基于光频转换器的叶片水分检测仪器
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摘要：在短波近红外光谱区，以超低功耗单片机MSP430为核心，采用新型的光频转换芯片TSL230.研制快速无损、可现场测定植物叶片水分含量的检测仪器。文章阐述了仪器的工作原理、硬件构成、软件设计厦校正模型。该仪器的使用简化了信号采集电路,减少了噪声的引入，提高了信号采集的准确性。
中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)O1-0030-02
在农业生产上，判断植物是否缺水是非常必要的工作。为了在田间现场快速的获取植物含水量信息，可对植物叶片水分含量进行测试。依据水分在近红外区域的光谱特性，选取980nm作为水分吸收的特征波长，890rim作为参比波长建立预测模型。系统采用透射法测量，光源由近红外LED提供。在980nm波长处叶片中叶绿素及其他成分对光的吸收很小，对于同一种植物的叶片，忽略掉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，叶片水分多则吸光多，水分少则吸光少，从而通过检测放置叶片前后光强的变化，判断叶片中水分含量的多少。
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系统的硬件设计及实现
仪器的整体设计采用模块化思想，选择MsP430超低功耗单片机作为系统的核心。各子模块为光源、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。硬件系统的信号采集部分包括光源、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。
对光信号进行检测和测量，一般方法是利用光电传感器将光信号转换成电流或者电压形式的电信号。由于一般光电传感器输出的电信号比较微弱，且携带干扰信息，因此需要使用运放对信号进行放大，设计滤波电路滤除噪声。经过处理的信号是模拟信号，必须采用A／D(模数)转换器，将模拟信号转换成数字信号才能被单片机识别处理。这种方法电路结构复杂，而且容易引入干扰信号，降低系统信噪比，从而影响测量精度。
本系统选用了TI公司的TsL230作为检测器。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电流频率集成转换器构成。光强转换成相应的脉冲频率，分辨率极高，不受元件的影响。输出频率为100KHz时非线性误差仅为0.2％。不需外接元件即可完成高分辨率的光频转换。图1为照度与输出频率的对应关系。系统光源的波长890nm和980nm处在TSL230的光谱响应区间，适合本系统的测量要求。TSL230的灵敏度、分频输出可由程序控制。
1.1 TSL230灵敏度及分频系数设定
可编程光频转换器TSL230的感光部分由10×10个硅光电管组成，这些光电管将光信号转换成电流，电流强度与照射光强度成正比。改变灵敏度的实质是改变光电管阵的有效面积，使用电子虹膜技术，控制有效的通光口径，以达到控制灵敏度的目的。TsL230的灵敏度有三个级别1×、10x、100×，通过设置输入引脚sO、S1来进行选择。改变灵敏度可以改变输出频率的满量程范围。
TSL230输出频率的分频是靠内部的一个可编程计数器对电流／频率转换器输出的基本信号进行计数来完成的。分频系数由输出端的S2、S3控制，可对信号进行1分频、2分频、10分频和1D0分频，输出信号为方波。
1.2 TSL230与单片机接口电路
系统用到MSP430内部两个16位定时器TA、TBTA由一个十六位定时器和多路比较／捕获通道组成。TB在捕获比较模块中比TA增加了比较锁存器，其他机构与TA几乎相同。系统软件设定TA用于捕获外来脉冲信号，TB用于定时。检测器TsL230将光强转换为方波或者脉冲信号输出,连接到MsP430的TA输入接口，TA捕获到频率信号产生中断，在中断函数中对频率信号进行计数；TB选择定时器工作方式，设定一定的时间进行高低电平的翻转，在TB的中断中实现对TA计数的控制。整个流程为：在TSL230接收到外部光强，并把光强转换成频率信号被TA捕获进单片机以后，在TB设定的时间内，单片机对捕获的信号进行计数，光强与计数值正比对应。TsL230与单片机接口电路如图2所示。其中10口P63、P64用来设定TSL230的灵敏度，P65、P66控制分频输出，P11输出频率信号。
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软件设计
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。单片机软件采用模块化程序设计，分别完成数据的采集、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。
3 实验及分析
实验对象为紫荆叶片，利用本仪器测量叶片光谱信息并将测量数据上传至PC机。用烘干法测定叶片水分标准含量，计算出叶片水分含量鲜重比(水分真实值)。建立吸光度与水分真实值之间的数学模型。校正集和预测集随机，图3为其中一种随机情况下预测集的水分预测值与水分真实值之间的散点图，预测结果与水分真实值相关性达到了0.9。由于仪器光源部分只采用了一个水分特征波长，预测随机性较为明显，可在信号采集模块增加水分特征波长处的光源来进行改良，进而增加水分预测的稳定性和准确性。
4 结论
该测试仪器主要由MSP430单片机、光频转换器TsL230、存储器等电路组成，结构简单，稳定性及重复性良好、操作方便、体积小f15crnx8cm×3cm、成本低，超低功耗，具有很好的便携性，易于实现仪器的商品化。
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