葉綠素含量測試儀實(shí)施方案及硬件選擇

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 引言

　　光合作用是植物、藻類利用葉綠素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放氧氣的生化過程，其作為植物生長中能量轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，直接反映出植物生長狀況的好壞。葉綠素是光合作用中一類重要色素，在光合作用中，葉綠素吸收光的能量，并將能量用于合成碳水化合物。葉綠素有幾個不同的類型，葉綠素a和b是主要的類型，見于高等植物及綠藻。葉綠素含量是衡量植物光合作用與生長狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其檢測技術(shù)在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、研究等方面有著至關(guān)重要的意義。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)

　　葉綠素的相對含量，反映了植物真實(shí)的硝基需求量，從而了解土壤硝基的缺乏程度，指導(dǎo)合理施加氮肥，以此增加氮肥的利用率，并可防止施加過多的氮肥而使環(huán)境，特別是水源受到污染。目前，葉綠素含量的檢測主要依靠光電葉綠素檢測儀進(jìn)行測定。葉綠素檢測儀是以高靈敏度光電傳感器為主要檢測單元的智能化農(nóng)林儀器，具有實(shí)時檢測，攜帶方便，對被測物無傷害等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但此類儀器的主要生產(chǎn)國為日本、美國等，不僅價格昂貴，沒有中文操作界面，而且功能單一，不利于在我國廣大農(nóng)林工作人員中推廣。因此研制出適合于我國實(shí)際情況的價廉物美、簡單實(shí)用的測量儀具有重要意義。

　　本文所設(shè)計(jì)的葉綠素光電檢測儀，可以彌補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)儀器的空白，具有測量精確、操作簡便、功能豐富、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，為廣大農(nóng)林工作者提供便利，也為科技服務(wù)“三農(nóng)”做出自己的貢獻(xiàn)。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　本系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)植物葉片葉綠素含量的測量及測量結(jié)果的存儲，檢測儀還集成了實(shí)時時鐘模塊、數(shù)字溫度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)時間溫度的顯示，還可根據(jù)情況記錄、打印相關(guān)數(shù)據(jù)，簡化記錄方式。

　　2.2 性能要求

　　光電傳感器對葉片葉綠素含量采集需要較高的ADC精度，對噪聲干擾的消除能力強(qiáng);考慮到環(huán)境的影響，因此需要溫度傳感器來測知環(huán)境溫度和實(shí)時時鐘提供時間信息供檢測者實(shí)驗(yàn)參考;由于外部使用環(huán)境，需要設(shè)計(jì)的便攜性，利于農(nóng)林工作者隨時隨地采樣數(shù)據(jù);在滿足要求條件下，控制成本為大面積推廣提供條件。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　本設(shè)計(jì)采用波長為紅光區(qū)域(峰值波長650nm)和紅外線區(qū)域(峰值波長940nm)的已知光源照射葉片，葉綠素對紅光區(qū)域光強(qiáng)吸收較高且不受胡蘿卜素影響， 對紅外線區(qū)域光強(qiáng)的吸收極低。利用TI公司的OPT101單片光電二極管采樣透射光數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行A / D處理，分析兩種波長光的透射值，通過相應(yīng)計(jì)算方式，即可得出葉片葉綠素含量相對值的測量結(jié)果。此設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的光電傳感器，結(jié)合了生物、化學(xué)等知識，涉及多科學(xué)領(lǐng)域，涵蓋知識面廣。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　3.2 硬件平臺選用及資源配置

