaku. Upornost

cevi nam prikazuje (5.2). Enačba (5.1) se uporablja za laminarne pretoke in cevi, katerih

premeri so veliko manjši od dolžine cevi in okrogli. Če si pomagamo z analogijo

električnih vezij, si lahko predstavljamo, da je razlika v tlaku ΔP enaka razliki dveh

potencialov (napetosti) U, pretok Q pa si lahko predstavljamo kot električni tok I.

Analogijo nam prikazuje (5.3).

4

8 lQP gh

r

(5.1)

Kjer je:

- viskoznost tekočine v Pa s ,

l - dolžina kapilare v m ,

Q - pretok v 3m

s,

r - polmer kapilare v m ,

- gostota v 3

kg

m,

31000 vode

kg

m ,

g - gravitacijski pospešek v 2

m

s (

29,81

m

s) in

h - višina vodnega stolpca v m .

4

8 lR

r

(5.2)

kjer je:

R - upornost cevi v 3

Pa s

m,


( )P R Q U R I (5.3)

Celoten sistem cevi in kapilar, prikazan na Sliki 5.5, je bil sestavljen iz daljše steklene cevi

z razširjenim vrhom, ki je deloval kot rezervoar, silikonske cevi, polietilenske cevi z

majhnim polmerom in kapilare (ta je bila uporabljena samo za cevni sistem, kjer smo imeli

indikator). Vse skupaj je bilo priključeno na mešalni element in celico.

Slika 5.5: Tlačni sistem

Spodaj so prikazani izračuni za upornosti cevi za vodo, indikator in dolžino kapilare (Δx) s

katero določimo mešalno razmerje 1:62,5. Več o tem razmerju bo predstavljeno v poglavju

7.1. Mešalno razmerje je pogojeno z nivojema tekočin (voda in indikator), ki morata biti

enaka (enak tlak). Predpostavili smo tudi, da je viskoznost obeh tekočin enaka. Ker je

premer zadnje cevi in kapilare majhen, pomeni, da bosta upornosti visoki. Tako si lahko

privoščimo, da z določitvijo dolžin in premerov ostalih cevi in premera kapilare

izračunamo dolžino kapilare. Spodaj je prikazan izračun za dolžino zadnje kapilare, glede

na premere in dolžine izbranih cevi. Tlačno razliko (ΔP) smo določili s poskusi, kjer smo

primerjali izračunane in izmerjene vrednosti pretokov. Eksperimentalno smo določili

hitrost vode vv=2 cm/s skozi celico s premerom d≈0,5 mm. To pomeni, da smo na koncu

kapilare morali zagotoviti pretok Q≈16 nm3/s. To smo lahko dosegli z višino stolpca h≈1 m

in premeri cevi in kapilar, ki so navedeni v spodnjem izračunu.


Izračun dolžine kapilare:

411

4 4 4 4 33 3 3 3

13

3

413

3

8 8,9 10 s 0,03 0,238 0,807 0,1 6,1922 10

13 10 3 10 0,5 10 0,14 10

62,5 3,87 10

8 8,9 10 0,03 3,87 10

vode

pH reagenta vode

Pa m m m m Pa sR

mm m m m

Pa sR R

m

Pa s Pa s m

m

4 4 4 4 4

3 3 3 3 6

0,177 0,851 0,2

13 10 3 10 0,5 10 0,14 10 42,5 10

5,396

m m m X

m m m m m

X cm

Mešalni element smo izdelali iz kapilare, optičnega vlakna in PZT elementa in je prikazan

Slika 5.6. PZT je piezoelektrični element, ki se uporablja za oddajanje zvočnih valov

visoke frekvence.

Slika 5.6: PZT mešalni element brez in z vibratorjem

Na PZT smo nalepili kapilaro, v katero smo vstavili kos optičnega vlakna. Nalepljena

kapilara je bila zakrivljena, da tekočina in vibracije ne morejo potisniti kosa optičnega

vlakna naprej po cevi, saj bi s tem lahko zaprli izhod iz mešalnega elementa. Tekočino

zmešamo s tresljaji, ki jih povzroča PZT in dodatno z optičnim vlaknom, ki vibrira v

kapilari. V Prilogi B je shema elektronskega vezja z NE555, ki smo ga uporabili za

vzbujanje PZT-ja. Najvišjo amplitudo vibracij smo dosegli tako, da smo PZT vzbujali z

resonančno frekvenco.

Kasneje smo preizkusili tudi različico z vibracijskim motorjem, ki se je izkazala za

uspešno. Pri tej izvedbi nismo potrebovali dodatnega vezja, saj smo že imeli izdelano


stabilizacijsko vezje za 3 V, ki smo ga uporabili za lasersko diodo (glej Sliko 6.1).

Vibracijski motor smo s sekundnim lepilom pritrdili na PZT. Slednja rešitev je bila manj

moteča, saj je PZT oddajal višje frekvence, ki so bile moteče za posluh.

Pri spajanju cevi je bilo kar nekaj izzivov. Stekleno cev smo na silikonsko pritrdili s

silikonom. Ker se je silikon dolgo trdil, smo morali paziti, da se cevi nista ločili. Spajanje

polietilenskih cevi s silikonskimi smo rešili s posebnimi nastavki tako, da smo enostavno

eno cev vstavili v drugo. Pred tem smo poskusili s sekundnim lepilo, ki je bilo neuporabno

in silikonom, ki pa ni imel dovolj dobrega oprijema s cevjo. Včasih se je zgodilo, da se je

polietilenska cev z lahkoto iztaknila iz silikonske, nazaj pa smo jo vstavili s težavo, pri tem

pa nismo morali zagotoviti, da vanjo ni prišel kakšen delec, ki bi jo lahko zaprl.

Združevanje kapilare in polietilenske cevi pa je predstavljajo največji izziv. Tu smo sprva

uporabljali sekundno lepilo, pri katerem smo morali paziti, da ga ni posesalo v kapilaro

zaradi kapilarnega učinka. Ko nam je spoj uspel, smo ugotovili, da ni tako močan kot smo

si želeli. Odločili smo se za uporabo dvo-komponentnega epoksidnega lepila. Takšna lepila

se razlikujejo po času strjevanja. Za najboljše so se izkazala takšna, ki so se strdila v času

petih minut. Epoksidno lepilo, ki se strdi v eni minuti ni bilo praktično, saj smo morali biti

zelo hitri pri uporabi, z daljšimi časi pa so se pojavile težave s kapilarnim učinkom.

Epoksidno lepilo, ki se trdi dalj časa, ima majhno viskoznost (je bolj tekoč). Pri

združevanju cevi za vodo in indikator pred mešalnim elementom je prihajalo do

problemov, kjer je epoksidno lepilo steklo v eno izmed kapilar in jo zaprl, včasih pa je

stekel na notranje stene cevi za vodo in spremenil premer cevi ter tako spremenil mešalno

razmerje.

5.4 Ventili

Najprej smo se usmerili v komercialne mikro-ventile, ki pa so bili dragi. Na začetku smo

zapirali polietilensko cev s stiskanjem z matico in vijakom. To je bila hitra, vendar

neustrezna rešitev. Polietilenska cev je preveč toga in se ji je zaradi stiskanja spremenil

polmer, kar se je odrazilo na mešalnem razmerju. Reševanje tega problema nam je vzelo

nekaj časa, saj smo razloge iskali v gostoti indikatorja, vode in tlaku. Na koncu smo prišli


do izvedbe, kjer stiskamo silikonsko cev. Slika 5.7 prikazuje izvedbo ventilov brez

motorjev.

Slika 5.7: Ventila

Idejo za ventil smo dobili po komercialnih izvedbah. Obstaja veliko izvedb, mi smo se

osredotočili na ventile narejene iz vijakov (screw valve) in takšne, ki stisnejo cev (pinch

valve). Ker nimamo opreme s katero bi lahko napravili profesionalni ventil, smo izdelali

improviziranega iz vijakov, matic, pleksi-stekla in silikonske cevi. Na koncu smo dodali

motorje, na os katerih smo pritrdili vijak. Rešitev prikazuje Slika 5.8.

Slika 5.8: Ventila z motorjem

Takšni ventili so veliko bolj robustni od izvedb s polietilensko cevjo. Zaradi ohišja iz

pleksi-stekla nimamo problemov s premikanjem cevi. Pri prejšnji izvedbi se je cev lahko

tudi premaknila iz primernega položaja, kar je pomenilo, da se cev ni dovolj zaprla ali pa

se je zaradi tega hitreje poškodovala. Ker imajo polietilenske cevi majhne premere, je bilo

zelo pomembno, da smo bili pazljivi pri zategovanju. Koraki motorja so morali biti

nastavljeni zelo točno. Kadar smo motor zavrteli s premajhnim številom korakov cev ni

bila dovolj zaprta, v obratnem primeru pa smo cev poškodovali. Pri zdajšnji izvedbi pa ni

pomembno, če cev malo preveč stisnemo, saj je silikonska cev veliko bolj elastična in

zdržljiva. Polietilensko cev smo, zaradi takšne izvedbe ventila, morali razrezati in vstaviti


v silikonsko. Takšna izvedba je bila tudi modularna, kar nam je omogočalo enostavno

menjavo cevi.

6 ELEKTRONSKI SKLOP FOTOMETRA

V tem poglavju bomo opisali glavne elektronske komponente in vezja, ki sestavljajo

fotometer. Osredotočili se bomo predvsem na mikrokrmilnik, njegov program oz.

algoritem, A/D pretvornik, vir in detektor. Opisali bomo tudi SPI komunikacijo med

mikrokrmilnikom in A/D pretvornikom ter komunikacijo med mikrokrmilnikom in

osebnim računalnikom.

6.1 Stabilizator električne napetosti

Za napajanje vezij smo potrebovali 3 V, 5 V in 12 V napetostne vire, zato smo se odločili za

uporabo regulatorjev LM78XX in LM317. Slika 6.1 prikazuje shemo stabilizacijskih

vezij.

Slika 6.1: Stabilizacijska vezja


Ker je pri največji porabi vsa elektronika potrebovala več kot 2 A, smo morali z

močnostnima tranzistorjema preusmeriti večino toka mimo LM7812 in LM7805, saj nista

izdelana za tokove višje od 1 A. Uporabili smo tranzistorja BD538 in upora, s katerima

smo nastavili tok, pri katerem sta začela tranzistorja prevajati. Upora sta imela upornost 6

Ω, kar je pri toku 100 mA povzročilo padec napetosti UBE=0,6 V, to pa je dovolj, da se

tranzistorja odpreta. S tem smo dosegli, da je skozi napetostna regulatorja tekel maksimalni

tok v vrednosti 100 mA. Tranzistorja smo hladili z večjimi hladilnimi rebri, za hlajenje

LM7805 smo uporabili manjše hladilno rebro, LM78012 pa ga ni potrebovalo, če je bila

vhodna napetost okoli 15 V. LM7805 se je bolj grel, saj se je na njem pojavila potencialna

razlika 7 V. LM317 je bil vezan kot nastavljiv napetostni stabilizator, izhodno napetost

smo bolj natančno nastavili s potenciometrom. Upornosti v grobem, določimo z (6.1).

