14 026 juni Examensarbete 15 hp Juni 2014 Design, konstruktion och test av LED-spektrometer Krasowski Piotr Menniti Matteo
Abstract Design, konstruktion och test av LED-spektrometer Design, construction and test of LED spectrometer Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Krasowski Piotr, Menniti Matteo A LED spectrometer has been constructed for qualitative spectrometry using certain wavelenghts. The LEDs and the photodiode are being controlled with a microcontroller that is connected to a computer to power the components and save data. The spectroanalysis made with the LED spectrometer were significantly different to a standard spectrometer, concluding that more analysis should be made until a final product is ready. Some areas of improvements are suggested. Handledare: Dancila Dragos Ämnesgranskare: Huang Hao Examinator: Sjödin Martin ISSN: 1401-5757, TVE 14 026 juni
Populärvetenskaplig sammanfattning Spektrometri är en analysmetod där man kan ta reda på ett materials egenskaper genom att analysera dess spektrum. Materialet strålas med olika våglängder och beroende på materialets egenskaper kommer det att resultera i olika spektra för olika material. Våglängderna absorberas och reflekteras olika beroende på materialet. Spektrometrar på marknaden idag är väldigt dyra och täcker stora spektra. Ibland är man intresserad av att snabbt kunna göra kvalitativa mätningar på vissa specifika våglängder. Exempelvis under kemiska reaktioner där man känner till hur respektive spektrum varierar under reaktionen. Alla har säkert lekt med LED nån gång i livet. Dessa billiga komponenter används som strålningskällor. Det många kanske inte känner till är att LED kan användas för att detektera ljus. Om man lyser med t.ex. ett rött ljus på en röd LED kommer det att genereras en ström i LED som varierar beroende på ljusets intensitet. Att detektera ljus och ljusintensiteter är användbart inom många områden. En diod som används för att detektera ljus kallas för fotodiod och finns i många olika varianter. För det här projektet valdes en modell med ett brett spektrum för att kunna täcka upp för olika LED. För att kunna genomföra mätningarna krävs någon form av låda. För att bygga denna användes LEGO R, vem har inte drömt om att ha en egen spektrometer i LEGO R? Mätdata samlas på en dator med hjälp av en mikrokontroller. En mikrokontroller är en liten dator som sitter på ett kretskort med olika in- och utgångar och kan användas på många olika sätt. Dessa in- och utgångar användes dels för att styra LED, dels för att överföra information från fotodioden till datorn. Spektrometern som byggdes visade sig tyvärr inte vara lika bra som förväntat, många förbättringar kan och bör genomföras. En bra och billig spektrometer, kanske till och med i LEGO R, har goda möjligheter att snart kunna existera.
Innehållsförteckning 1 Introduktion 1 2 Teori 2 2.1 Spektrometri............................. 2 2.2 Hårdvara............................... 2 2.3 Mjukvara............................... 2 3 Metod 3 3.1 Framtagning av spektrometer.................... 3 3.1.1 Programmering av mikrokontrollern............ 3 3.1.2 Design av elektroniska kretsen............... 3 3.1.3 Konstruktion av slutprodukten............... 5 3.2 Framställning av mätdata...................... 5 4 Resultat 6 5 Diskussion 13 6 Slutsatser 14 7 Referenser 15 8 Appendix 16
1 Introduktion Detta projekt går ut på att konstruera en billig spektrometer och jämföra spektra med en standardspektrometer. En standardspektrometer kan undersöka ett brett spektrum men när bara vissa specifika våglängder anses signifikanta kan ljuskällan med tillhörande monokromator som finns i en standardspektrometer ersättas med en uppsättning av monokromatiska lysdioder, Light Emitting Diodes - LED. Om uppdraget kräver andra våglängder kan dioduppsättningen bytas ut efter behov. Detta drar ner kostnaderna för spektrometri utan att signifikant begränsa undersökningen om endast vissa specifika våglängder skall studeras. 1
