14 026 juni

Examensarbete 15 hpJuni 2014

Design, konstruktion och test av LED-spektrometer

Krasowski PiotrMenniti Matteo

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

Abstract

Design, konstruktion och test av LED-spektrometer

Design, construction and test of LED spectrometer

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.

ISSN: 1401-5757, TVE 14 026 juniExaminator: Sjödin MartinÄmnesgranskare: Huang HaoHandledare: Dancila Dragos

Popularvetenskaplig sammanfattning

Spektrometri ar en analysmetod dar man kan ta reda pa ett materials egenskapergenom att analysera dess spektrum. Materialet stralas med olika vaglangderoch beroende pa materialets egenskaper kommer det att resultera i olika spek-tra for olika material. Vaglangderna absorberas och reflekteras olika beroendepa materialet. Spektrometrar pa marknaden idag ar valdigt dyra och tackerstora spektra. Ibland ar man intresserad av att snabbt kunna gora kvalitativamatningar pa vissa specifika vaglangder. Exempelvis under kemiska reaktionerdar man kanner till hur respektive spektrum varierar under reaktionen.

Alla har sakert lekt med LED nan gang i livet. Dessa billiga komponenteranvands som stralningskallor. Det manga kanske inte kanner till ar att LEDkan anvandas for att detektera ljus. Om man lyser med t.ex. ett rott ljus paen rod LED kommer det att genereras en strom i LED som varierar beroendepa ljusets intensitet. Att detektera ljus och ljusintensiteter ar anvandbart inommanga omraden. En diod som anvands for att detektera ljus kallas for fotodiodoch finns i manga olika varianter. For det har projektet valdes en modell med ettbrett spektrum for att kunna tacka upp for olika LED. For att kunna genomforamatningarna kravs nagon form av lada. For att bygga denna anvandes LEGO R�,vem har inte dromt om att ha en egen spektrometer i LEGO R�? Matdata sam-las pa en dator med hjalp av en mikrokontroller. En mikrokontroller ar en litendator som sitter pa ett kretskort med olika in- och utgangar och kan anvandaspa manga olika satt. Dessa in- och utgangar anvandes dels for att styra LED,dels for att overfora information fran fotodioden till datorn.

Spektrometern som byggdes visade sig tyvarr inte vara lika bra som forvantat,manga forbattringar kan och bor genomforas. En bra och billig spektrometer,kanske till och med i LEGO R�, har goda mojligheter att snart kunna existera.

Innehallsforteckning

1 Introduktion 1

2 Teori 2

2.1 Spektrometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Hardvara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Mjukvara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 Metod 3

3.1 Framtagning av spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1.1 Programmering av mikrokontrollern . . . . . . . . . . . . 33.1.2 Design av elektroniska kretsen . . . . . . . . . . . . . . . 33.1.3 Konstruktion av slutprodukten . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.2 Framstallning av matdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4 Resultat 6

5 Diskussion 13

6 Slutsatser 14

7 Referenser 15

8 Appendix 16

1 Introduktion

Detta projekt gar ut pa att konstruera en billig spektrometer och jamfora spek-tra med en standardspektrometer. En standardspektrometer kan undersoka ettbrett spektrum men nar bara vissa specifika vaglangder anses signifikanta kanljuskallan med tillhorande monokromator som finns i en standardspektrome-ter ersattas med en uppsattning av monokromatiska lysdioder, Light EmittingDiodes - LED. Om uppdraget kraver andra vaglangder kan dioduppsattningenbytas ut efter behov. Detta drar ner kostnaderna for spektrometri utan attsignifikant begransa undersokningen om endast vissa specifika vaglangder skallstuderas.

1

2 Teori

I denna del presenteras grunderna till projektet och den viktigaste hardvaransamt mjukvaran.

2.1 Spektrometri

Spektrometri ar en metod for att studera material med hjalp av ljus som antin-gen reflekterats fran eller tar sig igenom materialet. Genom att observera hurintensiteten for olika vaglangder paverkas nar ljuset, som i det har fallet filtrerasav olika substanser, kan materialprovets egenskaper tas fram. Olika material ochsubstanser har olika spektra beroende pa hur de ar uppbyggda pa atomar niva.

2.2 Hardvara

LED ar elektroniska komponenter som lyser nar en strom gar igenom dem i rattriktning. Genom att anvanda sig utav olika material vid tillverkning kan olikafarger, dvs. vaglangder, stralas fran lysdioderna. LED kan aven anvandas foratt detektera ljus. Om fotoner med samma vaglangd som de som kan emitterasfran LED tra↵ar dioden kommer en strom att alstras.

