專利名稱：一種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測光譜儀，尤其涉及一種帶GPS定位的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀。
背景技術(shù)：
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知在作物生長過程中，葉綠素是植物光合作用的重要生物體，水分含量是植物生長體征的最重要表現(xiàn)，氮素營養(yǎng)診斷是植物營養(yǎng)診斷的核心，是作物施肥、灌溉的重要參考指標(biāo)。檢測植物中的這些養(yǎng)分含量具有極其重要的意義。同時，氮肥是全世界施用量最大的一類化學(xué)肥料，也是推薦施肥中最難于準(zhǔn)確定量的一種肥料，施肥過少則不利于作物生長，施肥過多則不能全部被植物吸收而浪費資源，根據(jù)文獻(xiàn)獻(xiàn)可知，富余的氮肥還會沉積在土壤里硬化土壤，污染環(huán)境。究其原因，主要是由于缺乏能夠準(zhǔn)確、迅速、經(jīng)濟地判斷作物營養(yǎng)狀況及確定氮肥需要量的測試方法。長期以來，作物的養(yǎng)分補給均是均勻地按經(jīng)驗補給，較為科學(xué)的檢測手段也只是將被沒樣本帶回實驗室進(jìn)行生化測驗為基礎(chǔ)，需要耗費大量的人力、物力，時效性差、且為破壞性檢測。即使通過該方法法測出作物氮素營養(yǎng)含量，往往在施肥補肥過程中會在整片農(nóng)田中均勻補肥。由于在大片農(nóng)田中的每一小塊作物養(yǎng)份含量并不相同，則會導(dǎo)致不僅浪費氮肥，多余的氮肥還會導(dǎo)致環(huán)境污染。不利于推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能快速、準(zhǔn)確、無損地測定出作物的葉綠素、水分、氮素含量并能
實現(xiàn)精細(xì)管理的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀。
—種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于包括 (a)雙通道LED光源，用作發(fā)光光源； (b)光電傳感器，用于將雙通道LED光源透射作物的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號；
(c)信號放大與調(diào)整模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號放大、濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； (d)模型處理運算模塊，用于將信號放大與調(diào)整模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行模型運算，得到葉綠素、水分、氮素含量值； (e)存儲模塊，用于儲存模型處理運算模塊得到的養(yǎng)分含量值； (f)LCD顯示模塊，用于顯示模型處理運算模塊得到的養(yǎng)分含量值。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的模型處理運算模塊上還連接有GPS衛(wèi)星定位信號接收
模塊，用于接收被檢作物的地理位置信息。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的模型處理運算模塊上還連接有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將測量值或地理位置信息傳輸?shù)絇C機。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的雙通道LED光源中一個通道采用波長為635nm-645nm的LED發(fā)光二極管，另一個采用波長為945nm-955nm的LED發(fā)光二極管。波長的選擇對葉綠素、水分、氮肥含量的測量有敏感作用。進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的雙通道LED光源中一個通道采用波長為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個采用波長為950nm的LED發(fā)光二極管。
進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的光電傳感器采用硅光敏電池。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的模型處理運算模塊以STC12A5C60S2單片機為核心，利
用多元回歸分析擬合算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立植物的葉綠素、水分、氮素含量檢測模型。
進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的含量檢測模型分別為 葉綠素檢測模型為Vy = 283-1. 46 suml-O. 014 sum2 ;水分含量檢測模型為VW = 261-0. 763 sum2_0. 16 suml ;氮素檢測模型為Vn = 11. 375-0. 0087 sm2_0. 0157 suml ; 其中Vy、Vw、Vn分別代表葉綠素含量、水分含量和氮素含量，suml、sum2分別表示從
兩個波段的透射通道所獲取的信號經(jīng)過信號放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號值。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的雙通道LED光源與光電傳感器正對安裝在檢測光譜儀
的檢測夾頭上。被檢作物的葉片置于光源與光電傳感器之間。光電傳感器輸入的是光透過
葉片的透射信號。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的檢測光譜儀采用電池供電，比較輕便。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有以下特點 (1)可用于田間快速、準(zhǔn)確、無損地測定出作物的葉綠素、水分、氮素含量情況，并可結(jié)合GPS、 GIS方便地測量出農(nóng)田作物養(yǎng)份含量分布情況，實現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)管理。
