基于DSP和STM32的便携式荧光光纤pO2测量仪设计

摘要

在许多科学研究与实际技术应用中，对氧含量进行实时监测都是至关重要的。包括生物技术、海洋科学、生物学、化学分析、食品安全、医学诊断等领域，而现有检测氧含量的方法主要有：Winkler碘量法、电化学法和光化学法，并且通常都存在操作繁琐、实时性差、可靠性差、需消耗被测物等缺点。荧光光纤氧传感器克服了上述传感器的缺点，同时可实现远程传感和仪器的微型化。本文提出并实现了一种以DSP和STM32为核心控制器的可实时监测氧气浓度的低成本、微小型荧光光纤pO2生物医学传感器，实现对氧气浓度进行实时的光学检测。其原理是通过测量荧光的强度和寿命实现氧分压的检测。在该系统中，通过驱动蓝色LED产生激发光，激发光经光纤传输至由 Ru(dpp)32+、有机改性溶胶凝胶(ormosil)、聚氨酯水凝胶等制备而成的氧敏感膜，正弦激发信号在氧敏感指示剂的吸收峰和发射峰之间产生荧光相移信号，通过信号处理电路及基于DSP的数字正交锁相信号调理系统对荧光相移信号进行实时处理，最后采用STM32控制器实现对氧浓度的实时计算与显示。
　　本研究主要内容包括：⑴对荧光光纤pO2传感器进行整体理论仿真分析和工作原理介绍，将整个系统进行模块化分析。根据不同的模块搭建其所需的仿真平台，对各个模块进行理论仿真和分析，验证整个系统工作原理的可靠性和稳定性。⑵根据系统的设计要求和检测原理以及工作性能，选择合适的传感材料，设计并合成传感器中所需的氧敏感膜。并对其进行理论分析和反复试验，根据相应设计要求对其进行进一步的优化，使其满足整个系统的设计需求。⑶采用数字锁相解调技术，实现对荧光信号的实时处理和分析。根据系统设计要求选择合适的DSP数字处理器和相应的系统控制器，并搭建系统各个模块所需的信号处理电路实现系统处理的实时性、工作的可靠性以及设计的微型化。⑷对整个系统进行整体测试，根据实验结果及设计要求对各个部分进行相应的优化，进一步拓展其应用领域及应用要求的多元化。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题背景及研究意义

1.3 荧光光纤氧传感器的研究现状及发展前景

1.4 论文的主要研究内容及工作安排

第2章 荧光光纤pO2传感探头的设计

2.1 引言

2.2 荧光猝灭原理

2.3 指示剂的选择

2.4 传感膜的制备

2.5 本章小结

第3章 荧光信号处理电路的设计

3.1 引言

3.2 激发光源的选择

3.3 光源驱动电路的设计

3.4 光电接收电路的设计

3.5 本章小结

第4章 基于DSP的荧光信号调理系统的设计

4.1 引言

4.2 荧光信号检测原理及实现方法

4.3 相位差检测原理及算法实现

4.4 基于DSP的数字滤波器的设计

4.5 基于DSP的正弦载波信号发生器的设计

4.6 信号调理系统的硬件设计

4.7 系统软件设计及实现

4.8 本章小结

第5章 系统测试结果与讨论

5.1 引言

5.2 最佳调制频率测试

5.3 荧光寿命与氧分压测试

5.4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