专利名称：一种便携式植物营养成分无损测量装置和方法
技术领域：
本发明属于农林业检测技术领域，涉及一种便携式植物营养成分无损测量装置和方法，特别是植物叶片中氮素和水分含量的测量。
背景技术：
植物营养成分含量是诊断植物生长状况和营养物质供应状况的重要依据。植物营养成分含量无损检测可应用于植物长势评价、精确水肥管理、品种培育和筛选等，对于精准农林业具有重要意义。氮素为植物光合作用和生态系统生产力提供着重要的支持，是植物一种重要的养分，实时监控氮素的含量，可以精确地进行施肥，促进植物生长，有利于减少环境污染。水不仅是植物细胞原生质的重要组分，而且是植物体内代谢过程的反应物质和植物对营养物质吸收和运输的溶剂，及时准确监测植物水分状况，对提高农林作物水分管理水平和水分利用效率及节约水资源具有重要意义。
光谱法测量植物叶片营养成分具有无损、快速、多成分同时检测、操作简单等优点。目前对植物叶片各生化参数无损测量的装置也有报道，而且由于光谱方法众多的优点，得到人们越来越多的重视。
中国发明专利CN1293379C，公开了一种便携式无损检测田间植物色素的系统和方法，该专利提出了对叶绿素浓度的测量，并且采用中性参比样解决了测量入射光时光电检测器饱和问题。但中性参比样的增加使得测量装置的结构和操作变得复杂，而且叶片夹具与机壳固定的方式使得采样难度增加。
中国发明专利CN1865926A，公开了一种便携式植物叶片色素检测装置，提出了对叶绿素和类胡萝卜素的测量方法，但该装置的叶片夹具采用光纤连接方式，不仅增加了装置光学系统的复杂度，而且光纤会损耗一部分光能，同时光纤容易折断，给装置操作带来不便。
另外，由于在光电检测装置中光电探测器和电子器件本身在通电之后存在暗电流、热噪声等噪声，测量信号中的暗噪声对植物成分含量的测量带来一定的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式植物营养成分无损测量装置和方法，针对上述存在的问题，本发明设计了一体化叶片夹具和可程控光源恒流驱动电路，同时在测量方法中增加了暗噪声的测量与扣减，这些措施不仅简化了测量装置，使得操作灵活简单，而且有效地提高了测量精度。
本发明是这样实现的 本发明的便携式植物营养成分无损测量装置，包括单色光源、光电探测器、光源驱动电路、信号调理电路和微控制系统。
所述的单色光源与光电探测器位置相对固定地安装于叶片夹具的上臂和下臂内部，形成一体化叶片夹具，该一体化叶片夹具不直接固定在测量装置主机上，而是通过电缆线将单色光源和光电探测器分别与光源驱动电路和信号调理电路相连，该一体化叶片夹具可手持独立操作。
所述的光源驱动电路可实现对单色光源的恒流驱动。该光源驱动电路通过电压反馈原理实现驱动电流的稳定，其电路结构主要包括稳压芯片、采样电阻、三极管和模拟开关。具有电压反馈功能的稳压芯片通过实时对采样电阻两端的电压进行反馈，相应调节稳压芯片的输出电压，同时利用三极管平坦的输出特性，保证了输出电流的稳定。该光源驱动电路针对不同的测量情况，还可以对驱动电流进行程控选择。数字信号控制模拟开关每一个通道的通断，每一个通道都连接一个采样电阻，这些采样电阻的阻值各不相同，因此通过对不同通道的选择实现对驱动电流值的程控调节。
所述的便携式植物营养成分无损测量装置，包括3个单色光源，单色光源可以是发光二极管或激光二极管。输出波长分别为λ1＝510～530nm，λ2＝870～910nm和λ3＝960～990nm。其中，λ1和λ3作为测量波长；λ2作为参比波长。
所述的光电探测器可以是光电二极管、光电池或光电倍增管，可以实现对400～1000nm范围内光的检测。
所述的信号调理电路对光电探测器的电流信号转换成电压信号(I/V转换)，得到满足A/D转换器输入范围要求的模拟电压信号。
所述的微控制系统主要由微控制器、A/D转换器、数据存储模块、监控电路、串口通信电路、时钟电路、LCD显示器、键盘和电源芯片组成。所述的微控制器是微控制系统的核心器件，它不但实现了对其它功能模块的控制、数据处理，而且控制光源驱动电路实现光源轮流发光；A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号；数据存储模块用于存储采集的数据和处理结果；监控电路用于对微控制器的供电电压进行监控，同时可以实现手动复位功能；串口通信电路实现该测量装置与上位机的数据传输；时钟电路为该测量装置提供准确的时间；LCD显示器用于显示结果及提示用户操作；键盘用于各功能的选择；电源芯片为该装置提供稳定的电压。
