基于STM32的葉綠素含量光電檢測儀設(shè)計

程坤

摘 要 本文設(shè)計了一個基于STM32的便攜式葉綠素含量檢測儀。采用光電無損快速檢測葉綠素原理，通過比對650nm和940nm兩束光波透過葉片的光強(qiáng)度變化定量描述葉綠素相對含量。通過SPAD （Soil and Plant Analyzer Development，土壤作物分析儀器開發(fā)）值分析葉綠素的含量，以實現(xiàn)無損快速檢測植物葉綠素含量的目的。試驗結(jié)果表明：本研究設(shè)計的葉綠素檢測儀測量值與光譜儀測量結(jié)果具有顯著的一致性，相對誤差不超過2%。

【關(guān)鍵詞】STM32 光電檢測 葉綠素 便攜式

葉綠素含量是權(quán)衡植物光合作用與生長狀況的一項重要指標(biāo)，葉綠素含量檢測技術(shù)的研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林業(yè)研究等方面的重要性不言而喻。目前，在國外，以日本SPAD502為代表的便攜式葉綠素檢測儀已經(jīng)在某些場合取代了傳統(tǒng)的檢測方法，取得了廣泛的應(yīng)用，但此類儀器的主要生產(chǎn)國為日本、美國、德國、由于價格十分昂貴，沒有中文界面，且功能單一等原因，并沒有在我國得到推廣使用。而國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，依舊保持著以傳統(tǒng)的分光光度法檢測方法為主，不僅耗費(fèi)時間、人力、物力、具有一定的危害性并且測量結(jié)果受人為實驗操作影響結(jié)果并不準(zhǔn)確。因此，研制出一套適用于我國推廣高性價比的植物葉綠素測量儀器，具有十分重要的意義。

本研究設(shè)計的葉綠素含量光電檢測儀，是SPAD值型的葉綠素含量檢測儀，利用STM32芯片控制恒流發(fā)光電路、光電轉(zhuǎn)換電路，溫濕度測量模塊等多個模塊工作，在不損傷葉片的前提下實現(xiàn)葉綠素含量檢測以及葉片所處環(huán)境溫濕度的實時檢測。

1 整體邏輯結(jié)構(gòu)

儀器的組成方框圖如圖1所示，由電源、發(fā)光電路、光強(qiáng)度傳感器、STM32主控制器，液晶顯示屏、溫濕度傳感器等組成。發(fā)光電路分別由2種LED燈發(fā)射波長650nm的紅光和波長940nm的紅外光組成，通過比對兩束光波透過葉片的光強(qiáng)度變化定量的計算植物的SPAD值。傳感器由BH1750光強(qiáng)度傳感器、AM2301溫濕度傳感器等通過IIC總線將光強(qiáng)度、溫度、濕度等數(shù)據(jù)傳輸給STM32主控制器，顯示在觸摸屏上并存儲到SD卡中，便于數(shù)據(jù)長期保存和調(diào)用。

由于葉綠素含量容易受到光照、溫濕度等外界環(huán)境因素影響，在編寫程序的時候，進(jìn)行了溫濕度補(bǔ)償，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。為了更好的記錄與保存數(shù)據(jù)測量時間，系統(tǒng)加入了RTC時鐘模塊，記錄每次測量的時間和日期，如圖1。

1.1 主控制器

STM32系列基于專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex—M3內(nèi)核，具有眾多優(yōu)良特性。其RTC時鐘是一個獨(dú)立的定時器，擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，時間精度達(dá)到0.1s?？刂破鞑捎密浖M高速IIC總線方式一般可達(dá)400kbps以上。擁有2路ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以使用雙重模式，提高采樣率，最大的轉(zhuǎn)換速率為1Mhz。數(shù)據(jù)存儲采用SPI總線，具有高速，全雙工，同步的通信總線，最高速度可以達(dá)到18Mhz，每秒可傳輸數(shù)據(jù)2M字節(jié)以上。

1.2 光強(qiáng)度傳感器及溫濕度傳感器

BH1750環(huán)境光強(qiáng)傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠直接輸出一個數(shù)字信號，其接口是IIC總線，更快速、穩(wěn)定的與單片機(jī)進(jìn)行通信，傳感器精度為0.01Lux，量程為0-65535Lux。

AM2301數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)、用于確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接，通過IIC總線方式連接到主控制器。測溫范圍為-40-80攝氏度，精度為0.5攝氏度，濕度范圍為0-100%RH，精度為3%RH.因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)。抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 電源模塊

