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
技術領域：
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：
根據(jù)相關文獻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。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肥料，也是推薦施肥中最難于準確定量的一種肥料，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)文獻獻可知，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，較為科學的檢測手段也只是將被沒樣本帶回實驗室進行生化測驗為基礎，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，則會導致不僅浪費氮肥，多余的氮肥還會導致環(huán)境污染。不利于推廣。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種能快速、準確、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換為電信號；
(c)信號放大與調整模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號放大、濾波并轉換為數(shù)字信號； (d)模型處理運算模塊，用于將信號放大與調整模塊輸出的數(shù)字信號進行模型運算，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。 進一步的技術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。 進一步的技術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。 進一步的技術方案所述的雙通道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。進一步的技術方案所述的雙通道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。
進一步的技術方案所述的光電傳感器采用硅光敏電池。 進一步的技術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)進行處理，建立植物的葉綠素、水分、氮素含量檢測模型。
進一步的技術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)過信號放大與調理模塊后輸出的數(shù)字信號值。 進一步的技術方案所述的雙通道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。 進一步的技術方案所述的檢測光譜儀采用電池供電，比較輕便。
本發(fā)明與背景技術相比，具有以下特點 (1)可用于田間快速、準確、無損地測定出作物的葉綠素、水分、氮素含量情況，并可結合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)精細農(nóng)業(yè)作業(yè)管理。
(2)結構簡單，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，本測量裝置因結構簡單、成本低廉，可以快速、準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)水平和指導精細農(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電源電路示意 圖5d是本發(fā)明檢測光譜儀的模數(shù)轉換通道的選擇開關電路示意圖。
圖6是本發(fā)明檢測光譜儀的RS232串口轉換電路示意圖。
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)過對植物葉片進行透射，光電傳感器將透射作物的光強信號轉換為電信號，采樣后通過信號通道傳送給信號調理電路，信號調理電路將從光電傳感器獲得的弱信號進行放大并濾波，放大后的信號經(jīng)過A/D轉換成數(shù)字信號后傳送給單片機運算器進行模型運算。運算的結果和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)進入等待測量狀態(tài)，當測試鍵按下后，儀器開始采集兩LED通道信號，經(jīng)過軟件濾波后進行模型運算，并將運算結果存儲并在LCD上顯示，GPS串口中斷服務程序在每秒鐘更新一次GPS定位的位置。當中斷服務程序運行時，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轉換芯片進行數(shù)據(jù)讀寫和控制。
如附圖5所示，系統(tǒng)用AD7705高精度AD轉換芯片作為本儀器的AD采樣機構，其中以TL431高精度恒流源作為AD基準電壓。以TL431構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轉換后的數(shù)字信號。圖11為本檢測光譜儀與日本美能達公司生產(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換為電信號；(c)信號放大與調理模塊，用于將光電傳感器輸出的電信號放大、濾波并轉換為數(shù)字信號；(d)模型處理運算模塊，用于將信號放大與調整模塊輸出的數(shù)字信號進行模型運算，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)進行處理，建立植物的葉綠素、水分、氮素含量檢測模型。
8. 如權利要求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)過信號放大與調理模塊后輸出的數(shù)字信號值。
9. 如權利要求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)過對植物葉片進行透射，通過光電傳感器的轉換采樣將信號傳送給信號調理電路，信號調理電路將弱信號進行放大濾波并A/D轉換成數(shù)字信號后傳送給單片機運算器進行模型運算，運算的結果和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、準確、無損地測定出作物的葉綠素、水分、氮素含量情況，并可結合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