專利名稱：作物長勢實時分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種作物長勢實時分析儀，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：
植物營養(yǎng)狀況與植物反射光譜特性密切相關，采用近地遙感技術測量植物的光譜反射率或透射率，再根據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。
另外一種便攜式農作物長勢監(jiān)測裝置的光學測量部分利用了雙積分球光譜測量法來獲取農作物葉片光譜反射量與透射量，通過處理運算得到能反映葉片含水量、葉綠素含量等判斷農作物長勢的基本量。但該裝置存在諸多不足，如只能測量透射率，且測量機構需攜帶光源、電機、電機帶動的多光譜轉盤等，限制了該裝置在農田現場實時測量的可能性。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提出一種作物長勢實時分析儀，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。該方法由于測量設備不與植物發(fā)生直接接觸，因此可以實現真正的無損、實時測量。因此實現在低成本田間下測量植被對不同波段光的反射率，就成為實現診斷作物的不同營養(yǎng)狀況的關鍵。
本發(fā)明是通過如下的技術方案實現的一種作物長勢實時分析儀，其特征在于包括導光光纖、測量單元、處理單元，所述的導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的測量接頭連接，通過測量單元將導光光纖收集的反射光進行濾光、轉換，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轉換、數據處理，得到最終的測量結果。
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有插孔，為接頭端，該插孔與導光光纖的出射端連接，另一端設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，在測光室內從入口一端依次設有濾光片、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有墊圈。
所述導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。
所述的連接件為與插入端同軸設置的內表面設有螺紋的空心柱體，測量單元的接頭端的外表面設有螺紋，連接件通過螺紋連接將插入端固定在插孔內。
所述插入端伸出連接件，當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轉換器的輸入連接，經過A/D轉換后輸入到處理器，由處理器對輸入的數據進行處理，并將處理后的數據輸出到顯示器中顯示，所述的存儲器分別通過數據線、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。
所述的信號放大電路包括射極跟隨器、減法器和兩級運放電路。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的誤差，最后由第二級放大電路進行放大。
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，達到實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)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的導光光纖的示意圖；
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。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體的實施例對本方明的技術方案進行詳細的說明。
參見圖1，為本發(fā)明提供的作物長勢實時分析儀的結構示意圖，該作物長勢實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光光纖，總體來說，作物長勢實時分析儀包括導光光纖1、測量單元2、處理單元3，所述的導光光纖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將導光光纖1收集的反射光進行濾光、轉換，通過其輸出端輸出電信號給處理單元3，通過處理單元3進行信號放大、A/D轉換、數據處理，得到最終的測量結果。
為了能夠同時測量多個波長，導光光纖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，在本實施例里，有兩個出射端12，導光光纖1呈Y字形，其中，導光光纖1的總長度為1000mm，收集端11到節(jié)點13的長度為600mm，節(jié)點13到出射端12的長度為400mm，收集端11的光導纖維的纖芯直徑為7mm，出射端12的光導纖維的纖芯直徑為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的結構如圖2所示，出射端12包括插入端121及連接件122，其中，連接件122為一內表面帶有螺紋的空心柱體，插入端121同軸設置在空心柱體內，其中，插入端伸出空心柱體。
測量單元2的結構如圖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，外徑小的一端內設插孔211，為接頭端，插孔211的內徑與圖2中所示的插入端121的外徑相匹配，且接頭端的外表面設有螺紋，外徑大的一端設有測光室212，為測光端，測光室212與插孔211相通，且在測光端上設有平行于軸的通孔213。導光光纖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入測量單元2測光室，測光室內的被測光也不會散失，且連接件的內螺紋剛好與接頭端外表面的螺紋配合，使導光光纖1的出射端12能夠與測量單元2連接緊密。
在測光室212內從插孔211一端依次設有墊圈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。
在本實理中，光電器件23采用光電池。
