基于单片机的QCM检测系统的设计与实现
魏耀华 马文英 唐雨竹
摘 要： 设计一种以 STC89C52RC为控制核心的高精度可调便携式QCM检测系统。系统包括石英晶体多谐振荡、频率处理、单片机控制、RS 232通信等模块，使用石英晶体多谐振荡模块完成晶振片的驱动、频率选择、整形，输出信号经频率处理模块处理后交给单片机控制模块计数并显示，RS 232通信模块实现单片机与计算机之间数据传输。与现有的检测装置相比硬件方面滤波器设置为巴特沃兹三阶可调带通滤波器，通过调节其中心频率可满足多种频率晶振片需要，在软件设计中加入温度控制机制进一步提高了系统的稳定性，测量误差仅为0.03%，且成本低、携带方便，达到了设计要求。
关键词： 便携式QCM； 石英晶体多谐振荡； 可调带通滤波； 温度控制机制
中图分类号： TN305.1?34； TN707 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0144?04
Abstract： A high?precision， tunable and portable QCM detection system taking STC89C52RC as its control core was designed. The system includes the quartz crystal multi?harmonic oscillation module， frequency processing module， single chip microcomputer control module and RS 232 communication module. The quartz crystal multi?harmonic oscillation module is used to drive the quartz crystal， select the frequency， and shape the waveform. The output signal is processed with frequency processing module to hand over to the single chip microcomputer control module for count and display. The data is transmitted between single chip microcomputer and computer through RS 232 communication module. In comparison with the available detection devices， the filter is set for a tunable three?order Butterworth bandpass one， which can satisfy the requirement of quartz crystal with different frequencies by adjusting the center frequency. The temperature control mechanism is added into the software design to further improve the stability of the system. The detection error of the system is only 0.03%. The system has low cost， is easy to carry， and can reach the design requirement.
Keywords： portable QCM； quartz crystal multi?harmonic oscillator； tunable bandpass filtering； temperature control mechanism
0 引 言
当今社会传感技术日益普及，作为一种可以检测到纳克级质量改变，具备极高灵敏度的传感技术[1?3]，石英晶体微天平（QCM）也越来越为人们所熟知。早期的石英晶体微天平用于监测膜厚的沉积速度和气相中微量成分的测定，取得了相当大的成功，特别是从20世纪80年代以来，石英晶体微天平在单面接触液体的条件下获得了稳定的振荡，从此石英晶体微天平被广泛应用于生物化学、电化学领域的研究[4?6]，从而开辟了石英晶体微天平应用的全新领域。但是与之配套使用的检测系统较少且多为国外生产，价格昂贵、体积较大，极大地限制了该传感技术的普及与应用。
隨着科学技术的日益进步，单片机的功能愈加强大且价格低廉，被广泛地应用于生活的各个方面[7?8]。文中针对QCM检测设备价格昂贵、体积较大且国内较少的问题[9]，提出了基于单片机AT89C52RC的QCM检测系统。介绍了QCM的工作原理，检测系统由硬件和软件两部分构成，系统硬件分别是石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块、单片机控制模块、RS 232通信模块。在软件中加入温度控制机制，该系统成本低且性能较为稳定，可以满足日常需要。
