專利名稱：一種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測(cè)光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)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(cè)光譜儀。
背景技術(shù)：
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知在作物生長(zhǎng)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(zhǎng)體征的最重要表現(xiàn)，氮素營(yíng)養(yǎng)診斷是植物營(yíng)養(yǎng)診斷的核心，是作物施肥、灌溉的重要參考指標(biāo)。檢測(cè)植物中的這些養(yǎng)分含量具有極其重要的意義。同時(shí)，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(zhǎng)，施肥過多則不能全部被植物吸收而浪費(fèi)資源，根據(jù)文獻(xiàn)獻(xiàn)可知，富余的氮肥還會(huì)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(jì)地判斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況及確定氮肥需要量的測(cè)試方法。長(zhǎng)期以來，作物的養(yǎng)分補(bǔ)給均是均勻地按經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)給，較為科學(xué)的檢測(cè)手段也只是將被沒樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生化測(cè)驗(yàn)為基礎(chǔ)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力，時(shí)效性差、且為破壞性檢測(cè)。即使通過該方法法測(cè)出作物氮素營(yíng)養(yǎng)含量，往往在施肥補(bǔ)肥過程中會(huì)在整片農(nóng)田中均勻補(bǔ)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(huì)導(dǎo)致不僅浪費(fèi)氮肥，多余的氮肥還會(huì)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(cè)定出作物的葉綠素、水分、氮素含量并能
實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理的便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測(cè)光譜儀。
—種便攜式雙色波譜作物養(yǎng)分含量檢測(cè)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(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
(c)信號(hào)放大與調(diào)整模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號(hào)放大、濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； (d)模型處理運(yùn)算模塊，用于將信號(hào)放大與調(diào)整模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模型運(yùn)算，得到葉綠素、水分、氮素含量值； (e)存儲(chǔ)模塊，用于儲(chǔ)存模型處理運(yùn)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(yùn)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(yùn)算模塊上還連接有GPS衛(wèi)星定位信號(hào)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(yùn)算模塊上還連接有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將測(cè)量值或地理位置信息傳輸?shù)絇C機(jī)。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為635nm-645nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)采用波長(zhǎng)為945nm-955nm的LED發(fā)光二極管。波長(zhǎng)的選擇對(duì)葉綠素、水分、氮肥含量的測(cè)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(gè)通道采用波長(zhǎng)為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)采用波長(zhǎng)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(yùn)算模塊以STC12A5C60S2單片機(jī)為核心，利
用多元回歸分析擬合算法對(duì)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(cè)模型。
進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的含量檢測(cè)模型分別為 葉綠素檢測(cè)模型為Vy = 283-1. 46 suml-O. 014 sum2 ;水分含量檢測(cè)模型為VW = 261-0. 763 sum2_0. 16 suml ;氮素檢測(cè)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(gè)波段的透射通道所獲取的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號(hào)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(duì)安裝在檢測(cè)光譜儀
的檢測(cè)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(hào)。 進(jìn)一步的技術(shù)方案所述的檢測(cè)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(diǎn) (1)可用于田間快速、準(zhǔn)確、無損地測(cè)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(cè)量出農(nóng)田作物養(yǎng)份含量分布情況，實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)管理。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整臺(tái)測(cè)量?jī)x體積小、可做到長(zhǎng)15cm，寬8cm，厚3cm。非常便于攜帶。
(3)使用方便，只要將被測(cè)量作物的葉片用測(cè)量?jī)x的測(cè)量夾子夾一下，就可以自動(dòng)測(cè)量，并自動(dòng)將所測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試點(diǎn)位置信息自動(dòng)通過無線發(fā)射模塊傳送給PC機(jī)。
(4)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的測(cè)量手段在取樣、測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且效性差，本測(cè)量裝置因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，可以快速、準(zhǔn)確的測(cè)量作物含氮量，分析得到作物的氮元素營(yíng)養(yǎng)水平，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無損檢測(cè)油作物氮素營(yíng)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(shí)施方式的硬件連接示意圖。
圖2是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀的軟件主流程圖。
圖3是本發(fā)明檢測(cè)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(cè)光譜儀的硬件系統(tǒng)核心CPU電路設(shè)計(jì)示意圖。
圖5a是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀的信號(hào)采集電路示意 圖5b是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀的信號(hào)調(diào)理電路示意 圖5c是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀的信號(hào)采集高精度基準(zhǔn)電源電路示意 圖5d是本發(fā)明檢測(cè)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(cè)光譜儀的RS232串口轉(zhuǎn)換電路示意圖。
圖7是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀的FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路示意圖。圖8是本發(fā)明第一種實(shí)施方式所測(cè)得的葉綠素含量值。圖9是本發(fā)明第一種實(shí)施方式所測(cè)得的含水量值。
圖io是本發(fā)明第一種實(shí)施方式所測(cè)得的氮含量值。
