便携式叶绿素含量光电检测仪设计

第23第23卷第4期JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTANDINSTRUMENT便携式叶绿素含量光电检测仪设计郭鑫张立(北京林业大学理学院北京100083)摘要：本文介绍了一个基于单片机的便携式叶绿素含量检测仪。该检测仪根据光电无损快速检测叶绿素原理设计，通过比对650nm和940nm两束光波透过叶片的强度变化定量描述叶绿素相对含量。仪器硬件设计采用模块化设计思想，每个模块完成相对独立的功能，包括有测量模块、实时时钟模块、温湿度检测模块等。软件系统采用C语言设计，实现SPAD测量、数据存储和分析、与PC通信等功能。此外，本文研究了该仪器分别与植物分析光谱仪和分光光度计的比对实验，实验表明仪器测量值与其他方法的测量结果具有显著的一致性。叶绿素检测仪创新的采用光电检测方法，在不破坏叶片的前提下测量叶绿素含量而且记录环境温湿度。仪器采用常见芯片，成本较低，同时具有中文界面便于在我国科研教学、农林工作中推广。关键词：单片机；光电检测；叶绿素；便携式中图分类号：TN206文献标识码：A国家标准学科分类代码：460.4035DesignofportablechlorophyllphotoelectricdetectioninstrumentGuoXinZhangLi(CollegeofScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:ThispaperpresentsaportablechlorophylldetectorbasedonMicroControllerUnit(MCU).Thedetectoradoptsthenon-destructivefastchlorophylldetectingtheoryandmakesthequantitativedescriptionofthechlorophyllcontentbycomparingthechangeinstrengthofthetwolightbeamsat650nmand940nmrespectively.Thehardwareofthedeviceisdesignedinmodulesandeachonehasanindependentfunction,includingSPADmeasurement,real-timedisplay,temperatureandhumiditydetectionandsoon.ThesoftwaresystemisdesignedinClanguage,realizingcorrespondingfunctionsaccordingtothehardwaremodules.Inaddition,thispaperintroducestwoexperiments,thatarecomparisonoftheinstrumentwithplantspectralanalysisinstrumentandspectrophotometer.Inshort,thisdevicedoesnodamagetotheleafduringthewholeprocessusingthenewphotoelectricway.Alsotheinstrumentcandetectthetemperatureandhumidityofenvironment.Theinstrumentadoptscommonchipsonthemarketwitharelativelycheapprice,displaysinChinese,whichmakesiteasytospreadinChina.Keywords:MCU;photoelectricdetect;chlorophyll;portable本文于本文于2008年10月收到。*基金项目：国家大学生创新性实验计划（编号：GCS07001）资助项目。1引言叶绿素含量是衡量植物光合作用与生长状况的一项重要指标，叶绿素含量检测技术的研究在农业生产、林业研究等方面有着至关重要的意义1-2］。传统的叶绿素含量检测方法都是先提取叶绿素，再用分光光度法［3-4］测定其含量。这种方法具有耗时长、对叶片有破坏性、不便于野外测量、不便于连续测量等诸多缺点。目前，以日本SPAD502I5］为代表的便携式叶绿素检测仪已经在某些场合取代了传统的检测方法，得到了广泛的应用。但此类仪器的主要生产国为日本、美国、德国I,不仅价格十分昂贵，而且功能单一，没有中文界面，操作不便不利于在我国广大农林工作人员中推广使用。因此，研制出我国自己的价廉物美、简单实用的测量仪器具有十分重要的意义。本文中介绍的叶绿素含量光电检测仪是SPAD（soilandplantanalyzerdevelopment,土壤作物分析仪器开发）值型的叶绿素含量检测仪利用常见的51系列单片机6-8］STC89C58RD+控制恒流发光电路［9］、光电转换电路等多个模块工作，在不损伤叶片的前提下实现叶绿素含量检测以及叶片所处环境温湿度的检测［1。］。另外，它体积较小，携带方便具有中文界面，测量快速最多可以储存190组测量数据uh，而且只用两节5号电池供电即可使用方便。2整体逻辑结构仪器的组成方框图如图1所示，由电源、发光电路、光电转换电路、A/D转换电路、单片机、数据存储模块、液晶显示模块、时钟模块、温湿度传感器电路、RS232接口电路及MCU下载电路等组成。图1检测仪电路的组成框图Fig.1Blockdiagramofinstrumentcircuit发光电路分别发射波长650nm的红光和波长940nm的红外光照射叶片，光电转换电路接收经过叶片吸收后的透射光并将其转换为电信号送给AD进行模数转换。AD使用的是12位分辨率兼容SPI串行接口的4通道串行输出模数转换芯片ADS7841o它将检测到的直流电压转换为数字信号送入单片机进行处理，然后分别由液晶显示模块和数据存储模块实现数据的显示、存储。考虑到叶绿素含量要受到光照、温湿度、营养元素和水分等环境因素影响，设计电路中加入了由SHT11数字式温湿度传感器构成的温湿度测量模块,实时记录温湿度。同时为了仪器使用方便，加入由时钟芯片DS1302构成的时钟模块，记录每次测量的时间和日期。为防止长期使用后电池电量不足影响正常使用，在AD的空闲通道加入了电池电压检测功能,可以随时查看电池电量。同时为了防止仪器开机却空闲过久浪费电量当仪器空闲约3min后，蜂鸣器将发出关机提醒并进入低功耗模式，以达到节电的目的。3SPAD值的测量与计算SPAD值是一个叶绿素相对含量读数，也称为“绿色度0通过比较接受器接收到的光照强度和发射光强度确定叶绿素的含量，表示为SPAD值通过数值的大小来定量描述叶片的绿色度”3.1SPAD测量原理采用光电无损检测方法测量叶绿素含量的快速方法：叶绿素吸收峰是蓝光和红光区域在绿光区域是吸收低谷并且在近红外区域几乎没有吸收。基于此选择红光区域和近红外区域测量叶绿素。具体过程是让由发光二极管发射红光（峰值波长650nm）和近红外光（峰值波长940nm）。叶绿素吸收波长为650nm的红光但并不吸收波长为940nm的红外光红外光的发射和接收主要是为了消除叶片厚度等方面对测量结果的影响。红光到达叶片后，一部分被叶片的叶绿素所吸收，少量被反射后，剩下的透过叶片被接收器转换成为相应的电信号，然后通过A/D转换器转换为数字信号，微处理器利用这些数字信号计算叶绿素的相对含量，表示为SPAD值显示并存储。计算SPAD值的步骤如下：1）标准状态下（无叶片），2个光源依次发光并转

