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，為廣大農林工作者提供便利，也為科技服務“三農”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。