CN201331491Y - 便携式植物叶绿素相对含量及温湿度检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单片机的叶绿素相对含量及温湿度便携式检测仪，属于生物类检测仪器领域，主要包括发光二极管光源、光电传感电路、温湿度传感电路、单片机处理电路、通信及数据处理电路等。可以用于实时测量并记录在不同气候环境条件(主要是温度和湿度)下的植物叶绿素相对含量。可以用于实时监测诸如温带、寒带、热带等各种气候条件下植物生长情况及温湿度对植物生长的影响。

Description

便携式植物叶绿素相对含量及温湿度检测仪

技术领域

本发明装置目的是为农业、林业部门提供一种简单准确快速的叶绿素含量及温湿度检测装置，是把叶绿素含量和温湿度测量结合在同一个装置中的仪器，主要涉及农业林业生物检测领域。

背景技术

近年来，叶绿素含量检测分析在农业、林业领域得到了越来越广泛的应用，主要应用于研究植物生长、作物含氮量分析等。分析研究对象是植物叶片样品，叶片样品不需要前处理或仅需简单处理能够直接检测。

但是随着对植物生长等方面研究的不断深入，单一的叶绿素相对含量测量已经不能满足需要，越来越多的研究需要考虑气候环境(主要是温度和湿度参量)的影响，而目前尚无一种能同时测量环境参量和叶绿素相对含量的测量装置，因此研制出可以多参量测量的仪器装置十分有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式叶绿素相对含量及温湿度无损检测装置。其特征是它包括：电池升压电路，恒流源电路，光电二极管发光电路，叶片夹持机构，光电转换电路，A/D转换电路，温湿度传感器电路，液晶显示电路，数据存储电路，时间日期电路，单片机控制电路，欠压报警电路，计算机和RS232通信接口及下载电路，可以同时完成对各种气候条件下的叶绿素相对含量的检测。

以上所述检测装置中的光电二极管发光电路是由一个恒流源电路进行驱动发出的是光强恒定的两种波长的光，可以保证测量的精度。

以上所述检测装置的温湿度测量采用可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能的集成传感器。

本发明的技术方案是采用叶绿素对不同波长吸收率的不同，利用两个特征波长的光透射叶片后的透过光相比较，测量叶绿素相对含量，温湿度测量则是采用集成传感芯片实现温度及湿度的同时测量。

仪器的组成如图1所示包括：

电源(14)：采用电池升压电路：选取MAXIM公司的升压芯片MAX756。它是高效率，升压型DC-DC变换换器。MAX756接受输入电池电压大于0.7V即可将它转换成3.3V或5V的比较高可选择的输出电压。

恒流源电路(1)：采用三端可调恒流源LM334，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1～2000毫安的输出电流。改变输出电流，通过数字电位器来改变需要的电阻参数。本电路可以使光电二极管发光电路(2)发出光强恒定的光用于测量。

光电二极管发光电路(2)，发光二极管发射红光(大约650nm)和近红外光(大约940nm)。透过样本叶；

叶片夹持机构(3)：采用铝合金制作，轻便结实；

光电转换电路(4)：使用美国Burr-Brown公司专用芯片OPT101器件，它是一个光电转换-集成放大器件，对于光的检测信号频谱很宽。由于OPT101为专用芯片，外围电路全部集成到内部。

A/D转换电路(5)：12位ADS7841，这是一款性能很好的A/D转换芯片，输出12位的数据，可以精确到小数点后2位。它采用串行模数转换，所以接口方便，且转换速度非常快；

单片机(8)：采用STC单片机，STC89C58RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机。它也是5V的工作电压，外围电路和51单片机完全一样，具有32K的Flash Memory，指令代码完全兼容8051单片机，基本拥有了51单片机的优点，而且下载方便；

欠压报警电路(10)：仪器使用的是干电池，但仪器中很多模块比较耗电，如4行的液晶。加入此模块，当电池电压下降时，提醒用户更电池。采用了包括蜂鸣器发声和LCD12864显示提醒两种途径；

数据存储电路(9)：AT系列存储芯片，目前，存储芯片多用的是AT系列的芯片，容量有2K到64K不等。AT24C64是一款基于I2C技术的E2PROM存储芯片，空间大小为64K，可记录约几千次记录，可满足使用，存储器模块设有软件清除、读取功能；

控制按键(12)：实现对数据的采样、删除、呼出显示、计算、存储以及对数据显示控制，通过LCD模块能看到结果；

液晶显示电路(11)：采用MS12864R汉字图形点阵液晶显示模块，其屏幕由64(行)*128(列)点阵组成，可以显示16点阵的4行*8列(32个)汉字或128*64全屏幕点阵图形。内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)；

时钟电路(7)：为了在记录测量值的同时记录当时的时间日期，方便以后对数据进行分析是使用，加入时间日期模块。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。加入时间日期模块，可以方便的记录下测量进行的时间日期，增加仪器的实用性，实际使用过程中很方便；

