藻类含量测量仪的设计与实现

搅拌器和正弦信号发生器的开关控制以及对超高亮LED阵列的顺序控制通过三极管和继电器实现，与PC机的通信通过MAX487芯片和RS485-USB转接器实现。

测量仪控制卡的主要电路原理图如图5和图6所示。小型电磁继电器我们选择“汇科HK4100F-DC5V-SHG”，其外形尺寸为15.5×10.5×11.8(mm)，线圈额定电压为直流5V，触点允许电流为3A，线圈为120欧姆。

上位机软件

上位机软件使用VC++6.0开发工具在MFC框架基础上进行编写，软件功能包括：

(1)人机对话。软件通过命令按钮来接收用户的“开始测量”、“进行计算”和“结束测量”等命令，通过显示界面显示测量计算得到的水体样品中3种藻类的含量。

(2)与测量仪控制卡的通信。上位机软件通过微软提供的Microsoft Communications Control控件，通过虚拟串口和“RS485—USB转换器”实现与测量仪控制卡的通信。

(3)对数据采集卡FCFR-USB2027的控制。在便携式电脑上安装信号采集卡FCFR-USB2027的设备驱动，上位机软件通过调用数据采集卡动态链接库的函数来实现对数据采集卡的操作。

(4)信号处理和水体样品中3种藻类含量的计算。

信号处理和藻类含量计算方法

软件通过数据采集卡FCFR-USB2027对荧光信号进行采集后，将对应3个LED的含有噪声的荧光信号数据存储到3个文件中。在进行信号处理时，软件将3组数据提取出来，依次与标准的888.2Hz正弦信号的离散数据进行互相关运算，则将含有噪声的荧光信号中的有效信号提取出来，得到了对应3个LED的荧光信号的幅值。

设我们采集到的信号为x(n)，调制频率标准正弦信号为是s(n)，二者的互相关函数为：

取N为某一较大的数值，依次取m=0，1，2，3…即求得x(n)与s(n)的离散互相关函数R_xs(m)，R_xs(m)幅值的一半即为荧光信号幅值。

经过3次互相关运算，我们就得到对应超高亮LED阵列的3个LED的3个荧光信号强度F₁，F₂，F₃。而F₁，F₂，F₃与3种藻类的浓度c₁，c₂，c₃满足：

解三元一次方程组可得：

软件流程

上位机软件流程图如图4和图5示。

结语

本文采用正弦调制、高速USB数据采集卡和离散信号软件处理的仪器方案，基于叶绿素荧光效应，完成了藻类含量测量仪的设计与实现，详述了仪器的系统结构及仪器各部件的设计以及上位机软件的设计。

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