程坤

摘 要 本文设计了一个基于STM32的便携式叶绿素含量检测仪。采用光电无损快速检测叶绿素原理，通过比对650nm和940nm两束光波透过叶片的光强度变化定量描述叶绿素相对含量。通过SPAD （Soil and Plant Analyzer Development，土壤作物分析仪器开发）值分析叶绿素的含量，以实现无损快速检测植物叶绿素含量的目的。试验结果表明：本研究设计的叶绿素检测仪测量值与光谱仪测量结果具有显著的一致性，相对误差不超过2%。

【关键词】STM32 光电检测 叶绿素 便携式

叶绿素含量是权衡植物光合作用与生长状况的一项重要指标，叶绿素含量检测技术的研究在农业生产、林业研究等方面的重要性不言而喻。目前，在国外，以日本SPAD502为代表的便携式叶绿素检测仪已经在某些场合取代了传统的检测方法，取得了广泛的应用，但此类仪器的主要生产国为日本、美国、德国、由于价格十分昂贵，没有中文界面，且功能单一等原因，并没有在我国得到推广使用。而国内发展现状，依旧保持着以传统的分光光度法检测方法为主，不仅耗费时间、人力、物力、具有一定的危害性并且测量结果受人为实验操作影响结果并不准确。因此，研制出一套适用于我国推广高性价比的植物叶绿素测量仪器，具有十分重要的意义。

本研究设计的叶绿素含量光电检测仪，是SPAD值型的叶绿素含量检测仪，利用STM32芯片控制恒流发光电路、光电转换电路，温湿度测量模块等多个模块工作，在不损伤叶片的前提下实现叶绿素含量检测以及叶片所处环境温湿度的实时检测。

1 整体逻辑结构

仪器的组成方框图如图1所示，由电源、发光电路、光强度传感器、STM32主控制器，液晶显示屏、温湿度传感器等组成。发光电路分别由2种LED灯发射波长650nm的红光和波长940nm的红外光组成，通过比对两束光波透过叶片的光强度变化定量的计算植物的SPAD值。传感器由BH1750光强度传感器、AM2301温湿度传感器等通过IIC总线将光强度、温度、湿度等数据传输给STM32主控制器，显示在触摸屏上并存储到SD卡中，便于数据长期保存和调用。

由于叶绿素含量容易受到光照、温湿度等外界环境因素影响，在编写程序的时候，进行了温湿度补偿，提高了数据的准确度。为了更好的记录与保存数据测量时间，系统加入了RTC时钟模块，记录每次测量的时间和日期，如图1。

1.1 主控制器

STM32系列基于专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex—M3内核，具有众多优良特性。其RTC时钟是一个独立的定时器，拥有一组连续计数的计数器，时间精度达到0.1s。控制器采用软件模拟高速IIC总线方式一般可达400kbps以上。拥有2路ADC（模数转换），12位逐次逼近型的模拟数字转换器，可以使用双重模式，提高采样率，最大的转换速率为1Mhz。数据存储采用SPI总线，具有高速，全双工，同步的通信总线，最高速度可以达到18Mhz，每秒可传输数据2M字节以上。

1.2 光强度传感器及温湿度传感器

BH1750环境光强传感器内置16位的模数转换器，能够直接输出一个数字信号，其接口是IIC总线，更快速、稳定的与单片机进行通信，传感器精度为0.01Lux，量程为0-65535Lux。

AM2301数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术、用于确保产品具有极高的可靠性和稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，通过IIC总线方式连接到主控制器。测温范围为-40-80摄氏度，精度为0.5摄氏度，湿度范围为0-100%RH，精度为3%RH.因此该产品具有品质卓越、超快响应。抗干扰能力强、性价比高等优点。