温湿度传感器电路(6)：瑞士Scnsirion公司的温湿度集成芯片SHT××系列：它将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；测量精确度高，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；

计算机和RS232通信接口及下载电路(13)：本模块主要实现的是将在户外测得的数据送往计算机，在计算机中进行更复杂的数据对比和计算处理。

附图说明

图1为本发明便携式叶绿素及温湿度检测装置示意图；

图2为便携式叶绿素及温湿度检测电路图。

具体实施方式

本发明采用半导体发光管作为光发射源，光电传感器作为光接收元件，分析处理光强信号，获得并与给定的进行比较，利用比较结果完成被分析叶片样品的叶绿素相对含量测量，环境的温湿度测量是利用温湿度一体化传感器采集温度和湿度，并通过单片机直接处理读取温湿度的值，系统测量自动准确。该检测仪包括时间显示、温湿度显示、叶绿素相对含量测量(计算通过接受器接收到的光照强度和发射光照强度的比值的对数，确定叶绿素的含量，表示为叶绿素相对含量单位)、与PC通信、低压提醒电路五个部分。其中，测量叶绿素相对含量是该检测仪主要的功能。在这个功能上，可以储存测量数据，删除测量数据，呼出显示储存在数据存储器里的数据，达到操作方便的目的；在时间方面，可以随时校正并显示检测仪时间；测量温度和湿度采用了集温度和湿度于一体的传感器芯片，显示温度和湿度反映了测量环境的因素，用于分析环境对叶绿素相对含量的影响；通信功能能将储存在检测仪里的数据传送到PC，以字节的格式储存在PC机并在人机界面上显示曲线；报警电路主要是用于当电池电量不足时，提示使用者更换电池。该检测仪采用了市场上普遍使用的芯片，所以价格相对于其它产品会比较便宜。另外，它携带方便；精确度高，测试快速，一个数据测定不足2秒钟；具有储存数据(7000个)和数据计算功能。

下面结合附图2做进一步详述。

如图2所示，硬件主要由九大模块构成：核心模块，主要包括AT89S52芯片，下载口等；光电转换模块，使用芯片为OPT101型器件；发光电路模块使用芯片LM334；AD-模块，主要芯片为ADS7841；数据存储模块，使用芯片为AT24C64，大小为64KB；温湿度显示模块，使用SHT11传感器芯片；时钟显示模块，使用芯片DS1302；液晶显示模块，使用芯片为MS12864R芯片及欠压报警电路，使用器件LM393和蜂鸣器。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(峰值波长大约650nm)和近红外光(峰值大约在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，940nm波长的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，剩下的透过叶片被接收器转换成为相应的电信号，经过放大器的放大，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，表示为叶绿素相对含量单位，显示并自动存储。计算叶绿素相对含量值的步骤如下：

标准状态下(无被测样本)，两个光源依次发光，并转换为电信号，计算发射光强比。

插入样本叶片之后，两个光源再次发光，叶片的透射光转换为电信号，计算透射光强度比值。

运用以上两个步骤的计算结果使用如下公式计算叶绿素相对含量值

$\mathrm{SPAD}=K{\log }_{10}\left(\frac{{\mathrm{IR}}_t/{\mathrm{IR}}_0}{R_t/R_0}\right)$ (公式1)

其中，K为常数；IR_t为接收到的940nm红外光照强度；IR₀为发射红外光照强度；R_t为接收到的650nm红光照强度；R₀为发射红光照强度。

和现有技术比较，本发明具有以下优点：

1)发光二极管光源电路采用了恒流源作为供电电源，保证了光源光强的恒定，从而使得后续叶绿素相对含量测量准确；

2)引入了温湿度集成传感器，可以很准确的对环境参量进行测量；

3)时钟电路、高容量存储芯片的使用提高了仪器的易用性和方便性；

4)后续通讯及数据处理电路，可以生成温湿度及叶绿素相对含量曲线，提高了仪器的智能化水平。

Claims (3)

1.一种便携式叶绿素相对含量及温湿度无损检测装置。其特征是它包括：电池升压电路，恒流源电路，光电二极管发光电路，叶片夹持机构，光电转换电路，A/D转换电路，温湿度传感器电路，液晶显示电路，数据存储电路，时间日期电路，单片机控制电路，欠压报警电路，计算机和RS232通信接口及下载电路，可以同时完成对各种气候条件下的叶绿素相对含量的检测。

2.如权利要求1所述的便携式叶绿素相对含量及温湿度无损检测装置，其特征是所述的光电二极管发光电路是由一个恒流源电路进行驱动发出的是光强恒定的两种波长的光，可以保证测量的精度。

3.如权利要求1所述的便携式叶绿素相对含量及温湿度无损检测装置，其特征是所述的温湿度测量采用可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能的集成传感器。

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