2

1

1,25 (1 )izh

RU

R (6.1)

kjer sta:

1 2 in R R - upornosti v .

6.2 Mikrokrmilnik

Za naše potrebe smo izbrali mikrokrmilnik PIC18F4550 (TQFP). Izbrali smo ga zaradi

števila digitalnih vhodov in izhodov (30), USB izhoda, ki smo ga uporabljali za RS-232

komunikacijo z računalnikom, knjižnic, ki so na voljo, enostavnega programiranja in

odpravljanja napak (načina za razhroščevanje) preko modula ICD 2. Na voljo smo imeli 2

MB programskega spomina in 32 KB Flash spomina. Na začetku smo iskali tudi možnost

SPI komunikacije, vendar tega nismo uporabili, saj je imel A/D pretvornik daljši SPI

podatkovni paket, zato smo morali napisati svoj protokol. Slika 6.2 prikazuje razporeditev

nogic mikrokrmilnika.


Slika 6.2: Razporeditev nogic in njihove funkcije [8]

Kot smo že omenili, nam je koristila velika zbirka knjižnic, ki je na voljo, saj smo z

lahkoto priključili LCD prikazovalnik in povezali mikrokrmilnik z računalnikom preko

USB/RS-232.

Razvojno orodje, v katerem smo programirali, je bilo MPLAB IDE, prevajalnik CCS C,

programski jezik pa je bil C.

Uporabili smo skoraj vse digitalne vhode/izhode mikrokrmilnika, programski pomnilnik

smo skoraj zapolnili in izkoristili smo dva od treh časovnikov. Mikrokrmilnik smo

uporabili tudi za osnovne računske operacije in logaritmiranje, nanj smo priključili

dvovrstični šestnajst znakovni LCD zaslon. Shema vezave mikrokrmilnika je v Prilogi B.

6.2.1 Algoritem

Algoritem delovanja prikazuje Slika 6.3. Program za mikrokrmilnik je napisan tako, da

lahko z računalnikom nastavljamo korake posameznega motorja/ventila in smer, merimo

temni in svetli tok, napetost na izhodu OPT101 in absorpcijo, s pritiskom na posamezno


tipko lahko vklopimo in izklopimo mešalni element/vibrator in lasersko diodo, izpišemo

rezultate zadnje meritve (absorpcijo in pH vrednost) ali sprožimo izvajanje celotne

meritve. S posebnim ukazom lahko tudi izvedemo kalibracijo fotometra pri pH 7 ali pH 8.

Bolj natančen opis algoritma oz. delovanja fotometra je v poglavju 7.3, kjer opisujemo

delovanje fotometra.

Slika 6.3: Programski algoritem

Program za mikrokrmilnik se nahaja v Prilogi D.

START

TIPKA1=1 TIPKA2=1 TIPKA3=1

DA

NE NE NE

Nastavi se

časovnik T3

START T3

DA

TIPKA2=1

NE

STOP T3

T3<=25

Preklopi PIN B2 Preklopi PIN B3

DA NE

Izmeri se

temni tok

Ventil za vodo

odprt?

DA

Odpre se

ventil za

vodo

NE

Nastavi se

časovnik T1

START T1

T1=2740

NE

DA

Odpre se ventil za

reagent

Vklopi se mešalni

element

Izmeri se svetli tok

Nastavi se T1

START T1

T1=2750

NE

DA

Izklopi se mešalni element

Izmeri se absorpcija

Izračuna se pH vrednost

Zapre se ventil za reagent

Zapre se ventil za vodo

Ukaz preko

tipkovnice

Ukaz se razreši

DA

Izpis

absorpcije in

pH vrednosti

VENTILI

MERITVE

IZPIS

NE

Izbira željenega

ventila

Nastavitev smeri

Nastavitev vrtljajev

IZVEDBA

UKAZA

DA

DA

NE

NE

pHSvetli tok

Temni tok

Napetost

Absorpcija

NE

NE

NE

Omogoči

CS'

SPI

Onemogoči

CS'

Izpis

napetosti

St=0

St=10NE

NE

P

O

V

P

R

E

Č

E

N

J

E

DA

PIN_B2=1

PIN_B2=0

DA

Izpis

napetosti

Izpis

absorpcije in

pH vrenosti

Zanka za

Temni tok

Zanka za

Svetli tok

Absorpcija

Izpis

absorpcije in

pH vrednosti

NE


6.2.2 Komunikacija med mikrokrmilnikom in osebnim računalnikom

Mikokrmilnik in osebni računalnik komunicirata preko USB povezave z RS-232

protokolom. USB/RS-232 protokola nismo sami napisali, ampak smo vključili knjižnico

usb_cdc.h, ki jo vsebuje sam prevajalnik CCS C. V programu smo morali inicializirati

usb_cdc knjižnico z ukazom usb_cdc_init() in sam USB, z ukazom usb_init(). Knjižnica

usb_cdc.h nam doda virtualni COM priključek na osebnem računalniku preko USB z

uporabo CDC (»communication device class«).

6.3 Vir in detektor

6.3.1 Laserska dioda

Fotonika se je razširila ravno z razvojem in izdelavo laserskih diod. Laserska dioda je v

primerjavi z laserji cenejša, ima visok izkoristek, preprosto napajanje, majhne dimenzije, je

izjemno hiter in za modulacijo preprost element. Laserska dioda sveti zaradi pojava

imenovanega luminiscenca. Ta pojav je razdeljen na dva dela: vzbujanje in emisija. Glede

na vzbujanje poznamo več vrst luminiscence: fotoluminiscenca, katodna luminiscenca,

elektroluminiscenca in druge oblike luminiscence (kemična itd.). Do luminiscence pri

polprevodnikih pride, kadar elektron iz prevodnega pasu preide v valenčni pas. Temu

pojavu pravimo rekombinacija. Pri rekombinaciji elektron odda energijo v obliki fotona.

Poenostavljeno grafično predstavitev prehodov lahko vidimo na Sliki 6.4.

Slika 6.4: Pasovi in prehodi v polprevodniškem kristalu [9]


Vzbujeni polprevodnik seva večjo spektralno širino kot npr. vzbujeni plin. Izsevano

valovanje ima valovno dolžino, ki je ustrezna (približno) energijski reži (λ≈hc/Er). [9]

Za vir smo izbrali lasersko diodo CW532-020, ki je prikazana na Sliki 5.5. Iz imena lahko

razberemo, da ima laserska dioda valovno dolžino 532 nm in moč do 20 mW. Za ta vir smo

se odločili, ker ima ta valovno dolžino najbližje indikatorju(fenol rdeče), ki ima najvišjo

absorpcijo pri λ=560 nm. Viri z višjimi valovnimi dolžinami blizu λ=560 nm so na voljo,

vendar so zelo dragi.

Slika 6.5: Laserska dioda CW532-20

Lasersko diodo s pripadajočo elektroniko smo morali napajati z napetostjo U=3 V. Shema

vezja je prikazana na Sliki 6.1.

Pred izvedbo z lasersko diodo smo preizkusili dve možni izvedbi. Prva je bila izvedba z

optičnim vlaknom in evanescentim poljem. Tu smo pridobili nekaj znanja iz varjenja

vlaken, ki so zamaknjena po osi. Uporabljali smo posebno vlakno, katero smo morali

privariti izven jedra, ki je v sredini. Na žalost eksperimenti niso dali želenih rezultatov.

Takšen senzor bi lahko usposobili za delovanje, vendar smo imeli preveč težav z izdelavo.

Za težavno se je izkazala tudi izdelava ohišja za takšen senzor in črpalke. To vse bi bilo

časovno dolgotrajno in potencialno drago, zato smo se odločili za izvedbo z LED diodo in

zrcalom. Uporabili smo močno LED diodo, kateri smo želeli skoncentrirati snop izsevane

svetlobe. To smo izvedli s paraboličnim zrcalom, ki je imelo luknjo skozi center, kamor

smo vstavili celico. Slika 6.6 prikazuje takšno izvedbo v eksperimentalnem stanju, kjer se

lahko vidi LED, zrcalo in celico, ki je speljana skozi zrcalo.


Slika 6.6: Izvedba z LED in paraboličnim zrcalom

Da smo sklopili vsaj malo svetlobe v celico, smo morali zrcalo zelo dobro spolirati. Na

žalost nam ni uspelo sklopiti dovolj svetlobe v celico, da bi nadaljevali s takšno izvedbo.

Kot je bilo omenjeno, je poskus z lasersko diodo dal veliko boljše rezultate.

6.3.2 Fotodetektor

Kot detektor nam je služila foto-dioda s komercialnim imenom OPT101. Lastnosti

OPT101:

enojno napajanje od +2,7 do +36 V,

velikost foto-diode 0,09 x 0,09 palca,

pasovna širina 14 kHz pri povratnem uporu 1 FR M ,

notranji povratni upor 1 FR M in

majhen tok v stanju mirovanja: 120 A .

Spektralni odziv OPT101 nam prikazuje Slika 6.7, kjer lahko vidimo, da je detektor

primernejši za IR območje. Na Sliki 6.8 je prikazana vezalna shema.


Slika 6.7: Spektralni odziv OPT101 [9]

Slika 6.8: Shema OPT101 [9]

Kadar je OPT101 v popolni temi, na njegovem izhodu izmerimo napetost ~7,5 mV.

Napetost temnega toka je odvisna od temperature, pri 20° C znaša 7,5 mV.

6.4 A/D pretvornik

PIC18F4550 ima notranji A/D pretvornik z 10 bit-no ločljivostjo. Pri referenčni napetosti

2,048 V ima en bit vrednost 2 mV, kar je premalo, saj je napetost na izhodu fotodetektorja

7,5 mV. Poleg ločljivosti imamo še motnje zaradi oscilatorja in ostale močnostne

elektronike, analognega signala ne moremo speljati na A/D pretvornik z dolgo povezavo,

saj bi s tem povišali vpliv motenj. Odločili smo se za izdelek Texas Instruments ADS7280.

Vezalna shema je prikazana na Sliki 6.9. Prednost pretvornika je velika hitrost vzorčenja (1

MHz pri napajanju nad 3 V), notranji takt, SPI komunikacija, dva vhoda/kanala in TAG bit


(če je omogočen nam pove na katerem kanalu je bila opravljena pretvorba). Za referenco

smo uporabili LM4040-2.0. Referenčna napetost elementa je 2,048 V. Shema z vezavo

reference je v prilogi B.

Slika 6.9: Shema ADS7280 [10]

6.4.1 SPI

Je način komunikacije med dvema napravama, kjer ena prevzame vlogo gospodarja, druga

pa sužnja. SPI se uporablja pri komunikaciji, kjer je na voljo majhno število povezav in

želimo relativno hiter prenos podatkov. Komunikacija poteka v tako imenovanem full

duplex načinu. To pomeni, da je komunikacija dvosmerna brez čakanja ukaza od

gospodarja. Slika 6.10 prikazuje SPI povezavo med gospodarjem in sužnjem.