Fotodioder ar elektroniska komponenter som anvands for att detektera ljus.Samma koncept galler har som for LED - om fotoner tra↵ar fotodioden kom-mer elektroner borja rora pa sig och en strom alstras. Stromstyrkan varierarproportionellt med antalet fotoner som tra↵ar fotodioden. Fotodioden somanvandes har aven en inbyggd operationsforstarkare, OP AMP, for att signalenskall starkas.

Mikrokontroller ar sma datorer som programmeras for att styra olika typer avsystem. En SeinSmart Mega 2560 anvandes for att kunna styra spektrometern.Mikrokontrollern programmeras i C/C++ med extrakommandon specifika forkontrollern.

2.3 Mjukvara

For att programmera mikrokontrollern anvands Arudino - en miljo dar kodentill mikrokontrollern skrivs och kompileras. Miljon anvands aven for att laddaupp koden till mikrokontrollern.

CoolTerm ar ett program som anvands for registrering av datan som kommerin till kontrollern. Data kan sparas pa en textfil for vidare analys.

MATLAB ar ett kraftfullt program som ar anvandbart for analys av data. MAT-LAB anvands for att ta fram grafer, utfora berakningar och analysera resultat.

2

3 Metod

I denna del presenteras hur projektet framskred i dess olika delar. Forst hurspektrometern togs fram och darefter hur matningar genomforsdes.

3.1 Framtagning av spektrometer

3.1.1 Programmering av mikrokontrollern

En kod som lagger pa och tar bort en 5 V spanning over mikrokontrollernsutgangsportar skrevs. Nar en port slas pa tands en LED. Nar detta skerregistreras ett varde fran en av mikrokontrollerns ingangsportar efter en vissfordrojning. Till mikrokontrollerns ingangsport kopplades fotodioden. Fordrojningenar till for att ge fotodioden tid bli jamnt belyst av alla LED. Darefter stangsutgangsporten av. Denna sekvens upprepas for varje LED kopplad till en avutgangsportarna.

3.1.2 Design av elektroniska kretsen

Elektroniska kretsen kan delas in i 3 sektioner: LED, fotodiod och energiforsorjning.

LED

For att kunna ha valfungerande LED seriekopplades de med resistanser pa100 ⌦. Dioderna placerades i en hallare med ledningar. Pa dessa ledningarloddes resistanserna som i sin tur kopplades till mikrokontrollern, se figur3.1. LED som valdes var pa 390, 405, 463, 527, 572, 620, 660, 770 och 950nm. Dessa baserades pa vardena i den tidigare rapporten rapporten 1.

Fotodiod

For att kunna lasa av ljusintensiteten fran LED anvandes en fotodiod.For att minimera antalet komponenter valdes en OPT301M med inbyggdforstarkarkrets. En forenklad krets mojliggors tack vare det, se figur 3.2.

Energiforsorjning

Elforsorjning kravs av mikrokontrollern, LED samt fotodioden. Eftersommikrokontrollern maste kopplas till en dator for att kunna gora avlasningar,stromforsorjs den av datorn genom USB-anslutningen. LED-forsorjningenfas fran mikrokontrollern. For fotodioden kravs det en mer avanceradkrets, eftersom dar behovs aven en negativ spanning for att forstarkarenskall kunna operera korrekt. For att losa detta anvandes en ICL7660CPA.Detta chip kan anvandas for att bygga en spanningskonverterare. Chippetskadades dock och inte kunde anvandas vid matningarna. Darfor anvandesen extern negativ forsorjning.

1A Low Cost LED Based Spectrometer Tai-Sheng Yeh and Shih-Shin Tseng, Departmentof Electronic Engineering, Fortune Institute of Technology, Kaohsiung, Taiwan, R.O.C.http : //www.academia.edu/4816217/ALowCostLEDBasedSpectrometer

3

Figur 3.1. LED kopplade till mikrokontrollerns utgangsportar via resistanserpa 100 ⌦. Fotodiodens krets kopplad till 5 V matningsspanning, jord samtmikrokontrollerns analoga ingangsport. Spektrometern kan uppgraderas med

ytterligare en LED.

Figur 3.2. Fotodiodens krets. ICL7660 konverterar 5V+ till negativ spanningsom kravs for att fotodioden ska fungera korrekt. Vout ar spanningen som

registreras av mikrokontrollern.

