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[導讀]  一、項目概述  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,將二氧化碳和水轉化為有機物,并釋放氧氣的生化過程,其作為植物生長中能量轉化的重

  一、項目概述

  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,將二氧化碳和水轉化為有機物,并釋放氧氣的生化過程,其作為植物生長中能量轉化的重要環(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重要指標,其檢測技術在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、研究等方面有著至關重要的意義。

  1.2 項目背景/選題動機

  葉綠素的相對含量,反映了植物真實的硝基需求量,從而了解土壤硝基的缺乏程度,指導合理施加氮肥,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,具有實時檢測,攜帶方便,對被測物無傷害等優(yōu)點,在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用。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際情況的價廉物美、簡單實用的測量儀具有重要意義。

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

  二、需求分析

  2.1 功能要求

  本系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)植物葉片葉綠素含量的測量及測量結果的存儲,檢測儀還集成了實時時鐘模塊、數(shù)字溫度計,可實現(xiàn)時間溫度的顯示,還可根據(jù)情況記錄、打印相關數(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;考慮到環(huán)境的影響,因此需要溫度傳感器來測知環(huán)境溫度和實時時鐘提供時間信息供檢測者實驗參考;由于外部使用環(huán)境,需要設計的便攜性,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、方案設計

  3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

  本設計采用波長為紅光區(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)域光強吸收較高且不受胡蘿卜素影響, 對紅外線區(qū)域光強的吸收極低。利用TI公司的OPT101單片光電二極管采樣透射光數(shù)據(jù),通過單片機對采樣數(shù)據(jù)進行A / D處理,分析兩種波長光的透射值,通過相應計算方式,即可得出葉片葉綠素含量相對值的測量結果。此設計采用先進的光電傳感器,結合了生物、化學等知識,涉及多科學領域,涵蓋知識面廣。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

  3.2 硬件平臺選用及資源配置

  本設計以AVR單片機系列中的ATmega16L作為測量儀的控制核心,結合OPT101單片光電二極管芯片實現(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,使設計易于操控更具人性化。本次設計的檢測儀還采用了微型熱敏打印機,可以即時打印數(shù)據(jù),使設計更具實用性。利用ATmega16的豐富的外設,使用片內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現(xiàn)葉綠素含量的測量記錄。

  3.3系統(tǒng)軟件架構

  設計檢測儀包括單片機最小系統(tǒng)、液晶顯示屏、按鍵、打印機等。本設計采用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、實時時鐘電路、可擴展的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,藍底白字顯示,單片機使用液晶顯示屏通信子程序與液晶顯示屏串行通信,通信速率可靈活設置,通信速率以液晶顯示屏能清晰顯示且沒有亂碼為準,液晶顯示屏可以實時顯示操控方法和測量結果,給出操作提示,方便找到穩(wěn)定的測量值進行記錄或儲存,以及儀器操作。

  按鍵為獨立輕觸按鍵,通過單片機內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,在不增加操作復雜度的基礎上,設計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,需要多次調整和調試,經(jīng)過上百次的軟件和硬件調試,是最終的作品到達最佳狀態(tài),完成設計。

  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)或控制傳感器進行一次測量。如果讀到“讀E2PROM”指令則調用與讀取E2PROM有關的子程序,讀取E2PROM并顯示在液晶顯示屏上。如果讀到“測量”指令,則調用與傳感器有關的子程序,進行一次測量,將結果顯示在顯示屏上,并詢問是否存儲。此時若選擇“是”則調用與寫入E2PROM有關的子程序,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)預計實現(xiàn)結果

  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)進行比較,然后改進,最終將誤差控制在此類測量允許的誤差范圍之內。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)過反復測試,確定E2PROM工作正常。

  所以設計預計能夠實現(xiàn)測量葉片中葉綠素的相對含量,并將測量結果當時的時間、溫度等信息存儲進E2PROM供以后調用或直接用微型熱敏打印機打印。而且電池續(xù)航時間較長,完全滿足野外工作的需要。

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