藻类分类检测的设计与实现

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，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，-部分用于光合作用，-部分通过热耗散出去，还有-部分以荧光的形式释放，不同藻类在相同的光照条件下，产生的荧光光谱也不-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。

22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。

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，辅省南平人，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图 1光路设计Fig.1 Optical Design2 裴茂增等：藻类分类检测的设计与实现 第1期2.3电路设计电路部分主要完成以下功能：(1)激发光源LED的驱动与控制；(2)调理光电倍增管接收到的荧光信号；(3)对数据进行采集、传输和存储。系统的电路设计，如图 2所示。

图2电路设计Fig.2 Circuit Design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模式唤醒时间小于61xs，2KRAM，60KB256BFlashMemory(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，Ti rB7)，两个UART接12I，两/'SPI接口(与 UART复用)，-个 8通道 12-Bit模数转换器(ADC)，具有片内参考电压源，-个模拟比较器，看门狗电路等。

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- 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-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大校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-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-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。

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4.51，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。

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。

前置放大电路是微弱荧光信号检测的关键，其灵敏度，精度，稳定性直接决定了系统的性能。放大器要求高阻抗，低漂移，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。由于运算放大器输入端-般存在几pF的寄生电容，与反馈电阻组成-个之后网络，造成输出电压的相位滞后，因此须在反馈电路上加上相位补偿电容。如图4所示，由于运放存在寄生电容，相当于在输入端接了个电容 cs，对与 10k的反馈电阻，通常要加上(3lO)pV的反馈电容 Cr。

几1 、图3信号流程图Fig.3 Signal Flow Graphcf(310Pf)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foOn，即通频带宽度和品质因数的乘积是-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♀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、传输及存储经过二级放大的信号，可通过单片机上的 12位 A/D转换模块进行采集，该A/D转换器采样频率达到 400kHz，能够满足测量要求。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-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No.1Jan.2013 机械设计与制造 3转化成了简单的移位计算。

采集的数据可通过串口传输给Pc，为了满足水下工作远距离传输的需要，采用RS485协议。该传输方式抗噪声干扰性好，最大传输距离达3000m。PC的串口是RS232标准的，要与Pc相连，需通过RS485-RS232转换器将信号转化为RS232标准，数据信号进入PC后可作进-步的计算分析。为了保证数据的可靠性，定义了传输的数据格式，如表 1所示。

表 1数据格式Tab.1 Data FormatI包头1 I包头2 I地址位l参数1 l参数2 I。I参数n l校验位其中包头 1为3A”，包头2为A3”，地址位为FF”，当上位机往下位机传送命令时，参数 1至3分别表示设置参数”，开始测量”和停止测量”，其余位保留，当下位机往上位机传送数据时，参数 1至n为传输的数据，采韧校验的方式。

MSP430F149内部有 64K的FLASH，在存储的数据量比较大时，片内的FLASH空间将不够用，在没有连接PC的应用中，如在野外测试，可以通过RS485～USB转换器将信号转化为USB标准，存储到u盘等移动存储设备中，或者外扩-片FLASH芯片用于存储数据。系统选用了某公司的SST25VF016B，该芯片含有 2M字节的空间；串行输出及写入，占用主控芯片的I/O口少 ，高可靠性，单片机与FLASH芯片采用SPI通信方式。

2.4软件设计操作软件在 Visual c平台上进行开发，它的基础类库(MFC)提供了许多串口操作函数且能够方便的实现GUI编程。

图5系统流程设计Fig.5 System Process Design通过上位机软件能：(1)控制测量的开始及结束；(2)LED亮度及闪烁时间的调节；(3)采样时间及采样方式和偏置量的设置；(4)最终结果的数据显示及图表显示。系统的流程，如图 5所示。

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，即只进行-次测量并将数据传输至PC，如果用户设置了采样参数及存储方式，则按照用户的设置进行测量。

3结论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- 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发奠定了基矗