换为电信号，记录发射光强度；插入叶片之后,2个光源再次发光将叶片的透射光转换为电信号记录透射光强度运用以上2个步骤的数据代入公或1)[5]计算SPAD:SPADKlgIRt/R0J式中：K为常数；IRt为接收到的经过叶片的940nm红外光强度IR0为发射的红外光强度Rt为接收到的经过叶片的650SPADKlgIRt/R0J3.2发光电路发光电路由恒流源LM334和两支分别发射波长650nm的红光和波长940nm的红外$光的发光二极管组成。本仪器采用的恒流源LM334是一种三端可调电流源，其作用是为发光二极管提供一个恒定不变的电流控制光源强度的稳定。电路如图2所示。图2发光电路Fig.2Luminescencecircuit3.3光电转换电路光电转换电路由两片OPT101芯片组成一个用于接收波长650nm的红光另一个用于接收波长940nm的红外$光。OPT101是一个带单晶片跨阻放大器的单片光电二极管。此放大器可用单电源或双电源工作，因此对于电池供电设备很理想。OPT101内含的光电二极管的入射窗口面积大(5.226mm2),可检测的光信号频谱很宽，具有良好的光电响应特性。此外,OPT101将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部，这种集成化的设计形式有效克服了后端运放空载电流对光敏部件输出电流的影响，同时芯片的集成化设计也能够减小内耗，有效降低了系统的功耗。OPT101的光电转化电路如图3所示。由图3可见，光敏二极管接收光照，并将其转化图3光电转换电路Fig.3Photoelectrictransformcircuit为电流I，电流很小，大小一般为微安级。电流I经过运放放大并转化为电压输出匕，两个电容起到滤波作用。输出电压V。与电流I的关系遵循公式(2):Vo=RXI(2)由光电转化电路输出的2路电压分别送入ADS7841的通道0和通道1。根据ADS7841测出的2路电压的数字值算出实际的模拟电压值。4软件设计软件使用C语言编写,C语言程序具有良好的模块性容易阅读和维护，程序的可移植性强功能模块化的代码能够很方便的复用，从而缩短了开发时间。仪器的软件整体设计思想同硬件模块化设计基本对应软件可以称为“文件化”“函数化。基于这一思想，仪器软件设计时为每个模块建立了相应的头文件，在头文件中定义了功能完善的模块驱动，外

部文件包含了头文件后只要调用相应的函数即可实现功能。在主函数文件中包含了各个模块的头文件,在main函数中循环检查各个按键不同的按键进入不同的功能模式，调用相应的函数，实现不同的功能。仪器主要包括有测量模式、数据读取模式、与PC通信模式、系统设置模式。程序流程图如图4所示。图4程序流程图Fig.4Flowchartoftheprogram图4程序流程图Fig.4Flowchartoftheprogram仪器设计制作完成后，与植物光谱分析仪和分光光度计进行了比对实验。5.1与植物光谱分析仪的比对实验美国PPSystems公司生产的UniSpec-SCSpectralAnalysisSystem光谱仪通过测量植物叶片反射光谱得到叶绿素、水分等含量，且该仪器出厂前与传统的分光光度法比对校正过，有一定比对价值。在校园里选择了6种树种13个测量点用2台仪器同时进行测量。13个测量点既包括了不同的树种，也包括有同一棵树的不同长势的叶片。光谱仪测量时自动测量3次取平均值所以实验中也使用叶绿素计对每个测量点测量3次取平均得到最后结果，然后将光谱仪得到的叶绿素相对含量与叶绿素检测仪的测量结果于同一坐标下绘制曲线，如图5所示图中虚线为光谱仪数据曲线，实线为便携式叶绿素检测仪的曲线。,珠-珠一70,珠-珠一605040302010°I2345678910111213叶片种类图5叶绿素检测仪与光谱仪数据比对图Fig.5Datacomparisonbetweendetectorand

