A. 做基於PLC的智能大棚監控系統，要選用什麼感測器來測量大棚內的溫度，濕度，二氧化碳含量，光照強度
TSL230，研製快速無
損、可現場測定植物葉片水分含量的檢測儀器。文章闡述了儀器的工作原理、硬體構成、軟體設計及校正模型。
該儀器的使用簡化了信號採集電路，減少了雜訊的引入，提高了信號採集的准確性。
關鍵詞：光頻轉換器；TSL230；活體植物葉片；水分檢測
中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A
在農業生產上，判斷植物是否缺水是非常必要的工
作。為了在田間現場快速的獲取植物含水量信息，可對
植物葉片水分含量進行測試。依據水分在近紅外區域
的光譜特性，選取 980nm作為水分吸收的特徵波長，890nm作為參比波長建立預測模型。系統採用透射法測
量，光源由近紅外 LED提供。在 980nm波長處葉片中
葉綠素及其他成分對光的吸收很小，對於同一種植物的
葉片，忽略掉透射光的強度受到樣品的厚度及透射過程
光路的不規則影響，葉片水分多則吸光多，水分少則吸光
少，從而通過檢測放置葉片前後光強的變化，判斷葉片中
水分含量的多少。
1系統的硬體設計及實現
儀器的整體設計採用模塊化思想，選擇 MSP430超
低功耗單片機作為系統的核心。各子模塊為光源、檢測
器、溫度感測器、液晶顯示、鍵盤控制、數據存儲、串口通
信等。硬體系統的信號採集部分包括光源、窄帶干涉濾
光片、樣品室和檢測器。光源和濾光片用於產生某種波
長的單色光，以此作為作用光，穿透樣品室中的樣品，透
射光成為承載樣品信息的分析光。
對光信號進行檢測和測量，一般方法是利用光電傳
感器將光信號轉換成電流或者電壓形式的電信號。由於
一般光電感測器輸出的電信號比較微弱，且攜帶干擾信
息，因此需要使用運放對信號進行放大，設計濾波電路濾
除雜訊。經過處理的信號是模擬信號，必須採用 A/D (模
數 )轉換器，將模擬信號轉換成數字信號才能被單片機識
別處理。這種方法電路結構復雜，而且容易引入干擾信
號，降低系統信噪比，從而影響測量精度。
本系統選用了 TI公司的 TSL230作為檢測器。該器
件採用先進的 LinCMOS工藝，主要由多晶硅光電二極體
和單片 CMOS電流頻率集成轉換器構成。光強轉換成
文章編號：1009-2374（2011）01--0030-02
相應的脈沖頻率，解析度極高，不受外圍元件的影響。輸
出頻率為 100KHz時非線性誤差僅為 0.2%。不需外接
元件即可完成高解析度的光頻轉換。圖 1為照度與輸
出頻率的對應關系。系統光源的波長 890nm和 980nm
處在 TSL230的光譜響應區間，適合本系統的測量要求。
TSL230的靈敏度、分頻輸出可由程序控制。
1.1TSL230靈敏度及分頻系數設定
可編程光頻轉換器 TSL230的感光部分由 10×10
個硅光電管組成，這些光電管將光信號轉換成電流，電流
強度與照射光強度成正比。改變靈敏度的實質是改變光
電管陣的有效面積，使用電子虹膜技術，控制有效的通光
口徑，以達到控制靈敏度的目的。TSL230的靈敏度有三
個級別：1×、10×、100×，通過設置輸入引腳 S0、S1來
進行選擇。改變靈敏度可以改變輸出頻率的滿量程范圍。
TSL230輸出頻率的分頻是靠內部的一個可編程計
數器對電流 /頻率轉換器輸出的基本信號進行計數來完
成的。分頻系數由輸出端的 S2、S3控制，可對信號進行
1分頻、2分頻、10分頻和 100分頻，輸出信號為方波。
1.2TSL230與單片機介面電路
系統用到 MSP430內部兩個 16位定時器 TA、TB。
· 30 ·
TA由一個十六位定時器和多路比較 /捕獲通道組成。
TB在捕獲比較模塊中比 TA增加了比較鎖存器，其他機
構與 TA幾乎相同。系統軟體設定 TA用於捕獲外來脈
沖信號，TB用於定時。檢測器 TSL230將光強轉換為方
波或者脈沖信號輸出，連接到 MSP430的 TA輸入介面，
TA捕獲到頻率信號產生中斷，在中斷函數中對頻率信號
進行計數；TB選擇定時器工作方式，設定一定的時間進
行高低電平的翻轉，在 TB的中斷中實現對 TA計數的控
制。整個流程為：在 TSL230接收到外部光強，並把光強
轉換成頻率信號被 TA捕獲進單片機以後，在TB設定的
時間內，單片機對捕獲的信號進行計數，光強與計數值正
比對應。TSL230與單片機介面電路如圖 2所示。其中
IO口P63、P64用來設定 TSL230的靈敏度，P65、P66
控制分頻輸出，P11輸出頻率信號。
2軟體設計
系統的軟體設計分為兩部分：單片機軟體驅動和上
位機界面設計。單片機軟體採用模塊化程序設計，分別
完成數據的採集、計算、顯示及數據傳送。上位機軟體部
分為在 PC上實現對串口傳輸的數據進行存儲、圖形顯示
及水分預測。
3實驗及分析
實驗對象為紫荊葉片，利用本儀器測量葉片光譜信
息並將測量數據上傳至 PC機。用烘乾法測定葉片水分
標准含量，計算出葉片水分含量鮮重比 (即水分真實值 )。
建立吸光度與水分真實值之間的數學模型。校正集和預
測集隨機，圖 3為其中一種隨機情況下預測集的水分預
測值與水分真實值之間的散點圖，預測結果與水分真實
值相關性達到了 0.9。由於儀器光源部分只採用了一個
水分特徵波長，預測隨機性較為明顯，可在信號採集模塊
增加水分特徵波長處的光源來進行改良，進而增加水分
預測的穩定性和准確性。
4結論
該測試儀器主要由 MSP430單片機、光頻轉換器
TSL230、存儲器等電路組成，結構簡單，穩定性及重復
性良好、操作方便、體積小 (15cm×8cm×3cm)、成本
低，超低功耗，具有很好的便攜性，易於實現儀器的商
品化。
參考文獻
B. 畢業論文資料收集（採納追加1000分）
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