專利名稱：作物長勢實(shí)時分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種作物長勢實(shí)時分析儀，尤其是一種通過測量植物的光譜反射率或透射率來診斷作物長勢的分析儀。
背景技術(shù)：
植物營養(yǎng)狀況與植物反射光譜特性密切相關(guān)，采用近地遙感技術(shù)測量植物的光譜反射率或透射率，再根據(jù)植物光譜特性的差異就可以診斷作物的不同營養(yǎng)狀況。
利用作物的光譜反射率作為測量手段的方法有多種。美國ASD(Analytical Spectral Devices)公司生產(chǎn)用于測量地物光譜反射率的系列光譜輻射儀，包括全光譜便攜式光譜分析儀(波長范圍350-2500nm)以及手持便攜式光譜分析儀(波長范圍300-1100nm)等，這些儀器測量精度和光譜分辨率都很高，但它們的色散元件都是采用全息反射光柵，使得儀器價格昂貴，適用于研究但不適用于生產(chǎn)。
另外一種便攜式農(nóng)作物長勢監(jiān)測裝置的光學(xué)測量部分利用了雙積分球光譜測量法來獲取農(nóng)作物葉片光譜反射量與透射量，通過處理運(yùn)算得到能反映葉片含水量、葉綠素含量等判斷農(nóng)作物長勢的基本量。但該裝置存在諸多不足，如只能測量透射率，且測量機(jī)構(gòu)需攜帶光源、電機(jī)、電機(jī)帶動的多光譜轉(zhuǎn)盤等，限制了該裝置在農(nóng)田現(xiàn)場實(shí)時測量的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種作物長勢實(shí)時分析儀，能夠收集作物冠層及其它能反映作物長勢的部位的反射光，根據(jù)所測作物的不同方便的改變測量波長，且可以同時測量多個波長，實(shí)時測量生長中作物的葉片含氮量、葉綠素含量、葉片水分含量，并對作物長勢作出綜合判斷。
基于近地遙感技術(shù)的植被反射光譜測量，是指以自然光照作為光源，測量植物冠層或葉片的光譜反射率的方法。該方法由于測量設(shè)備不與植物發(fā)生直接接觸，因此可以實(shí)現(xiàn)真正的無損、實(shí)時測量。因此實(shí)現(xiàn)在低成本田間下測量植被對不同波段光的反射率，就成為實(shí)現(xiàn)診斷作物的不同營養(yǎng)狀況的關(guān)鍵。
本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于包括導(dǎo)光光纖、測量單元、處理單元，所述的導(dǎo)光光纖包括一個收集端，一個以上的出射端，一個以上的出射端分別與測量單元相應(yīng)的測量接頭連接，通過測量單元將導(dǎo)光光纖收集的反射光進(jìn)行濾光、轉(zhuǎn)換，通過其輸出端輸出電信號給處理單元，通過處理單元的信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，得到最終的測量結(jié)果。
其中，測量單元至少包括測光接頭及帶有中心孔的后蓋，所述的測光接頭一端設(shè)有插孔，為接頭端，該插孔與導(dǎo)光光纖的出射端連接，另一端設(shè)有帶入口和出口的測光室，所述的后蓋扣合在測光室的出口處，使測光室成為一個封閉的空間，該測光室的入口與插孔相通，在測光室內(nèi)從入口一端依次設(shè)有濾光片、光電器件，且光電器件的信號引出線通過后蓋的中心孔引出。。
所述的濾光片與光電器件之間設(shè)有墊圈。
所述導(dǎo)光光纖的出射端包括插入端及連接件，通過連接件將插入端固定在測光接頭的插孔內(nèi)。
所述的連接件為與插入端同軸設(shè)置的內(nèi)表面設(shè)有螺紋的空心柱體，測量單元的接頭端的外表面設(shè)有螺紋，連接件通過螺紋連接將插入端固定在插孔內(nèi)。
所述插入端伸出連接件，當(dāng)插入到測量單元接頭端的插孔中時，該插入端抵至測光室的入口處。
所述的處理單元包括信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器，存儲器、顯示器，所述的信號放大電路的輸入與測量單元的輸出連接，放大電路的輸出與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入連接，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到處理器，由處理器對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到顯示器中顯示，所述的存儲器分別通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線與處理器連接。
所述的處理單元還包括一個以上的按鍵，所述的一個以上的按鍵分別與處理器連接。
所述的處理器為單片機(jī)。