(2)結(jié)構(gòu)簡單，整臺測量儀體積小、可做到長15cm，寬8cm，厚3cm。非常便于攜帶。
(3)使用方便，只要將被測量作物的葉片用測量儀的測量夾子夾一下，就可以自動測量，并自動將所測數(shù)據(jù)和測試點位置信息自動通過無線發(fā)射模塊傳送給PC機。
(4)具有良好的經(jīng)濟效益，傳統(tǒng)的測量手段在取樣、測定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費大量的人力、物力，且效性差，本測量裝置因結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，可以快速、準(zhǔn)確的測量作物含氮量，分析得到作物的氮元素營養(yǎng)水平，從而實現(xiàn)實時、無損檢測油作物氮素營養(yǎng)水平和指導(dǎo)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)。


圖1是本發(fā)明的一種實施方式的硬件連接示意圖。
圖2是本發(fā)明檢測光譜儀的軟件主流程圖。
圖3是本發(fā)明檢測光譜儀的GPS串口中斷服務(wù)程序流程圖。
圖4是本發(fā)明檢測光譜儀的硬件系統(tǒng)核心CPU電路設(shè)計示意圖。
圖5a是本發(fā)明檢測光譜儀的信號采集電路示意 圖5b是本發(fā)明檢測光譜儀的信號調(diào)理電路示意 圖5c是本發(fā)明檢測光譜儀的信號采集高精度基準(zhǔn)電源電路示意 圖5d是本發(fā)明檢測光譜儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的選擇開關(guān)電路示意圖。
圖6是本發(fā)明檢測光譜儀的RS232串口轉(zhuǎn)換電路示意圖。
圖7是本發(fā)明檢測光譜儀的FLASH數(shù)據(jù)存儲電路示意圖。圖8是本發(fā)明第一種實施方式所測得的葉綠素含量值。圖9是本發(fā)明第一種實施方式所測得的含水量值。
圖io是本發(fā)明第一種實施方式所測得的氮含量值。
圖11是本發(fā)明檢測光譜儀與SPAD 502檢測儀對同一對像所測得的SPAD值對比圖。
具體實施方式
實施例1 如附圖1所示為本發(fā)明的整體框架圖，兩特征波段的LED經(jīng)過對植物葉片進(jìn)行透射，光電傳感器將透射作物的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號，采樣后通過信號通道傳送給信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路將從光電傳感器獲得的弱信號進(jìn)行放大并濾波，放大后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給單片機運算器進(jìn)行模型運算。運算的結(jié)果和GPS信號接收機接收到的位置信息在LCD屏上顯示，操作者可通赤鍵盤選擇測量儀的工作模式，如果存在誤差作或電池電量不足則會通過指示燈和報警器報警。 如附圖2所示，系統(tǒng)各部件初始化后開放串口中斷，系統(tǒng)進(jìn)入等待測量狀態(tài)，當(dāng)測試鍵按下后，儀器開始采集兩LED通道信號，經(jīng)過軟件濾波后進(jìn)行模型運算，并將運算結(jié)果存儲并在LCD上顯示，GPS串口中斷服務(wù)程序在每秒鐘更新一次GPS定位的位置。當(dāng)中斷服務(wù)程序運行時，保存更新過的定位位置信號并送LCD顯示。然后通過無線傳輸模塊將該地點的測量值及GPS定位值一同發(fā)送給PC機，發(fā)送完畢后系統(tǒng)又重新回到等待測量狀態(tài)。
如附圖3所示，系統(tǒng)以中斷方式接收GPS信息，并將確定GPS制式，以按相應(yīng)制式拆分GPS定位信息。將GPS定位信息拆分完出來后對信息進(jìn)行保存和顯示。
如附圖4所示，采用STC12C5A60S2芯片作為主控CPU，采用P2 口作為數(shù)據(jù)口，其它10 口用以控制外部電路和FLASH存儲器的讀寫。CPU的雙串口的第一個串口用來與PC機通訊和GPS信號接收。第二個串口用來和AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和控制。
如附圖5所示，系統(tǒng)用AD7705高精度AD轉(zhuǎn)換芯片作為本儀器的AD采樣機構(gòu)，其中以TL431高精度恒流源作為AD基準(zhǔn)電壓。以TL431構(gòu)成恒壓差分電路來降低傳感的非線性度。 如附圖6所示為PC機串口通訊的接口 ，其中RXDi， TXDi接U-BLOX型號的GPS模塊。GPS模塊檢有四腳，其中有兩腳分別為電源和地線，電源與地線與系統(tǒng)其它芯片的電源、地線相連。 如附圖7所示為儀器的數(shù)據(jù)存儲電路，利用芯片可位操作的10 口串行讀寫數(shù)據(jù)，用兩個10K電阻拉高電平，以防在讀寫數(shù)據(jù)過程中電平減弱而導(dǎo)致誤讀，誤寫操作。
采用如上的裝置，光電傳感器采用硅光敏電池，以STC12A5C60S2單片機為核心，利用葉綠素檢測模型為Vy = 283-1. 46 suml-O. 014 s咖2 ;水分含量檢測模型為VW =261-0. 763 sum2-0. 16 suml ;氮素檢測模型為Vn = 11375-0. 0087 sm2_0. 0157 suml ;其中Vy、Vw、Vn分別代表葉綠素含量、水分含量和氮素含量，suml、sum2分別表示從兩個波段的透射通道所獲取的信號經(jīng)過信號放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號值，雙通道LED光源中一個通道采用波長為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個通道采用波長為950nm的LED發(fā)光二極管，測得的數(shù)據(jù)如圖8、圖9、圖10所示，其中SPAD值是指葉綠素含量值，儀器原始A/D采樣值是指采樣后，經(jīng)放大濾波A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。圖11為本檢測光譜儀與日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD 502檢測儀對同一對像所測的SPAD值對比圖。
