Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

MÁY PHÂN TÍCH PHỔ ÁNH SÁNG CẦM TAY
Nguyễn Tiến Lộc*
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc:
TĨM TẮT
Máy phân tích phổ ánh sáng cầm tay là một hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu
dựa trên nền tảng Bluetooth Low Enegy. Hệ thống này tập trung vào việc xử lý
các giá trị quang phổ trong dải ánh sáng khả kiến từ 340 - 780nm. Các đặc trưng
nhất của hệ thống chính là kích thước nhỏ gọn, tiện lợi, dễ dàng sử dụng và cho
độ chính xác tương đối so với các hệ thống chuyên dụng.
Từ khóa: Quang phổ, BLE.
HANDHELD SPECTROMETER
Nguyen Tien Loc*
University of Science – VNU Ho Chi Minh City
*Corresponding Author:
ABSTRACT
Handheld spectrometer is a data acquisition system base on Bluetooth Low
Energy. This system focus in processing spectra signal from 340 - 780nm. The
most characteristic of system are small, convenient, easing to use and good
accuracy compare with professional system.
Keywords: Spectrometer, BLE.
TỔNG QUAN
Đề tài này tập trung vào việc xây dựng
hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu
quang phổ trên nền tảng giao thức
Bluetooth Low Energy (BLE).
Máy phân tích phổ ánh sáng cầm tay

được xây dựng trên cơ sở của một hệ
thống thu thập dữ liệu cơ bản. Hệ thống
này sẽ bao gồm ba phần chính là thiết
bị đọc dữ liệu quang phổ, thiết bị giao
tiếp với máy tính và phần mềm hiển thị
dữ liệu quang phổ trên máy tính. Thiết
bị đọc dữ liệu quang phổ bao gồm một
cảm biến ánh sáng C12666MA cho
phép phân tích các phổ ánh sáng trong
dải phổ từ 340-780nm. Cảm biến này
được SoC NRF51822 đọc, xử lý dữ
liệu thơng qua các mạch đệm tín hiệu
rồi chuyển tiếp cho thiết bị giao tiếp
với máy tính thơng qua kết nối BLE.
Ngồi ra thiết bị đọc tín hiệu cịn có
khối nguồn cung cấp năng lượng cho

thiết bị.
Phần thiết bị giao tiếp với máy tính
cũng bao gồm một SoC NRF51822.
SoC làm nhiệm vụ giao tiếp với thiết bị
đọc dữ liệu quang phổ thông qua một
quy chuẩn được định nghĩa từ trước
(BLE profile) để lấy dữ liệu và đưa dữ
liệu sang máy tính thơng cổng serial.
Thiết bị giao tiếp với máy tính này
được thiết kế đơn giản, theo hình thức
USB dongle giúp cho việc kết nối với
máy tính dễ dàng, thuận tiện. Nhờ tách
biệt giữa phần đọc quang phổ và phần

giao tiếp với máy tính nên máy phân
tích quang phổ cầm tay sẽ sử dụng
được linh hoạt hơn.
Sau cùng là ứng dụng phân tích quang
phổ chạy trên máy tính. Ứng dụng này
được xây dựng trên nền tảng QT nên
có thể dùng được với cả hệ điều hành
Windows và các hệ điều hành nhân
Linux. Nhiệm vụ chính của ứng dụng

165


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

này là lấy dữ liệu nhận về từ cổng
serial, sau đó xử lý và hiển thị giá trị
quang phổ trên giao diện người dùng.

Kỷ yếu khoa học

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu

Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống
Phần đọc cảm biến
ComPort.
Đây là bộ phận trực tiếp thu nhận các Nguồn nuôi: Cung cấp năng lượng cho
giá trị quang phổ mà cảm biến đọc mạch điện.