所述的信號放大電路包括射極跟隨器、減法器和兩級運(yùn)放電路。光電器件同時輸出有電流信號和電壓信號，將電流信號首先接入第一級放大電路，在放大的同時將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；光電器件輸出的電壓信號輸入到射極跟隨器，然后將第一級放大電路和射極跟隨器的輸出信號接入減法器以消除與光照無關(guān)的誤差，最后由第二級放大電路進(jìn)行放大。
所述的處理單元還包括一個或一個以上的通信接口，所述的通信接口為串行通信接口或USB接口。
本發(fā)明通過導(dǎo)光光纖收集作物冠層及其它能反映作物長勢的部位的反射光，其測量單元可以根據(jù)所測作物的不同可以方便的改變測量波長，并且隔絕了外部光的干擾，測量的精度高，同時可以測量多個波長，達(dá)到實(shí)時測量生長中作物的葉片含氮量、葉綠素含量、葉片水分含量，并對作物長勢作出綜合判斷的目的，而且，本發(fā)明提供的裝置操作簡單、安全，成本低，適用范圍廣。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的導(dǎo)光光纖的示意圖；
圖3為測量單元分解示意圖；圖4為本發(fā)明處理單元的原理框圖；圖5為本發(fā)明的放大電路原理圖；圖6為本發(fā)明部分電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本方明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
參見圖1，為本發(fā)明提供的作物長勢實(shí)時分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖，該作物長勢實(shí)時分析儀主要由兩部分組成，一部分為儀器主體，一部分為通過接頭與其連接的導(dǎo)光光纖，總體來說，作物長勢實(shí)時分析儀包括導(dǎo)光光纖1、測量單元2、處理單元3，所述的導(dǎo)光光纖1包括一個收集端11，兩個出射端12，兩個出射端12分別與測量單元2的測量接頭連接，通過測量單元2將導(dǎo)光光纖1收集的反射光進(jìn)行濾光、轉(zhuǎn)換，通過其輸出端輸出電信號給處理單元3，通過處理單元3進(jìn)行信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，得到最終的測量結(jié)果。
為了能夠同時測量多個波長，導(dǎo)光光纖1可以有多個出射端12，每一個出射端12分別與測量單元2的不同的測量接頭連接，每一個測量接頭輸出不同的信號給處理單元3，在本實(shí)施例里，有兩個出射端12，導(dǎo)光光纖1呈Y字形，其中，導(dǎo)光光纖1的總長度為1000mm，收集端11到節(jié)點(diǎn)13的長度為600mm，節(jié)點(diǎn)13到出射端12的長度為400mm，收集端11的光導(dǎo)纖維的纖芯直徑為7mm，出射端12的光導(dǎo)纖維的纖芯直徑為5mm。由于收集端11的纖芯較粗，可以保證收集更多的反射光。
出射端12的結(jié)構(gòu)如圖2所示，出射端12包括插入端121及連接件122，其中，連接件122為一內(nèi)表面帶有螺紋的空心柱體，插入端121同軸設(shè)置在空心柱體內(nèi)，其中，插入端伸出空心柱體。
測量單元2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括測光接頭21、濾光片22、光電器件23、及后蓋24，測量接頭21為一外徑不同的同軸柱體，外徑小的一端內(nèi)設(shè)插孔211，為接頭端，插孔211的內(nèi)徑與圖2中所示的插入端121的外徑相匹配，且接頭端的外表面設(shè)有螺紋，外徑大的一端設(shè)有測光室212，為測光端，測光室212與插孔211相通，且在測光端上設(shè)有平行于軸的通孔213。導(dǎo)光光纖1出射端12的插入端121插入到插孔211中時，插入端121的末端剛好插入至測光室212，以便保證外部的干擾光無法進(jìn)入測量單元2測光室，測光室內(nèi)的被測光也不會散失，且連接件的內(nèi)螺紋剛好與接頭端外表面的螺紋配合，使導(dǎo)光光纖1的出射端12能夠與測量單元2連接緊密。
在測光室212內(nèi)從插孔211一端依次設(shè)有墊圈251、濾光片22、墊圈252、光電器件23，其中，該墊圈251、252使各部件的連接更緊密，且又可避免沖擊損壞。
在本實(shí)理中，光電器件23采用光電池。
后蓋24的中心設(shè)有通孔241，用于引出測光室212內(nèi)光電器件23的信號引出線，靠近邊緣處設(shè)有通孔242，后蓋24扣合到測量接頭21上時，通孔242與測光端上的通孔213相通，通過連接件固定在儀器主體上。