發(fā)光電路需要一個穩(wěn)定的工作電壓才能穩(wěn)定，可靠的工作。在設(shè)計中我們采用了7805和LM2576相配合的設(shè)計，LM2576屬于開關(guān)電源芯片，以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，功耗極低，其平均效率可達(dá)70%-90%。但是電壓紋波大，一般大于20mv，是開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計中不可避免的問題。而7805是線性電源芯片，效率比較低，一般效率在30%-40%，超過三分之二的電能被損耗了，但是該芯片輸出的電壓波紋小。系統(tǒng)采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來提高穩(wěn)壓電源的工作效率同時采用穩(wěn)壓電源來降低電源的輸出紋波電壓。相比使用單一電源，具有更穩(wěn)定、可靠的性能。

1.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

為了方便采集信息的存儲，設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲模塊，相比FLASH，U盤等，最適合單片機(jī)系統(tǒng)的莫過于SD卡，它不僅容量可以很大（32GB以上），工作在3.3V，而且支持SPI接口，方便移動，只需要4個IO口，存放在主存中的數(shù)據(jù)掉電不丟失。另外SD卡還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。除此之外，增加了USB讀取功能，將單片機(jī)通過USB接口和電腦連接，將SD卡中的數(shù)據(jù)上傳到電腦進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理。

2 SPAD值的測量與計算

SPAD值是一個葉綠素相對含量讀數(shù)，也稱為“綠色度”。通過比較光強(qiáng)度傳感器檢測接收光強(qiáng)度和發(fā)射光強(qiáng)度，確定葉綠素的含量，表示為SPAD值，通過數(shù)值的大小來定量描述葉片的“綠色度”。

2.1 SPAD測量原理

采用光電無損檢測方法測量葉綠素含量的原理和方法：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。因此，選擇紅光區(qū)域和近紅外區(qū)域測量葉綠素的含量。具體過程是讓發(fā)光二極管發(fā)射紅光（峰值波長650nm）和近紅外光（峰值波長940nm）。葉綠素吸收波長為650nm的紅光，但并不吸收波長為940nm的紅外光，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，少量被反射后，剩下的透過葉片被光強(qiáng)度傳感器轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過IIC總線接入主控制器，控制器利用這些數(shù)字信號計算葉綠素的相對含量，表示為SPAD值，顯示并存儲。endprint

2.2 計算SPAD值的步驟

（1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（無葉片），2個光源依次發(fā)光并轉(zhuǎn)換為電信號，記錄發(fā)射光強(qiáng)度；

（2）插入葉片之后，2個光源再次發(fā)光，將葉片的透射光轉(zhuǎn)換為電信號，記錄透射光強(qiáng)度；

（3）運(yùn)用以上2個步驟的數(shù)據(jù)代入公式（1）計算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K為常數(shù)；IRt為接收到的經(jīng)過葉片的940nm紅外光強(qiáng)度，IR0為發(fā)射的紅外光強(qiáng)度；Rt為接收到的經(jīng)過葉片的650nm紅光強(qiáng)度，R0為發(fā)射的紅光強(qiáng)度。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要完成對光源發(fā)射控制及光強(qiáng)度檢測，并完成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換和存儲。

軟件設(shè)計：首先顯示開機(jī)界面，初始化程序，并檢測各個傳感器是否正常工作。如正常，則顯示相關(guān)測量結(jié)果，否則，提示傳感器錯誤。然后，在main函數(shù)中循環(huán)檢測屏幕觸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)入不同的功能模式，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，實現(xiàn)不同的功能。儀器主要包括有測量模式、數(shù)據(jù)讀取模式、與PC通信模式、系統(tǒng)設(shè)置、待機(jī)模式等。

光源控制及光強(qiáng)度檢測部分代碼：

4 儀器比對實驗

儀器設(shè)計制作完成后，與植物光譜分析儀比對實驗。聞奕光電的旗艦產(chǎn)品PC4000高分辨光纖光譜儀采用特殊光學(xué)設(shè)計和高像素CCD，能夠提供最高0.05nm的光學(xué)分辨率，為激光表征、氣體吸收測量和等離子分析等應(yīng)用提供最佳的光譜測量。通過測量植物葉片反射光譜得到葉綠素、水分等含量，且該儀器出廠前與傳統(tǒng)的分光光度法比對校正過，有一定比對價值。本研究選擇了同一棵樹的不同長勢的葉片。光譜儀測量時自動測量3次取平均值，所以實驗中也使用設(shè)計的葉綠素儀對每個測量點(diǎn)測量3次取平均得到最后結(jié)果，以葉綠素檢測儀的數(shù)據(jù)作為橫軸，光譜檢測儀作為縱軸，進(jìn)行了數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，圖中的虛線表示葉綠素檢測儀和光譜檢測儀數(shù)據(jù)的對數(shù)擬合曲線，對數(shù)捏的相關(guān)系數(shù)為0.9774.葉綠素檢測儀的檢測數(shù)據(jù)與光譜儀檢測數(shù)據(jù)基本一致。整個比對曲線符合預(yù)期，證明了儀器測量的準(zhǔn)確性。個別點(diǎn)偏離擬合曲線偏大，因為實驗耗時長，葉片采摘后放置過久導(dǎo)致誤差，但總體上誤差范圍不超過2%，如圖2。

