專利名稱：便攜式植物葉綠素相對含量及溫濕度檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
便攜式植物葉綠素相對含量及溫濕度檢測儀技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明裝置目的是為農(nóng)業(yè)、林業(yè)部門提供一種簡單準(zhǔn)確快速的葉綠素 含量及溫濕度檢測裝置，是把葉綠素含量和溫濕度測量結(jié)合在同一個(gè)裝置 中的儀器，主要涉及農(nóng)業(yè)林業(yè)生物檢測領(lǐng)域。
技術(shù)背景近年來，葉綠素含量檢測分析在農(nóng)業(yè)、林業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的 應(yīng)用，主要應(yīng)用于研究植物生長、作物含氮量分析等。分析研究對象是植 物葉片樣品，葉片樣品不需要前處理或僅需簡單處理能夠直接檢測。但是隨著對植物生長等方面研究的不斷深入，單一的葉綠素相對含量 測量已經(jīng)不能滿足需要，越來越多的研究需要考慮氣候環(huán)境(主要是溫度 和濕度參量)的影響，而目前尚無一種能同時(shí)測量環(huán)境參量和葉綠素相對 含量的測量裝置，因此研制出可以多參量測量的儀器裝置十分有意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式葉綠素相對含量及溫濕度無損檢測裝置。其特征是它包括電池升壓電路，恒流源電路，光電二極管發(fā)光 電路，葉片夾持機(jī)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，溫濕度傳感器電路, 液晶顯示電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，時(shí)間日期電路，單片機(jī)控制電路，欠壓報(bào) 警電路，計(jì)算機(jī)和RS232通信接口及下載電路，可以同時(shí)完成對各種氣候 條件下的葉綠素相對含量的檢測。以上所述檢測裝置中的光電二極管發(fā)光電路是由一個(gè)恒流源電路進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)發(fā)出的是光強(qiáng)恒定的兩種波長的光，可以保證測量的精度。以上所述檢測裝置的溫濕度測量采用可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量 值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能的集成傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用葉綠素對不同波長吸收率的不同，利用兩個(gè)特征波長的光透射葉片后的透過光相比較，測量葉綠素相對含量，溫濕度 測量則是釆用集成傳感芯片實(shí)現(xiàn)溫度及濕度的同時(shí)測量。儀器的組成如圖l所示包括電源(14):釆用電池升壓電路選取MAXIM公司的升壓芯片MAX756。 它是高效率，升壓型DC-DC變換換器。MAX756接受輸入電池電壓大于0. 7V 即可將它轉(zhuǎn)換成3. 3 V或5 V的比較高可選擇的輸出電壓。恒流源電路(l):釆用三端可調(diào)恒流源LM334,這種器件靠改變外圍 電阻元件參數(shù)，從而使電流達(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠達(dá)到1~ 2000 毫安的輸出電流。改變輸出電流，通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)。 本電路可以使光電二極管發(fā)光電路(2)發(fā)出光強(qiáng)恒定的光用于測量。光電二極管發(fā)光電路(2),發(fā)光二極管發(fā)射紅光(大約650nm)和近紅 外光(大約940nm)。透過樣本葉；葉片夾持機(jī)構(gòu)(3):釆用鋁合金制作，輕便結(jié)實(shí)；光電轉(zhuǎn)換電路(4):使用美國Burr-Brown公司專用芯片OPT101器件，它是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換-集成放大器件，對于光的檢測信號頻譜很寬。由于 OPT101為專用芯片，外圍電路全部集成到內(nèi)部。A/D轉(zhuǎn)換電路(5): 12位ADS7841，這是一款性能很好的A/D轉(zhuǎn)換芯 片，輸出12位的數(shù)據(jù)，可以精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。它釆用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以接口方便，且轉(zhuǎn)換速度非?？?；單片機(jī)(8):采用STC單片機(jī)，STC89C58RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)。它也是5V的工作電壓， 外圍電路和51單片機(jī)完全一樣，具有32K的Flash Memory,指令代碼完 全兼容8051單片機(jī)，基本擁有了 51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且下載方便；欠壓報(bào)警電路(10):儀器使用的是干電池，但儀器中很多模塊比較 耗電，如4行的液晶。加入此模塊，當(dāng)電池電壓下降時(shí)，提醒用戶更電池。 采用了包括蜂鳴器發(fā)聲和LCDl2864顯示提醒兩種途徑；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路(9):AT系列存儲(chǔ)芯片，目前，存儲(chǔ)芯片多用的是AT 系列的芯片，容量有2K到6化不等。AT2化64是一款基于12C技術(shù)的EWROM 存儲(chǔ)芯片，空間大小為641[，可記錄約幾千次記錄，可滿足使用，存儲(chǔ)器4模塊設(shè)有軟件清除、讀取功能；
