植物叶片水分检测仪器的研制

植物叶片水分检测仪器的研制

0水分测量仪器在农业生产中，水条件是一个极其重要的自然条件。水分是控制植物光合作用、呼吸作用和生物量的主要因素之一,水分亏缺直接影响植物的生理生化过程和形态结构,进而影响植物的生长、产量和品质。对植物叶片水分含量测量的一般方法是烘干法、电容法、电磁波法等,但是这些方法一般都有破坏性、非连续性,并且很费时间。近些年来,依据光谱特性监测水分状况,以其非破坏性和快捷性成为农业生产的研究热点。所谓光谱特性,即物质对不同波段光谱的响应特性,每种物质对不同波长的电磁波的吸收和反射是不同的。在近红外区域,水和其他分子中的O-H键的伸缩和弯曲振动是引起植物吸收电磁辐射的决定性因素。水分吸收光谱中有5个吸收带,中心波长分别位于760、970、1145、1450和1940nm附近。基于此,这一区域的光谱信息已被广泛用来分析研究植物的水分状况。近红外水分测量仪器一般采用两种测量方法:透射法和反射法。透射法是利用一定强度的近红外光照射样品,透过样品的光携带了样品结构和组织信息,检测光被吸收的程度可以确定该样品的水分含量。透射光的强度受到样品的厚度及透射过程光路的不规则影响。反射法是通过检测被测样品表面反射的光强来确定样品水分含量。林晓鹰报道的近红外水分仪,采用反射法测量水分,使用1700、1940和2100nm3束光,仪器由光学探头和电子线路组成,其中光学探头包括红外光源、准直透镜、斩光器、折射平面镜、聚合镜等组成。该仪器的优点是较实用、实现在线非接触和实时测量;不足之处是其测量范围只有0%~30%。西安力源光电科技有限责任公司生产的智能型反射式近红外水分测量仪,采用四波长二测量二参比的检测方法。该仪器的优点是稳定性好,长时间工作无需定标;缺点是其调制滤光片轮旋转带来的“时间差”使其测量光束和参比光束有小部分不重合,会造成一定的误差,另外当水分变动较大时,系统响应略有滞后。由于采用反射法的仪器光学部分较为复杂,且仪器的体积相对较大。透射法的光学部分相对简单,可采用耗电极省的发光二极管LED作为光源,可做成手持式的仪器。本文研制的仪器为电池供电的手持式仪器,因此采用透射法,光源为近红外LED,选取水分吸收的特征波长980nm以及参比波长890nm[12,13,14,15,16,17]建立预测模型。在水分的特征吸收带中,比较强的是1940、1450和970nm,而1940和1450nm不宜透过被测样品,通常用做反射测量;970nm容易透过被测样品,故适宜用于透射测量。因此该仪器选用980nm作为测量水分的特征波长。采用超低功耗的单片机和新型光频转换芯片,进行周全的硬件设计和软件设计,仪器易于便携、信噪比较高、价格低廉、具有快速无损定量分析活体叶片水分的能力。1功能子模块设计仪器的整体设计采用模块化思想,将整个电路按照其逻辑功能分成几个功能子模块,分别完成子模块分析、芯片选择及设计。按照仪器的组成结构,可将其分为:单片机、光源、检测器、温度传感器、液晶显示、键盘控制、数据存储、串口通信等模块。1.1sp430f149由于系统研究的是针对活体叶片测量的便携式仪器,设计要求低功耗、小体积、工作稳定、便于操作和携带。本设计中采用的单片机为TI公司生产的MSP430F149。MSP430F149是一种16位的单片机,低至1.8~3.6V的工作电压、3个不同的时钟信号、6种工作模式随时转换,可供选择,耗电电流(在0.1~400μA之间)因不同的工作模式而不同。可将CPU置于省电模式,以中断的方式唤醒,尽可能地降低功耗。MSP430F149具有强大的运算性能,高性能模拟技术及丰富的片上外围模块,DCO(数控振荡器)保证系统工作稳定。可电擦写的FLASH型存储器,通过片内的JTAG调试接口与PC机相连即可完成系统编码的调试,开发环境方便高效。1.2led光导率检测硬件系统的信号采集模块包括光源、窄带干涉滤光片、样品室和检测器。光源和滤光片用于产生某种波长的单色光,以此作为作用光,穿透样品室中的样品,透射光成为承载样品信息的分析光。检测器分别检测作用光和分析光的强度。将检测结果送入单片机进行处理。叶片被检测部位完全处在样品室的黑箱中,避免了外界光干扰,提高了测量精度。系统采用2个中心波长位于近红外区域的LED,分别通过890和980nm的两个窄带滤光片,通过滤光片的两束单色光成为仪器检测的作用光。每个LED具有单独的可调节的恒流电路,保证光源的稳定。检测器选用光频转换芯片TSL230,将光信号转换成频率与之成正比的方波或者脉冲信号。