spectralanalysissystem.小-小紫紫观察曲线发现，叶绿素检测仪的曲线走向与光谱仪曲线基本一致，而且叶绿素检测仪对叶片的绿色度更加敏感变化相对明显。比较相同树种的数据可以看出，同种作物不同长势的叶片叶绿素含量的差异趋势与实际吻合，即嫩叶相对成熟叶叶绿素含量少。整个比对曲线符合预期，证明了仪器测量的准确性。.小-小紫紫5.2与分光光度计的比对实验实验选用的是传统的721型分光光度计对叶绿素a、b的吸收峰进行测量然后计算叶绿素的总含量。实验中选择了3种作物，每个作物依据长势不同取3个测量点每个测量点测3个数据取平均值共得到27个数据。计算平均值后以叶绿素计的数据作为横轴，分光光度计的数据作为纵轴，进行了相关性分析，曲线如图6所示。图6叶绿素计与分光光度计的数据相关图

Fig.6Correlogrambetweendetectorand

spectrophotometer图6中的曲线表示叶绿素计和分光光度计数据的拟合曲线，其中虚线为线性拟合，实线为对数拟合。线型拟合的相关系数为0.956,对数拟合的相关系数为0.960。个别点偏离拟合曲线偏大，因为实验耗时长，叶片采摘后放置过久导致误差，但总体上二种拟合方法的相关性均比较显著。6结论通过两个比对实验证明了仪器实现光电无损检测叶绿素含量的方法的正确性和可实现性，而且实现方法采用较常见芯片，在保证成本较低下检测叶绿素相对含量同时具有保存时间、日期、环境温湿度等信息的功能。仪器便携性能良妊非常适于野外测试，在我国科研、教学、农林产业中推广有意义。参考文献：张友胜，张苏峻，李镇魁.植物叶绿素特征及其在森林生态学研究中的应用[J].安徽农业科学，2008,36(3):1014-1017.ZHANGYSH，ZHANGSJ，LIZHK.Characteristicsofplantchlorophyllandtheprospectsforitsapplicationinforestecologicalstudy[J].JournalofAnhuiAgri.Sci.2008,36(3):1014-1017.苏云松郭华春，陈伊里马铃薯叶片SPAD值与叶绿素含量及产量的相关性研究[J].西南农业学报，2007,20(4):690-693.SUYS,GUOHCH,CHENYL.RelationshipbetweenSPADreadingschlorophyllcontentsandyieldofpota-to[J].JournalofAgriculturalSciencesofSouthwestChina，2007，20(4):690-693.潘玲玲，徐晓洁，谭晶晶，等.分光光度法快速测定玉米叶片中的叶绿素[J].化学分析研究简报，2007,35(3):413-415.PANLL,XUXJ,TANJJ,etal.SpectralphotometricDeterminationofChlorophyllConcentrationsinMaizeLeave[J].JournalofAnalyticalChemistry,2007,35(3):413-415.孔鲁裔.果酒中叶绿素铜钠的测定分光光度法[J].生命科学仪器,2008,6(1):48-53.KONGLY.Methodfordeterminationofsodiumcopperchlorophyllininratafeebyspectralphotometricmethod[J].InstrumentsofLifeScience,2008,6(1):48-53.李民赞光谱分析技术及其应用[M].北京科学出版社,2006:219-223.LIMZ.Technologyandapplicationofspectroscopicanalysis[M].Beijing:SciencePress,2006:219-223.王忠飞胥芳.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用[M].西安西安电子科技大学出版社,2007.WANGZHF,XUF.PrincipleofMCS-51andapplicationofembeddedsystem[M].Xi’an:XidianUniversityPress,2007.周兴华单片机智能化产品C语言设计实例详解[M].北京北京航空航天大学出版社,2006.ZHOUXH.ExamplesofintelligentMCUproductinClanguage[M].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,2006.刘文涛MCS-51单片机培训教程(51版)[M].北京电子工业出版社2005.LIUWT.TrainingcoursesofMCS-51(Version51).Beijing:ElectronicsIndustryPress,2005.沙占友智能传感器系统设计与应用[M].北京电子工业出版社,2004:277-282.SHAZHY.Designandapplicationofintelligentsensorsystem[M].Beijing:ElectronicsIndustryPress,2004:277-282.孟臣，李敏，李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器件,2004(2):50-54.MENGCH,LIM,LIACH.DigitaltemperatureandhumiditysensorSHT11basedonI2Cbusanditsapplicationinsingle-chipmicrocomputersystem[J].OverseasElectronicComponents,2004(2):50-54.于永戴佳，常江51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲网.北京电子工业出版社,2007:193-208.YUY,DAIJ,CHANGJ.Commonmodulesof51single-chipmicrocomputerandexamp