2 Teori I denna del presenteras grunderna till projektet och den viktigaste hårdvaran samt mjukvaran. 2.1 Spektrometri Spektrometri är en metod för att studera material med hjälp av ljus som antingen reflekterats från eller tar sig igenom materialet. Genom att observera hur intensiteten för olika våglängder påverkas när ljuset, som i det här fallet filtreras av olika substanser, kan materialprovets egenskaper tas fram. Olika material och substanser har olika spektra beroende på hur de är uppbyggda på atomär nivå. 2.2 Hårdvara LED är elektroniska komponenter som lyser när en ström går igenom dem i rätt riktning. Genom att använda sig utav olika material vid tillverkning kan olika färger, dvs. våglängder, strålas från lysdioderna. LED kan även användas för att detektera ljus. Om fotoner med samma våglängd som de som kan emitteras från LED trä ar dioden kommer en ström att alstras. Fotodioder är elektroniska komponenter som används för att detektera ljus. Samma koncept gäller här som för LED - om fotoner trä ar fotodioden kommer elektroner börja röra på sig och en ström alstras. Strömstyrkan varierar proportionellt med antalet fotoner som trä ar fotodioden. Fotodioden som användes har även en inbyggd operationsförstärkare, OP AMP, för att signalen skall stärkas. Mikrokontroller är små datorer som programmeras för att styra olika typer av system. En SeinSmart Mega 2560 användes för att kunna styra spektrometern. Mikrokontrollern programmeras i C/C++ med extrakommandon specifika för kontrollern. 2.3 Mjukvara För att programmera mikrokontrollern används Arudino - en miljö där koden till mikrokontrollern skrivs och kompileras. Miljön används även för att ladda upp koden till mikrokontrollern. CoolTerm är ett program som används för registrering av datan som kommer in till kontrollern. Data kan sparas på en textfil för vidare analys. MATLAB är ett kraftfullt program som är användbart för analys av data. MAT- LAB används för att ta fram grafer, utföra beräkningar och analysera resultat. 2
3 Metod I denna del presenteras hur projektet framskred i dess olika delar. Först hur spektrometern togs fram och därefter hur mätningar genomförsdes. 3.1 Framtagning av spektrometer 3.1.1 Programmering av mikrokontrollern En kod som lägger på och tar bort en 5 V spänning över mikrokontrollerns utgångsportar skrevs. När en port slås på tänds en LED. När detta sker registreras ett värde från en av mikrokontrollerns ingångsportar efter en viss fördröjning. Till mikrokontrollerns ingångsport kopplades fotodioden. Fördröjningen är till för att ge fotodioden tid bli jämnt belyst av alla LED. Därefter stängs utgångsporten av. Denna sekvens upprepas för varje LED kopplad till en av utgångsportarna. 3.1.2 Design av elektroniska kretsen Elektroniska kretsen kan delas in i 3 sektioner: LED, fotodiod och energiförsörjning. LED För att kunna ha välfungerande LED seriekopplades de med resistanser på 100. Dioderna placerades i en hållare med ledningar. På dessa ledningar löddes resistanserna som i sin tur kopplades till mikrokontrollern, se figur 3.1. LED som valdes var på 390, 405, 463, 527, 572, 620, 660, 770 och 950 nm. Dessa baserades på värdena i den tidigare rapporten rapporten 1. Fotodiod För att kunna läsa av ljusintensiteten från LED användes en fotodiod. För att minimera antalet komponenter valdes en OPT301M med inbyggd förstärkarkrets. En förenklad krets möjliggörs tack vare det, se figur 3.2. Energiförsörjning Elförsörjning krävs av mikrokontrollern, LED samt fotodioden. Eftersom mikrokontrollern måste kopplas till en dator för att kunna göra avläsningar, strömförsörjs den av datorn genom USB-anslutningen. LED-försörjningen fås från mikrokontrollern. För fotodioden krävs det en mer avancerad krets, eftersom där behövs även en negativ spänning för att förstärkaren skall kunna operera korrekt. För att lösa detta användes en ICL7660CPA. Detta chip kan användas för att bygga en spänningskonverterare. Chippet skadades dock och inte kunde användas vid mätningarna. Därför användes en extern negativ försörjning. 1 ALowCostLEDBasedSpectrometerTai-ShengYehandShih-ShinTseng,Department of Electronic Engineering, Fortune Institute of Technology, Kaohsiung, Taiwan, R.O.C. http : //www.academia.edu/4816217/a L ow C ost L ED B ased S pectrometer 3
Figur 3.1. LED kopplade till mikrokontrollerns utgångsportar via resistanser på 100. Fotodiodens krets kopplad till 5 V matningsspänning, jord samt mikrokontrollerns analoga ingångsport. Spektrometern kan uppgraderas med ytterligare en LED. Figur 3.2. Fotodiodens krets. ICL7660 konverterar 5V+ till negativ spänning som krävs för att fotodioden ska fungera korrekt. Vout är spänningen som registreras av mikrokontrollern. 4
