叶绿素含量测试仪实施方案及硬件选择

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一、项目概述
        1.1 引言
        光合作用是植物、藻类利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气的生化过程，其作为植物生长中能量转化的重要环节，直接反映出植物生长状况的好坏。叶绿素是光合作用中一类重要色素，在光合作用中，叶绿素吸收光的能量，并将能量用于合成碳水化合物。叶绿素有几个不同的类型，叶绿素a和b是主要的类型，见于高等植物及绿藻。叶绿素含量是衡量植物光合作用与生长状况的一项重要指标，其检测技术在农林业生产、研究等方面有着至关重要的意义。
         
        1.2 项目背景/选题动机
        叶绿素的相对含量，反映了植物真实的硝基需求量，从而了解土壤硝基的缺乏程度，指导合理施加氮肥，以此增加氮肥的利用率，并可防止施加过多的氮肥而使环境，特别是水源受到污染。目前，叶绿素含量的检测主要依靠光电叶绿素检测仪进行测定。叶绿素检测仪是以高灵敏度光电传感器为主要检测单元的智能化农林仪器，具有实时检测，携带方便，对被测物无伤害等优点，在生产实践中得到广泛应用。但此类仪器的主要生产国为日本、美国等，不仅价格昂贵，没有中文操作界面，而且功能单一，不利于在我国广大农林工作人员中推广。因此研制出适合于我国实际情况的价廉物美、简单实用的测量仪具有重要意义。
         
        本文所设计的叶绿素光电检测仪，可以弥补国内相关仪器的空白，具有测量精确、操作简便、功能丰富、携带方便等优点，为广大农林工作者提供便利，也为科技服务“三农”做出自己的贡献。
         
        二、需求分析
        2.1 功能要求
        本系统主要功能是实现植物叶片叶绿素含量的测量及测量结果的存储，检测仪还集成了实时时钟模块、数字温度计，可实现时间温度的显示，还可根据情况记录、打印相关数据，简化记录方式。
         

       

        图1 系统架构

         

         
        2.2 性能要求
        光电传感器对叶片叶绿素含量采集需要较高的ADC精度，对噪声干扰的消除能力强；考虑到环境的影响，因此需要温度传感器来测知环境温度和实时时钟提供时间信息供检测者实验参考；由于外部使用环境，需要设计的便携性，利于农林工作者随时随地采样数据；在满足要求条件下，控制成本为大面积推广提供条件。
         
        三、方案设计
        3.1 系统功能实现原理
        本设计采用波长为红光区域（峰值波长650nm）和红外线区域（峰值波长940nm）的已知光源照射叶片，叶绿素对红光区域光强吸收较高且不受胡萝卜素影响， 对红外线区域光强的吸收极低。利用TI公司的OPT101单片光电二极管采样透射光数据，通过单片机对采样数据进行A / D处理，分析两种波长光的透射值，通过相应计算方式，即可得出叶片叶绿素含量相对值的测量结果。此设计采用先进的光电传感器，结合了生物、化学等知识，涉及多科学领域，涵盖知识面广。系统硬件结构框图如图2所示。
         

       

        图2 系统硬件结构框图

         

        3.2 硬件平台选用及资源配置
        本设计以AVR单片机系列中的ATmega16L作为测量仪的控制核心，结合OPT101单片光电二极管芯片实现叶绿素含量参数测定的基本功能。本测量仪还将使用温度芯片DS18B20、时钟芯片DS1302测量温度及时间，以供测量者参考使用,并在LCD和键盘的辅助下，使设计易于操控更具人性化。本次设计的检测仪还采用了微型热敏打印机,可以即时打印数据,使设计更具实用性。利用ATmega16的丰富的外设，使用片内E2PROM存储即时数据，防止意外掉电的数据丢失。以较低的价格方便地实现叶绿素含量的测量记录。
         
        3.3系统软件架构

        设计检测仪包括单片机最小系统、液晶显示屏、按键、打印机等。本设计采用40只引脚DIP封装的ATmega16L作为主控芯片，搭建简单的最小系统：包括电源整流电路、温度测量电路、实时时钟电路、可扩展的RS232/RS485通信电路、液晶显示屏接口电路、光电传感器接口电路、外部高精度近14位AD转换器电路、工作状态指示电路、蜂鸣警报电路。

         

        液晶显示屏为金鹏电子C系列中文显示模块，蓝底白字显示，单片机使用液晶显示屏通信子程序与液晶显示屏串行通信，通信速率可灵活设置，通信速率以液晶显示屏能清晰显示且没有乱码为准，液晶显示屏可以实时显示操控方法和测量结果，给出操作提示，方便找到稳定的测量值进行记录或储存，以及仪器操作。

         

        按键为独立轻触按键，通过单片机内部的按键扫描子程序判断按键是否被按下或弹起，以控制测量进行、数据存储、数据浏览等操作。通过对流程的精确控制，在不增加操作复杂度的基础上，设计出了最少按键的解决方案。

         

        检测仪包含多种功能，需要将这些功能全部融合，互不冲突，既要考虑率整体的性能，又要多方面考虑各模块工作情况，需要多次调整和调试，经过上百次的软件和硬件调试，是最终的作品到达最佳状态，完成设计。

         
        3.4 系统软件流程
        系统的软件流程如图3所示。系统启动后，首先对单片机端口初始化，然后显示欢迎信息，读取按键指令，根据指令选择读取E2PROM中的数据或控制传感器进行一次测量。如果读到“读E2PROM”指令则调用与读取E2PROM有关的子程序，读取E2PROM并显示在液晶显示屏上。如果读到“测量”指令，则调用与传感器有关的子程序，进行一次测量，将结果显示在显示屏上，并询问是否存储。此时若选择“是”则调用与写入E2PROM有关的子程序，存储数据；若选择“否”则丢弃本次测量的数据，返回主界面，等待按键指令。在数据显示、存储时均包括叶绿素含量数据、时间两个数据值。
         

       

         

        3.4 系统预计实现结果

        由于温度、时间、液晶屏显示等模块是我们经常使用的比较成熟的模块，所以，我们将这两个模块合二为一进行测试，经过十几次的数据读取，与专门的仪器测量的数据进行比较，然后改进，最终将误差控制在此类测量允许的误差范围之内。对于传感器模块的测试主要是测量不同的样本，然后对比他们的测量数据处理后的数值，得出叶绿素相对含量。对E2PROM检测时，我们存入一组数据，断电一段时间，然后有选择性的读出其中的一部分或全部读出，经过反复测试，确定E2PROM工作正常。

         

        所以设计预计能够实现测量叶片中叶绿素的相对含量，并将测量结果当时的时间、温度等信息存储进E2PROM供以后调用或直接用微型热敏打印机打印。而且电池续航时间较长，完全满足野外工作的需要。