葉綠素含量測試儀實施方案及硬件選擇

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(shè)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(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

本設(shè)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(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。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

本設(shè)計以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)計易于操控更具人性化。本次設(shè)計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)計更具實用性。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(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。