處理單元3的原理框圖如圖4所示，處理單元3包括信號放大電路31、A/D轉(zhuǎn)換器32、處理器33，存儲器34、液晶顯示器35、串行通信接口36，按鍵37，其中，信號放大電路31的輸入端與光電器件23的信號輸出端連接，用于放大由光電器件轉(zhuǎn)換的電信號，并把放大后的電信號輸出到A/D轉(zhuǎn)換器32，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，輸出到處理器33，經(jīng)過處理器的處理后，將處理結(jié)果輸出到顯示器上顯示，或者在存儲器34進(jìn)行保存。測得的數(shù)據(jù)也可以通過串行通信接口輸出到上位機(jī)中，或者從A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過處理器、串行通信接口直接輸出到上位機(jī)中，由上位機(jī)進(jìn)行處理。按鍵37用于對測試過程的操作控制。
信號放大電路31的電路原理圖如圖5所示，U2～U5芯片的型號均為TLC271。光電池輸出的光電流被送入第一級運(yùn)放U2，在進(jìn)行放大的同時實(shí)現(xiàn)了I-U變換，以便于后續(xù)處理，同時為了消除噪聲，將光電池輸出的電壓信號接入射極跟隨器U3，然后將U2，U3的輸出信號接入由U4構(gòu)成的減法器中以消除與光照無關(guān)的誤差，最后接入由U5組成的第二級運(yùn)放進(jìn)行最終放大，改變第二級運(yùn)放電路的反饋電阻R7可以很方便的調(diào)整放大倍數(shù)。
處理單元3的其他部分的電路原理圖如圖6所示，處理器采用型號為AT89S51的單片機(jī)U7，A/D轉(zhuǎn)換器采用型號為MAX186的A/D轉(zhuǎn)換器U6，存儲器采用型號為AT28C64的EEPROM U10，液晶顯示器采用型號為LCM045的液晶顯示器U11，通過型號為MAX232的電平轉(zhuǎn)換芯片U12擴(kuò)展串行通信接口，并有按鍵S1-S6，其中，A/D轉(zhuǎn)換器U6的輸入端連接放大電路輸出的兩個信號A1、A2，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，通過數(shù)據(jù)線輸出到單片機(jī)U7上，單片機(jī)U7通過分別數(shù)據(jù)線、地址線、控制線與EEPROM U10連接，單片機(jī)U7通過數(shù)據(jù)線與液晶顯示器U11連接，并且，單片機(jī)U7通過電平轉(zhuǎn)換芯片U12擴(kuò)展串行通信接口J1，用于與上位機(jī)進(jìn)行通信。
按鍵S1為電源開關(guān)，用于控制本裝置的供電，按鍵S2為復(fù)位開關(guān)，用于復(fù)位處理器AT89S51，按鍵S3-S6為控制按鍵。
首先，按下按鍵S1打開電源，若顯示屏顯示“good”，表示儀器工作正常，然后按下按鍵S3，用于測試標(biāo)準(zhǔn)板，由于導(dǎo)光光纖采用了“Y”形結(jié)構(gòu)，儀器將根據(jù)采用的2片濾光片的中心波長，同時獲得標(biāo)準(zhǔn)板在2個波長范圍的反射光強(qiáng)度，該測試數(shù)據(jù)將被立即放入單片機(jī)U7內(nèi)部固定的RAM內(nèi)；第二步，按下按鍵S4開始測試葉片，與測試標(biāo)準(zhǔn)板同樣，儀器將同時獲得葉片在2個波長范圍的反射光強(qiáng)度，然后由程序分別根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)板和葉片的反射光強(qiáng)度，計(jì)算出葉片對2個設(shè)定波長的反射率；第三步，單片機(jī)U7內(nèi)嵌的模型算法程序，將會根據(jù)葉片對2個設(shè)定波長的反射率，計(jì)算出葉片的含氮量，將該數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，并存入外部擴(kuò)展的EEPROM U10，該EEPROM U10具有掉電保護(hù)功能，可在較長時間保存數(shù)據(jù)；第四步，測試完畢后若要將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出，則將其與上位機(jī)通過串行通信接口J1連接起來，按下按鍵S6，此時數(shù)據(jù)便可通過上位機(jī)軟件讀出。若在測試時直接應(yīng)用上位機(jī)，則可按下按鍵S5，此時顯示屏顯示“PC”，表示與上位機(jī)通訊成功，測試的數(shù)據(jù)便會在上位機(jī)軟件中顯示，并可以存儲。當(dāng)測試過程中出現(xiàn)錯誤，則可按按鍵S2，使單片機(jī)U7復(fù)位，重新進(jìn)行測試。