Slika 6.10: SPI povezava

SCLK je takt, ki ga generira gospodar, MOSI (MasterOutput Slave Input-Gospodar Izhod

Suženj Vhod). SDO je podatkovna linija, preko katere gospodar pošlje podatek sužnju,

MISO (MasterInput Slave Output-Gospodar Vhod Suženj Izhod). SDI je podatkovna linija,

preko katere suženj pošlje podatek gospodarju. SS' (Slave Select-Izbira Sužnja) je linija,


preko katere gospodar izbere sužnja. V primeru, da gospodar komunicira z dvema ali več

sužnji, mora imeti za vsakega svojo SS' linijo. Slika 6.11 prikazuje časovni diagram SPI

komunikacije ADS7280.

Slika 6.11: SPI časovni diagram za ADS7280 [10], A/D je v funkciji sužnja

Ker je TAG bit posebnost, smo morali napisati svojo SPI funkcijo, ki smo jo

implementirali po časovnem diagramu, prikazanem na zgornji sliki. Diagram velja za način

delovanja, kjer so izbrane funkcije:

samodejna izbira kanala,

notranji oscilator,

ročno proženje preko CONVST',

EOC/INT' aktiven na nizek nivo in

TAG bit omogočen.

Koda za spi komunikacijo je v Prilogi D (spi_andrej.c).

Prvi štirje biti, ki jih pošljemo A/D pretvorniku, imajo vrednost 1101, kar je ukaz za »pošlji

vrednost A/D pretvorbe«. Sočasno s pošiljanjem ukaza že prejemamo vrednost rezultata

pretvorbe, kot je razvidno iz časovnega diagrama na Sliki 6.11. PIN_C1 služi kot SDO,


PIN_C2 kot SDI, PIN_C7 kot takt (CLK), PIN_C0 pa kot signal za izbiro A/D pretvornika

(CS'). Za posamezne signale (SDO, SDI, CLK itn.), ki smo jih posneli,glej Prilogo C.

6.5 Filter

Pred A/D pretvornikom smo vezali filter, ki je izločil motnje, da bi bila izmerjena vrednost

bolj točna. Uporabili smo NP (nizko-pasovni) filter 2. reda z mejno frekvenco 10 Hz.

Odločili smo se za Sallen-Key topologijo (filter z enojno pozitivno povratno vezavo) in

Chebyshev tip filtra z vrednostjo valovitosti 1 dB. Izvedbo filtra prikazuje Slika 6.12. Za

takšne tipe filtrov obstajajo tudi tabele koeficientov, ki jih vstavimo v enačbo za izračun

filtra. Za filter 2. reda smo se zgledovali po (6.2), ki predstavlja prenosno funkcijo filtra.

Slika 6.12: Sallen-Key topologija [11]

0

2

1 1 2 0 1 2 1 2 1 2

( )1 1

OUT

IN

V Alp

V C R R A R C s R R C C s

(6.2)

Kjer je:

40

3

1R

AR

- enosmerno ojačenje filtra,

2 cs j f in

1 2 1 2

1

2cf

R R C C - mejna frekvenca v Hz .


Velikokrat si olajšamo delo, da poenostavimo enačbo in določimo R1=mR, R2=R, C1=C in

C2=nC, s tem se tudi poenostavi prenosna funkcija. Enačba (6.3) je že poenostavljena

enačba za kvaliteto, sledita ji še (6.4) in (6.5). [11]

01 (1 )

mnQ

m mn A

(6.3)

1

2cf

RC mn (6.4)

0

2 2 2

0

( )1 1 1

OUT

IN

V Alp

V RC m A mnRC s mnR C s

(6.5)

Filtre se lahko načrtuje tudi na drugačen način, in sicer s pomočjo tabel. Iz prenosne

funkcije se izpišejo karakteristični polinomi, katerih koeficienti so izračunani v tabelah za

filtre. Pri takšnem postopku načrtovanja se moramo odločiti za tip (Chebyshev,

Butterworthov…), vrednost valovitosti in stopnjo filtra.

Za hitrejše načrtovanje in preizkušanje filtrov smo se obrnil na program FilterPro od

podjetja Texas Instruments. V programu smo preko čarovnika nastavili želene parametre

(mejno frekvenco, tip filtra, topologijo, red filtra itn.), ki nato izračuna vrednosti

elementov. Dobrodošla je tudi funkcija za realne elemente, ki preračuna vrednosti uporov

in kondenzatorjev v standardne vrednosti elementov, ki jih lahko kupimo. Slika 6.13

prikazuje shemo filtra, ki nam jo je podal FilterPro.

http://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_filter


Slika 6.13: Shema filtra 2. reda

FilterPro tudi poda lastnosti ojačevalnika (npr. GBW), ki so nam koristile pri nakupu

ojačevalnika. Odločili smo se za OPA4376. Integrirano vezje je sestavljeno iz štirih

operacijskih ojačevalnikov, ima nizek šum, majhno »offset« napetost, lahko deluje pri

unipolarnem napajanju in ojači napetost od zelo nizke napetosti, do skoraj napajalne.

Spodnja meja napetosti na izhodu ojačevalnika je minimalno 10 mV. Ker temni tok pri

OPT101 znaša 7,5 mV, smo morali filtru nastaviti ojačenje večje od 1, da smo lahko

izmerili temni tok brez težav. Odločili smo se za A=4,65. Celoten izračun filtra z

ojačevalnikom:

0

0

2

2

2

1,2

1

1.) Izberemo 0,7, 4,65 in n=4

/ 1 (1 )1 (1 )

3,65 /

.

.

.

90,63 17,328 0,49 0

( 17,328) ( 17,328) 4 90,63 0,49

2 90,63

Q A

mnQ mn mn A

m mn A

Qm Q Qmn mn

m m

m

m

2

0,157 0,698 Pri negativnem Q vezje oscilira.

0,035 0,714 Približno takšen kot smo si ga izbrali.

Q

m Q


2

1

2.) 56 , 10

110 759570

2

26584

c

c

C nF f Hz

f R RRC mn

R

Na koncu filtra smo dodali še en ojačevalnik, ki je dvignil skupno ojačenje na A=10.

V Prilogi B je shema A/D pretvornika in filtra, ki je drugačna. Predvidevali smo, da bomo

imeli več težav z motnjami, zato smo se odločili za izvedbo tiskanine, kjer smo izkoristili

vse ojačevalnike, ki jih ponuja OPA4376, in izdelali filter 6. reda. Po načrtovanju in

izvedbi filtra 2. reda, pa se je izkazalo, da takšen filter zadostuje našim potrebam. Celotna

napaka z A/D pretvornikom, povprečenjem z mikrokrmilnikom in filtrom, pri A=10, je

znašala ±3 mV . Uporabljeni A/D pretvornik je zato, namesto 14 bitne ločljivosti, deloval z

efektivno 12 bitno ločljivostjo.

6.6 Tiskano integrirano vezje

Pri izdelavi TIV smo posvečali pozornost analognim in digitalnim signalom ter motnjam.

Pri ključnih delih vezja, predvsem pri filtru in A/D pretvorniku, smo skušali digitalne

signale povezati stran od analognih. Uporabljen A/D pretvornik ima notranji takt, ki

ustvarja motnje, te pa bi lahko prešle na analogen del. Odpravili smo jih tako, da smo masi

analognega in digitalnega dela vezja povezali v eni (majhni) točki. Za dodatno odpravo

motenj v analognem delu smo uporabili čim manjše SMD elemente, da smo jih lahko

povezali čim bolj skupaj. Prostor na tiskanini, ki ni bil zaseden s povezavami, smo

namenili masi, tako smo imeli na obeh straneh TIV velika območja mase. Končne izvedbe

TIV so prikazane v Prilogi B.

6.7 Program za osebni računalnik

Fotometer je namenjen za industrijo, kjer pa je zaželeno, da se merilnike nadzoruje na

daljavo. Zato smo se odločili, da bomo izdelali program za osebni računalnik, preko


katerega bomo krmilili merilnik in prejemali stanje merilnika in meritve. Za izdelavo

programa smo izbrali programsko okolje LabView. Uporabniški vmesnik prikazuje Slika

6.14, blokovni diagram pa prikazuje Slika 6.15.

Slika 6.14: Čelna plošča programa v LabViewu


Slika 6.15: Blokovni diagram programa v LabViewu

Odločili smo se za RS-232 komunikacijo, ki je potekala preko USB. LabView že ima

izdelane bloke za takšno komunikacijo. Izdelali smo ukaze za tipke, da smo z njimi

enostavno odpirali in zapirali ventila, ter izvedli meritev pH vrednosti. Dodali smo še

ukazno polje, kamor lahko vnesemo bolj specifičen ukaz.

6.8 Koračni motorji

V praksi obstaja veliko izvedb koračnih motorjev (s trajnimi magneti, z mehko magnetno

kotvo in hibridni). Odločili smo se za motor s trajnimi magneti. Slednji se tudi največ

uporabljajo, predvsem zaradi relativno dobrega izkoristka ter statičnih in dinamičnih

lastnosti. Imajo tudi posebno lastnost, ki se ji reče zadržni (lepilni) vrtilni moment. En

obrat rotorja je sestavljen iz točnega števila korakov, ki pa je različno od gradnje motorja.

Koračni motor je dober most med digitalno informacijo in inkrementalnim mehanskim

pomikom, kar smo s pridom izkoriščali. Slika 6.16 prikazuje stator in rotor našega

koračnega motorja. [12]


a.) b.)

Slika 6.16: a.)Stator dvofaznega koračnega motorja b.) in rotor za koračni kot 1,8°

Da lahko tak motor zavrtimo, ga priključimo, na dvojni polni mostič in ga krmilimo s

signali, ki so prikazani na Sliki 6.17. Slika 6.18 prikazuje zgradbo mostiča, ki smo ga

uporabili.

Slika 6.17: Krmilni signali koračnega motorja [13]

Signal A ustreza eni veji mostiča, vsak mostič pa je sestavljen iz dveh vej. Ker je osem

preklopnih tranzistorjev, bi lahko krmilili mostič z osmimi signali, vendar se po dva

diagonalna izključujeta, da ne pride do kratkih stikov. Na ta način se število signalov

razpolovi na štiri.

Slika 6.18: Mostič [14]


Mostič, ki smo ga uporabili, je znan pod komercialnim imenom L298. Krmilnih signalov

nismo generirali sami z mikrokrmilnikom, ampak smo to nalogo zaupali krmilniku, ki je

izdelan ravno s tem namenom, L297. Vezalno shemo krmilnika in mostiča prikazuje Slika

6.19.

Slika 6.19: Shema krmilnika koračnega motorja z mostičem [14]

Za krmiljenje ventilov smo uporabili koračne motorje japonskega proizvajalca Japan Servo

z oznako KP35FM2-044. Tehnični podatki:

24 U V ,

Dvofazno (bipolarno) navitje,

Koračni kot znaša 1,8 ,

500 I mA ,

8 fazeR ,

7,8 fazeL mH in

držalni 0,0686 M Nm . [15]

Zanje smo se odločili zaradi pravilnega zapiranja in odpiranja, ki nam ga omogoča koračni

motor. Pri naši izvedbi ni dobro, če se ventil preveč zapre, saj se lahko poškoduje cev. Po


drugi strani pa si ne moremo privoščiti, da ventila nebi dovolj zaprli in dovolili indikatorju,

da steče v celico npr. pri meritvi »svetlega toka«. Na Sliki 6.16 lahko vidimo, da ima naš

motor osem statorskih polov, vsak pol ima pet zob, rotor pa jih ima petdeset. Med podatki

za motor lahko zasledimo, da ima dvofazno navitje, kar pomeni, da so tuljave na

posameznem statorskem polu stkane tako, da tvorijo takšno navitje.