實施例2 采用如實施例1所述的裝置，采用相同的含量檢測模型，雙通道LED光源中一個通道采用波長為645nm的LED發(fā)光二極管，另一個通道采用波長為945nm的LED發(fā)光二極管，同樣能檢測得到葉綠素含量、水分含量和氮素含量值。
實施例3 采用如實施例l所述的裝置，采用相同的含量檢測模型，雙通道LED光源中一個通道采用波長為635nm的LED發(fā)光二極管，另一個通道采用波長為955nm的LED發(fā)光二極管，同樣能檢測得到葉綠素含量、水分含量和氮素含量值。
權(quán)利要求
一種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于包括(a)雙通道LED光源，用作發(fā)光光源；(b)光電傳感器，用于將雙通道LED光源透射作物的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號；(c)信號放大與調(diào)理模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號放大、濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；(d)模型處理運算模塊，用于將信號放大與調(diào)整模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行模型運算，得到葉綠素、水分、氮素含量值；(e)存儲模塊，用于儲存模型處理運算模塊得到的葉綠素、水分、氮素含量值；(f)LCD顯示模塊，用于顯示模型處理運算模塊得到的葉綠素、水分、氮素含量值。
2. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的模型處理運算模塊上還連接有GPS衛(wèi)星定位信號接收模塊，用于接收被檢作物的地理位置信息。
3. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的模型處理運算模塊上還連接有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將測量值或地理位置信息傳輸?shù)絇C機。
4. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的雙通道LED光源中一個通道采用波長為635nm-645nm的LED發(fā)光二極管，另一個通道采用波長為945nm-955nm的LED發(fā)光二極管。
5. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的雙通道LED光源中一個通道采用波長為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個通道采用波長為950nm的LED發(fā)光二極管。
6. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的光電傳感器采用硅光敏電池。
7. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的模型處理運算模塊以STC12A5C60S2單片機為核心，利用多元回歸分析擬合算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立植物的葉綠素、水分、氮素含量檢測模型。
8. 如權(quán)利要求7所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的含量檢測模型分別為葉綠素檢測模型為Vy = 283-1. 46 suml-0. 014 sum2 ;水分含量檢測模型為VW = 261-0. 763 sum2-0. 16 suml ;氮素檢測模型為Vn = 11. 375-0. 0087 sm2_0. 0157 suml ;其中Vy、Vw、Vn分別代表葉綠素含量、水分含量和氮素含量，suml、sum2分別表示從兩個波段的透射通道所獲取的信號經(jīng)過信號放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號值。
9. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的雙通道LED光源與光電傳感器正對安裝在檢測光譜儀的檢測夾頭上。
10. 如權(quán)利要求1所述的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，其特征在于所述的檢測光譜儀采用電池供電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測光譜儀，包括雙通道LED光源、光電傳感器、信號放大與調(diào)整模塊、模型處理運算模塊、存儲模塊、LCD顯示模塊，還可以包括GPS衛(wèi)星定位信號接收模塊、無限傳輸模塊。兩特征波段的LED經(jīng)過對植物葉片進(jìn)行透射，通過光電傳感器的轉(zhuǎn)換采樣將信號傳送給信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路將弱信號進(jìn)行放大濾波并A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給單片機運算器進(jìn)行模型運算，運算的結(jié)果和GPS信號接收機接收到的位置信息在LCD屏上顯示。本發(fā)明的檢測光譜儀可用于田間快速、準(zhǔn)確、無損地測定出作物的葉綠素、水分、氮素含量情況，并可結(jié)合GPS、GIS方便地測量出農(nóng)田作物養(yǎng)份含量分布情況，實現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)管理。
文檔編號G01N21/31GK101776580SQ200910153799
公開日2010年7月14日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者何勇, 劉飛, 李曉麗, 楊燕, 聶鵬程, 陳渝陽 申請人:陳渝陽