圖11是本發(fā)明檢測(cè)光譜儀與SPAD 502檢測(cè)儀對(duì)同一對(duì)像所測(cè)得的SPAD值對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)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(duì)植物葉片進(jìn)行透射，光電傳感器將透射作物的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，采樣后通過信號(hào)通道傳送給信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將從光電傳感器獲得的弱信號(hào)進(jìn)行放大并濾波，放大后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)運(yùn)算器進(jìn)行模型運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果和GPS信號(hào)接收機(jī)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(cè)量?jī)x的工作模式，如果存在誤差作或電池電量不足則會(huì)通過指示燈和報(bào)警器報(bào)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(cè)量狀態(tài)，當(dāng)測(cè)試鍵按下后，儀器開始采集兩LED通道信號(hào)，經(jīng)過軟件濾波后進(jìn)行模型運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)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(yùn)行時(shí)，保存更新過的定位位置信號(hào)并送LCD顯示。然后通過無線傳輸模塊將該地點(diǎn)的測(cè)量值及GPS定位值一同發(fā)送給PC機(jī)，發(fā)送完畢后系統(tǒng)又重新回到等待測(cè)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(duì)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(chǔ)器的讀寫。CPU的雙串口的第一個(gè)串口用來與PC機(jī)通訊和GPS信號(hào)接收。第二個(gè)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(jī)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(jī)串口通訊的接口 ，其中RXDi， TXDi接U-BLOX型號(hào)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(chǔ)電路，利用芯片可位操作的10 口串行讀寫數(shù)據(jù)，用兩個(gè)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(jī)為核心，利用葉綠素檢測(cè)模型為Vy = 283-1. 46 suml-O. 014 s咖2 ;水分含量檢測(cè)模型為VW =261-0. 763 sum2-0. 16 suml ;氮素檢測(cè)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(gè)波段的透射通道所獲取的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號(hào)值，雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為950nm的LED發(fā)光二極管，測(cè)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(hào)。圖11為本檢測(cè)光譜儀與日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD 502檢測(cè)儀對(duì)同一對(duì)像所測(cè)的SPAD值對(duì)比圖。
實(shí)施例2 采用如實(shí)施例1所述的裝置，采用相同的含量檢測(cè)模型，雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為645nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為945nm的LED發(fā)光二極管，同樣能檢測(cè)得到葉綠素含量、水分含量和氮素含量值。
實(shí)施例3 采用如實(shí)施例l所述的裝置，采用相同的含量檢測(cè)模型，雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為635nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為955nm的LED發(fā)光二極管，同樣能檢測(cè)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(cè)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(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(c)信號(hào)放大與調(diào)理模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號(hào)放大、濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；(d)模型處理運(yùn)算模塊，用于將信號(hào)放大與調(diào)整模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模型運(yùn)算，得到葉綠素、水分、氮素含量值；(e)存儲(chǔ)模塊，用于儲(chǔ)存模型處理運(yùn)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(yùn)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的模型處理運(yùn)算模塊上還連接有GPS衛(wèi)星定位信號(hào)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的模型處理運(yùn)算模塊上還連接有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將測(cè)量值或地理位置信息傳輸?shù)絇C機(jī)。
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(cè)光譜儀，其特征在于所述的雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為635nm-645nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)通道采用波長(zhǎng)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的雙通道LED光源中一個(gè)通道采用波長(zhǎng)為640nm的LED發(fā)光二極管，另一個(gè)通道采用波長(zhǎng)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(cè)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的模型處理運(yùn)算模塊以STC12A5C60S2單片機(jī)為核心，利用多元回歸分析擬合算法對(duì)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(cè)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的含量檢測(cè)模型分別為葉綠素檢測(cè)模型為Vy = 283-1. 46 suml-0. 014 sum2 ;水分含量檢測(cè)模型為VW = 261-0. 763 sum2-0. 16 suml ;氮素檢測(cè)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(gè)波段的透射通道所獲取的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大與調(diào)理模塊后輸出的數(shù)字信號(hào)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(cè)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(duì)安裝在檢測(cè)光譜儀的檢測(cè)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(cè)光譜儀，其特征在于所述的檢測(cè)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(cè)光譜儀，包括雙通道LED光源、光電傳感器、信號(hào)放大與調(diào)整模塊、模型處理運(yùn)算模塊、存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊，還可以包括GPS衛(wèi)星定位信號(hào)接收模塊、無限傳輸模塊。兩特征波段的LED經(jīng)過對(duì)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(hào)傳送給信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波并A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)運(yùn)算器進(jìn)行模型運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果和GPS信號(hào)接收機(jī)接收到的位置信息在LCD屏上顯示。本發(fā)明的檢測(cè)光譜儀可用于田間快速、準(zhǔn)確、無損地測(cè)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(cè)量出農(nóng)田作物養(yǎng)份含量分布情況，實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)管理。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101776580SQ200910153799
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)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(qǐng)人:陳渝陽