Elektroniko za krmiljenje motorjev, mikrokrmilnik, lasersko diodo in vibrator smo vstavili

v ohišje. Slika ohišja je v Prilogi A.

7 MIKROFLUIDNI NIZKOPRETOČNI FOTOMETER

pH vrednosti ne moremo izmeriti z nobeno termodinamično metodo. Oznaka pH se nanaša

na aktivnost vodikovih ionov ( H ) v raztopini. Definicijo pH podaja enačba (7.1). [16]

10log HpH a (7.1)

kjer je:

Ha - aktivnost vodikovih atomov v raztopini v /mol L .

pH vrednost se giblje med vrednostjo 0 in 14. Kadar govorimo o aktivnostih vodikovih

ionov, govorimo o kislosti in bazičnosti. Pri pH 7 je raztopina nevtralna, nad pH 7 je

bazična, pod pH 7 je kisla. Koncentracijo vodikovih ionov in pripadajočo pH vrednost

prikazuje Tabela 7.1.


Tabela 7.1: pH skala [17]

območje pH

0 1 0,00000000000001

1 0,1 0,0000000000001

2 0,01 0,000000000001

kislo 3 0,001 0,00000000001

4 0,0001 0,0000000001

5 0,00001 0,000000001

6 0,000001 0,00000001

nevtralno 7 0,0000001 0,0000001

8 0,00000001 0,000001

9 0,000000001 0,00001

10 0,0000000001 0,0001

bazično 11 0,00000000001 0,001

12 0,000000000001 0,01

13 0,0000000000001 0,1

14 0,00000000000001 1

H koncentracija [ / ]mol LOH koncentracija [ / ]mol L

pH lahko izmerimo na dva načina, in sicer na elektrokemični (z uporabo posebnih

elektrod) in optični način (z merilnimi lističi ali indikatorji, ki jih zmešamo z raztopino). V

grobem, pri elektrokemičnem procesu merjenja merilna elektroda reagira z vodikovimi

ioni v raztopini. Med to in referenčno elektrodo se pojavi napetost, ki jo izmeri mV-meter.

Pri optičnem merjenju pH izmerimo posredno preko obarvanosti indikatorja. Proizvajalci

priložijo barvno skalo.

7.1 Merjenje pH z indikatorjem

Kot indikator smo uporabili fenol rdeče, ki smo ga zmešali z destilirano vodo.

Komercialnih proizvodov nismo uporabili, saj nismo uspeli pridobiti dovolj podatkov

zanje, ker je rdeči fenol zmešan z drugimi sestavinami in je to poslovna skrivnost

proizvajalca. Prav tako so bili podatki komercialnih proizvodov navedeni za določeno

valovno dolžino in optično pot. Ker nismo merili absorpcije pri »zahtevanih« pogojih, smo

se odločili uporabiti samo rdeči fenol, za katerega smo imeli dovolj podatkov [18]. Tu je

šlo predvsem za poznavanje koncentracije, ki jo je bilo potrebno vnesti v spektrometer.

Zmešali smo 0,4 g fenola rdeče z enim litrom destilirane vode. Fenol rdeče je glavna

sestavina indikatorjev, ki se uporabljajo za merjenje pH od 6,8 do 8,4. V tem območju

pride do največje spremembe v barvi. Za preprosto domačo uporabo se indikator uporablja

v kombinaciji z barvno lestvico, kjer so pobarvani krogi za pripadajočo pH vrednost. Na


takšen krog postavimo stekleničko navadne oz. destilirane vode, na belega pa vzorec vode

z indikatorjem. Če se barvi ujemata, preberemo napisano vrednost nad obarvanim krogom.

Primer barvne skale prikazuje Slika 7.1.

Slika 7.1: Barvna skala

Za uporabno meritev smo indikator zmešali z vodo v razmerju 1:62,5 (delež vode je višji

od deleža indikatorja). Do takšnega mešalnega razmerja smo prišli s primerjavo

komercialnega indikatorja. Pri takšnih analizah ni dobro, če je v vzorcu preveč indikatorja,

saj lahko pride do zasičenja, če ga je premalo je slabša absorpcija. Kot smo že omenili v

poglavju 6.3.1, je valovna dolžina za fenol rdeče, pri kateri je absorpcija najvišja, λ=560

nm, mi pa smo merili absorpcijo pri λ=532 nm. Odločili smo se, da bomo izmerili, ali se

absorpcija pri tej valovni dolžini spreminja linearno s koncentracijo pri določeni pH

vrednosti. Dobili smo rezultate, ki jih prikazuje Slika 7.2. Slika 7.3 prikazuje obarvanost

indikatorja pri različnih pH vrednostih in c=0,0178 mmol/L.


Slika 7.2: Meritve koncentracij pri različnih pH vrednostih in koncentracijah

Rezultati niso bili najbolj obetavni. Ker so vsi grafi, razen pri pH 6,4, nelinearni, pomeni,

da tu Beer-Lambert-ov zakon ne drži, smo pa na meji. Rezultati niso porazni, saj je tu

velika sprememba v koncentraciji. Prej smo omenili, da smo mešali indikator z vodo v

razmerju 1:62,5. Na grafu to predstavlja prvo točko, kjer koncentracija znaša 0,0178

mmol/L. Pri zadnji točki, kjer je koncentracija 0,068 mmol/L, je bilo razmerje samo še

1:15,26. Koncentracija se je zvišala za faktor 3,8. Pomembno je omeniti tudi to, da je

koncentracija določena z dolžinami in premeri cevi in kapilaro ter vodnima stolpcema vode

in indikatorja. Ker je malo možnosti, da se spremeni koncentracija, je verjetnost, da se bo

posledično spremenila absorpcija, razmeroma majhna.

Slika 7.3: pH vzorci z indikatorjem (od leve proti desni pH 8,4, pH 7,5, pH 7, pH 6,4)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Ab

sorp

cija

koncentracija [mmol/L]

pH 6,4

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Ab

sorp

cija

Koncentracija [mmol/L]

pH 7

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Ab

sorp

cija


pH 7,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

abso

rpci

ja


pH 8,4


7.2 Izdelava umeritvene krivulje

Po izmerjeni absorpciji pri znani koncentraciji (0,0178 mmol/L), valovni dolžini (λ=532

nm) in optični poti (1 cm), smo lahko izračunali »približno« krivuljo absorpcije glede na

pH vrednost. Rezultat prikazuje Graf 1. Graf 2 smo dobili tako, da smo meritve iz

spektroskopa pomnožili z mnogokratnikom naše optične poti (1,6).

Graf 1: Prikaz meritev spektrometra

Graf 2: Prikaz meritev fotometra

Ko smo pisali program za mikrokrmilnik smo želeli, da bi lahko koeficiente enačbe, za

izračun pH vrednosti, spreminjal uporabnik brez ponovnega programiranja. Zaradi tega

smo v enačbo, ki jo prikazuje Graf 2, vstavili koeficient Kp. Končno enačbo, za izračun pH

vrednosti, prikazuje (7.2).

y = 47,907x3 - 37,422x2 + 12,235x + 5,998

6

6,2

6,4

6,6

6,8

7

7,2

7,4

7,6

7,8

8

8,2

8,4

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

pH

Absorpcija

y = 11,795x3 - 14,753x2 + 7,7011x + 5,9919

6

6,2

6,4

6,6

6,8

7

7,2

7,4

7,6

7,8

8

8,2

8,4

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

pH

Absorpcija


3 2

11,795 14,753 7,7011 5,9919p p p

A A ApH

K K K

(7.2)

kjer je:

A - absorpcija in

pK - koeficient za popravek.

Enačba za absorpcijo (2.2) je sestavljena iz treh koeficientov, ki jih zmnožimo. Lahko si

zamislimo svojega in ga nadomestimo s poljubnima dvema. Ta »nova« enačba je

matematično pravilna, vendar izgubimo fizikalno ozadje. Takšno umerjanje je prikladno,

kadar se merilniku podre razmerje indikator/voda ali spremeni optična pot, saj lahko

enostavno z enim koeficientom spet umerimo merilnik. Zakaj bi se lahko porušila

koncentracija indikatorja ali optična pot? Recimo, da pride do poškodovanja cevi ali celice

in jo moramo zamenjati. Težko zagotovimo, da bomo lahko novo cev odrezali na enako

dolžino kot prejšnjo in izdelali celico enake dolžine. Ker določamo koncentracijo

indikatorja v vodi z upornostjo cevi, vsaka sprememba dolžine cevi ali premera, vpliva na

razmerje med indikatorjem in vodo ali optično pot, kadar govorimo o menjavi celice, kar

lahko privede do napačne meritve. Po tem, ko celico ali cevi zamenjamo, vanje nalijemo

indikator in pH referenco (npr. pH 7 ali 8) ter izmerimo pH. Glede na dobljeno vrednost

spremenimo koeficient z imenom popravek. V primeru enakega rezultata ostane takšen kot

je bil, če ga prej nismo spreminjali ostane na vrednosti 1. Ker se koncentracija ne

spreminja linearno, mi pa uporabljamo Kp za linearen popravek, nas je zanimala napaka, ki

pri tem nastane. Spodaj sta tabeli, ki prikazujeta odstopanja od pravih vrednosti.

Tabela 7.2: Odstopanje pri pH 6,4 zaradi koncentracije

c [mmol/L] K A Enačba za

pH Razlika

0,0178 1 0,0594 6,40003361 prvotna krivulja

0,035 1,9663 0,0593 6,399078405 krivulja A/K -0,000955205

0,1166 6,399985715 prava krivulja -4,78957E-05

0,0517 2,904494 0,059235 6,398758955 krivulja A/K -0,001274656

0,1720 6,400022447 prava krivulja -1,11629E-05

0,068 3,820225 0,059208 6,398598443 krivulja A/K -0,001435167

0,2262 6,399974214 prava krivulja -5,93964E-05


Tabela 7.3: Odstopanje pri pH 7 zaradi koncentracije

c [mmol/L] K A Enačba za

pH Razlika

0,0178 1 0,188994 7,000026522 prvotna krivulja

0,035 1,9663 0,1675 6,923283536 krivulja A/K -0,076742986

0,329319 6,999980581 prava krivulja -4,59417E-05

0,0517 2,904494 0,159549 6,892958248 krivulja A/K -0,107068274

0,46341 7,000004607 prava krivulja -2,19149E-05

0,068 3,820225 0,179107 6,965723227 krivulja A/K -0,034303295

0,684228 6,999953743 prava krivulja -7,2779E-05

Prva vrsta v zgornjih tabelah predstavlja krivuljo, ki smo jo dobili pri optični poti l=1,6 cm

in c=0,0178 mmol/L. Poimenovali smo jo prvotna krivulja. Za izračun pH vrednosti smo

uporabili enačbo (6.2). Krivulje, ki smo jih poimenovali prava krivulja, smo dobili tako, da

smo najprej izračunali absorpcije pri dani koncentraciji. Iz novih/pravih absorpcij smo

sestavili novo krivuljo, ki je bolj točna, saj upošteva nelinearnost koncentracije. Preprosto

povedano, uporabili smo enak postopek kot pri izdelavi krivulje pri c=0,0178 mmol/L, še

za ostale koncentracije. Krivulja A/K je enaka prvotni, le da smo A delili s koeficientom K.