该器件采用先进的LinCMOS工艺,主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,互补金属氧化物半导体)电流频率集成转换器构成。它不需外接元件,直接与单片机相连,即可完成高分辨率的光频转换,大大简化了电路结构,降低了噪声干扰。其灵敏度、分频输出可由程序控制。系统用到的890和980nm作用光处在器件的光谱响应曲线内。1.3图形位点获取选用液晶YLF12232F,内置8192个16×16点汉字库和128个16×8点ASCII字符集图形点阵。液晶配合上移、下移、测量、删除和功能键5个按键,完成信息的输入、输出及显示。用户界面友好,不同的按键操作显示相应的操作提示,简单易用。1.4基于所测方法的测量系统下位机采集的光信息数量大,需要上传到PC机进行分析处理,建立数据模型。模型建立后下载到测量仪的单片机系统,便可实现仪器的便携测量。为了实现PC机与单片机的通讯,系统采用RS232串行通讯,其硬件连接和软件设计相对简单,开发周期短、价格低廉。硬件电路系统框图如图1所示。2硬件结构设计硬件设计工作完成之后,功能的实现都要靠软件来完成。系统的软件设计分为两部分:单片机软件驱动和上位机界面设计。单片机软件实现对电路各模块的功能驱动,完成数据的采集、计算、显示及数据传送。上位机软件部分为在PC上实现对串口传输的数据进行存储、图形显示及水分预测。2.1测试程序的建立开发环境选择IAR公司提供的EmbeddedWorkbench嵌入式工作台以及调试器C_SPY。采用C430语言编写单片机软件源程序。软件系统由下位机主程序、数据采集程序、数据存储程序、温度检测程序、液晶显示程序、按键中断程序和串口程序等构成。软件流程图如图2所示。仪器初始化完成以后,液晶显示当前温度,等待按键操作。模型的建立:仪器测量一批已知叶片含水量的样本,由程序控制两个LED轮流发亮,同时启动光频转换芯片,将通过叶片前的光强I0和经过叶片吸收以后的光强I分别转换成频率送入单片机,由单片机内计数器记录一定时间内的对应频率计数值n0,n,则光强与计数值成正比。由公式(1)~(3)计算得到980和890nm处的吸光度值A980、A890,并保存在存储器中。测量完毕,将这批样本的光谱数据通过串口上传到PC机。在PC机上建立水分含量W与吸光度之间的数学模型,见公式(4),并下载到仪器进行处理。再测量同类叶片时,只要得到叶片的吸光度即可预测并显示水分含量。式中:A——吸光度;a、b——系数。2.2操作方便,操作方便上位机界面在C++Builder开发环境下设计,基于实用性,力求界面友好,操作方便。界面可实现数据的传递、处理和存储,显示叶片吸光度与水分含量之间的散点图,输入样本编号区间显示相应的水分含量范围,由给定的叶片吸光度预测叶片水分含量。3水分含量预测集的建立实验采集39片紫荆叶片,用烘干法测定其水分标准含量,计算出叶片水分含量鲜重比(水分标准含量/叶片鲜重×100%),实验中称为水分真实值。利用本仪器测量叶片的光谱信息并将信息上传至PC。随机取出30片叶片的光谱信息作为建模集,剩下的9片作为预测集,利用最小二乘法进行数据拟合,建立吸光度与水分真实值之间的预测模型。校正集水分预测值与水分真实值之间的散点图、预测集预测值与水分真实值之间的散点图依次如图3、图4所示。从图中可以看出预测结果与水分真实值基本一致,二者相关系数为0.900。由于仪器光源部分只采用了两个波长,并且980nm为-OH三次倍频吸收处,本身吸收较弱。因此,仪器的信号采集模块可增加水分敏感波段的单色光源数量来进行仪器光源部分的改良。实验中采集的样本数量相对较少,叶片水分含量范围有限,对于水分含量不在该范围的叶片进行水分预测时存在着较大误差。为了扩大测量范围,可以尝试在不同水分含量范围内分段建模。若要测量不同植物的叶片水分含量,应建立相应的预测模型。4实验仪器的测量过程需要系统的设计和应用在近红外光谱区域,基于光谱特性对活体植物叶片进行水分无损检测,采用890nm和980nm的近红外光,超低功耗单片机MSP430和新型的光频转换芯片TSL230,初步完成了测定植物叶片水分含量的透射式仪器的开发和调试。用该仪器对实验样本的水分含量进行了建模和预测,并得到了较为满意的结果。对于不同的植物种类,只需建立相应的测量模型即可实现该品种叶片水分的快速测量。在硬件设计和软件代码的编写过程中充分考虑到低功耗及抗干扰等