第十二届全国光电设计大赛理论方案报告

1. 作品设计基础

1.1 市场调研

1.1.1 叶绿素检测的重要性

• 叶绿素是植物进行光合作用不可或缺的基础物质。
• 植物叶片中的叶绿素含量与植被的光合能力、发育阶段以及氮素状况有着良好的相关性，能够反映植物的生理状况。
• 因此，叶绿素含量的检测备受农业科技工作者关注。

1.1.2 现有检测方法的局限性

• 分光光度法具有检测结果稳定且精确的优点，但其操作步骤繁琐、耗时长、需要破坏待测样本，同时，检测中使用有毒物质丙酮，对操作者身体健康有严重的危害，且实验废液若处理不当会污染水资源。

1.1.3 市场需求与创新方向

• 为了设计方便、快捷、无损的叶绿素含量检测方法，国内外科研工作者先后采用各种新技术，但都存在一定局限性。
• 因此，开发一款方便、快捷、无损的叶绿素含量检测仪具有重要的市场价值和应用前景。

1.2 国内外技术分析

1.2.1 国外技术发展

• 国外在叶绿素检测方面已有较成熟的技术，如SPAD-502型叶绿素仪等。
• 这些仪器虽具有成本较低、操作简便的优点，但由于需要检测近红外波段的吸光度，而植物叶片在近红外波段的反射率很高，导致该波段的透射光信号比较微弱，因此需要加大光源功率、并使用近红外波段的传感器，最终导致仪器价格较高，较难大规模推广使用。

1.2.2 国内技术发展

• 中国在便携式叶绿素光电检测仪的研发方面也取得了一定的成果，但研究者们主要关注的问题包括检测精度、便携性、使用便捷性、价格成本等方面。

1.3 成本核算

1.3.1 硬件购买成本

• 基础的硬件购买（OLED显示屏，STM32F103RCT6最小系统，蓝牙模块hc05，电源模块，光电传感器，蜂鸣器，SYN6288语音合成模块等）共花销198.23元。

1.3.2 研发成本

• 研发过程中的人力、物力、时间等成本需要考虑在内。
• 研发周期、人员配备、实验材料等都是影响成本的重要因素。

2. 系统总体结构设计与原理

2.1 系统总体思路分析

2.1.1 系统设计目标

• 本设计以STM32F103RCT6芯片为最小系统，通过构建检测块、声光报警模块、语音播报模块、液晶显示模块及按键模块、电源模块完成硬件设计，同时引出IO口作为外设拓展，添加无线传输模块，实现检测植物叶片的吸光度后计算相应的SPAD值、叶绿素含量，进行语音播报并传输至远程端实现实时查看。

2.1.2 系统设计理念

• 采用模块化设计思想，每个模块完成相对独立的功能。
• 模块化设计可以提高系统的可维护性和可扩展性。

2.2 系统设计框图

2.2.1 系统模块划分

• 本设计主体上共分为八个部分，即stm32f103rct6最小系统模块、检测模块、声光报警模块、蓝牙模块、OLED显示模块、语音播报模块、按键模块和电源模块。

2.2.2 模块间协作

• 通过stm32f103协调配合另外七个部分，共同完成叶绿素含量检测系统的完整功能。

2.3 SPAD值的测量与计算

2.3.1 SPAD值的概念

• SPAD值是一个叶绿素相对含量读数, 也称“绿色度”。
• 通过比较接受器接收到的光照强度和发射光强度, 确定叶绿素的含量, 表示为SPAD值。

2.3.2 SPAD值的计算方法

• 采用光电无损检测方法测量叶绿素含量的快速方法：叶绿素吸收峰是蓝光和红光区域。
• 选择红光区域和近红外区域测量叶绿素。
• 具体过程是让由发光二极管发射红光(峰值波长650 nm)和近红外光(峰值波长940 nm)。
• 叶绿素吸收波长为650 nm的红光, 但并不吸收波长为940 nm的红外光，红外光的发射和接收主要是为了消除叶片厚度等方面对测量结果的影响。
• 红光到达叶片后, 一部分被叶片的叶绿素所吸收, 少量被反射后, 剩下的透过叶片被接收器转换成为相应的电信号, 然后通过A/D转换器转换为数字信号, 微处理器利用这些数字信号计算叶绿素的相对含量, 表示为SPAD值。