K smo dobili tako, da smo delili novo koncentracijo s c=0,0178 mmol/L. V primeru, da bi

se koncentracija spreminjala linearno, bi bila razlika enaka 0. Opazimo lahko, da je

najvišja razlika, ki smo jo izračunali za pH vrednost, znašala 0,1. S tem smo dobili

potrdilo, da lahko pH izmerimo z napako ±pH 1.

Za določitev koncentracije smo na celico priključili cevi in izmerili pH referenčnega

vzorca. S to meritvijo smo dobili zadnji podatek za merilnik. Koncentracija, ki smo jo

ustvarili s cevnim sistemom, je imela vrednost c=0,038 mmol/L. Koeficient Kp je imel

vrednost 2,13. Koncentracija je bila višja od načrtovane, vendar ni povzročala problemov z

absorpcijo.

7.3 Opis delovanja

Kadar želimo izmeriti pH, pritisnemo na tipko 1 ali pa to opravimo z ustreznim ukazom

preko računalnika. Program najprej preveri, če je odprt ventil za vodo. V primeru, da ni


odprt, se najprej ventil odpre in počaka, da steče dovolj vode skozi celico, da jo spere. S

tem pripravimo celico na novo meritev. Nato se odpre ventil za indikator, vklopi se

mešalni element in izmerita se temni in svetli tok. Ko preteče dovolj časa, se izmeri

absorpcija in iz umeritvene krivulje izračuna pH, ki se nato izpiše na računalniku in LCD

zaslonu. Za konec se izklopi mešalni element, zapre ventil za indikator in čez nekaj časa še

ventil za vodo. Med samim delovanjem ne moremo izvajati drugih ukazov, ker smo jih

onemogočili, da nebi zmotili programa med izvajanjem. Izklopili smo tudi izpis zadnje

izmerjene pH vrednosti (ker se ta meri) ter vklop in izklop mešalnega elementa in laserske

diode.

Kadar smo uporabljali destilirano vodo, čiščenje ni bilo potrebno. V primeru merjenja pH

vode, je bilo potrebno celico očistiti z destilirano vodo, da se na steno ne bi nabral vodni

kamen. V primeru, da se na stene nabere vodni kamen, moramo celico očistiti s kislino,

npr. 0,5 % žvepleno kislino.

8 PREDSTAVITEV REZULTATOV

V prejšnjem poglavju smo izračunali razred točnosti, ki bi ga lahko dosegli. To smo se

odločili tudi preizkusiti. Cev za vodo, v kateri je bila referenca za umerjanje, smo

izpraznili in nalili navadno vodo. Izmerili smo pH 8,3. Nato smo pripravili referenčen

vzorec, pri c=0,0178 mmol/L, da smo lahko primerjali barvi. Dobili smo rezultat, ki ga

prikazuje Slika 8.1. Opazimo lahko, da sta oba vzorca obarvana vijolično, vendar je

vzorec, kjer je voda, bolj svetle barve. Visoka pH vrednost vode nam pove, da voda

vsebuje veliko vodnega kamna.


Slika 8.1: Primerjava vzorcev

Z našim merilnikom smo lahko določili pH vrednost bolj točno, kot bi jo lahko z barvno

lestvico.

9 ZAKLJUČEK

Pred izdelavo diplomske naloge smo si zadali cilj, da bomo izdelali mikrofluidni

nizkopretočni fotometer, ki bo namenjen za industrijsko uporabo, z njim pa bi želeli

izmeriti točneje, kot lahko določimo pH vrednost z barvnimi lestvicami, ki so priložene

indikatorjem.

Uspelo nam je izdelati fotometer, ki je opravil meritev majhnega vzorca. Imeli smo tudi

boljšo točnost kot pri uporabi barvnih lestvic. Na žalost naš prototip ni povsem namenjen

za industrijsko uporabo, glede na način kako smo dovajali vodo in indikator v merilnik.

Usposobiti nam ni uspelo več meritev hkrati, da bi lahko izmerili še prisotnost kakšne

druge snovi. Tu nam je spodletelo zaradi časovne stiske.

Materialni stroški, ki smo jih imeli z izdelavo, so znašali približno 550 €. V teh stroških ni

všteta programska oprema za osebni računalnik. Cene ročnih fotometrov za analizo

vzorcev se pričnejo pri okoli 300 €. Če bi se odločili za proizvodnjo, bi morali napraviti še

nekaj izboljšav, predvsem pa bi morali opustiti aluminijasto ohišje, cene TIV in

elektronskih komponent bi bile nižje, če bi jih kupovali v višjih količinah.


9.1 Izboljšave

Da bi merilnik lahko začeli uporabljati v industriji, bi morali predvsem izboljšati dovajanje

vode in indikatorja. Tu bomo opisali nekaj idej. Namesto steklenih čaš bi uporabili

plastične posodice, v katere bi lahko preko ventilov dovedli vodo. Reagent bi lahko

preprosto dolili ročno. Na posodice bi priključili kompresor, s katerim bi zagotovili

konstanten tlak. S tem bi se izognili uporabi visokega cevnega sistema, ki smo ga

uporabljali. V ceveh bi lahko merili pretoke. S tem bi lahko celo lažje nadzirali

koncentracijo indikatorja v vodi, vendar bi se cena izdelka dvignila. Za vir bi morali

uporabiti predvsem več laserskih diod, da bi lahko opravili meritve pri drugih valovnih

dolžinah, saj imajo različni indikatorji najvišje absorpcije pri različnih valovnih dolžinah.

Nekaj dela bi morali vložiti v izboljšan postopek izdelave celice.

10 LITERATURA

[1] Douglas A. Skoog, AnalyticalChemistry, An Introduction, sedma izd., Sounders

College Publishing, Orlando Florida, 2000.

[2] Zgodovina spektroskopije, Naslov:

http://spectroscopyonline.findanalytichem.com/spectroscopy/article/articleDetail.js

p?id=381944&pageID=1&sk=&date=[Dostopano: 25.07. 2011].

[3] J. M. Hollas, Modern Spectroscopy, četrta izd., John Wiley & Sons Ltd, Hoboken

New Jersey, 2004.

[4] T. Owen, Fundamentals of UV-visiblespectroscopy, Primer, Agilent Technologies,

Nemčija, 2000.

[5] David W. Ball, TheBasicsofSpectroscopy, SPIE, Bellingham Washington, 2001.

[6] Yeshaiahu Fainman, Luke P. Lee, Demetri Psaltis, Changhuei Yang, Optofluidics,

Fundamentals, Devices,andApplications, McGraw Hill, New York, 2010.

[7] Andrew E. Kamholz and Paul Yager, TheoreticalAnalysis of MolecularDiffusion in

Pressure-DrivenLaminarFlow in MicrofluidicChannels,Biophysical Journal,

Volume 80, Januar 2001.

[8] 18F4550 podatkovni list,

Naslov:http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf

[Dostopano: 24.08. 2011].

[9] OPT101 podatkovni list, Naslov: http://www.ti.com/lit/ds/sbbs002a/sbbs002a.pdf

[Dostopano: 24.08. 2011].

[10] ADS7280 podatkovni list, Naslov: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads7279.pdf

[Dostopano: 24.08. 2011].

[11] James Karki, Analysis of the Sallen-Key Architecture, Application Report, Texas

Instruments, 2002.

http://spectroscopyonline.findanalytichem.com/spectroscopy/article/articleDetail.jsp?id=381944&pageID=1&sk=&date=

http://spectroscopyonline.findanalytichem.com/spectroscopy/article/articleDetail.jsp?id=381944&pageID=1&sk=&date=

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/sbbs002a/sbbs002a.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads7279.pdf


[12] Ivan Zagradišnik in Bojan Slemnik, Električni rotacijski stroji, četrta popravljena

izdaja, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor, 2007.

[13] Podatki za koračni motor, Naslov:

http://www.jameco.com/Jameco/catalogs/c291/P74.pdf [Dostopano: 13. 04. 2012].

[14] L297 podatkovni list, Naslov:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXryyss

.pdf [Dostopano: 13. 04. 2012]

[15] L298 podatkovni list, Naslov:

http://www.cse.dmu.ac.uk/~mgongora/Resources/L298N.pdf [Dostopano: 13. 04.

2012]

[16] R. P. Buck (predsednik), Measurement of pH. Defnition, standards, and procedures

(IUPAC Recommendations 2002), International union of pure and applied

chemistry, 2002.

[17] A guide to pH measurement, Naslov:

http://www.alliancets.com/site/files/408/29497/109873/159912/Guide_to_pH_Mea

surement.pdf [Dostopano: 26.01. 2012]

[18] Merck, Naslov: http://www.merck-chemicals.com/slovenia/phenol-

red/MDA_CHEM-107241/p_uuid [Dostopano: 06.03. 2012]

11 KAZALO SLIK

Slika 2.1: Prehajanje med energijskimi prehodi [1], stanj je več kot jih prikazuje slika ...... 2

Slika 2.2: Elektromagnetni spekter [3] .................................................................................. 2

Slika 2.3: Spekter energijskih nivojev [4] ............................................................................. 3

Slika 2.4: Absorpcijski in emisijski spektrometer [5] ........................................................... 5

Slika 2.5: Evanescentno polje ................................................................................................ 7

Slika 2.6: Izvedba valovoda................................................................................................... 8

Slika 3.1: Laminarni tok ........................................................................................................ 9

Slika 3.2: Difuzija [7] .......................................................................................................... 10

Slika 4.1: Blokovna shema merilnika .................................................................................... 1

Slika 5.1: Posrebrena kapilara ............................................................................................... 2

Slika 5.2: Izdelana celica ....................................................................................................... 2

Slika 5.3: Valovodna lastnost celice ...................................................................................... 3

Slika 5.4: Komora z virom .................................................................................................... 3

http://www.jameco.com/Jameco/catalogs/c291/P74.pdf

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXryyss.pdf

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXryyss.pdf

http://www.cse.dmu.ac.uk/~mgongora/Resources/L298N.pdf

http://www.alliancets.com/site/files/408/29497/109873/159912/Guide_to_pH_Measurement.pdf

http://www.alliancets.com/site/files/408/29497/109873/159912/Guide_to_pH_Measurement.pdf

http://www.merck-chemicals.com/slovenia/phenol-red/MDA_CHEM-107241/p_uuid

http://www.merck-chemicals.com/slovenia/phenol-red/MDA_CHEM-107241/p_uuid


Slika 5.5: Tlačni sistem ......................................................................................................... 5

Slika 5.6: PZT mešalni element brez in z vibratorjem .......................................................... 6

Slika 5.7: Ventila ................................................................................................................... 8