1 QCM工作原理
石英晶体微天平的工作原理是利用了石英晶体的压电效应， 如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，并保持稳定，这种现象称为压电谐振，此时的频率称为晶片的谐振频率[10?11]。1959年德国科学家Sauerbrey首次提出频率的改变量与晶振片表面的附着物存在一定的关系，该种关系可用Sauerbrey方程表示：
式中：f0为晶振片的谐振频率；[μq]和[ρq]为石英晶振片的剪切模量和密度，分别为2.947×1011 g·cm-1·s-2和2.648 g·cm-3，[Δm]为石英晶体的质量（g）；A为石英晶振片的有效面积（镀电极部分的面积），若为对称电极，则为电极部分面积，若为非对称电极，则为两个电极之间的相对部分面积[12]。
2 系统整体框架设计
系统以STC89C52RC为控制核心，采用8 MHz的金电极石英晶振片，包括石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块（包括差频电路、分频电路、有源晶振电路）、单片机控制模块（包括LCD显示电路、温度传感电路）、RS 232通信模块。
系统框架如图1所示。
2.1 石英晶体多谐振荡模块
石英晶体多谐振荡模块由三部分构成：石英晶体多谐振荡电路、带通滤波器电路、整形电路。从图2可以看出，石英晶体接在由两个非门构成的正反馈回路中，只有当频率为f0（石英晶体谐振频率）时，石英晶体的等效阻抗最小，能够将最大的信号正反馈到74LS04D的输入端。而对于频率高于或低于f0的信号，由于石英晶体和C1构成的谐振电路失谐，其阻抗增大，正反馈强度降低。因此该电路可以保证石英晶体工作在其谐振频率上。但为了得到更为稳定的信号，在振荡电路后又加上中心频率为8 MHz的巴特沃兹三阶带通滤波器（可根据实际选用的晶振片频率调节滤波器带宽），并对得到的信号整形，以满足单片机的要求。
2.2 频率处理模块
由于STC98C52RC内部集成的计数器为16位，最高计数值[13]为65 535，因此，需要对石英晶体多谐振荡电路输出的频率进行处理。该模块采用差频（有源晶振为插拔式设计，可根据需要更换不同频率）和分频的方式使前级电路的输出频率保持在65 535 Hz以内，如图3所示。
2.3 单片机控制模块
作为检测系统的控制枢纽，P0.0～P0.7，P2.0～P2.2管脚控制LCD1602显示，P3.7接收温度传感模块传来的信息，P3.1和P3.2实现与通信模块之间的通信，P3.5接收分频电路传来的电平信号。值得注意的是由于单片机P0口内部没有上拉电阻[14]，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的。因此需要给单片机P0端加一个上拉电阻，一般为10 kΩ，电路如图4所示。
2.4 RS 232通信模块
通信电路在整个检测系统中所起的作用是实验计算机与单片机之间的信息传递，计算机与单片机的通信接口有很多种，可以简单地划分为串行口和并行口，系统对数据传输的速率没有过高的要求，并且 RS 232 串行口的通信电路简单、编程容易、调试周期短、成本低，所以文中电路采用 RS 232串口标准进行通信，见图5。
3 系统软件设计
系统使用C语言编程。系统运行时首先进行初始化，该过程包括单片机计数器初始化和LCD液晶显示屏的初始化；然后系统开始工作，使用单片机的定时器/计数器读取系统的频率，若不能读取频率则刷新重新读数，若读取频率则将频率发送给LCD显示屏显示。此外本系统还设置了温度检测模块，由于在液相环境中QCM的频率受温度影响，选用石英晶振片谐振频率不同造成影响的程度也不同[15]，因此为了保证系统的稳定，引入温度控制策略，系统将根据温度变化对频率进行调节。
整体系统程序控制流程如图6所示。
4 系统测试
硬件和软件设计完成后，首先将待测晶振片接入多谐振荡电路，系统对晶振片的振荡频率和环境温度会进行实时的监测，并在LCD显示屏上显示出来，当LCD的示数经分频和差频换算后在晶振片谐振频率附近波动并最终保持稳定时表示系统正常工作。系统实测数据如表1所示。由测试数据可以看出测试误差仅为0.03%左右，精度较高。系统实物如图7所示。
5 结 论
文中QCM检测系统以STC89C52RC为控制核心结合QCM的基本工作原理以及相关电路知识实现了对石英晶振片的驱动和频率的采集，能够在气相和液相环境中较稳定的工作。系统的创新点为驱动电路结构简单，驱动能力强，可根据选用晶振片的谐振频率调节滤波器的中心频率来满足使用需要，设备大小仅为140 cm×80 cm，成本低，加入温度控制机制提高系统的稳定性。该系统为同类检测系统的设计与生产提供参考价值。
参考文献
[1] 何建安，付龙，黄沫，等.石英晶体微天平的新进展[J].中国科学：化学，2011，41（11）：1679?1698.
[2] 陈超杰，蒋海峰.石英晶体微天平的研究进展综述[J].传感器与微系统，2014，33（5）：5?8.
[3] 史建国，李一苇，张先恩.我国生物传感器研究现状及发展方向[J].山东科学，2015，28（1）：28?35.