3.1.3 Konstruktion av slutprodukten Ett skal och en provhållare har konstruerats i LEGO R tillsammans med kartong för att kunna täta tunna glipor. I ena änden klämdes LED fast genom att föra ledningarna i ett sicksackmönster mellan LEGO R brickorna. I andra änden sitter fotodioden med tillhörande krets fast på en vägg byggd av LEGO R brickor. Provhållaren konstruerades så att en liten behållare i glas kunde föras in och hållas på plats. Eftersom LEGO R inte möjliggjorde bygget av en tillräckligt tät provhållare, fylldes luftrummet med kartong. Detta gjorde även att behållaren hölls stadigt på plats och därför sjönk spillningsrisken. 3.2 Framställning av mätdata För att kunna göra en spektroanalys av material startas först mikrokontrontrollern och värden från fotodioden för varje LED sparas som referensvärde. Ett referensvärde med tom behållare togs också. Därefter fördes provhållarna med innehållet som skall undersökas ner i spektrometern. Värden från fotodioden sparas. 5
4 Resultat Spektrometern som byggdes visas i figur 5.1, i figuren syns alla funktionella delar: LED, fotodioden, mikrokontrollern samt provha llare. Observera att locket har flyttats fo r att kunna ge ba ttre insyn. Figur 5.1. En vy av spektrometern. Provha llaren sta r ovanpa locket som bortflyttats fo r en ba ttre insikt av fotodioden till va nster och LED till ho ger. La ngst till va nster i figuren syns mikrokontrollern samt kopplingarna med resistanserna. 6
Olika vätskor mättes med LED-spektrometern och jämfördes sedan med en P erkinelmer spektrometer, PE. En blå fönsterputs, ett grönt diskmedel och ka e valdes för analys. Värdena från varje vätska sparades i MATLAB där det normaliserades med värdena från en tom körning, en körning med en tom behållare och en körning med en behållare fylld med vätska. Först analyserades den blåa fönsterputsen. Värdena normaliserades endast till tom körning och tom behållare, resultaten kan ses i figur 5.2 respektive 5.3. Figur 5.2 och 5.3 är resultat från tidiga mätningar. Innan resterande mätningar genomfördes har vissa ändringar gjorts i konstruktionen. Den blåa fönsterputsen mättes igen, figur 5.4 och 5.5, och normaliserades även mot en behållare med destillerat vatten, figur 5.6. Därefter gjordes mätningar på grönt diskmedel, figur 5.7, 5.8 och 5.9, samt ka e, figur 5.10, 5.11 och 5.12, som normaliserade med tom körning, tom behållare respektive behållare med destillerat vatten. Figur 5.2. Första spektrometri av blå fönsterputs som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom behållare. En trend i form av en dal något förskjuten relativt PE:s kurva kan tydas i resultaten hos båda spektrometrarna dock med värdena hos LED-spektrometern överstigande de från PE 7
Figur 5.3. Första spektrometri av blå fönsterputs som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en behållare fylld med destillerat vatten. Notera sämre trend. Figur 5.4. Spektrometri av blå fönsterputs som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom körning. Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm där värdet passar väl. 100% överstigs i vissa punkter. 8
Figur 5.5. Spektrometri av blå fönsterputs som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom behållare. Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm där värdet passar väl. 100% överstigs i vissa punkter. Värdena för LED-spektrometern överensstämmer bättre med PE än i fallet relativt en tom körning i figur 5.4. Figur 5.6. Spektrometri av blå fönsterputs som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en behållare fylld med destillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm där värdet passar väl. 100% överstigs i vissa punkter. Jämfört med figur 5.5 överensstämmer vissa av värdena bättre medan andra blir sämre. 9
Figur 5.7. Spektrometri av grönt diskmedel som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom körning. Signifikanta avvikelser finnes, däribland 100% överstigs i vissa punkter. Figur 5.8. Spektrometri av grönt diskmedel som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom behållare. Signifikanta avvikelser finnes, däribland 100% överstigs i vissa punkter. 10
Figur 5.9. Spektrometri av grönt diskmedel som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en behållare fylld med destillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes, däribland 100% överstigs i vissa punkter. Figur 5.10. Spektrometri av ka e som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom körning. Signifikanta avvikelser finnes, däribland 100% överstigs i vissa punkter. Ingen tydlig trend som skulle överensstämma med PE kan urskiljas. 11