2.4 光电转换电路

2.4.1 OPT101芯片介绍

• OPT101是一个带单晶片跨阻放大器的单片光电二极管。
• 此放大器可用单电源或双电源工作, 因此对于电池供电设备很理想。
• OPT101内含的光电二极管的入射窗口面积大(5.226mm2),可检测的光信号频谱很宽,具有良好的光电响应特性。
• 此外, OPT101将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部, 这种集成化的设计形式有效克服了后端运放空载电流对光敏部件输出电流的影响,同时芯片的集成化设计也能够减小内耗,有效降低了系统的功耗。

2.4.2 光电转换电路设计

• 由两片OPT101芯片组成,一个用于接收波长650 nm的红光,另一个用于接收波长940 nm的红外光。
• 光电转换电路由光敏二极管接收光照, 并将其转化为电流I,电流很小, 大小一般为微安级。
• 电流I经过运放放大并转化为电压输出Vo,两个电容起到滤波作用。
• 输出电压Vo与电流I的关系遵循公式：Vo = 0.76 * I。
• 由光电转化电路输出的2路电压分别送入ADS7841的通道0和通道1。根据ADS7841测出的2路电压的数字值算出实际的模拟电压值。

3. 硬件电路结构与方案设计

3.1 STM32F103RCT6最小系统模块

3.1.1 单片机介绍

• 本设计使用STM32F103RCT6单片机作为微处理器。
• 其具有高性能、低功耗和高集成度的特点，应用广泛，支持多种外设和通信接口，提供了丰富的功能，具有灵活性。
• 同时具有丰富的内存和存储器选项，可满足各种应用的需求。

3.1.2 时钟电路设计

• 时钟电路采用振荡形式，两个电容值为20pf的微调电容并联后接入放大电路。
• 在电路中跨接石英晶体振荡器，晶振频率选择为8MHz与32.768KHz构成高速时钟及速时钟，为单片机提供工作频率。

3.1.3 复位电路设计

• 复位电路则是采用按键控制的方法，接入100uf的电容和10k的电阻，确保在0.1s内完成系统自动复位。
• 最后输入单片机NRST引脚，控制输入电源为3.3V，完成初始化，即当引脚电压由高变低，单片机执行程序，否则进行循环复位。

3.1.4 程序下载设计

• 程序下载则选CH340N芯片为主体的主机转TTL电路，5V电压通过USB口输入。
• 由于无需外接晶振，只需将RXD及TXD连接单片机的USART2串口，3.3V输出，完成总体的程序下载。

3.1.5 电源指示设计

• 添加LED2及LED3作为电源指示，其中LED2为电源指示灯，通电即亮。
• 而LED3及KEY3作为程序测试灯/按键，通过对PC6/PC9输出低电平实现点亮。

3.2 电源模块

3.2.1 电源需求

• 本设计使用两节18650型干电池供电。
• 添加AMS1117稳压器将输入的7.4V电压转换为3.3V以及5V电压为单片机供电。

3.2.2 电源电路设计

• 使用1N4007整流二极管链接电源电路，实现整体的便携式供电目的。

3.3 按键模块

3.3.1 按键功能划分

• 4位独立键盘：
  • 测量键（KEY0）—控制检测仪开始新一次叶绿素含量测量；
  • 数据选择键（KEY1）—选择是否对检测完成的数据进行显示及播报；
  • 两个备用。

3.3.2 按键电路设计

• 由于按键与电源相接，故在后续设计中选择给低电平响应。

3.4 蓝牙模块

3.4.1 蓝牙模块介绍

• HC-05蓝牙模块是一种基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。
• 其无线工作频段为2.4GHz ISM，调制方式为GFSK。
• 该模块的最大发射功率为4dBm，接收灵敏度为-85dBm，并且板载PCB天线，能够实现10米距离内的通信。

3.4.2 蓝牙模块电路设计

• 通过与手机相连，搭建平台发送AT指令使其通过串口相互通信，达到传输目的，完成模块设计。

3.5 OLED显示模块

3.5.1 OLED显示模块介绍

• 本设计使用0.96英寸的四管脚OLED液晶显示屏。
• 显示叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总含量、SPAD值、光照强度。

3.5.2 液晶显示电路设计

• 使用3.3V电压。
• 显示内容通过SPI通信接口与单片机进行数据交互。

3.6 检测模块

3.6.1 检测模块介绍

• 本模块主要通过测量发射光