1.3 电源模块

发光电路需要一个稳定的工作电压才能稳定，可靠的工作。在设计中我们采用了7805和LM2576相配合的设计，LM2576属于开关电源芯片，以完全导通或关断的方式工作，功耗极低，其平均效率可达70%-90%。但是电压纹波大，一般大于20mv，是开关稳压电源设计中不可避免的问题。而7805是线性电源芯片，效率比较低，一般效率在30%-40%，超过三分之二的电能被损耗了，但是该芯片输出的电压波纹小。系统采用开关稳压电源来提高稳压电源的工作效率同时采用稳压电源来降低电源的输出纹波电压。相比使用单一电源，具有更稳定、可靠的性能。

1.4 数据存储模块

为了方便采集信息的存储，设计了数据存储模块，相比FLASH，U盘等，最适合单片机系统的莫过于SD卡，它不仅容量可以很大（32GB以上），工作在3.3V，而且支持SPI接口，方便移动，只需要4个IO口，存放在主存中的数据掉电不丢失。另外SD卡还可以进行数据缓存，提高系统的运行速度。除此之外，增加了USB读取功能，将单片机通过USB接口和电脑连接，将SD卡中的数据上传到电脑进行进一步的数据分析和处理。

2 SPAD值的测量与计算

SPAD值是一个叶绿素相对含量读数，也称为“绿色度”。通过比较光强度传感器检测接收光强度和发射光强度，确定叶绿素的含量，表示为SPAD值，通过数值的大小来定量描述叶片的“绿色度”。

2.1 SPAD测量原理

采用光电无损检测方法测量叶绿素含量的原理和方法：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。因此，选择红光区域和近红外区域测量叶绿素的含量。具体过程是让发光二极管发射红光（峰值波长650nm）和近红外光（峰值波长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，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，少量被反射后，剩下的透过叶片被光强度传感器转换成为相应的数字信号，然后通过IIC总线接入主控制器，控制器利用这些数字信号计算叶绿素的相对含量，表示为SPAD值，显示并存储。endprint

2.2 计算SPAD值的步骤

（1）标准状态下（无叶片），2个光源依次发光并转换为电信号，记录发射光强度；

（2）插入叶片之后，2个光源再次发光，将叶片的透射光转换为电信号，记录透射光强度；

（3）运用以上2个步骤的数据代入公式（1）计算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K为常数；IRt为接收到的经过叶片的940nm红外光强度，IR0为发射的红外光强度；Rt为接收到的经过叶片的650nm红光强度，R0为发射的红光强度。

3 软件设计

系统主要完成对光源发射控制及光强度检测，并完成数字信号的转换和存储。

软件设计：首先显示开机界面，初始化程序，并检测各个传感器是否正常工作。如正常，则显示相关测量结果，否则，提示传感器错误。然后，在main函数中循环检测屏幕触发点，进入不同的功能模式，调用相应的函数，实现不同的功能。仪器主要包括有测量模式、数据读取模式、与PC通信模式、系统设置、待机模式等。

光源控制及光强度检测部分代码：

4 仪器比对实验

仪器设计制作完成后，与植物光谱分析仪比对实验。闻奕光电的旗舰产品PC4000高分辨光纤光谱仪采用特殊光学设计和高像素CCD，能够提供最高0.05nm的光学分辨率，为激光表征、气体吸收测量和等离子分析等应用提供最佳的光谱测量。通过测量植物叶片反射光谱得到叶绿素、水分等含量，且该仪器出厂前与传统的分光光度法比对校正过，有一定比对价值。本研究选择了同一棵树的不同长势的叶片。光谱仪测量时自动测量3次取平均值，所以实验中也使用设计的叶绿素仪对每个测量点测量3次取平均得到最后结果，以叶绿素检测仪的数据作为横轴，光谱检测仪作为纵轴，进行了数据相关性分析，图中的虚线表示叶绿素检测仪和光谱检测仪数据的对数拟合曲线，对数捏的相关系数为0.9774.叶绿素检测仪的检测数据与光谱仪检测数据基本一致。整个比对曲线符合预期，证明了仪器测量的准确性。个别点偏离拟合曲线偏大，因为实验耗时长，叶片采摘后放置过久导致误差，但总体上误差范围不超过2%，如图2。