được, sau đó dữ liệu được số hóa và Ứng dụng phân tích quang phổ trên
truyền về máy tính thơng qua giao thức máy tính: Đây chính là nơi các kết quả
BLE.
về quang phổ được biểu diễn cho người
Phần đọc cảm biến bao gồm các thành dùng một cách trực quan nhất. Phần
phần: Cảm biến C12666MA - Cảm mềm này được viết trên nền tảng Qt
biến phân tích quang phổ sử dụng cơng nên có thể chạy trên nhiều hệ điều hành
nghệ MEM, cho kích thước nhỏ, gọn.
khác nhau như Linux, window…
Mạch đệm: Đóng vai trị trung gian, Phương pháp nghiên cứu
chuyển đổi mức điện áp giữa các thành Việc nghiên cứu bao gồm các quá trình
phần trong mạch điện.
như sau:
SoC NRF51822: SoC vừa để xử lý các Xây dựng hệ thống phần cứng
giá trị đọc được từ cảm biến vừa để Từ các nguyên liệu ở trên, tiến hành
điều khiển các tín hiệu BLE.
xây dựng cụ thể hệ thống phần cứng
Nguồn nuôi: Cung cấp năng lượng cho qua các bước: Vẽ sơ đồ nguyên lý của
toàn bộ hệ thống.
hệ thống, vẽ layout cho mạch điện, gia
Phần giao tiếp với máy tính
cơng mạch điện và lắp ráp linh kiện và
Không phải máy tính nào cũng được thiết kế vỏ hộp và in 3D.
trang bị Bluetooth nên phần giao tiếp Lập trình firmware cho thiết bị đọc
với máy tính chính là cầu nối trung cảm biến và thiết bị giao tiếp với máy
gian để trung chuyển dữ liệu từ phần tính
đọc cảm biến sang máy tính, trong đó Firmware này phải đọc được giá trị
bao gồm: SoC NRF51822: SoC để cảm biến và truyền nhận dữ liệu thông
nhận dữ liệu từ BLE, IC CP2102 - IC qua BLE. Để làm được điều này cần
giao tiếp với máy tính. Nhờ có IC này triển khai BLE Profile trên cả thiết bị

mà dữ liệu từ SoC NRF51822 có thể đi đọc cảm biến và thiết bị giao tiếp máy
qua máy tính dưới dạng Serial tính.
166


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

BLE profile là tổng hợp các tiêu chuẩn
kết nối mà người dùng định nghĩa cho
một kết nối BLE. Hai thiết bị BLE
muốn nói chuyện được với nhau thì
phải có chung các thiết lập về BLE
profile. BLE Profile cho phép thiết lập
các thông số về tốc độ truyền nhận dữ
liệu, thiết bị nào được phép kết nối, số
dữ liệu được gửi đi trong một khung
truyền,…
Lập trình phần mềm hiển thị kết quả.

Kỷ yếu khoa học

Phần mềm xây dựng có giao diện dễ sử
dụng, hỗ trợ việc bắt và lưu dữ liệu.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Phân tích quang phổ các màu sắc trên
màn hình LCD.
Khác với các màu sắc trong tự nhiên,
các màu sắc hiển thị trên màn hình
LCD thực ra là sự phối trộn của các
màu đỏ (Red), xanh lá cây (Green),

xanh nước biển (Blue).

Hình 2. Kết quả phân tích quang phổ màu trắng trên màn hình LCD
Xây dựng đường chuẩn hấp thụ Độ hấp thụ của dung dịch sẽ thay đổi
theo bước sóng ánh sáng truyền qua
NH4+
Định luật hấp thụ Beer-Lambert, A = dung dịch. Một số bước sóng sẽ được
ɛlc. Cơng thức của độ hấp thụ là A = hấp thụ nhiều hơn các bước sóng khác,
ɛlc.
phụ thuộc vào thành phần của dung
Độ hấp thụ có thể được tính theo tỷ số dịch.
giữa cường độ tia sáng tới và cường tia Dựa vào định luật hấp thụ trên để xây
sáng ló. Ta có cơng thức là A = dựng đường chuẩn hấp thụ của NH4+
log10(Io/I).
với ánh sáng ở bước sóng 625nm.

Hình 3. Kết quả xây dựng phương trình đường chuẩn hấp thụ của NH4+
167


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

KẾT LUẬN
Đề tài đã hiện thực được các yêu cầu
như kích thước nhỏ, gọn, thuận tiện
cho việc di chuyển và sử dụng. Về mặt
định tính, thiết bị đã phân tích được các
bước sóng trong dải ánh sáng khả kiến

Kỷ yếu khoa học


từ đó có thể xác định được màu sắc của
các vật thể. Về mặt định lượng, trong
thí nghiệm đo độ hấp thụ của NH4+,
thiết bị đã thể thiết lập được phương
trình đường chuẩn, từ đó xác định được
nồng độ NH4+.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
KEVIN TOWNSEND, CARLES CUFI, AKIBA, AND ROBERT DAVIDSON.
Getting Started with Bluetooth Low Energy. 1st edition, 2014 p15-74.
LEE ZHI ENG. Qt5 C++ GUI Programming Cookbook. 1st edition, 2016. p134202.
ANSHUMAN J. DAS, AKSHAT WAHI, ISHAN KOTHARI & RAMESH
RASKAR. Ultra-portable, wireless smartphone spectrometer for rapid,
non-destructive testing of fruit ripeness. Scientific Reports, 08 September
2016.
HAMAMATSU. Micro-spectrometer C12666MA Technical information. Feb.
2016.

168