5 結(jié)論

葉綠素檢測儀采用光電檢測方法，在不破壞葉片的前提下測量葉綠素含量，通過比對實驗證明了儀器實現(xiàn)光電無損檢測葉綠素含量的方法的正確性和可實現(xiàn)性，儀器采用常見芯片，成本較低，實現(xiàn)方便，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時具有中文界面，保存時間、日期環(huán)境溫濕度等信息的功能，儀器便攜性能好便于在我國科研教學(xué)、農(nóng)林工作中推廣和使用。該儀器便攜性能良好，非常適于野外測試，在葉綠素檢測中具有創(chuàng)新意義，能間接推動我國農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，具有一定的實際價值和推廣意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Blackmer T M，Schepers J S，Varvel G E.Light reflectance compared with other nitrogen stress measurements in corn leaves[J].Agronomy J.1994，86：934-938.

[2]Blachmer T M.Schepers J S.Techniques for monitoring crop nitrogen status in corn[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis，1994，25：1791-1800.

[3]張友勝，張?zhí)K峻，李鎮(zhèn)魁.植物葉綠素特征及其在森林生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（3）：1014-1017.

[4]孟臣，李敏，李愛傳.I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.

[5]馮偉，郭天財，謝迎新等.作物光譜分析技術(shù)及其在生長檢測中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（23）：182-188.

作者單位

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 江蘇省南京市 210031endprint

2.2 計算SPAD值的步驟

（1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（無葉片），2個光源依次發(fā)光并轉(zhuǎn)換為電信號，記錄發(fā)射光強(qiáng)度；

（2）插入葉片之后，2個光源再次發(fā)光，將葉片的透射光轉(zhuǎn)換為電信號，記錄透射光強(qiáng)度；

（3）運(yùn)用以上2個步驟的數(shù)據(jù)代入公式（1）計算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K為常數(shù)；IRt為接收到的經(jīng)過葉片的940nm紅外光強(qiáng)度，IR0為發(fā)射的紅外光強(qiáng)度；Rt為接收到的經(jīng)過葉片的650nm紅光強(qiáng)度，R0為發(fā)射的紅光強(qiáng)度。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要完成對光源發(fā)射控制及光強(qiáng)度檢測，并完成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換和存儲。

軟件設(shè)計：首先顯示開機(jī)界面，初始化程序，并檢測各個傳感器是否正常工作。如正常，則顯示相關(guān)測量結(jié)果，否則，提示傳感器錯誤。然后，在main函數(shù)中循環(huán)檢測屏幕觸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)入不同的功能模式，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，實現(xiàn)不同的功能。儀器主要包括有測量模式、數(shù)據(jù)讀取模式、與PC通信模式、系統(tǒng)設(shè)置、待機(jī)模式等。

光源控制及光強(qiáng)度檢測部分代碼：

4 儀器比對實驗

儀器設(shè)計制作完成后，與植物光譜分析儀比對實驗。聞奕光電的旗艦產(chǎn)品PC4000高分辨光纖光譜儀采用特殊光學(xué)設(shè)計和高像素CCD，能夠提供最高0.05nm的光學(xué)分辨率，為激光表征、氣體吸收測量和等離子分析等應(yīng)用提供最佳的光譜測量。通過測量植物葉片反射光譜得到葉綠素、水分等含量，且該儀器出廠前與傳統(tǒng)的分光光度法比對校正過，有一定比對價值。本研究選擇了同一棵樹的不同長勢的葉片。光譜儀測量時自動測量3次取平均值，所以實驗中也使用設(shè)計的葉綠素儀對每個測量點(diǎn)測量3次取平均得到最后結(jié)果，以葉綠素檢測儀的數(shù)據(jù)作為橫軸，光譜檢測儀作為縱軸，進(jìn)行了數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，圖中的虛線表示葉綠素檢測儀和光譜檢測儀數(shù)據(jù)的對數(shù)擬合曲線，對數(shù)捏的相關(guān)系數(shù)為0.9774.葉綠素檢測儀的檢測數(shù)據(jù)與光譜儀檢測數(shù)據(jù)基本一致。整個比對曲線符合預(yù)期，證明了儀器測量的準(zhǔn)確性。個別點(diǎn)偏離擬合曲線偏大，因為實驗耗時長，葉片采摘后放置過久導(dǎo)致誤差，但總體上誤差范圍不超過2%，如圖2。

5 結(jié)論

葉綠素檢測儀采用光電檢測方法，在不破壞葉片的前提下測量葉綠素含量，通過比對實驗證明了儀器實現(xiàn)光電無損檢測葉綠素含量的方法的正確性和可實現(xiàn)性，儀器采用常見芯片，成本較低，實現(xiàn)方便，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時具有中文界面，保存時間、日期環(huán)境溫濕度等信息的功能，儀器便攜性能好便于在我國科研教學(xué)、農(nóng)林工作中推廣和使用。該儀器便攜性能良好，非常適于野外測試，在葉綠素檢測中具有創(chuàng)新意義，能間接推動我國農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，具有一定的實際價值和推廣意義。

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[4]孟臣，李敏，李愛傳.I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.