[4] 陈柱，聂立波，常浩.石英晶体微天平的研究进展及应用[J].分析仪器，2011（4）：18?22.
[5] 白鹏利，陈名利，常智敏，等.基于QCM技术的甲醛传感器研究进展[J].材料导报，2015（z2）：110?112.
[6] 张瑞娜.基于点击化学的细胞生物芯片的制备及其在QCM生物传感器技术中的应用初探[D].杨凌：西北农林科技大学，2015.
[7] 杜洪林.论单片机应用系统的可靠性设计[J].电子技术与软件工程，2016（6）：257.
[8] 李保国.单片机技术的应用分析[J].电子制作，2013（13）：177.
[9] YANG R， XI N， FUNG C K M， et al. Comparative studies of atomic force microscopy （AFM） and quartz crystal microbalance with dissipation （QCM?D） for real?time identification of signaling pathway [C]// Proceedings of 2010 the 10th IEEE Conference on Nanotechnology. Seoul： IEEE， 2010： 1016?1020.
[10] 汪川，王振尧，柯伟.石英晶体微天平工作原理及其在腐蚀研究中的应用与进展[J].腐蚀科学与防护技术，2008，20（5）：367?371.
[11] 胡佳，杜晓松，谢光忠，等.测定DMMP的PMPS?QCM传感器的研究[J].传感技术学报，2008，21（1）：1?4.
[12] PENSINI E， YIP C M， OCARROLL D， et al. Carboxymethyl cellulose binding to mineral substrates： characterization by atomic force microscopy?based force spectroscopy and quartz?crystal microbalance with dissipation monitoring [J]. Journal of colloid & interface science， 2013， 402（14）： 58?67.
[13] 张俊梅，尹凤媛，刘竞文，等.单片机高速数据采集系统的设计[J].微计算机信息，2011（12）：9?11.
[14] 张俊谟.单片机的发展与应用[J].电子制作，2007（8）：6?9.
[15] 林珩，林燕美，郭艺容，等.影响石英晶体微天平频率变化因素的分析[J].漳州师范学院学报（自然科学版），2008，21（4）：85?89.
[16] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：69?71.
摘 要： 设计一种以 STC89C52RC为控制核心的高精度可调便携式QCM检测系统。系统包括石英晶体多谐振荡、频率处理、单片机控制、RS 232通信等模块，使用石英晶体多谐振荡模块完成晶振片的驱动、频率选择、整形，输出信号经频率处理模块处理后交给单片机控制模块计数并显示，RS 232通信模块实现单片机与计算机之间数据传输。与现有的检测装置相比硬件方面滤波器设置为巴特沃兹三阶可调带通滤波器，通过调节其中心频率可满足多种频率晶振片需要，在软件设计中加入温度控制机制进一步提高了系统的稳定性，测量误差仅为0.03%，且成本低、携带方便，达到了设计要求。
关键词： 便携式QCM； 石英晶体多谐振荡； 可调带通滤波； 温度控制机制
中图分类号： TN305.1?34； TN707 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0144?04
Abstract： A high?precision， tunable and portable QCM detection system taking STC89C52RC as its control core was designed. The system includes the quartz crystal multi?harmonic oscillation module， frequency processing module， single chip microcomputer control module and RS 232 communication module. The quartz crystal multi?harmonic oscillation module is used to drive the quartz crystal， select the frequency， and shape the waveform. The output signal is processed with frequency processing module to hand over to the single chip microcomputer control module for count and display. The data is transmitted between single chip microcomputer and computer through RS 232 communication module. In comparison with the available detection devices， the filter is set for a tunable three?order Butterworth bandpass one， which can satisfy the requirement of quartz crystal with different frequencies by adjusting the center frequency. The temperature control mechanism is added into the software design to further improve the stability of the system. The detection error of the system is only 0.03%. The system has low cost， is easy to carry， and can reach the design requirement.