后蓋24的中心設有通孔241，用于引出測光室212內光電器件23的信號引出線，靠近邊緣處設有通孔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換的電信號，并把放大后的電信號輸出到A/D轉換器32，經過A/D轉換后，輸出到處理器33，經過處理器的處理后，將處理結果輸出到顯示器上顯示，或者在存儲器34進行保存。測得的數據也可以通過串行通信接口輸出到上位機中，或者從A/D轉換器轉換后的數據通過處理器、串行通信接口直接輸出到上位機中，由上位機進行處理。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放U2，在進行放大的同時實現了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構成的減法器中以消除與光照無關的誤差，最后接入由U5組成的第二級運放進行最終放大，改變第二級運放電路的反饋電阻R7可以很方便的調整放大倍數。
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U7，A/D轉換器采用型號為MAX186的A/D轉換器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的電平轉換芯片U12擴展串行通信接口，并有按鍵S1-S6，其中，A/D轉換器U6的輸入端連接放大電路輸出的兩個信號A1、A2，經過A/D轉換后，通過數據線輸出到單片機U7上，單片機U7通過分別數據線、地址線、控制線與EEPROM U10連接，單片機U7通過數據線與液晶顯示器U11連接，并且，單片機U7通過電平轉換芯片U12擴展串行通信接口J1，用于與上位機進行通信。
按鍵S1為電源開關，用于控制本裝置的供電，按鍵S2為復位開關，用于復位處理器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，用于測試標準板，由于導光光纖采用了“Y”形結構，儀器將根據采用的2片濾光片的中心波長，同時獲得標準板在2個波長范圍的反射光強度，該測試數據將被立即放入單片機U7內部固定的RAM內；第二步，按下按鍵S4開始測試葉片，與測試標準板同樣，儀器將同時獲得葉片在2個波長范圍的反射光強度，然后由程序分別根據標準板和葉片的反射光強度，計算出葉片對2個設定波長的反射率；第三步，單片機U7內嵌的模型算法程序，將會根據葉片對2個設定波長的反射率，計算出葉片的含氮量，將該數據顯示在顯示屏上，并存入外部擴展的EEPROM U10，該EEPROM U10具有掉電保護功能，可在較長時間保存數據；第四步，測試完畢后若要將存儲器中的數據讀出，則將其與上位機通過串行通信接口J1連接起來，按下按鍵S6，此時數據便可通過上位機軟件讀出。若在測試時直接應用上位機，則可按下按鍵S5，此時顯示屏顯示“PC”，表示與上位機通訊成功，測試的數據便會在上位機軟件中顯示，并可以存儲。當測試過程中出現錯誤，則可按按鍵S2，使單片機U7復位，重新進行測試。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種作物長勢實時分析儀，其特征在于包括導光光纖、測量單元、處理單元，所述的導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的測量接頭連接，通過測量單元將導光光纖收集的反射光進行濾光、轉換，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轉換、數據處理，得到最終的測量結果。
2.根據權利要求1所述的作物長勢實時分析儀，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有插孔，為接頭端，該插孔與導光光纖的出射端連接，另一端設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，在測光室內從入口一端依次設有濾光片、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.根據權利要求2所述的作物長勢實時分析儀，其特征在于所述的濾光片與光電器件之間設有墊圈。
4.根據權利要求2所述的作物長勢實時分析儀，其特征在于所述導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。
5.根據權利要求4所述的作物長勢實時分析儀，其特征在于所述的連接件為與插入端同軸設置的內表面設有螺紋的空心柱體，測量單元的接頭端的外表面設有螺紋，連接件通過螺紋連接將插入端固定在插孔內。
6.根據權利要求4或5所述的作物長勢實時分析儀，其特征在于所述插入端伸出連接件，當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.根據權利要求1所述的作物長勢實時分析儀，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轉換器的輸入連接，經過A/D轉換后輸入到處理器，由處理器對輸入的數據進行處理，并將處理后的數據輸出到顯示器中顯示，所述的存儲器分別通過數據線、地址線、控制線與處理器連接。
8.根據權利要求1或7所述的作物長勢實時分析儀，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.根據權利要求7所述的作物長勢實時分析儀，其特征在于所述的處理器為單片機。
10.根據權利要求1或7所述的作物長勢實時分析儀，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時分析儀，包括導光光纖、測量單元、處理單元，所述的導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，通過測量單元將導光光纖收集的反射光進行濾光、轉換，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轉換、數據處理，得到最終的測量結果。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，能夠實時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:中國農業(yè)大學