Slika 5.8: Ventila z motorjem ................................................................................................ 8

Slika 6.1: Stabilizacijska vezja .............................................................................................. 9

Slika 6.2: Razporeditev nogic in njihove funkcije [8] ......................................................... 11

Slika 6.3: Programski algoritem .......................................................................................... 12

Slika 6.4: Pasovi in prehodi v polprevodniškem kristalu [9] .............................................. 13

Slika 6.5: Laserska dioda CW532-20 .................................................................................. 14

Slika 6.6: Izvedba z LED in paraboličnim zrcalom............................................................. 15

Slika 6.7: Spektralni odziv OPT101 [9] .............................................................................. 16

Slika 6.8: Shema OPT101 [9] .............................................................................................. 16

Slika 6.9: Shema ADS7280 [10] ......................................................................................... 17

Slika 6.10: SPI povezava ..................................................................................................... 17

Slika 6.11: SPI časovni diagram za ADS7280 [10], A/D je v funkciji sužnja .................... 18

Slika 6.12: Sallen-Key topologija [11] ................................................................................ 19

Slika 6.13: Shema filtra 2. reda ........................................................................................... 21

Slika 6.14: Čelna plošča programa v LabViewu ................................................................. 23

Slika 6.15: Blokovni diagram programa v LabViewu ......................................................... 24

Slika 6.16: a.)Stator dvofaznega koračnega motorja b.) in rotor za koračni kot 1,8° ......... 25

Slika 6.17: Krmilni signali koračnega motorja [13] ............................................................ 25

Slika 6.18: Mostič [14] ........................................................................................................ 25

Slika 6.19: Shema krmilnika koračnega motorja z mostičem [14]...................................... 26

Slika 7.1: Barvna skala ........................................................................................................ 29

Slika 7.2: Meritve koncentracij pri različnih pH vrednostih in koncentracijah................... 30


Slika 7.3: pH vzorci z indikatorjem (od leve proti desni pH 8,4, pH 7,5, pH 7, pH 6,4) .... 30

Slika 8.1: Primerjava vzorcev .............................................................................................. 35

12 KAZALO TABEL

Tabela 2.1: Tipi spektroskopije preko elektromagnetnega spektra [5] ................................. 4

Tabela 7.1: pH skala [17] .................................................................................................... 28

Tabela 7.2: Odstopanje pri pH 6,4 zaradi koncentracije ..................................................... 32

Tabela 7.3: Odstopanje pri pH 7 zaradi koncentracije ........................................................ 33

13 PRILOGE


13.1 Priloga A. Mehanski sistem


3D model:

Slika komore z lasersko diodo in zbiralnikom z odtokom:


Slika ohišja za elektroniko:

Slika cevnega sistema:


Slika merilnika:


Priloga B. Sheme in TIV

Shema vezave mikrokrmilnika:

Vezje za PZT:


Vezje za A/D pretvornik:

Shema filtra 6. reda:

Zgornja stran tiskanine:


13.2 Priloga C. SPI signali

Signal SPI-sdo (uK)

Signal SPI-sdo (uK)-zoom: Signal SPI-sdi (uK) z TAG bit-om:

Signal SPI-sdi (uK)-brez TAG bita: Signal SPI-sdi (uK)-zoom podatek:


Signal SPI-sdi (uK)-podatke in TAG bit: Signal SPI-CS':

Signal CONVST': Signal EOC:

13.3 Priloga D. Program

13.3.1 Main.c

#include<18F4550.h>

#include<stdlib.h>

#include<math.h>

#use delay(clock=48000000) //ura je večja od prave zaradi USB-ja

#include<D:\PICC\Drivers\usb_cdc.h>

#include<D:\PICC\Drivers\lcd.c>

#include<D:\PICC\Drivers\internal_eeprom.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\spi_andrej.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\motor.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\fuses.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\AD.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\prekinitve.c>


#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\pH.c>

#include<D:\FAKS\PIC_andy\test_laptop\pomoc.c>

float pH=0;

float kanal0[10];

float kanal1[10];

float inic0[10];

float inic1[10];

float inic_pov0=0;

float tem0[10];

float tem1[10];

float I0=0;

float A0;

float vmes0;

float nap0;

float popravek;

float izpis;

float H;

float a1,b1,c1,d1;

float A7,A8;

unsigned int32 vrtljaji=0;

unsigned int32 ref=0;

unsigned int32 test=0;

int smer;

int n=0;

int k0=0;

int k1=0;

int z=0;

short ch=0;

short kal=0;

short kalibracija=0;

short izvedi=0;

char vnos[3];

char obrati[4];

char pop[6];

char V;

char a2[8],b2[8],c2[8],d2[8];

char A71[6],A81[6];

#define naslov 10

#define naslov1 20

#define naslov2 30

#define naslov3 40

#define naslov4 50

#define naslov5 60

#define naslov6 70

//_______INICIALIZACIJA PORTOV_____________________________________//

#use fast_io(a)

#use fast_io(c)


#use fast_io(b)

//_______INICIALIZACIJA PORTOV_____________________________________//

//____________________GLAVNI DEL PROGRAMA__________________________//

void main()

{

//_______INICIALIZACIJA PINOV______________________________________//

set_tris_a(0x00) ; //0=Izhod, 1=Vhod

set_tris_b(0x01);

set_tris_c(0x04);

set_tris_e(0x07);

//_______INICIALIZACIJA PINOV______________________________________//

lcd_init(); //Inicializacija LCD-ja

usb_cdc_init(); //Inicializacija USB-ja za "RS-232 emulator"

usb_init(); //Inicializacija USB-ja

output_high(PIN_C0);

output_high(PIN_B1);

output_low(PIN_C1);

output_low(PIN_C7);

output_low(PIN_B2);

output_low(PIN_B3);

output_low(PIN_A5);

output_low(PIN_A3);

output_low(PIN_A1);

//_______A/D PINE OZ. PORTE NASTAVIM NA DIGITALNE__________________//

setup_adc(ADC_OFF);

setup_adc_ports(NO_ANALOGS);

//_______A/D PINE OZ. PORTE NASTAVIM NA DIGITALNE__________________//

printf(lcd_putc,"\f MIKROFLUIDNI");

delay_ms(1500);

printf(lcd_putc,"\n NIZKOPRETOCNI");

delay_ms(1500);

printf(lcd_putc,"\f FOTOMETER");

delay_ms(1500);

printf(lcd_putc,"\nT1:pH T2:LD T3:M");

delay_ms(1500);

for(i=0;i<=2;++i)

vnos[i]=0;

//_______NASTAVITEV ČASOVNIKA 1____________________________________//

enable_interrupts(GLOBAL);

setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);

disable_interrupts(int_timer1); //časovnik kasneje vklopim, ko ga potrebujem

set_timer1(0);




setup_timer_3(T3_INTERNAL|T3_DIV_BY_8);

disable_interrupts(int_timer3);

set_timer3(0);


popravek=read_float_eeprom(naslov); //koeficient za popravek absorpcije preberem iz eeproma

a1=read_float_eeprom(naslov1);

b1=read_float_eeprom(naslov2);

c1=read_float_eeprom(naslov3);

d1=read_float_eeprom(naslov4);

A7=read_float_eeprom(naslov5);

A8=read_float_eeprom(naslov6);

while(1) //Primer ukaza: VZ125000-Ventil zapri 1 2500 korakov

{

if(rocno==1)

{

printf(lcd_putc,"\fT1:pH T2:LD T3:M");

printf(lcd_putc,"\n POTEKA MERITEV ");

delay_ms(200);

}

else

{

printf(lcd_putc,"\fT1:pH T2:LD T3:M\n "); //Izpis možnosti za tipke s puščicami

lcd_send_byte(0x11,0xC6);

printf(lcd_putc," ");

printf(lcd_putc,"VI");


printf(lcd_putc,"BRA");

printf(lcd_putc," ");


delay_ms(200);

}

if(usb_cdc_kbhit()) //Ali je bila tipkovnica uporabljena-USB/RS 232 komunikacija

{

delay_ms(50);

if(rocno==0) //Vnos preko USB/RS 232 komunikacije

vnos[0]=usb_cdc_getc(); //Vnos prvega znaka

switch (vnos[0]) //Prvi znak

{

case 't':printf(usb_cdc_putc,"Komunikacija je vzpostavljena. "); //Test komunikacije

break;

case 'N':AD(1); //Izpišem napetost na "prvem" izmerjenem kanalu

break;

case 'A':printf(usb_cdc_putc,"Merjenje absorpcije... "); //Absorpcija

printf(lcd_putc,"\f Merjenje \n absorpcije");

k0=0;

k1=0;


for(i=0;i<=9;++i) //Vrednosti postavim na 0

{

kanal0[i]=0;

kanal1[i]=0;

}

if((rocno==1)&&(ponovitev==7))

++ponovitev; //ponovitev=8;

output_high(PIN_B2); //VKLOP LASERSKE DIODE!!!

delay_ms(200);

for(n=0;n<=9;++n) //Izmerim 10 vrednosti

{

AD(0);

kanal0[k0]=vrednost;

++k0;

}

//izračunam povprečje 1. desetih vrednosti

for(i=0;i<=9;++i)

kanal1[k1]+=kanal0[i];

kanal1[k1]=kanal1[k1]/10;

++k1;

k0=0;

for(n=0;n<=8;++n) //Opravim eno meritev manj

{ //Premikajoče povprečje

AD(0);

kanal0[k0]=vrednost;

for(z=0;z<=9;++z)

kanal1[k1]+=kanal0[z];

kanal1[k1]=kanal1[k1]/10;

++k0;

++k1;

}

output_low(PIN_B2); //IZKLOP LASERSKE DIODE!!!