最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于包括導(dǎo)光光纖、測量單元、處理單元，所述的導(dǎo)光光纖包括一個收集端，一個以上的出射端，一個以上的出射端分別與測量單元對應(yīng)的測量接頭連接，通過測量單元將導(dǎo)光光纖收集的反射光進(jìn)行濾光、轉(zhuǎn)換，通過其輸出端輸出電信號給處理單元，通過處理單元的采集、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，得到最終的測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的測量單元至少包括測光接頭及帶有中心孔的后蓋，所述的測光接頭一端設(shè)有插孔，為接頭端，該插孔與導(dǎo)光光纖的出射端連接，另一端設(shè)有帶入口和出口的測光室，所述的后蓋扣合在測光室的出口處，使測光室成為一個封閉的空間，該測光室的入口與插孔相通，在測光室內(nèi)從入口一端依次設(shè)有濾光片、光電器件，且光電器件的信號引出線通過后蓋的中心孔引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的濾光片與光電器件之間設(shè)有墊圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述導(dǎo)光光纖的出射端包括插入端及連接件，通過連接件將插入端固定在測光接頭的插孔內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的連接件為與插入端同軸設(shè)置的內(nèi)表面設(shè)有螺紋的空心柱體，測量單元的接頭端的外表面設(shè)有螺紋，連接件通過螺紋連接將插入端固定在插孔內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述插入端伸出連接件，當(dāng)插入到測量單元接頭端的插孔中時，該插入端抵至測光室的入口處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的處理單元包括信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器、顯示器、存儲器，所述的信號放大電路的輸入與測量單元的輸出連接，放大電路的輸出與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入連接，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到處理器，由處理器對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到顯示器中顯示，所述的存儲器分別通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線與處理器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的處理單元還包括一個以上的按鍵，所述的一個以上的按鍵分別與處理器連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的處理器為單片機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的作物長勢實(shí)時分析儀，其特征在于所述的處理單元還包括一個以上的通信接口，所述的通信接口為串行通信接口或USB接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種作物長勢實(shí)時分析儀，包括導(dǎo)光光纖、測量單元、處理單元，所述的導(dǎo)光光纖包括一個收集端，一個以上的出射端，一個以上的出射端分別與測量單元的測量接頭連接，通過測量單元將導(dǎo)光光纖收集的反射光進(jìn)行濾光、轉(zhuǎn)換，通過其輸出端輸出電信號給處理單元，通過處理單元的采集、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，得到最終的測量結(jié)果。本發(fā)明收集作物冠層及其它能反映作物長勢的部位的反射光，根據(jù)所測作物的不同可以方便的改變測量波長，并且隔絕了外部光的干擾，測量的精度高，同時可以測量多個波長，能夠?qū)崟r對作物長勢作出綜合判斷，而且，本發(fā)明提供的裝置操作簡單、安全，成本低，適用范圍廣。
文檔編號G01N21/25GK1710406SQ20041004879
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者李民贊, 張喜杰, 汪懋華, 張彥娥, 趙朋 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)