应用上述测量装置进行植物叶片营养成分的测量，通过以下步骤实现 (1)打开电源，使一体化叶片夹具保持闭合状态，微控制器控制A/D转换器采集由信号调理电路输出的模拟电压信号，将转换后得到的数字信号记为暗噪声电压值VDARK； (2)仍然使叶片夹具处于闭合状态，微控制器控制3个单色光源轮流发光，直接照射光电探测器，称为参考光。光电探测器将检测到的光信号转化成电信号，经信号调理电路得到模拟电压信号，经A/D转换后，分别得到3个波长对应的参考信号电压值VR(λ1)，VR(λ2)和VR(λ3)； (3)打开一体化叶片夹具，放上被测叶片，合上夹具，微控制器控制3个单色光源轮流发光，透过叶片的光照射到光电探测器上，称为测量光。光电探测器将检测到的光信号转化成电信号，经信号调理电路得到模拟电压信号，经A/D转换后，分别得到3个波长对应的测量信号电压值VM(λ1)，VM(λ2)和VM(λ3)； (4)根据以下公式计算植物叶片水分和氮素的含量 氮素浓度为CN 水分浓度为CW 其中bn0，an1，bw0，aw1为系数。
本发明的优点在于 (1)叶片夹具采用将光源和光电探测器集成在一起的一体化设计，夹具与装置主机分离式设置，夹具不直接固定在装置主机上，而是通过电缆线实现夹具中光源和光电探测器与装置主机中光源驱动电路和信号调理电路的分别连接，不仅可以减少光能的损失，提高信噪比，而且有效地简化了测量装置，使夹具采样更加灵活方便，尤其适于狭小空间或不规则空间等特殊情况下的叶片测量。
(2)光源恒流驱动电路可以选择不同的电流驱动光源，不仅增加了光源稳定性，而且有效地解决了光电探测器饱和的问题，使光电探测器工作在最佳检测范围内，增加了信噪比，提高了测量精度。
(3)本发明的测量方法中增加了对暗噪声的测量，计算营养成分的时候从测量信号和参考信号中减去暗噪声的影响，有效地提高了测量精度。
图1是本发明测量装置原理结构图； 图2是一体化叶片夹具结构示意图； 图3是光源驱动电路原理图； 图4是信号调理电路原理图。
具体实施例方式 现在结合附图，对本发明的植物叶片营养成分无损测量装置的实施方式做详细的介绍。
本发明所述的植物叶片营养成分无损测量装置主要包括以下几部分单色光源1，光电探测器2，光源驱动电路3，信号调理电路4和微控制系统5。如图1所示，所述的微控制系统5控制与光源驱动电路3连接的单色光源1轮流发光并接收信号调理电路4的模拟电压信号。该微控制系统5主要由微控制器501、A/D转换器502、数据存储模块503、监控电路504、串口通信电路505、时钟电路506、LCD显示器507、键盘508和电源芯片509组成。可实现对光源的控制、数据采集、数据处理、数据存储、微控制器501与上位机之间的数据传输、记录采集时间、结果显示、功能选择和系统复位等功能。电源芯片509由电池510供电，为整个无损测量装置提供稳定的电源电压。
所述的微控制器501选择型号为MSP430F427的单片机，该单片机内部带有ADC16模块，可以实现16位的A/D转换，A/D转换器502实现对表征光强信息的模拟电压信号采集，得到数字信号；为了对大量采集数据的存储，本发明的无损测量装置对微控制系统5扩展了数据存储模块503，型号为24LC256，用于存储采集的数据和数据处理结果。监控电路504芯片选择TPS3823-33，用于对微控制器501的供电电压进行监控，同时可实现手动复位和看门狗功能。串口通信电路505芯片选择MAX232，实现上位机与微控制系统5中微控制器501的数据传输。LCD显示器507选择LCM12232，该型号显示器的液晶显示模块功耗低，与微控制器501的一般I/O接口进行连接，LCD显示器507用于显示结果及提示用户操作的信息。所述的键盘508上设有6个功能选择按键，分别控制对暗噪声电压VDARK、参考信号电压VR的测量，测量信号电压VM的测量、显示结果以及调整时间。由于测量VDARK和VR时，叶片夹具都处于闭合状态，所以该装置由一个按键实现对VDARK和VR的测量。时钟电路506芯片选择DS1302，为微控制系统5提供精确的时间，所述时钟电路506芯片的后备电池采用纽扣电池CR2026。