//Povprečje premikajočega povprečja

nap0=0;

for(i=0;i<=9;++i)

nap0+=kanal1[i];

nap0=nap0/10;

nap0=nap0*faktor; //Izračunano povprečje premikajočega povprečja

nap0-=I0; //Odštejem temni tok

vmes0=nap0/inic_pov0 ; //Razmerje svetlobnih tokov oz. napetosti

A0=(-1)*log10(vmes0);

pH=izr_ph(A0,popravek,a1,b1,c1,d1); //Izračun pH vrednosti

printf(usb_cdc_putc,"U1=%0.8f V A=%0.4f ",nap0,A0);

delay_ms(100);

printf(lcd_putc,"\f Izmerjena \n A = %0.4f",A0);

delay_ms(1500);

printf(usb_cdc_putc,"pH=%0.2f ",pH);

delay_ms(100);

printf(lcd_putc,"\f pH = %0.1f",pH);


delay_ms(1500);

usb_cdc_kbhit()=0;

if(kalibracija==1)

{

izpis=popravek;

if(ref==7)

{

H=abs(pH-7);

if(H>=0.2)

{

popravek=A0/A7; //kalibracija absorpcije

kal=1;

}

}

if(ref==8)

{

H=abs(pH-8);

if(H>=0.2)

{

popravek=A0/A8; //kalibracija absorpcije

kal=1;

}

}

if(kal==1)

{

printf(usb_cdc_putc,"Po meritvi A je bilo napravljeno umerjanje! ");

pH=izr_ph(A0,popravek,a1,b1,c1,d1); //Izračun pH vrednosti

printf(usb_cdc_putc,"Zelite shraniti nov koeficient? D/N ");

while(usb_cdc_kbhit()!=1);

V=usb_cdc_getc();

if(V=='D')

{

write_float_eeprom(naslov,popravek); //če je popravek vredu ga shranim

printf(usb_cdc_putc,"D koeficient JE bil SHRANJEN v eeprom ");

}

else

printf(usb_cdc_putc,"N Koeficient NI bil SHRANJEN (se pa uporablja) ima

vrednost %0.4f. \nStar keoficient je imel vrednost %0.4f. ",popravek,izpis);

}

if((ref!=7)&&(ref!=8))

printf(usb_cdc_putc,"Napacna vrednost reference ");

kalibracija=0;

kal=0;

printf(usb_cdc_putc,"Nova vrednost pH=%0.2f ",pH);

delay_ms(100);

printf(lcd_putc,"\fNov pH = %0.1f",pH);

delay_ms(1500);

usb_cdc_kbhit()=0;

}


break;

case 'V':for(i=1;i<=2;++i) //preberem ostale vrednosti

vnos[i]=usb_cdc_getc();

for(i=0;i<=3;++i)

obrati[i]=usb_cdc_getc();

if(rocno==1) //Skočim iz zanke če poteka merjenje!

break; //Drugače imam probleme s štetjem spremenljivke ponovitev

vrtljaji=atoi32(obrati);

test=atoi32(obrati);

if(vrtljaji>1000.0) //VARNOST: da ne bo preveč koratkov za motor

{

vrtljaji=0;

printf(usb_cdc_putc,"Koraki so bili omejeni na vrednost 0. \n");

printf(usb_cdc_putc,"UKAZ:%c%c%c%c%c%c

\n",vnos[0],vnos[1],vnos[2],obrati[0],obrati[1],obrati[2],obrati[3]);

printf(usb_cdc_putc,"koraki=%lu ",test);

vnos[2]='4'; //Napačen ukaz;

}

switch (vnos[1]) //Drugi znak

{

case 'Z':smer=0; //Zategujem/zapiram, pogled od zgoraj LEVO

break;

case 'O':smer=1; //Odtegujem/odpiram, pogled od zgoraj DESNO

break;

default:printf(usb_cdc_putc,"Napacen ukaz! ");

smer=3;

break;

}

switch (vnos[2]) //Tretji znak

{

case '1':motor(1,smer,vrtljaji);

break;


break;


break;


break;

}

usb_cdc_kbhit()=0;

break;

case 'T':printf(usb_cdc_putc,"Merjenje zacetne moci. "); //zmerim moč z vodo v kapilari


++ponovitev; //ponovitev=6

k0=0;

k1=0;

for(i=0;i<=9;++i) //Vrednosti dam na 0

{

inic0[i]=0;


inic1[i]=0;

}

output_high(PIN_B2); //VKLOP LASERSKE DIODE!!!

delay_ms(200);


{

AD(0);

inic0[k0]=vrednost;

++k0;

}

//Izračunam povprečje 1. desetih vrednosti

for(i=0;i<=9;++i)

inic1[k1]+=inic0[i];

inic1[k1]=inic1[k1]/10;

++k1;

k0=0;



AD(0);

inic0[k0]=vrednost;

for(z=0;z<=9;++z)

inic1[k1]+=inic0[z];

inic1[k1]=inic1[k1]/10;

++k0;

++k1;

}

output_low(PIN_B2); //IZKLOP LASERSKE DIODE!!!

delay_ms(200);


inic_pov0=0;

for(i=0;i<=9;++i)

inic_pov0+=inic1[i];

inic_pov0=inic_pov0/10;

inic_pov0=inic_pov0*faktor; //Izračunano povprečje premikajočega povprečja

inic_pov0-=I0; //Odštejem temni tok

printf(usb_cdc_putc,"Napetost U0=%0.8f V. ",inic_pov0);

delay_ms(100);

usb_cdc_kbhit()=0;

break;

case 'D':printf(usb_cdc_putc,"Poteka merjenje temnega toka. ");

k0=0;

k1=0;



for(i=0;i<=9;++i) //Vrednosti postavim na 0

{

tem0[i]=0;

tem1[i]=0;

}



{

AD(0);

tem0[k0]=vrednost;

++k0;

}

//Iračunam povprečje 1. desetih vrednosti

for(i=0;i<=9;++i)

tem1[k1]+=tem0[i];

tem1[k1]=tem1[k1]/10;

++k1;

k0=0;



AD(0);

tem0[k0]=vrednost;

for(z=0;z<=9;++z)

tem1[k1]+=tem0[z];

tem1[k1]=tem1[k1]/10;

++k0;

++k1;

}


I0=0;

for(i=0;i<=9;++i)

I0+=tem1[i];

I0=I0/10;

I0=I0*faktor; //Izračunano povprečje premikajočega povprečja

printf(usb_cdc_putc,"Napetost temnega toka Ud=%0.8f V. ",I0);

delay_ms(100);

usb_cdc_kbhit()=0;

break;

case 'p':if(rocno==0) //Merjenje pHja

{

D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

if(D=='7')

ref=7;

if(D=='8')

ref=8;

if((D=='7')||(D=='8'))

{

kalibracija=1;

printf(usb_cdc_putc,"Pripravljanje na meritev s kalibracijo. ");

}

else

{

kalibracija=0;

printf(usb_cdc_putc,"Pripravljanje na meritev. ");


}

rocno=1;

ponovitev=0;

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

printf(usb_cdc_putc,"Izvaja se meritev, ukaz ni mogoc! ");

usb_cdc_kbhit()=0;

break;

case 'S':if(vzaprt1==1) //Stanje ventilov

printf(usb_cdc_putc,"V1 ZAPRT ");

else

printf(usb_cdc_putc,"V1 ODPRT ");

if(vzaprt2==1)


else

printf(usb_cdc_putc,"V2 ODPRT ");

/* if(vzaprt3==1)


else

printf(usb_cdc_putc,"V3 ODPRT ");*/

break;

case 'K':usb_cdc_kbhit()=0; //Vnos koeficienta popravek

printf(usb_cdc_putc,"Vnesi vrednost K = ");


for(i=0;i<=5;++i)

pop[i]=usb_cdc_getc();

popravek=atof(pop);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f. ",popravek);

delay_ms(50);

printf(usb_cdc_putc,"Zelite shraniti vrednost K? D/N ");


D=usb_cdc_getc();

if(D=='D')

{

printf(usb_cdc_putc,"K je shranjen! ",popravek);

write_float_eeprom(naslov,popravek);

}

else

printf(usb_cdc_putc,"K ni bil shranjen! ",popravek);

break;

case 'k':izpis=read_float_eeprom(naslov); //Izpis koeficientov za popravek

printf(usb_cdc_putc,"Shranjen K = %0.4f, uporabljen K = %0.4f. ",izpis,popravek);

break;

case 'H':navodila();

break;

case 'f':printf(usb_cdc_putc,"a=%0.4f b=%0.4f c=%0.4f d=%0.4f ",a1,b1,c1,d1);

break;


case 'F':printf(usb_cdc_putc,"Vnesi vrednosti v obliki pH=a*(abs)^3+b*(abs)^2+c*abs+d ");

printf(usb_cdc_putc," a = ");

usb_cdc_kbhit()=0;


for(i=0;i<=7;++i)

a2[i]=usb_cdc_getc();

a1=atof(a2);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",a1);

printf(usb_cdc_putc,"b = ");


for(i=0;i<=7;++i)

b2[i]=usb_cdc_getc();

b1=atof(b2);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",b1);

printf(usb_cdc_putc,"c = ");


for(i=0;i<=7;++i)

c2[i]=usb_cdc_getc();

c1=atof(c2);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",c1);

printf(usb_cdc_putc,"d = ");


for(i=0;i<=7;++i)

d2[i]=usb_cdc_getc();

d1=atof(d2);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",d1);

printf(usb_cdc_putc,"Zelite trajno shraniti vnesene vrednosti? D/N ");


D=usb_cdc_getc();

if(D=='D')

{

write_float_eeprom(naslov1,a1);

write_float_eeprom(naslov2,b1);

write_float_eeprom(naslov3,c1);

write_float_eeprom(naslov4,d1);

printf(usb_cdc_putc,"Vrednosti so trajno shranjene! ");

}

else

printf(usb_cdc_putc,"Vrednosti niso trajno shranjene! ",popravek);

break;

case 'U':printf(usb_cdc_putc,"Vnesi A7 = ",popravek);

usb_cdc_kbhit()=0;


for(i=0;i<=5;++i)

A71[i]=usb_cdc_getc();


A7=atof(A71);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",A7);

printf(usb_cdc_putc,"A8 = ");


for(i=0;i<=5;++i)

A81[i]=usb_cdc_getc();

A8=atof(A81);

usb_cdc_kbhit()=0;

printf(usb_cdc_putc,"%0.4f ",A8);

printf(usb_cdc_putc,"Shranim? D/N ");

D=usb_cdc_getc();

if(D=='D')

{

write_float_eeprom(naslov5,A7);

write_float_eeprom(naslov6,A8);

printf(usb_cdc_putc,"Shranjeno !");

}

else

printf(usb_cdc_putc,"Koeficienta nista bila shranjena! ");

break;

case 'u':printf(usb_cdc_putc,"A7=%0.4f A8=%0.4f ",A7,A8);

break;

case 'v':printf(usb_cdc_putc,"V 2.0 ");

break;


break;

}

}

usb_cdc_kbhit()=0; //Ukaz za uporabljeno tipkovnico postavim na 0

tag=0;

if(input(PIN_E0)&&(rocno==0)) //Meritev pH-ja preko tipke

{ //Meritev se ne bo izvedla,

rocno=1; //če je bila že zahtevana oz. se izvaja.

ponovitev=0;

printf(lcd_putc,"\fPripravljanje na\n meritev");

delay_ms(2000);

}

if(input(PIN_E0)&&(rocno==1))

{

printf(lcd_putc,"\f MERITEV SE \n ZE IZVAJA!");

delay_ms(1000);

}

if(input(PIN_E1)&&(rocno==0)) //Vklop/izklop laserske diode

{ //Če se izvaja avtomatsko merjenje,

t3=0; //se diode ne more vklopiti oz. izklopiti.

set_timer3(0);

enable_interrupts(int_timer3);

while(input(PIN_E1)==1)


printf(lcd_putc,"\f");


if(t3<=20)

{

output_toggle(PIN_B2);

printf(lcd_putc,"\f DIODA SVETI\n NE SVETI");

delay_ms(1000);

}

else

{

output_toggle(PIN_B3);

printf(lcd_putc,"\f VIBRA TRESE\n NE TRESE");

delay_ms(1000);

}

}


{

printf(lcd_putc,"\f UKAZ NI MOGOC!\nPOTEKA MERJENJE");

delay_ms(1000);

}

if(input(PIN_E2)&&(rocno==0)) //Prikaz zadnje meritve absorpcije in pH-ja

{ //Zadnje meritve med novo meritvijo ne izpišem

printf(lcd_putc,"\f A = %0.4f\n pH = %0.1f",A0,pH);

delay_ms(5000);

