一種植物葉片含水率檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種植物葉片含水率檢測裝置，利用介電原理檢測植物葉片含水率。該裝置包括電容信號檢測及處理模塊、壓力信號檢測及調(diào)理模塊、微控制器、電源供電電路、電源監(jiān)測電路和輸入輸出模塊。電容信號檢測及處理模塊包括電容傳感器和電容信號處理電路；壓力信號檢測及調(diào)理模塊包括壓力傳感器和壓力信號調(diào)理電路；電源供電電路用于為整個系統(tǒng)供電；電源監(jiān)測電路用于監(jiān)測微控制器的工作電壓；輸入輸出模塊包括鍵盤、通信電路和液晶顯示器，分別與微控制器連接。該系統(tǒng)能夠選擇植物葉片種類，檢測植物葉片的電容和極板對葉片的壓力，根據(jù)電容與不同種類植物葉片的含水率和葉片壓力間的關(guān)系實現(xiàn)含水率的快速、準確和無損檢測。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及植物含水率智能化檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地涉及一種植物葉片含水率檢 測裝置。 一種植物葉片含水率檢測裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 水分是植物體所含最多的成分，植物的生長與發(fā)育都離不開水，植物的水分代謝 一旦失去平衡，就會導(dǎo)致生理活動的紊亂，因此實現(xiàn)植物體水分信息的檢測對于植物生長 發(fā)育、旱情信息診斷和栽培管理等具有重要的意義。植物葉片是植物體進行光合作用、呼吸 作用以及蒸騰作用等生理過程的重要器官。葉片含水率能真實地反映植物的水分含量和旱 情信息，實現(xiàn)植物葉片含水率的快速、準確和無損檢測對于研究植物生理和指導(dǎo)抗旱具有 重要意義。
[0003] 目前植物葉片含水率檢測過程主要包括兩大類：直接測量和間接測量。直接測量 即傳統(tǒng)的干燥法測量，測試周期長，且會損傷植物葉片，不適合活體測量。間接測量包括圖 像處理法、微波法和介電法等。圖像處理法測量容易受到光照強度的影響，微波法因測量頻 率較高，其結(jié)果易受高頻特性的干擾，相比較而言介電法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量準確和成本低 廉的特點，有利于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用?；谥参锶~片介電特性檢測葉片含水率是利用 植物葉片作為電介質(zhì)，根據(jù)不同含水率的植物葉片介電參數(shù)的差異，通過測量介電參數(shù)的 變化得到葉片的含水率。測量時，將被測植物葉片作為電介質(zhì)置于電容傳感器當中，通過 測量與其介電參數(shù)呈線性相對應(yīng)關(guān)系的電容傳感器的電容值間接得到植物葉片的含水率。 基于介電特性檢測植物葉片含水率具有操作簡單和方便快速的特點。但是，植物葉片的電 容值除了受植物葉片含水率的影響外，極板對植物葉片的壓力也顯著影響測量的電容值。 壓力過大，會造成植物葉片組織的損傷；壓力較小，測量的電容值變化較小，靈敏度較低，因 此，檢測過程中必須考慮極板對植物葉片的壓力對檢測結(jié)果的影響，才能提高檢測精度。但 是現(xiàn)有的儀器沒有考慮極板對植物葉片的壓力對檢測結(jié)果的影響，使得檢測精度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種植物葉片含水率檢測裝置，利用 介電原理檢測植物葉片含水率。該檢測裝置能夠選擇植物葉片的種類，檢測植物葉片的電 容值和極板對葉片的壓力值，根據(jù)已經(jīng)建立的電容值與不同種類植物葉片的含水率和極板 對葉片的壓力之間的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)植物葉片含水率的快速、準確和無損檢測。
[0005] 本發(fā)明公開了一種植物葉片含水率檢測裝置，包括電容信號檢測及處理模塊、壓 力信號檢測及調(diào)理模塊、微控制器、電源供電電路、電源監(jiān)測電路和輸入輸出模塊；所述微 控制器控制整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)；所述電容信號檢測及處理模塊包括電容傳感器和電容信 號處理電路；所述壓力信號檢測及調(diào)理模塊包括壓力傳感器和壓力信號調(diào)理電路；所述電 容信號處理電路和壓力信號調(diào)理電路分別連接至微控制器；所述電源供電電路為整個系統(tǒng) 供電；所述電源監(jiān)測電路監(jiān)測微控制器工作電壓；所述輸入輸出模塊包括鍵盤、液晶顯示 器和通信電路，分別與微控制器連接。