5 结论

叶绿素检测仪采用光电检测方法，在不破坏叶片的前提下测量叶绿素含量，通过比对实验证明了仪器实现光电无损检测叶绿素含量的方法的正确性和可实现性，仪器采用常见芯片，成本较低，实现方便，操作简单等优点，同时具有中文界面，保存时间、日期环境温湿度等信息的功能，仪器便携性能好便于在我国科研教学、农林工作中推广和使用。该仪器便携性能良好，非常适于野外测试，在叶绿素检测中具有创新意义，能间接推动我国农林业的发展和进步，具有一定的实际价值和推广意义。

参考文献

[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]张友胜，张苏峻，李镇魁.植物叶绿素特征及其在森林生态学研究中的应用[J].安徽农业科学，2008，36（3）：1014-1017.

[4]孟臣，李敏，李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器件，2004（2）：50-54.

[5]冯伟，郭天财，谢迎新等.作物光谱分析技术及其在生长检测中的应用[J].中国农学通报，2009，25（23）：182-188.

作者单位

南京农业大学工学院 江苏省南京市 210031endprint

2.2 计算SPAD值的步骤

（1）标准状态下（无叶片），2个光源依次发光并转换为电信号，记录发射光强度；

（2）插入叶片之后，2个光源再次发光，将叶片的透射光转换为电信号，记录透射光强度；

（3）运用以上2个步骤的数据代入公式（1）计算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K为常数；IRt为接收到的经过叶片的940nm红外光强度，IR0为发射的红外光强度；Rt为接收到的经过叶片的650nm红光强度，R0为发射的红光强度。

3 软件设计

系统主要完成对光源发射控制及光强度检测，并完成数字信号的转换和存储。

软件设计：首先显示开机界面，初始化程序，并检测各个传感器是否正常工作。如正常，则显示相关测量结果，否则，提示传感器错误。然后，在main函数中循环检测屏幕触发点，进入不同的功能模式，调用相应的函数，实现不同的功能。仪器主要包括有测量模式、数据读取模式、与PC通信模式、系统设置、待机模式等。

光源控制及光强度检测部分代码：

4 仪器比对实验

仪器设计制作完成后，与植物光谱分析仪比对实验。闻奕光电的旗舰产品PC4000高分辨光纤光谱仪采用特殊光学设计和高像素CCD，能够提供最高0.05nm的光学分辨率，为激光表征、气体吸收测量和等离子分析等应用提供最佳的光谱测量。通过测量植物叶片反射光谱得到叶绿素、水分等含量，且该仪器出厂前与传统的分光光度法比对校正过，有一定比对价值。本研究选择了同一棵树的不同长势的叶片。光谱仪测量时自动测量3次取平均值，所以实验中也使用设计的叶绿素仪对每个测量点测量3次取平均得到最后结果，以叶绿素检测仪的数据作为横轴，光谱检测仪作为纵轴，进行了数据相关性分析，图中的虚线表示叶绿素检测仪和光谱检测仪数据的对数拟合曲线，对数捏的相关系数为0.9774.叶绿素检测仪的检测数据与光谱仪检测数据基本一致。整个比对曲线符合预期，证明了仪器测量的准确性。个别点偏离拟合曲线偏大，因为实验耗时长，叶片采摘后放置过久导致误差，但总体上误差范围不超过2%，如图2。

5 结论

叶绿素检测仪采用光电检测方法，在不破坏叶片的前提下测量叶绿素含量，通过比对实验证明了仪器实现光电无损检测叶绿素含量的方法的正确性和可实现性，仪器采用常见芯片，成本较低，实现方便，操作简单等优点，同时具有中文界面，保存时间、日期环境温湿度等信息的功能，仪器便携性能好便于在我国科研教学、农林工作中推广和使用。该仪器便携性能良好，非常适于野外测试，在叶绿素检测中具有创新意义，能间接推动我国农林业的发展和进步，具有一定的实际价值和推广意义。

参考文献

[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]张友胜，张苏峻，李镇魁.植物叶绿素特征及其在森林生态学研究中的应用[J].安徽农业科学，2008，36（3）：1014-1017.

