藻类分类检测的设计与实现

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图 1 光路设计 Fig.1 Optical Design
来稿日期：2012-03-10 基金项目：863 计划重大项目（2008AA06A413） 作者简介：裴茂增，（1985 -），男，福建省南平人，在读研究生，从事测控技术与仪器方面的学习研究；
林喜荣，（1945-）男，广东阳江人，教授，从事生物特征识别和测控技术仪器方面的研究
Rin Cs
Rf
10k +
大小。光电倍增管检测到的荧光信号很微弱，只有微安量级，与外 界的干扰光处于同一量级，此外还有电子线路的噪声干扰，而这 些干扰信号都是随机信号，因此，采用调制解调的方法来检测微 弱的荧光信号。为了实现调制解调，且仅使用一个恒流源供电，采 用了低内阻大电流的模拟开关，保证 LED 的切换以实现调制，同 时，低内阻保证了在 LED 驱动电流较大时模拟开关处产生的压 降不会对 LED 的驱动产生影响。
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裴茂增等：藻类分类检测的设计与实现
第1期
2.3 电路设计
上加上相位补偿电容。如图 4 所示，由于运放存在寄生电容，相当
电路部分主要完成以下功能：（1）激发光源 LED 的驱动与控 于在输入端接了个电容 Cs，对与 10k 的反馈电阻，通常要加上
制；（2）调理光电倍增管接收到的荧光信号；（3）对数据进行采集、 （3~10）pF 的反馈电容 Cf。
机往下位机传送命令时，参数 1 至 3 分别表示“设置参数”“，开始 能齐全增加了系统的集成度，且功耗低，为将来便携式仪器的开
测量”和“停止测量”，其余位保留，当下位机往上位机传送数据 发奠定了基础。
时，参数 1 至 n 为传输的数据，采取和校验的方式。
参考文献
MSP430F149 内部有 64K 的 FLASH，在存储的数据量比较 ［1］Kolkwitz R，Marsson M.Okologie dertierischen sap robien［J］.Hydrobiolo-
1 引言
近年来环境污染日益严重，水体富营养化导致水中藻类的 大量繁殖，严重影响正常的生活用水和工业生产用水，实时快速 的检测水中藻类含量及种群结构，可为水质监测部门提供信息以 采取相应的预防和控制措施。目前国内外广泛采用的主要有显微 镜计数法，图像法，吸光光度法，荧光分光光度法，高压液相色谱 法，流式细胞仪法，化学发光流动注射法和分子探针法。其中能实 现现场实时快速监测的只有吸光光度法和荧光分光度法，这两种 方法都是通过分析藻类的色素组成进而分析藻类种类和含量的 方法。叶绿素 a 是植物进行光合作用的重要色素，存在于所有的 绿色植物中，叶绿素 a 的荧光光谱与藻类所含的辅助色素有关，
二级放大
时间小于 6μs，2K RAM，60KB+256B Flash Memory（支持 IAP），片
内硬件乘法器支持四种乘法运算，两个具有 PWM 输出单元的 16-Bit 定时器（TimerA3，TimerB7），两个 UART 接口，两个 SPI 接 口（与 UART 复用），一个 8 通道 12-Bit 模数转换器（ADC），具有 片内参考电压源，一个模拟比较器，看门狗电路等。
第1期Biblioteka Baidu
机械设计与制造
2013 年 1 月
Machinery Design ＆ Manufacture
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藻类分类检测的设计与实现
裴茂增，林喜荣，孙龙庆
（清华大学 深圳研究生院 先进制造学部，广东 深圳 518055）
摘 要：叶绿素 a 在特定光照条件下产生的荧光光谱，提供了水体中藻类的种群结构及含量信息，通过研究该光谱，能够 分析水体中藻类的种类及含量。设计的藻类分类检测仪，用五种特定波长的LED 激发藻类溶液产生荧光信号，由光电倍 增管接收该信号，并通过调制解调的方法实现了微弱荧光信号的检测。采用某公司的低功耗微处理器 msp430F149 做主 控芯片，对检测到的模拟信号进行 A/D转换，并通过串口与上位机通信，由上位机软件对数据进行实时分析或者对原始数 据进行存储。 关键词：藻类分类；叶绿素荧光；信号调理 中图分类号：TH16；S154.38+4 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）01-0001-03