[5]馮偉，郭天財，謝迎新等.作物光譜分析技術(shù)及其在生長檢測中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（23）：182-188.

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2.2 計算SPAD值的步驟

（1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（無葉片），2個光源依次發(fā)光并轉(zhuǎn)換為電信號，記錄發(fā)射光強(qiáng)度；

（2）插入葉片之后，2個光源再次發(fā)光，將葉片的透射光轉(zhuǎn)換為電信號，記錄透射光強(qiáng)度；

（3）運(yùn)用以上2個步驟的數(shù)據(jù)代入公式（1）計算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K為常數(shù)；IRt為接收到的經(jīng)過葉片的940nm紅外光強(qiáng)度，IR0為發(fā)射的紅外光強(qiáng)度；Rt為接收到的經(jīng)過葉片的650nm紅光強(qiáng)度，R0為發(fā)射的紅光強(qiáng)度。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要完成對光源發(fā)射控制及光強(qiáng)度檢測，并完成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換和存儲。

軟件設(shè)計：首先顯示開機(jī)界面，初始化程序，并檢測各個傳感器是否正常工作。如正常，則顯示相關(guān)測量結(jié)果，否則，提示傳感器錯誤。然后，在main函數(shù)中循環(huán)檢測屏幕觸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)入不同的功能模式，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，實現(xiàn)不同的功能。儀器主要包括有測量模式、數(shù)據(jù)讀取模式、與PC通信模式、系統(tǒng)設(shè)置、待機(jī)模式等。

光源控制及光強(qiáng)度檢測部分代碼：

4 儀器比對實驗

儀器設(shè)計制作完成后，與植物光譜分析儀比對實驗。聞奕光電的旗艦產(chǎn)品PC4000高分辨光纖光譜儀采用特殊光學(xué)設(shè)計和高像素CCD，能夠提供最高0.05nm的光學(xué)分辨率，為激光表征、氣體吸收測量和等離子分析等應(yīng)用提供最佳的光譜測量。通過測量植物葉片反射光譜得到葉綠素、水分等含量，且該儀器出廠前與傳統(tǒng)的分光光度法比對校正過，有一定比對價值。本研究選擇了同一棵樹的不同長勢的葉片。光譜儀測量時自動測量3次取平均值，所以實驗中也使用設(shè)計的葉綠素儀對每個測量點(diǎn)測量3次取平均得到最后結(jié)果，以葉綠素檢測儀的數(shù)據(jù)作為橫軸，光譜檢測儀作為縱軸，進(jìn)行了數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，圖中的虛線表示葉綠素檢測儀和光譜檢測儀數(shù)據(jù)的對數(shù)擬合曲線，對數(shù)捏的相關(guān)系數(shù)為0.9774.葉綠素檢測儀的檢測數(shù)據(jù)與光譜儀檢測數(shù)據(jù)基本一致。整個比對曲線符合預(yù)期，證明了儀器測量的準(zhǔn)確性。個別點(diǎn)偏離擬合曲線偏大，因為實驗耗時長，葉片采摘后放置過久導(dǎo)致誤差，但總體上誤差范圍不超過2%，如圖2。

5 結(jié)論

葉綠素檢測儀采用光電檢測方法，在不破壞葉片的前提下測量葉綠素含量，通過比對實驗證明了儀器實現(xiàn)光電無損檢測葉綠素含量的方法的正確性和可實現(xiàn)性，儀器采用常見芯片，成本較低，實現(xiàn)方便，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時具有中文界面，保存時間、日期環(huán)境溫濕度等信息的功能，儀器便攜性能好便于在我國科研教學(xué)、農(nóng)林工作中推廣和使用。該儀器便攜性能良好，非常適于野外測試，在葉綠素檢測中具有創(chuàng)新意義，能間接推動我國農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，具有一定的實際價值和推廣意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]孟臣，李敏，李愛傳.I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.

[5]馮偉，郭天財，謝迎新等.作物光譜分析技術(shù)及其在生長檢測中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（23）：182-188.

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南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 江蘇省南京市 210031endprint