Keywords： portable QCM； quartz crystal multi?harmonic oscillator； tunable bandpass filtering； temperature control mechanism
0 引 言
当今社会传感技术日益普及，作为一种可以检测到纳克级质量改变，具备极高灵敏度的传感技术[1?3]，石英晶体微天平（QCM）也越来越为人们所熟知。早期的石英晶体微天平用于监测膜厚的沉积速度和气相中微量成分的测定，取得了相当大的成功，特别是从20世纪80年代以来，石英晶体微天平在单面接触液体的条件下获得了稳定的振荡，从此石英晶体微天平被广泛应用于生物化学、电化学领域的研究[4?6]，从而开辟了石英晶体微天平应用的全新领域。但是与之配套使用的检测系统较少且多为国外生产，价格昂贵、体积较大，极大地限制了该传感技术的普及与应用。
隨着科学技术的日益进步，单片机的功能愈加强大且价格低廉，被广泛地应用于生活的各个方面[7?8]。文中针对QCM检测设备价格昂贵、体积较大且国内较少的问题[9]，提出了基于单片机AT89C52RC的QCM检测系统。介绍了QCM的工作原理，检测系统由硬件和软件两部分构成，系统硬件分别是石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块、单片机控制模块、RS 232通信模块。在软件中加入温度控制机制，该系统成本低且性能较为稳定，可以满足日常需要。
1 QCM工作原理
石英晶体微天平的工作原理是利用了石英晶体的压电效应， 如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，并保持稳定，这种现象称为压电谐振，此时的频率称为晶片的谐振频率[10?11]。1959年德国科学家Sauerbrey首次提出频率的改变量与晶振片表面的附着物存在一定的关系，该种关系可用Sauerbrey方程表示：
式中：f0为晶振片的谐振频率；[μq]和[ρq]为石英晶振片的剪切模量和密度，分别为2.947×1011 g·cm-1·s-2和2.648 g·cm-3，[Δm]为石英晶体的质量（g）；A为石英晶振片的有效面积（镀电极部分的面积），若为对称电极，则为电极部分面积，若为非对称电极，则为两个电极之间的相对部分面积[12]。
2 系统整体框架设计
系统以STC89C52RC为控制核心，采用8 MHz的金电极石英晶振片，包括石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块（包括差频电路、分频电路、有源晶振电路）、单片机控制模块（包括LCD显示电路、温度传感电路）、RS 232通信模块。
系统框架如图1所示。
2.1 石英晶体多谐振荡模块
石英晶体多谐振荡模块由三部分构成：石英晶体多谐振荡电路、带通滤波器电路、整形电路。从图2可以看出，石英晶体接在由两个非门构成的正反馈回路中，只有当频率为f0（石英晶体谐振频率）时，石英晶体的等效阻抗最小，能够将最大的信号正反馈到74LS04D的输入端。而对于频率高于或低于f0的信号，由于石英晶体和C1构成的谐振电路失谐，其阻抗增大，正反馈强度降低。因此该电路可以保证石英晶体工作在其谐振频率上。但为了得到更为稳定的信号，在振荡电路后又加上中心频率为8 MHz的巴特沃兹三阶带通滤波器（可根据实际选用的晶振片频率调节滤波器带宽），并对得到的信号整形，以满足单片机的要求。
2.2 频率处理模块
由于STC98C52RC内部集成的计数器为16位，最高计数值[13]为65 535，因此，需要对石英晶体多谐振荡电路输出的频率进行处理。该模块采用差频（有源晶振为插拔式设计，可根据需要更换不同频率）和分频的方式使前级电路的输出频率保持在65 535 Hz以内，如图3所示。
2.3 单片机控制模块
作为检测系统的控制枢纽，P0.0～P0.7，P2.0～P2.2管脚控制LCD1602显示，P3.7接收温度传感模块传来的信息，P3.1和P3.2实现与通信模块之间的通信，P3.5接收分频电路传来的电平信号。值得注意的是由于单片机P0口内部没有上拉电阻[14]，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的。因此需要给单片机P0端加一个上拉电阻，一般为10 kΩ，电路如图4所示。
2.4 RS 232通信模块
通信电路在整个检测系统中所起的作用是实验计算机与单片机之间的信息传递，计算机与单片机的通信接口有很多种，可以简单地划分为串行口和并行口，系统对数据传输的速率没有过高的要求，并且 RS 232 串行口的通信电路简单、编程容易、调试周期短、成本低，所以文中电路采用 RS 232串口标准进行通信，见图5。
3 系统软件设计