4

3.1.3 Konstruktion av slutprodukten

Ett skal och en provhallare har konstruerats i LEGO R� tillsammans med kartongfor att kunna tata tunna glipor. I ena anden klamdes LED fast genom att foraledningarna i ett sicksackmonster mellan LEGO R�brickorna. I andra anden sit-ter fotodioden med tillhorande krets fast pa en vagg byggd av LEGO R�brickor.Provhallaren konstruerades sa att en liten behallare i glas kunde foras in ochhallas pa plats. Eftersom LEGO R� inte mojliggjorde bygget av en tillrackligt tatprovhallare, fylldes luftrummet med kartong. Detta gjorde aven att behallarenholls stadigt pa plats och darfor sjonk spillningsrisken.

3.2 Framstallning av matdata

For att kunna gora en spektroanalys av material startas forst mikrokontron-trollern och varden fran fotodioden for varje LED sparas som referensvarde.Ett referensvarde med tom behallare togs ocksa. Darefter fordes provhallarnamed innehallet som skall undersokas ner i spektrometern. Varden fran fotodio-den sparas.

5

4 Resultat

Spektrometern som byggdes visas i figur 5.1, i figuren syns alla funktionella de-lar: LED, fotodioden, mikrokontrollern samt provhallare. Observera att lockethar flyttats for att kunna ge battre insyn.

Figur 5.1. En vy av spektrometern. Provhallaren star ovanpa locket sombortflyttats for en battre insikt av fotodioden till vanster och LED till hoger.Langst till vanster i figuren syns mikrokontrollern samt kopplingarna med

resistanserna.

6

Olika vatskor mattes med LED-spektrometern och jamfordes sedan med enPerkinElmer spektrometer, PE. En bla fonsterputs, ett gront diskmedel ochka↵e valdes for analys. Vardena fran varje vatska sparades i MATLAB dardet normaliserades med vardena fran en tom korning, en korning med en tombehallare och en korning med en behallare fylld med vatska.

Forst analyserades den blaa fonsterputsen. Vardena normaliserades endast tilltom korning och tom behallare, resultaten kan ses i figur 5.2 respektive 5.3.Figur 5.2 och 5.3 ar resultat fran tidiga matningar. Innan resterande matningargenomfordes har vissa andringar gjorts i konstruktionen. Den blaa fonsterputsenmattes igen, figur 5.4 och 5.5, och normaliserades aven mot en behallare meddestillerat vatten, figur 5.6. Darefter gjordes matningar pa gront diskmedel,figur 5.7, 5.8 och 5.9, samt ka↵e, figur 5.10, 5.11 och 5.12, som normaliserademed tom korning, tom behallare respektive behallare med destillerat vatten.

Figur 5.2. Forsta spektrometri av bla fonsterputs som utforts med PE (blakurva) och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom behallare.En trend i form av en dal nagot forskjuten relativt PE:s kurva kan tydas i

resultaten hos bada spektrometrarna dock med vardena hosLED-spektrometern overstigande de fran PE

7

Figur 5.3. Forsta spektrometri av bla fonsterputs som utforts med PE (blakurva) och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en behallare fylld

med destillerat vatten. Notera samre trend.

Figur 5.4. Spektrometri av bla fonsterputs som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom korning.

Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm dar vardet passar val. 100%overstigs i vissa punkter.

8

Figur 5.5. Spektrometri av bla fonsterputs som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom behallare.

Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm dar vardet passar val. 100%overstigs i vissa punkter. Vardena for LED-spektrometern overensstammer

battre med PE an i fallet relativt en tom korning i figur 5.4.

Figur 5.6. Spektrometri av bla fonsterputs som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en behallare fylld meddestillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes utom vid 950 nm dar vardet

passar val. 100% overstigs i vissa punkter. Jamfort med figur 5.5overensstammer vissa av vardena battre medan andra blir samre.

9

Figur 5.7. Spektrometri av gront diskmedel som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom korning.

Signifikanta avvikelser finnes, daribland 100% overstigs i vissa punkter.

Figur 5.8. Spektrometri av gront diskmedel som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom behallare.

Signifikanta avvikelser finnes, daribland 100% overstigs i vissa punkter.

10

Figur 5.9. Spektrometri av gront diskmedel som utforts med PE (bla kurva)och LED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en behallare fylld meddestillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes, daribland 100% overstigs i

vissa punkter.

Figur 5.10. Spektrometri av ka↵e som utforts med PE (bla kurva) ochLED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom korning. Signifikantaavvikelser finnes, daribland 100% overstigs i vissa punkter. Ingen tydlig trend

som skulle overensstamma med PE kan urskiljas.