图 3 信号流程图 Fig.3 Signal Flow Graph
Cf（3~10Pf）
2.3.1 LED 的驱动与控制
为了保证检测结果可靠，必须保证每次检测时 LED 的强度 一致，因此采用恒流供电。为了在比较低的浓度下能够检测到荧 光信号，必须保证激励光有一定的强度，因此选择大功率的 LED （最大功率达 1W） 且驱动芯片要能提供足够大的输出并可调节
噪声当中。设计的藻类分类检测仪采用调制的光源去激发叶绿 素，得到调制的荧光信号，通过对该信号进行放大，滤波，解调等
包头 1 包头 2 地址位 参数 1 参数 2 。。。。 参数 n 校验位 一系列处理，从背景噪声中提取出微弱的有用信号。选择的主控
其中包头 1 为“3A”，包头 2 为“A3”，地址位为“FF”，当上位 芯片提供了高精度的 A/D 转化功能，具有多种数据传输方式，功
2.3.2 荧光信号的调理
荧光信号调理过程主要包括：前置放大，带通滤波，解调，二 级放大，信号流程，如图 3 所示。
图 4 运放寄生电容及补偿 Fig.4 Op-Amp Parasitic Capacitance and Compensation 滤波电路直接影响系统的信噪比，由于 f0=QB，即通频带宽 度和品质因数的乘积是一常数，即中心频率，品质因数越高，滤波 器幅频特性曲线越尖锐，电路的选择性越好，因此在满足通频带 宽度的前提下应尽量提高品质因数。系统采用二阶压控带通滤波 器，滤波器输入阻抗高，输出阻抗低，增益可调，性能稳定。 要获取 LED 激发出的荧光信号，需要将调制后的信号解调 出来。解调方式主要有三种：同步解调法，整流检波，相敏解调。系 统采用整流检波解调出低频的荧光信号，其原理是：对调制信号 做全波整流和低通滤波，恢复原调制信号的形状，即可得到五种 LED 激发出的荧光信号。 为了充分利用 A/D 转换的精度，需要将解调后的信号二级 放大到 A/D 的输入范围。
2.3.3 数据采集、传输及存储
前置放大电路是微弱荧光信号检测的关键，其灵敏度，精
经过二级放大的信号，可通过单片机上的 12 位 A/D 转换模
度，稳定性直接决定了系统的性能。放大器要求高阻抗，低漂移， 块进行采集，该 A/D 转换器采样频率达到 400kHz，能够满足测量
低偏置，且在满足同频带的要求下尽量提高运放的放大倍数。由 要求。由于单片机计算除法步骤比较繁琐，且容易产生误差。为了
LED 驱动选择 MBI1801 芯片，芯片最大输出电流可达 1.2A，且能通过软、硬件方式调整 LED 的亮度。软件方式通过程 序改变脉冲宽度调变（PWM）讯号，硬件方式通过改变芯片外接 电阻。LED 的控制选用某公司的 ADG1608，该芯片在±5V 双电源 供电时在 25℃下典型的阻值为 4.5Ω，在 LED 电流较大时（100~ 350）mA 造成的压降不会对 LED 的驱动造成影响。
于运算放大器输入端一般存在几 pF 的寄生电容，与反馈电阻组 保证快速性以及准确性，在满足采样定理的前提下，应该对每一
成一个之后网络，造成输出电压的相位滞后，因此须在反馈电路 个 LED 激发的荧光信号采样 2n ，这样，复杂的单片机除法运算就
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Ｊａｎ．２０１３
机械设计与制造
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转化成了简单的移位计算。
按照叶绿素与辅助色素的组成比例，将藻类分为蓝藻，绿藻和硅/
甲藻，因此，通过研究水体中叶绿素 a 产生的荧光光谱，能够实现 藻类含量的测量以及快速分类。
2 系统设计
2.1 测量原理
绿色植物中的光合作用色素吸收的光能，一部分用于光合 作用，一部分通过热耗散出去，还有一部分以荧光的形式释放，不
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Design and Implementation of the Algae Classification Detector