　　本設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)系列中的ATmega16L作為測量儀的控制核心，結(jié)合OPT101單片光電二極管芯片實(shí)現(xiàn)葉綠素含量參數(shù)測定的基本功能。本測量儀還將使用溫度芯片DS18B20、時鐘芯片DS1302測量溫度及時間，以供測量者參考使用,并在LCD和鍵盤的輔助下，使設(shè)計(jì)易于操控更具人性化。本次設(shè)計(jì)的檢測儀還采用了微型熱敏打印機(jī),可以即時打印數(shù)據(jù),使設(shè)計(jì)更具實(shí)用性。利用ATmega16的豐富的外設(shè)，使用片內(nèi)E2PROM存儲即時數(shù)據(jù)，防止意外掉電的數(shù)據(jù)丟失。以較低的價格方便地實(shí)現(xiàn)葉綠素含量的測量記錄。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　設(shè)計(jì)檢測儀包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示屏、按鍵、打印機(jī)等。本設(shè)計(jì)采用40只引腳DIP封裝的ATmega16L作為主控芯片，搭建簡單的最小系統(tǒng)：包括電源整流電路、溫度測量電路、實(shí)時時鐘電路、可擴(kuò)展的RS232/RS485通信電路、液晶顯示屏接口電路、光電傳感器接口電路、外部高精度近14位AD轉(zhuǎn)換器電路、工作狀態(tài)指示電路、蜂鳴警報電路。

　　液晶顯示屏為金鵬電子C系列中文顯示模塊，藍(lán)底白字顯示，單片機(jī)使用液晶顯示屏通信子程序與液晶顯示屏串行通信，通信速率可靈活設(shè)置，通信速率以液晶顯示屏能清晰顯示且沒有亂碼為準(zhǔn)，液晶顯示屏可以實(shí)時顯示操控方法和測量結(jié)果，給出操作提示，方便找到穩(wěn)定的測量值進(jìn)行記錄或儲存，以及儀器操作。

　　按鍵為獨(dú)立輕觸按鍵，通過單片機(jī)內(nèi)部的按鍵掃描子程序判斷按鍵是否被按下或彈起，以控制測量進(jìn)行、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)瀏覽等操作。通過對流程的精確控制，在不增加操作復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了最少按鍵的解決方案。

　　檢測儀包含多種功能，需要將這些功能全部融合，互不沖突，既要考慮率整體的性能，又要多方面考慮各模塊工作情況，需要多次調(diào)整和調(diào)試，經(jīng)過上百次的軟件和硬件調(diào)試，是最終的作品到達(dá)最佳狀態(tài)，完成設(shè)計(jì)。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動后，首先對單片機(jī)端口初始化，然后顯示歡迎信息，讀取按鍵指令，根據(jù)指令選擇讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)或控制傳感器進(jìn)行一次測量。如果讀到“讀E2PROM”指令則調(diào)用與讀取E2PROM有關(guān)的子程序，讀取E2PROM并顯示在液晶顯示屏上。如果讀到“測量”指令，則調(diào)用與傳感器有關(guān)的子程序，進(jìn)行一次測量，將結(jié)果顯示在顯示屏上，并詢問是否存儲。此時若選擇“是”則調(diào)用與寫入E2PROM有關(guān)的子程序，存儲數(shù)據(jù);若選擇“否”則丟棄本次測量的數(shù)據(jù)，返回主界面，等待按鍵指令。在數(shù)據(jù)顯示、存儲時均包括葉綠素含量數(shù)據(jù)、時間兩個數(shù)據(jù)值。

　　3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　由于溫度、時間、液晶屏顯示等模塊是我們經(jīng)常使用的比較成熟的模塊，所以，我們將這兩個模塊合二為一進(jìn)行測試，經(jīng)過十幾次的數(shù)據(jù)讀取，與專門的儀器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后改進(jìn)，最終將誤差控制在此類測量允許的誤差范圍之內(nèi)。對于傳感器模塊的測試主要是測量不同的樣本，然后對比他們的測量數(shù)據(jù)處理后的數(shù)值，得出葉綠素相對含量。對E2PROM檢測時，我們存入一組數(shù)據(jù)，斷電一段時間，然后有選擇性的讀出其中的一部分或全部讀出，經(jīng)過反復(fù)測試，確定E2PROM工作正常。

　　所以設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)測量葉片中葉綠素的相對含量，并將測量結(jié)果當(dāng)時的時間、溫度等信息存儲進(jìn)E2PROM供以后調(diào)用或直接用微型熱敏打印機(jī)打印。而且電池續(xù)航時間較長，完全滿足野外工作的需要。