}


{

printf(lcd_putc,"\fIZPIS NI MOGOC!\nPOTEKA MERJENJE");

delay_ms(1000);

}


{//Dodelim naslednji ukaz-izmerim temni tok (temni tok->motorji->"I0"->pH)

usb_cdc_kbhit()=1;

vnos[0]='D';


}


{//Dodelim naslednji ukaz-odprem reagent

if(vzaprt2==1) //Če je ventil za vodo zaprt ga odprem

{

printf(usb_cdc_putc,"Ventil za vodo ni bil odprt, meritev bo trajala malo dlje. ");

motor(2,1,1000); //rocno=1, ponovitev=2

set_timer1(0);

enable_interrupts(int_timer1); //Odštevam za pretok vode do konca cevi

izvedi=1;

}

if((vzaprt2==0)&&(izvedi==0))

{



izvedi=1;

motor(1,1,750);

}

}

if((rocno==1)&&(ponovitev==2)&&(LD==1))

{


izvedi=0;

LD=0;


motor(1,1,750);

}


{//Dodelim naslednji ukaz-izmerim svetlobni tok "I0"

usb_cdc_kbhit()=1;

vnos[0]='T';


output_high(PIN_B3); //VKLOP VIBRE!!!

set_timer1(0);

enable_interrupts(int_timer1); //Začnem s "odštevanjem" časa, ko bo dovolj reagenta v celici

}

if((LD==1)&&(rocno==1)&&(ponovitev==6)) //LD==1

{//Dodelim naslednji ukaz-izmerim pH

disable_interrupts(int_timer1); //Izklopim časovnik

output_low(PIN_B3); //IZKLOP VIBRE!!!

usb_cdc_kbhit()=1;

vnos[0]='A';


LD=0;

}


{//Dodelim naslednji ukaz-zaprem motor z reagentom


motor(1,0,750);

set_timer1(0); //Poženem časovnik za izpiranje reagenta iz celice.


}

if((rocno==1)&&(ponovitev==10)&&(LD==1))

{//Dodelim naslednji ukaz-zaprem motor z vodo


LD=0;


motor(2,0,1000);

}


{//POMEMBNO-S TEM IZKLOPIM PROCES MERJENJA!

rocno=0;

ponovitev=0;

printf(usb_cdc_putc,"Meritev je koncana. ");


}

}

}

//____________________GLAVNI DEL PROGRAMA__________________________//

13.3.2 Spi_andrej.c

//_______FUNKCIJA ZA SPI KOMUNIKCIJO_______________________________//

int tag=0;

int i=0;

int nule=255; //Vrednost mora biti 0, s tem preverim ali je to res

unsigned int16 beri_spi() //implementiran ukaz: 1101b-preberi podatek

{//Prvo preberem PIN_C1 nato zapišem PIN_C2

//Podatkovni list ADS7280 stran 13: auto channel select TAG enabled

unsigned int16 prejeto=0;

output_high(PIN_C1); //PIN_C1 dam na začetku na 1

output_low(PIN_C0);


prejeto=prejeto|input(PIN_C2);

output_low(PIN_C7);

prejeto=prejeto<<1;



output_low(PIN_C7);

prejeto=prejeto<<1;

output_low(PIN_C1);



output_low(PIN_C7);

prejeto=prejeto<<1;




output_low(PIN_C7);

prejeto=prejeto<<1;

//-------------Oddano-1101b---------------------------------------//

output_low(PIN_C1); //Izhod postavim nazaj na 0

for(i=0;i<=9;++i)

{



output_low(PIN_C7);

if(i!=9) //Zadnjega vnosa ne zamikam!

prejeto=prejeto<<1;


}

//-------------Prejeta-vrednost-A/D-pretvornika-------------------//

for(i=0;i<=2;++i)

{


tag=tag|input(PIN_C2);

output_low(PIN_C7);

if(i!=2)

tag=tag<<1;

}

//-------------TAG-bit-je-sprejet---------------------------------//

for(i=0;i<=6;++i)

{


nule=nule|input(PIN_C2);

output_low(PIN_C7);

if(i!=6)

nule=nule<<1;

}

//-------------Za-vsak-slučaj-sem-prenesel-še-7-ničel-------------//


return prejeto;

}

//_______FUNKCIJA ZA SPI KOMUNIKCIJO_______________________________//

13.3.3 Motor.c

//_______MOTOR_____________________________________________________//

char D;

short vzaprt1=1; //Spremenljivka za zaprt ventil 1



short rocno=0;

int ponovitev=0;

void motor(int kateri,short kam,unsigned int32 koraki)

{

unsigned int32 t=0;







switch(kateri)

{

case 1:switch(kam)

{

case 0:if(vzaprt1==1)


{

printf(usb_cdc_putc,"Zgleda da je ventil 1 zaprt. Ga zelite vseeno zapreti? D/N ");


D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';

output_low(PIN_A2); //CW/CCW-smer

vzaprt1=1;

break;


{

printf(usb_cdc_putc,"Zgleda da je ventil 1 odprt. Ga zelite vseeno odpreti? D/N ");


D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';

output_high(PIN_A2); //CW/CCW-smer

vzaprt1=0;

break;

}

output_high(PIN_A5); //Enable M1-shemaM3

break;

case 2:switch(kam)

{


{



D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';

output_low(PIN_A0); //CW/CCW-smer

vzaprt2=1;

break;


{



D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';


output_high(PIN_A0); //CW/CCW-smer

vzaprt2=0;

break;

}


break;

case 3:switch(kam)

{


{



D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';

output_low(PIN_B4); //CW/CCW-smer

vzaprt3=1;

break;


{



D=usb_cdc_getc();

usb_cdc_kbhit()=0;

}

else

D='D';

output_high(PIN_B4); //CW/CCW-smer

vzaprt3=0;

break;

}


break;

default:

printf(usb_cdc_putc,"Ventil st. %d ne obstaja! ",kateri);

break;

}

if(D=='D')

{

printf(usb_cdc_putc,"Ventil st. %d se ",kateri);

if(kam==0)

printf(usb_cdc_putc,"zapira! ",kateri);

if(kam==1)

printf(usb_cdc_putc,"odpira! ",kateri);

for(t=1;t<=koraki;++t)

{



delay_ms(10);

output_low(PIN_B5);

delay_ms(10);

}

printf(usb_cdc_putc,"Ventil je ustavljen ");

}

else

printf(usb_cdc_putc,"Ventil st. %d je ostal v istem polozaju. ",kateri);

output_low(PIN_A5); //Enable pine postavim na 0

output_low(PIN_A3);

output_low(PIN_A1);

//printf(usb_cdc_putc,"koraki:%w ",koraki);

usb_cdc_kbhit()=0;

}

//_______MOTOR_____________________________________________________//

13.3.4 Fuses.c

#FUSES HS //Hihgh speed USB

#FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer

#FUSES WDT128 //Watch Dog Timer uses 1:128 Postscale

#FUSES HSPLL //High speed Osc (> 4mhz for PCM/PCH) (>10mhz for PCD)

#FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading

#FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset

#FUSES BORV20 //Brownout reset at 2.0V

#FUSES NOPUT //No Power Up Timer

#FUSES NOCPD //No EE protection

#FUSES STVREN //Stack full/underflow will cause reset

#FUSES DEBUG //Debug mode for ICD

#FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or B5(PIC18) used for I/O

#FUSES NOWRT //Program memory not write protected

#FUSES NOWRTD //Data EEPROM not write protected

#FUSES IESO //Internal External Switch Over mode enabled

#FUSES FCMEN //Fail-safe clock monitor enabled

#FUSES NOPBADEN //PORTB pins are not configured as analog input channels on RESET

#FUSES NOWRTC //configuration not registers write protected

#FUSES NOWRTB //Boot block not write protected

#FUSES NOEBTR //Memory not protected from table reads

#FUSES NOEBTRB //Boot block not protected from table reads

#FUSES NOCPB //No Boot Block code protection

#FUSES MCLR //Master Clear pin enabled

#FUSES LPT1OSC //Timer1 configured for low-power operation

#FUSES NOXINST //Extended set extension and Indexed Addressing mode disabled (Legacy mode)

#FUSES PLL5 //Divide By 12?(48MHz oscillator input)

#FUSES CPUDIV1 //System Clock by 4

#FUSES USBDIV //USB clock source comes from PLL divide by 2

#FUSES VREGEN //USB voltage regulator enabled


13.3.5 AD.c

//_______A/D_PRETVORNIK_____________________________________________//

float napetost=0;

float faktor=0.000125007; //VREDNOST ENEGA BITA PRI REFERENCI 2,048 V

unsigned int16 vrednost=0;

int st=1; //Števec meritev do 255

void AD(int izpis)

{

output_low(PIN_B1);

delay_cycles(2); //Zakasnitev mora trajati 40 ns, tu je malo več


while(input(PIN_B0)==0); //Čakam na PIN_B0=1

vrednost=beri_spi();

napetost=vrednost*faktor;

if(izpis==1) //Včasih je izpis željen, spet drugič ne

printf(usb_cdc_putc,"U=%0.8f V TAG=%u st=%u biti:%Lu",napetost,tag,st,vrednost);

izpis=0;

++st;

delay_ms(50);

}

//_______A/D_PRETVORNIK_____________________________________________//

13.3.6 Prekinitve.c

//_______PREKINITVENA ZANKA 1_______________________________________//

float stevec1=0;

unsigned int16 t3=0;

short LD=0;

#int_timer1

void isr_timer1()

{


stevec1=stevec1+1;

if(stevec1==4000) //Pri tem programu in vrednosti 114

{ //se funkcija if izvede v 5. sekundah.

stevec1=0; //Po kompleksi if zanki, v mainu, bo mogoče trajalo dlje.

LD=1; //Vrednost 4000 pomeni malo manj kot 3 minute.

}


}



#int_timer3

void isr_timer3()

{


t3=t3+1;



}


13.3.7 pH.c

//_______IZRAČUN pH VREDNOSTI_______________________________________//

float izr_ph(float abs,float popr,float a3, float b3, float c3, float d3)

{

float ph1;

abs/=popr;

ph1=a3*abs*abs*abs;

ph1+=b3*abs*abs;

ph1+=c3*abs;

ph1+=d3;

return(ph1);

}

//_______IZRAČUN pH VREDNOSTI_______________________________________//

13.4 Naslov študenta

Andrej Šmit

Šalek 91

3320 Velenje

Tel.: 040/687-282 ali (03) 586 26 31

e-mail: [email protected]

13.5 Kratek življenjepis

Rojen: 7. 10. 2012 v Ljubljani

Osnovna šola: 1992-2000 OŠ Šalek Velenje

Srednja šola: 2000-2004 Šolski center Velenje, Poklicna in tehniška, elektro in

računalniška šola Velenje, program elektrotehnik

elektronik

Fakulteta: 2004-2012 Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko,

Univerza v Mariboru, univerzitetni študijski program

elektrotehnika, smer avtomatika

mikrofluidni nizkopretoČni fotometer - core.ac.uk · frekvence (rf). fotometer je naprava, ki...

Documents