PEI Mao-zeng，LIN Xi-rong，SUN Long-qing
（Advanced Manufacturing Division at Graduate School at Shenzhen Tsinghua University，Guangdong Shenzhen 518055，China）
连，需通过 RS485~RS232 转换器将信号转化为 RS232 标准，数 3 结论
据信号进入 PC 后可作进一步的计算分析。为了保证数据的可靠
通过叶绿素荧光法能够快速的对水体中的藻类进行分类并
性，定义了传输的数据格式，如表 1 所示。
测定含量，但由于叶绿素产生的荧光比较微弱，常被淹没在背景
表 １ 数据格式 Ｔａｂ．１ Ｄａｔａ Ｆｏｒｍａｔ
系统上电后，下位机等待命令，当下位机接收到命令后，对其进行
采集的数据可通过串口传输给 PC，为了满足水下工作远距 解析，如果用户没有进行设置参数，则以默认的参数运行，即只进
离传输的需要，采用 RS485 协议。该传输方式抗噪声干扰性好， 行一次测量并将数据传输至 PC，如果用户设置了采样参数及存
最大传输距离达 3000m。PC 的串口是 RS232 标准的，要与 PC 相 储方式，则按照用户的设置进行测量。
同藻类在相同的光照条件下，产生的荧光光谱也不一样，系统用 五种特定波长的 LED 照射样品溶液，检测样品的荧光光谱，通过 事先获取的单种藻类的荧光光谱，利用线性回归的方法，计算出 样品溶液中几种藻类的浓度。
2.2 光路设计
系统的光路，如图 1 所示。（1）五个均匀排列的 LED，波长分别 为 390nm，460nm，530nm，595nm，635nm；（2）带通滤光片，其通过 为范围为（360~640）nm；（3）透镜，将 LED 光汇聚于样品上；（4）样品 池；（5）磁力搅拌器，使样品溶液均匀；（6）透镜，将激发出的 LED 信 号汇聚；（7）窄带滤光片，透过 685nm 的荧光；（8）光电倍增管，接 收 685nm 的荧光信号，转化为电流信号，供后续电路处理。
Abstract：The fluorescence spectra produced by Chlorophyll a in a particular light condition supplies information about popu－ lation structure and concentration of algae.The algae’s category and content can be analyzed based on the fluorescence spec－ tra.The algae classification detector designed utilizes five LEDs with special wavelength each to excite the algae solution to produce the fluorescence signal，and detect the weak signal by a PMT though modulating and demodulating method.Based on the low-power microprocessor msp430f149 from Ti，the system transfers the analog signal to digital signal, and communicate with the computer that will analyse or store the original signal. Key Words：Algae Classification；Chlorophyll；Signal Conditioning
传输和存储。系统的电路设计，如图 2 所示。
脉宽调制
模拟开关
调制 LED
样品池
磁力搅拌器
激励
光电倍增管
电源
主控芯片 （MSP430F149）
PC 前置放大
交流放大
解调
信号调理
带通滤波
压力传感器 温度传感器
带通滤波 全波整流
图 2 电路设计 Fig.2 Circuit Design
低通滤波
选用某公司的 MSP430F149 单片机作为主控芯片，芯片 （1.8～3.6）V 超宽供电电压，五种低功耗模式，从 Standby 模式唤醒