控制按鍵(12):實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采樣、刪除、呼出顯示、計(jì)算、存儲(chǔ) 以及對數(shù)據(jù)顯示控制，通過LCD模塊能看到結(jié)果；
液晶顯示電路(ll):釆用MS12864R漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，其 屏幕由64(行)*128(列)點(diǎn)陣組成，可以顯示16點(diǎn)陣的4行*8歹U (32個(gè)) 漢字或128*64全屏幕點(diǎn)陣圖形。內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16X16點(diǎn)陣)、128 個(gè)字符(8X16點(diǎn)陣)及64X256點(diǎn)陣顯示RAM (GDRAM);
時(shí)鐘電路(7):為了在記錄測量值的同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的時(shí)間曰期，方便 以后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是使用，加入時(shí)間日期模塊。DS1302是美國DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、 月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。加入時(shí)間日期模 塊，可以方便的記錄下測量進(jìn)行的時(shí)間日期，增加儀器的實(shí)用性，實(shí)際使 用過程中很方便；
溫濕度傳感器電路(6 ):瑞士 Scnsirion公司的溫濕度集成芯片SHTxx 系列它將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集 成到一個(gè)芯片上；提供二線數(shù)字串行接口 SCK和DATA,接口簡單，支持 CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；測量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式； 測量精確度高，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功 能；
計(jì)算機(jī)和RS232通信接口及下載電路(13):本模塊主要實(shí)現(xiàn)的是將在 戶外測得的數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)對比和計(jì)算處 理。


圖i為本發(fā)明便攜式葉綠素及溫濕度檢測裝置示意圖； 圖2為便攜式葉綠素及溫濕度檢測電路圖。
具體實(shí)施方式

本發(fā)明釆用半導(dǎo)體發(fā)光管作為光發(fā)射源，光電傳感器作為光接收元 件，分析處理光強(qiáng)信號，獲得并與給定的進(jìn)行比較，利用比較結(jié)果完成被 分析葉片樣品的葉綠素相對含量測量，環(huán)境的溫濕度測量是利用溫濕度一體化傳感器釆集溫度和濕度，并通過單片機(jī)直接處理讀取溫濕度的值，系 統(tǒng)測量自動(dòng)準(zhǔn)確。該檢測儀包括時(shí)間顯示、溫濕度顯示、葉綠素相對含量 測量(計(jì)算通過接受器接收到的光照強(qiáng)度和發(fā)射光照強(qiáng)度的比值的對數(shù)， 確定葉綠素的含量，表示為葉綠素相對含量單位)、與PC通信、低壓提醒 電路五個(gè)部分。其中，測量葉綠素相對含量是該檢測儀主要的功能。在這 個(gè)功能上，可以儲(chǔ)存測量數(shù)據(jù)，刪除測量數(shù)據(jù)，呼出顯示儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
器里的數(shù)據(jù)，達(dá)到操作方便的目的；在時(shí)間方面，可以隨時(shí)校正并顯示檢 測儀時(shí)間；測量溫度和濕度采用了集溫度和濕度于一體的傳感器芯片，顯 示溫度和濕度反映了測量環(huán)境的因素，用于分析環(huán)境對葉綠素相對含量的 影響；通信功能能將儲(chǔ)存在檢測儀里的數(shù)據(jù)傳送到PC，以字節(jié)的格式儲(chǔ)存 在PC機(jī)并在人機(jī)界面上顯示曲線；報(bào)警電路主要是用于當(dāng)電池電量不足 時(shí)，提示使用者更換電池。該檢測儀采用了巿場上普遍使用的芯片，所以 價(jià)格相對于其它產(chǎn)品會(huì)比較便宜。另外，它攜帶方便；精確度高，測試快 速， 一個(gè)數(shù)據(jù)測定不足2秒鐘；具有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)(7000個(gè))和數(shù)據(jù)計(jì)算功能。
以下結(jié)合附圖2做進(jìn)一步詳述。