11

Figur 5.11. Spektrometri av ka↵e som utforts med PE (bla kurva) ochLED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en tom behallare.

Signifikanta avvikelser finnes, daribland 100% overstigs i vissa punkter. Ingentydlig trend som skulle overensstamma med PE kan urskiljas, vardena franLED-spektreometern ligger dock narmare de fran PE an i figur 5.10.

Figur 5.12. Spektrometri av ka↵e som utforts med PE (bla kurva) ochLED-spektrometern (grona matpunkter) relativt en behallare fylld med

destillerat vatten. Signifikanta avvikelser finnes, 100% overstigs dock aldrig.Ingen tydlig trend som skulle overensstamma med PE kan urskiljas, vardenafran LED-spektreometern ligger dock narmare de fran PE an i forsok utan

behallare eller med en tom sadan.

12

5 Diskussion

De dyraste elektronikkomponenterna var mikrokontrollern och fotodioden. Ex-empelvis kan kontrollern Arduino Mega 2560 kosta ca. 350 kr och en fotodiodca 570 kr. LED som ingick kostade ca 200 kr, ca 80 kr exklusive den dyraste.Hela LED-spektrometern kan darfor konstrueras for ungefar 1000 kr, en brakdelav vad t.ex. PE kostar.

Resultaten for LED-spektrometern avviker fran PE i alla av de undersoktafallen. 100% transparens overstigs ocksa i alla fall utom ett, dar en vatten-baserad vatska (ka↵e, figur 5.12) undersoks relativt en behallare fylld medavjoniserat vatten. I de andra fallen mattes vatskor med annat losningsmedelan vatten relativt just vatten, en tom behallare samt ingen behallare men intejust givna vatskans losningsmedel. Fler undersokningar torde utforas i framti-den med inriktning pa detta.

LEGO R� lampar sig val for prototypframtagning nar skalet byggs i och medlattheten med att riva ner och/eller modifiera prototypen. Det ar dock svartatt fasta komponenterna stadigt pa det utan att behova gora det permanent.Detta skulle motverka en av fordelarna med en LED-spektrometer dar kom-ponenter skall kunna anpassas efter behov. Dessutom ar byggklossar, oavsettmarke, relativt dyra och skulle markbart hoja slutproduktens pris.

I forsoken med diskmedlet samt ka↵et finns det nollstallen enligt PE-kurvanmen dessa ar nollskilda hos LED-kurvan. Det skulle kunna bero pa att ljusetinte akte endast genom provet utan aven genom sidovaggarna i glasbehallaren.Det skulle ocksa kunna vara en av anledningarna till att LED-spektrometernsvarden ar generellt hogre an PE:s.

13

6 Slutsatser

En billig spektrometer tros vara mojlig att konstruera trots provmatningarna,denna slutsats stods ocksa av rapporten ”A Low Cost LED Based Spectrometer”1.Tillgang till spektrometer kan alltsa bli verklighet for laborationsmiljoer medlag budget eller for speciella experiment dar utrustningen kommer utsattasfor pafrestningar som kan leda till obrukbarhet, t.ex. utomhusmiljoer. LED-spektrometern startas ocksa upp nastintill omedelbart, medan PE:s uppstarttar flera minuter.

Den forsta forbattringen som bor goras ar att farglagga insidan av spektrome-tern mattsvart for att undvika reflektioner fran vaggarna samt se till att ljusetfran alla LED gar igenom endast vatskan som skall analyseras. Detta kom-mer, troligen, att leda dels till att varje avlasning endast beror pa ljuset sompasserat vatskan dels att mer an 100% transmittans inte kommer kunna ske. Foratt ytterligare motverka 100% transmittans bor aven placeringen av fotodiodenrelativt provhallaren och LED ses over. Det noterades att nar man placeratprovhallaren okar intensiteten hos ljuset som registreras, detta kan tyda pa attfokusering av ljuset sker.

Ett problem som uppstod var aven att LED var svara att hitta av samma kvalite,vissa LED var betydligt starkare an andra och detta innebar svarigheter med attfa bra riktningar av ljuset. Detta torde kunna losas dels genom att inforska↵aLED av samma kvalite, dels genom att forsoka kalibrera ljusintensitet av varjeLED 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/ALowCostLEDBasedSpectrometer

15

8 Appendix

Kod for 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;

digitalWrite(l,HIGH);delay(500);

value = analogRead(A0);

digitalWrite(l, LOW );delay(500);

Serial.print(value,DEC);Serial.print(””);delay(500);}}Serial.println(”newspectrometry”);}

16