Figur 5.11. Spektrometri av ka e som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en tom behållare. Signifikanta avvikelser finnes, däribland 100% överstigs i vissa punkter. Ingen tydlig trend som skulle överensstämma med PE kan urskiljas, värdena från LED-spektreometern ligger dock närmare de från PE än i figur 5.10. Figur 5.12. Spektrometri av ka e som utförts med PE (blå kurva) och LED-spektrometern (gröna mätpunkter) relativt en behållare fylld med destillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes, 100% överstigs dock aldrig. Ingen tydlig trend som skulle överensstämma med PE kan urskiljas, värdena från LED-spektreometern ligger dock närmare de från PE än i försök utan behållare eller med en tom sådan. 12
5 Diskussion De dyraste elektronikkomponenterna var mikrokontrollern och fotodioden. Exempelvis kan kontrollern Arduino Mega 2560 kosta ca. 350 kr och en fotodiod ca 570 kr. LED som ingick kostade ca 200 kr, ca 80 kr exklusive den dyraste. Hela LED-spektrometern kan därför konstrueras för ungefär 1000 kr, en bråkdel av vad t.ex. PE kostar. Resultaten för LED-spektrometern avviker från PE i alla av de undersökta fallen. 100% transparens överstigs också i alla fall utom ett, där en vattenbaserad vätska (ka e, figur 5.12) undersöks relativt en behållare fylld med avjoniserat vatten. I de andra fallen mättes vätskor med annat lösningsmedel än vatten relativt just vatten, en tom behållare samt ingen behållare men inte just givna vätskans lösningsmedel. Fler undersökningar torde utföras i framtiden med inriktning på detta. LEGO R lämpar sig väl för prototypframtagning när skalet byggs i och med lättheten med att riva ner och/eller modifiera prototypen. Det är dock svårt att fästa komponenterna stadigt på det utan att behöva göra det permanent. Detta skulle motverka en av fördelarna med en LED-spektrometer där komponenter skall kunna anpassas efter behov. Dessutom är byggklossar, oavsett märke, relativt dyra och skulle märkbart höja slutproduktens pris. I försöken med diskmedlet samt ka et finns det nollställen enligt PE-kurvan men dessa är nollskilda hos LED-kurvan. Det skulle kunna bero på att ljuset inte åkte endast genom provet utan även genom sidoväggarna i glasbehållaren. Det skulle också kunna vara en av anledningarna till att LED-spektrometerns värden är generellt högre än PE:s. 13
6 Slutsatser En billig spektrometer tros vara möjlig att konstruera trots provmätningarna, denna slutsats stöds också av rapporten A Low Cost LED Based Spectrometer 1. Tillgång till spektrometer kan alltså bli verklighet för laborationsmiljöer med låg budget eller för speciella experiment där utrustningen kommer utsättas för påfrestningar som kan leda till obrukbarhet, t.ex. utomhusmiljöer. LEDspektrometern startas också upp nästintill omedelbart, medan PE:s uppstart tar flera minuter. Den första förbättringen som bör göras är att färglägga insidan av spektrometern mattsvart för att undvika reflektioner från väggarna samt se till att ljuset från alla LED går igenom endast vätskan som skall analyseras. Detta kommer, troligen, att leda dels till att varje avläsning endast beror på ljuset som passerat vätskan dels att mer än 100% transmittans inte kommer kunna ske. För att ytterligare motverka 100% transmittans bör även placeringen av fotodioden relativt provhållaren och LED ses över. Det noterades att när man placerat provhållaren ökar intensiteten hos ljuset som registreras, detta kan tyda på att fokusering av ljuset sker. Ett problem som uppstod var även att LED var svåra att hitta av samma kvalité, vissa LED var betydligt starkare än andra och detta innebar svårigheter med att få bra riktningar av ljuset. Detta torde kunna lösas dels genom att införska a LED av samma kvalité, dels genom att försöka kalibrera ljusintensitet av varje LED och kalibrera utrustningen. 14
7 Referenser 1. A Low Cost LED Based Spectrometer Tai-Sheng Yeh and Shih-Shin Tseng, Department of Electronic Engineering, Fortune Institute of Technology, Kaohsiung, Taiwan, R.O.C. http : //www.academia.edu/4816217/a L ow C ost L ED B ased S pectrometer 15
8 Appendix Kod för styrning av mikrokontrollern. voidsetup(){ Serial.begin(9600); pinmode(2,output); pinmode(3,output); pinmode(4,output); pinmode(5,output); pinmode(6,output); pinmode(7,output); pinmode(8,output); pinmode(9,output); pinmode(10,output); pinmode(11,output); pinmode(12,output); pinmode(13,output); pinmode(a0,input); } intvalue; voidloop(){ for(intl = 4; l<14; l ++){ if(l! = 7){ value = 0; printer = 0; digitalw rite(l, HIGH); delay(500); value = analogread(a0); digitalw rite(l, LOW); delay(500); Serial.print(value, DEC); Serial.print( ); delay(500); } } Serial.println( newspectrometry ); } 16