[0006] 本發(fā)明所述電容信號處理電路、壓力信號調(diào)理電路、微控制器、電源供電電路、電 源監(jiān)測電路和輸入輸出模塊均裝配在便攜式控制盒中；所述電容傳感器和壓力傳感器均固 定在植物葉片夾持結(jié)構(gòu)上；所述植物葉片夾持結(jié)構(gòu)由電容傳感器、壓力傳感器、螺母和螺 桿、支撐架和墊片組成，螺母和螺桿構(gòu)成傳動模塊。所述傳動模塊用于調(diào)節(jié)電容傳感器上下 極板的間距，實現(xiàn)極板對葉片壓力的調(diào)節(jié)。
[0007] 本發(fā)明所述電源供電電路采用電池為整個系統(tǒng)進行供電；所述電源監(jiān)測電路對微 控制器的工作電壓進行實時監(jiān)測。
[0008] 本發(fā)明所述通信電路采用串行通信電路。
[0009] 本發(fā)明所述電容傳感器采用平行極板式電容傳感器。
[0010] 本發(fā)明所述壓力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
[0011] 本發(fā)明所述液晶顯示器用于顯示被測植物葉片樣品的含水率、壓力值和植物種類 等信息。
[0012] 本發(fā)明所述鍵盤模塊包括開/關(guān)鍵、植物葉片種類選擇鍵、含水率測量鍵、顯示信 息選擇鍵、數(shù)據(jù)保存/傳輸鍵和使用方法簡介鍵。
[0013] 本發(fā)明所述電容信號檢測及處理模塊包括電容/頻率（C/F)轉(zhuǎn)換電路和施密特濾 波電路。C/F轉(zhuǎn)換電路以NE555為核心，將平行板電容傳感器作為外接電容Cx接入電路，構(gòu) 成多諧振蕩器，完成植物葉片電容值的采集和電容到頻率的轉(zhuǎn)換。利用施密特觸發(fā)器對此 信號進行鑒幅整形，然后輸入給微控制器，微控制器根據(jù)采集到的信號的頻率，計算出相應(yīng) 壓力下被測樣品的電容值。
[0014] 本發(fā)明所述壓力信號檢測及調(diào)理電路，由LM324運算放大器構(gòu)成放大電路，電阻 應(yīng)變式壓力傳感器的兩根信號線，一根接至基準電壓信號端，一根接至放大電路的反向輸 入端，構(gòu)成反向放大電路，放大電路的輸出信號接入微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模 數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量計算出極板對葉片的壓力。
[0015] 本發(fā)明的檢測原理是利用介電特性檢測葉片含水率，室溫下水的靜態(tài)相對介電常 數(shù)為78,植物葉片中纖維素等組織的靜態(tài)介電常數(shù)為3. 9,水的相對介電常數(shù)遠遠大于植 物組織的介電常數(shù)，因此植物葉片的相對介電常數(shù)主要決定于葉片含水率，通過檢測電容 傳感器的電容值就可以間接獲取植物葉片含水率。根據(jù)已經(jīng)建立的測量的電容值與不同種 類植物葉片的含水率和極板對植物葉片的壓力之間的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)植物葉片含水率的快 速、準確和無損檢測。
[0016] 本發(fā)明所述一種基于介電特性的植物葉片含水率檢測裝置的優(yōu)點主要包括：
[0017] 1)該植物葉片含水率檢測裝置，提供了一種壓力可調(diào)式植物葉片夾持結(jié)構(gòu)，實現(xiàn) 了植物葉片含水率無損檢測；
[0018] 2)該植物葉片含水率檢測裝置補償了極板與葉片之間的壓力對測量結(jié)果的影響， 提高了測量精度；
[0019] 3)該植物葉片含水率檢測裝置外圍電路設(shè)計簡單，操作方便，提供了一種便攜式 植物葉片含水率檢測裝置；
[0020] 4)該植物葉片含水率檢測裝置，適用于多種植物葉片，測量過程中可實時顯示測 量結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明檢測裝置的電源監(jiān)測電路（4)的電路圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明檢測裝置的電容信號檢測及處理模塊（13)的電路圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明檢測裝置的壓力信號檢測及調(diào)理模塊（10)的電路圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明檢測裝置的電源供電電路（12)的電路圖；