[4]孟臣，李敏，李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器件，2004（2）：50-54.

[5]冯伟，郭天财，谢迎新等.作物光谱分析技术及其在生长检测中的应用[J].中国农学通报，2009，25（23）：182-188.

作者单位

南京农业大学工学院 江苏省南京市 210031endprint

2.2 计算SPAD值的步骤

（1）标准状态下（无叶片），2个光源依次发光并转换为电信号，记录发射光强度；

（2）插入叶片之后，2个光源再次发光，将叶片的透射光转换为电信号，记录透射光强度；

（3）运用以上2个步骤的数据代入公式（1）计算SPAD：

SPAD=Klg

式中：K为常数；IRt为接收到的经过叶片的940nm红外光强度，IR0为发射的红外光强度；Rt为接收到的经过叶片的650nm红光强度，R0为发射的红光强度。

3 软件设计

系统主要完成对光源发射控制及光强度检测，并完成数字信号的转换和存储。

软件设计：首先显示开机界面，初始化程序，并检测各个传感器是否正常工作。如正常，则显示相关测量结果，否则，提示传感器错误。然后，在main函数中循环检测屏幕触发点，进入不同的功能模式，调用相应的函数，实现不同的功能。仪器主要包括有测量模式、数据读取模式、与PC通信模式、系统设置、待机模式等。

光源控制及光强度检测部分代码：

4 仪器比对实验

仪器设计制作完成后，与植物光谱分析仪比对实验。闻奕光电的旗舰产品PC4000高分辨光纤光谱仪采用特殊光学设计和高像素CCD，能够提供最高0.05nm的光学分辨率，为激光表征、气体吸收测量和等离子分析等应用提供最佳的光谱测量。通过测量植物叶片反射光谱得到叶绿素、水分等含量，且该仪器出厂前与传统的分光光度法比对校正过，有一定比对价值。本研究选择了同一棵树的不同长势的叶片。光谱仪测量时自动测量3次取平均值，所以实验中也使用设计的叶绿素仪对每个测量点测量3次取平均得到最后结果，以叶绿素检测仪的数据作为横轴，光谱检测仪作为纵轴，进行了数据相关性分析，图中的虚线表示叶绿素检测仪和光谱检测仪数据的对数拟合曲线，对数捏的相关系数为0.9774.叶绿素检测仪的检测数据与光谱仪检测数据基本一致。整个比对曲线符合预期，证明了仪器测量的准确性。个别点偏离拟合曲线偏大，因为实验耗时长，叶片采摘后放置过久导致误差，但总体上误差范围不超过2%，如图2。

5 结论

叶绿素检测仪采用光电检测方法，在不破坏叶片的前提下测量叶绿素含量，通过比对实验证明了仪器实现光电无损检测叶绿素含量的方法的正确性和可实现性，仪器采用常见芯片，成本较低，实现方便，操作简单等优点，同时具有中文界面，保存时间、日期环境温湿度等信息的功能，仪器便携性能好便于在我国科研教学、农林工作中推广和使用。该仪器便携性能良好，非常适于野外测试，在叶绿素检测中具有创新意义，能间接推动我国农林业的发展和进步，具有一定的实际价值和推广意义。

参考文献

[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]张友胜，张苏峻，李镇魁.植物叶绿素特征及其在森林生态学研究中的应用[J].安徽农业科学，2008，36（3）：1014-1017.

[4]孟臣，李敏，李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器件，2004（2）：50-54.

[5]冯伟，郭天财，谢迎新等.作物光谱分析技术及其在生长检测中的应用[J].中国农学通报，2009，25（23）：182-188.

作者单位

南京农业大学工学院 江苏省南京市 210031endprint