系统使用C语言编程。系统运行时首先进行初始化，该过程包括单片机计数器初始化和LCD液晶显示屏的初始化；然后系统开始工作，使用单片机的定时器/计数器读取系统的频率，若不能读取频率则刷新重新读数，若读取频率则将频率发送给LCD显示屏显示。此外本系统还设置了温度检测模块，由于在液相环境中QCM的频率受温度影响，选用石英晶振片谐振频率不同造成影响的程度也不同[15]，因此为了保证系统的稳定，引入温度控制策略，系统将根据温度变化对频率进行调节。
整体系统程序控制流程如图6所示。
4 系统测试
硬件和软件设计完成后，首先将待测晶振片接入多谐振荡电路，系统对晶振片的振荡频率和环境温度会进行实时的监测，并在LCD显示屏上显示出来，当LCD的示数经分频和差频换算后在晶振片谐振频率附近波动并最终保持稳定时表示系统正常工作。系统实测数据如表1所示。由测试数据可以看出测试误差仅为0.03%左右，精度较高。系统实物如图7所示。
5 结 论
文中QCM检测系统以STC89C52RC为控制核心结合QCM的基本工作原理以及相关电路知识实现了对石英晶振片的驱动和频率的采集，能够在气相和液相环境中较稳定的工作。系统的创新点为驱动电路结构简单，驱动能力强，可根据选用晶振片的谐振频率调节滤波器的中心频率来满足使用需要，设备大小仅为140 cm×80 cm，成本低，加入温度控制机制提高系统的稳定性。该系统为同类检测系统的设计与生产提供参考价值。
参考文献
[1] 何建安，付龙，黄沫，等.石英晶体微天平的新进展[J].中国科学：化学，2011，41（11）：1679?1698.
[2] 陈超杰，蒋海峰.石英晶体微天平的研究进展综述[J].传感器与微系统，2014，33（5）：5?8.
[3] 史建国，李一苇，张先恩.我国生物传感器研究现状及发展方向[J].山东科学，2015，28（1）：28?35.
[4] 陈柱，聂立波，常浩.石英晶体微天平的研究进展及应用[J].分析仪器，2011（4）：18?22.
[5] 白鹏利，陈名利，常智敏，等.基于QCM技术的甲醛传感器研究进展[J].材料导报，2015（z2）：110?112.
[6] 张瑞娜.基于点击化学的细胞生物芯片的制备及其在QCM生物传感器技术中的应用初探[D].杨凌：西北农林科技大学，2015.
[7] 杜洪林.论单片机应用系统的可靠性设计[J].电子技术与软件工程，2016（6）：257.
[8] 李保国.单片机技术的应用分析[J].电子制作，2013（13）：177.
[9] YANG R， XI N， FUNG C K M， et al. Comparative studies of atomic force microscopy （AFM） and quartz crystal microbalance with dissipation （QCM?D） for real?time identification of signaling pathway [C]// Proceedings of 2010 the 10th IEEE Conference on Nanotechnology. Seoul： IEEE， 2010： 1016?1020.
[10] 汪川，王振尧，柯伟.石英晶体微天平工作原理及其在腐蚀研究中的应用与进展[J].腐蚀科学与防护技术，2008，20（5）：367?371.
[11] 胡佳，杜晓松，谢光忠，等.测定DMMP的PMPS?QCM传感器的研究[J].传感技术学报，2008，21（1）：1?4.
[12] PENSINI E， YIP C M， OCARROLL D， et al. Carboxymethyl cellulose binding to mineral substrates： characterization by atomic force microscopy?based force spectroscopy and quartz?crystal microbalance with dissipation monitoring [J]. Journal of colloid & interface science， 2013， 402（14）： 58?67.
[13] 张俊梅，尹凤媛，刘竞文，等.单片机高速数据采集系统的设计[J].微计算机信息，2011（12）：9?11.
[14] 张俊谟.单片机的发展与应用[J].电子制作，2007（8）：6?9.
[15] 林珩，林燕美，郭艺容，等.影响石英晶体微天平频率变化因素的分析[J].漳州师范学院学报（自然科学版），2008，21（4）：85?89.
[16] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：69?71.