[0026] 圖6是本發(fā)明檢測裝置的鍵盤模塊（6)的電路圖；
[0027] 圖7是本發(fā)明檢測裝置的液晶顯示模塊（7)的電路圖；
[0028] 圖8是本發(fā)明檢測裝置的通信模塊（8)的電路圖；
[0029] 圖9是本發(fā)明檢測裝置的植物葉片夾持結(jié)構(gòu)（19)的外形圖；
[0030] 圖10是本發(fā)明檢測裝置的便攜式控制盒（20)的外形圖；

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖給出【具體實施方式】，進一步說明本發(fā)明的目的和特點。
[0032] 如圖1所示，一種植物葉片含水率檢測裝置，其特征在于，包括電容信號檢測及處 理模塊（13)、壓力信號檢測及調(diào)理模塊（10)、微控制器（3)、電源供電電路（12)、電源監(jiān)測 電路（4)和輸入輸出模塊（5);所述微控制器（3)控制整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)；所述電容信號 檢測及處理模塊（13)包括電容傳感器（1)和電容信號處理電路（2);所述壓力信號檢測及 調(diào)理模塊（10)包括壓力傳感器（11)和壓力信號調(diào)理電路（9);所述電容信號處理電路（2) 和壓力信號調(diào)理電路（9)分別連接至微控制器；所述電源供電電路（12)為整個系統(tǒng)供電； 所述電源監(jiān)測電路（4)監(jiān)測微控制器的工作電壓；所述輸入輸出模塊（5)包括鍵盤（6)、液 晶顯示器（7)和通信電路（8)，分別與微控制器（3)連接。
[0033] 如圖2所示，本發(fā)明所述微控制器（3)為MSP430單片機，所述的電源監(jiān)測電路（5) 采用MAX809電源芯片實時監(jiān)測系統(tǒng)電壓，當MSP430單片機的工作電壓小于許可電壓3. 3V 時停止工作。
[0034] 如圖3所示，本發(fā)明檢測裝置的電容信號檢測及處理電路（13)，包括電容傳感器 (I) 、C/F轉(zhuǎn)換電路和施密特觸發(fā)電路。
[0035] 所述C/F轉(zhuǎn)換電路和NE555振蕩芯片為電路核心，電阻R1和R2用于控制電路的 振蕩頻率范圍，電容C1和C2用于消除直流漂移并保證振蕩頻率的穩(wěn)定，平行板電容傳感器 作為外接電容Cx接入電路，構(gòu)成多諧振蕩器，完成植物葉片電容值的采集和電容到頻率的 轉(zhuǎn)換。利用施密特觸發(fā)器對此信號進行鑒幅整形，然后將此信號送給微控制器（3)，微控制 器（3)根據(jù)采集到的信號的頻率，計算出相應(yīng)壓力下被測植物葉片的電容值。
[0036] 如圖4所示，本發(fā)明檢測裝置的壓力信號檢測及調(diào)理電路（10)，包括壓力傳感器 (II) 和LM324芯片，由LM324運算放大器構(gòu)成放大電路。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的兩根信 號線，一根接至基準電壓信號端，一根接至放大電路的反向輸入端，構(gòu)成反向放大電路，放 大電路的輸出信號接入微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 計算出極板對葉片的壓力。
[0037] 如圖5所示，本發(fā)明檢測裝置的電源供電電路（12)，采用9V鋰電池作為電路的供 電電源，利用7805芯片將9V電壓信號轉(zhuǎn)換為5V電壓，利用AMS1117實現(xiàn)3. 3V電壓的轉(zhuǎn)換， 采用ME7660將+3. 3V轉(zhuǎn)換為-3. 3V，+5V轉(zhuǎn)換為-5V。電解電容C17和C19濾除電流雜波 信號，C18、C20和C22濾除高頻信號雜波。
[0038] 如圖6所示，本發(fā)明檢測裝置采用2X3矩陣式鍵盤，R3和R4為上拉電阻。該鍵 盤（6)與微控制器（3)連接，包括開/關(guān)鍵、植物葉片種類選擇鍵、含水率測量鍵、顯示信息 選擇鍵、數(shù)據(jù)保存/傳輸鍵和使用方法簡介鍵。
[0039] 如圖7所示，本發(fā)明檢測裝置的液晶顯示電路（7)，由12864液晶顯示器與微控制 器（3)連接，用于顯示葉片種類、葉片的電容值和含水率，以及極板對植物葉片的壓力等測 量結(jié)果。