如圖2所示，硬件主要由九大模塊構(gòu)成核心模塊，主要包括AT89S52 芯片，下載口等；光電轉(zhuǎn)換模塊，使用芯片為OPT101型器件；發(fā)光電路 模塊使用芯片LM334; AD-模塊，主要芯片為ADS7841;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，使 用芯片為AT24C64,大小為64KB;溫濕度顯示模塊，使用SHT11傳感器芯 片；時(shí)鐘顯示模塊,使用芯片DS1302;液晶顯示模塊，使用芯片為MS12864R 芯片及欠壓報(bào)警電路，使用器件LM393和蜂鳴器。采用光電無損檢測方法 測量葉綠素含量的快速方法葉綠素吸收峰是藍(lán)光和紅光區(qū)域，在綠光區(qū) 域是吸收低谷，并且在近紅外區(qū)域幾乎沒有吸收?；诖?，選擇紅光區(qū)域 和近紅外區(qū)域測量葉綠素。
具體過程是讓由發(fā)光二極管發(fā)射紅光(峰值波長大約650nm)和近紅外 光(峰值大約在940nm)。葉綠素吸收波長為6S0nm的紅光，但并不吸收波 長為940nm的紅外光，940nm波長的紅外光的發(fā)射和接收主要是為了消除 葉片厚度等方面對測量結(jié)果的影響。紅光到達(dá)葉片后， 一部分被葉片的葉 綠素所吸收，剩下的透過葉片被接收器轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號，經(jīng)過放大器的放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微處理器利用這些數(shù)字
信號計(jì)算葉綠素的相對含量，表示為葉綠素相對含量單位，顯示并自動(dòng)存
儲(chǔ)。計(jì)算葉綠素相對含量值的步驟如下
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(無被測樣本)，兩個(gè)光源依次發(fā)光，并轉(zhuǎn)換為電信號， 計(jì)算發(fā)射光強(qiáng)比。
插入樣本葉片之后，兩個(gè)光源再次發(fā)光，葉片的透射光轉(zhuǎn)換為電信號, 計(jì)算透射光強(qiáng)度比值。
運(yùn)用以上兩個(gè)步驟的計(jì)算結(jié)果使用如下公式計(jì)算葉綠素相對含量值
s，=inog10 ' 0 (公式l)
、i f / 」
其中，K為常數(shù)；IRt為接收到的940nm紅外光照強(qiáng)度；IR。為發(fā)射紅 外光照強(qiáng)度；Rt為接收到的650nm紅光照強(qiáng)度；R。為發(fā)射紅光照強(qiáng)度。 和現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1) 發(fā)光二極管光源電路釆用了恒流源作為供電電源，保證了光源光強(qiáng) 的恒定，從而使得后續(xù)葉綠素相對含量測量準(zhǔn)確；
2) 引入了溫濕度集成傳感器，可以很準(zhǔn)確的對環(huán)境參量進(jìn)行測量；
3) 時(shí)鐘電路、高容量存儲(chǔ)芯片的使用提高了儀器的易用性和方便性；
4) 后續(xù)通訊及數(shù)據(jù)處理電路，可以生成溫濕度及葉綠素相對含量曲 線，提高了儀器的智能化水平。
權(quán)利要求1.一種便攜式葉綠素相對含量及溫濕度無損檢測裝置。其特征是它包括電池升壓電路，恒流源電路，光電二極管發(fā)光電路，葉片夾持機(jī)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，溫濕度傳感器電路，液晶顯示電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，時(shí)間日期電路，單片機(jī)控制電路，欠壓報(bào)警電路，計(jì)算機(jī)和RS232通信接口及下載電路，可以同時(shí)完成對各種氣候條件下的葉綠素相對含量的檢測。
2. 如權(quán)利要求1所述的便攜式葉綠素相對含量及溫濕度無損檢測裝 置，其特征是所述的光電二極管發(fā)光電路是由一個(gè)恒流源電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)發(fā) 出的是光強(qiáng)恒定的兩種波長的光，可以保證測量的精度。
3. 如權(quán)利要求1所述的便攜式葉綠素相對含量及溫濕度無損檢測裝 置，其特征是所述的溫濕度測量釆用可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高 質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能的集成傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于單片機(jī)的葉綠素相對含量及溫濕度便攜式檢測儀，屬于生物類檢測儀器領(lǐng)域，主要包括發(fā)光二極管光源、光電傳感電路、溫濕度傳感電路、單片機(jī)處理電路、通信及數(shù)據(jù)處理電路等。可以用于實(shí)時(shí)測量并記錄在不同氣候環(huán)境條件(主要是溫度和濕度)下的植物葉綠素相對含量?？梢杂糜趯?shí)時(shí)監(jiān)測諸如溫帶、寒帶、熱帶等各種氣候條件下植物生長情況及溫濕度對植物生長的影響。
文檔編號G01N21/17GK201331491SQ20082012288
公開日2009年10月21日 申請日期2008年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月13日
發(fā)明者立 張, 張文杰, 張祥雪 申請人:北京林業(yè)大學(xué)