[0040] 如圖8所示，本發(fā)明檢測裝置的通信電路（8)，由RS232串口通信電路組成，與微控 制器（3)連接，其中芯片MAX232的T2IN和R20UT 口分別接MSP430單片機的TXD0和RXD0 端口。通信電路（8)實現(xiàn)程序的下載、測量數(shù)據(jù)的上傳和保存。
[0041] 如圖9所示，本發(fā)明植物葉片夾持結(jié)構(gòu)（19)外形圖，植物葉片夾持結(jié)構(gòu)（19)由電 容傳感器（1)、壓力傳感器（11)、螺母（16)、螺桿（15)、支撐架（14)和墊片（17、18)組成，螺 母（16)和螺桿（15)構(gòu)成傳動模塊。電容傳感器（1)采用圓形平行極板結(jié)構(gòu)，用于測量葉片 的輸出電容值。壓力傳感器（11)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，用于測量極板對植物葉片的 壓力。傳動模塊用于調(diào)節(jié)電容傳感器（1)上下極板的間距。電容傳感器（1)的上極板經(jīng)墊 片（17)與螺桿連接在一起，下極板經(jīng)墊片（18)粘貼于壓力傳感器（11)正中央，并固定于支 撐架（14)上。旋轉(zhuǎn)螺母（16)可實現(xiàn)螺桿（15)的軸向運動，從而調(diào)節(jié)上、下極板間距。測量 時將植物葉片放入上、下極板之間，調(diào)節(jié)螺母可改變上極板對植物葉片的壓力，由壓力傳感 器（11)感知該壓力，并由電容傳感器（1)測量此壓力下葉片的電容值。
[0042] 如圖10所示，本發(fā)明檢測裝置的便攜式控制盒（20)外形圖，其中電容信號處理電 路（2)、壓力信號調(diào)理電路（9)、微控制器（3)、電源供電電路（12)、電源監(jiān)測電路（4)和輸入 輸出模塊（5)裝配在便攜式控制盒（20)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種植物葉片含水率檢測裝置，其特征在于，包括電容信號檢測及處理模塊（13)、 壓力信號檢測及調(diào)理模塊（10)、微控制器（3)、電源供電電路（12)、電源監(jiān)測電路（4)和輸 入輸出模塊（5);所述微控制器（3)控制整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)；所述電容信號檢測及處理模 塊（13)包括電容傳感器（1)和電容信號處理電路（2);所述壓力信號檢測及調(diào)理模塊（10) 包括壓力傳感器（11)和壓力信號調(diào)理電路（9)，所述電容信號處理電路（2)和壓力信號調(diào) 理電路（9)分別連接至微控制器；所述電源供電電路（12)為整個系統(tǒng)供電；所述電源監(jiān)測 電路（4)監(jiān)測微控制器的工作電壓；所述輸入輸出模塊（5)包括鍵盤（6)、液晶顯示器（7)和 通信電路（8 )，分別與微控制器（3 )連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種植物葉片含水率檢測裝置，其特征在于，所述電容信號處 理電路（2 )、壓力信號調(diào)理電路（9 )、微控制器（3 )、電源供電電路（12 )、電源監(jiān)測電路（4 )和 輸入輸出模塊（5)裝配在便攜式控制盒（20)中；所述電容傳感器和壓力傳感器均固定在植 物葉片夾持結(jié)構(gòu)（19)上，所述植物葉片夾持結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)電容傳感器上下極板間距調(diào)節(jié) 極板對葉片的夾持力；所述葉片含水率檢測裝置外圍電路設(shè)計簡單，具有便攜性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種植物葉片含水率檢測裝置，其特征在于，所述電容傳感器 (1)采用平行極板式電容傳感器；所述壓力傳感器（11)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種植物葉片含水率檢測裝置，其特征在于，所述輸入輸出模 塊實現(xiàn)人機交互，鍵盤（4)輸入檢測命令，液晶顯示器（6)顯示檢測結(jié)果，通信電路（8)實現(xiàn) 程序的下載、數(shù)據(jù)的保存和傳輸；所述植物葉片含水率檢測裝置適用于多種植物葉片含水 率的檢測。
【文檔編號】G01N27/22GK203849198SQ201420077021
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】郭文川, 劉東雪, 周超超, 韓文霆 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)