图1中的光源驱动电路3、信号调理电路4和控制系统5构成该测量装置的主机，单色光源1和光电探测器2构成一体化叶片夹具6，一体化叶片夹具6和主机相互分离，通过电缆线相连。一体化叶片夹具6用于对叶片营养成分含量进行测量，一体化叶片夹具的结构如图2所示。所述的单色光源1和光电探测器2分别安装在所述一体化叶片夹具6的上臂601和下臂602内部，其中单色光源1通过电缆线603与光源驱动电路3连接，光电探测器2通过电缆线604与信号调理电路4连接。在测量的时候，一体化叶片夹具6不受测量装置主机的位置限制，操作人员可以手持该一体化叶片夹具6实现对植物叶片7的测量。
单色光源1选择发光二极管(LED)，LED具有较好的稳定性和单色性，通常LED半高全宽(FWHM)为20～40nm，在植物参数测量领域满足对光源的要求。LED功耗低，正常工作电流一般为20～50mA，适合于便携式、电池供电仪器的应用。该装置选择的3个LED波长分别为λ1＝510～530nm，λ2＝870～910nm和λ3＝960～990nm，其中，λ1和λ3作为测量波长；λ2作为参比波长。
光电探测器2选择硅光电二极管，型号为S1133-14，该光电探测器2的响应波长范围为320～1000nm，暗电流为20pA。
如图3所示，所述的光源驱动电路3针对本发明的无损测量装置设计，其电路结构主要由稳压芯片U3、三极管Q1、模拟开关U1、U2和采样电阻R1、R2、R3、R4组成。图中稳压芯片U3是超高精度、超低噪声、串联型电压基准MAX6126，输出电压为2.048伏，内部精度可达0.02％，与三极管Q1构成恒流电路，实现对LED的恒流驱动。稳压芯片U3的OUTF管脚与三极管Q1的基极相连，OUTS管脚与三极管Q1的发射极相连，OUTS管脚可实时对采样电阻两端电压进行监控，再反馈给U3，U3根据反馈情况调节OUTF管脚的输出电压，从而使采样电阻两端的电压保持不变。模拟开关U1(MAX4066)由数字信号控制实现3个LED轮流发光。模拟开关U2(ADG712)实现驱动电流的选择。3个LED的正极接+5V的电压，波长为λ1的LED的负极与U1的COM1管脚相连，λ2和λ3LED分别与U1的COM2管脚和COM3管脚相连。U1的NO1管脚、NO2管脚、NO3管脚与三极管Q1的集电极相连。U1的IN1管脚、IN2管脚、IN3管脚分别与微控制器501的管脚P1.0、P1.1、P1.2相连，实现微控制器501对模拟开关U1的控制。微控制器501通过控制模拟开关U1，可实现LED光源开关的通断，控制三个LED轮流发光。采样电阻R1、R2、R3和R4的一端都与Q1的发射极相连，另一端分别与U2的S1管脚、S2管脚、S3管脚和S4管脚相连，D1管脚、D2管脚、D3管脚和D4管脚与地相连。管脚S1和D1管脚可实现通断，管脚S2和D2管脚可实现通断，S3管脚和D3管脚可实现通断，S4管脚和D4管脚可实现通断。U2的IN1管脚、IN2管脚、IN3管脚和IN4管脚分别与微控制器501的管脚P1.3、P1.4、P1.5和P1.6相连，实现对各通道的选择。通过选择各通道，可使不同的采样电阻R1、R2、R3和R4处于导通状态，从而控制单色光源1的电流大小。所述的采样电阻R1、R2、R3和R4的阻值各不相同。
由于本发明无损测量装置的需要，对叶片氮素和水的测量需要测量暗噪声电压值VDARK、LED直接照射光电探测器2时的参考信号电压值VR和放上叶片后的测量信号电压值VM。通过实验发现，当单色光源1和光电探测器2的相对位置确定后(以实验过程中的一个例子为例)，当光电探测器2直接检测LED发出的光时，光电探测器2测得的VR可以达到3～4V，VDARK一般在3～5mV之间(可以忽略不计)，VM最大为500mV，最小为75mV。VM的大小跟叶片有很大的关系，当叶片比较黄时，含的氮素比较少，这时的VM就大些，当叶片比较绿时，说明含的氮素相对较多，这时的VM就小些。从上面的数据可以看出，这三个要测得的参数VDARK、VR和VM相差比较大。由于3个LED对叶片穿透能力不同，而且采用相同的电流驱动，这3个LED光强度也不相同，本装置光电探测器2和信号调理电路4采用+5V供电，最大也只能采集到4V左右的电压，为了使光电探测器2检测到的信号保持在最佳检测范围，所以，需要针对该系统中的3个LED以及不同的测量情况采用不同的驱动电流来满足测量要求。针对这种情况，光源驱动电路3采用模拟开关U2(ADG712)，通过对调节电阻R1～R4的通断选择，对不同的LED采用不同的电流来驱动。
所述光源驱动电路3不但避免了由于光源发光太强引起的光电探测器2饱和现象，而且通过改变驱动电流使光电探测器2检测到的光保持在其最佳的检测范围，从而使测量精度得到提高。针对不同光源和测量不同营养成分时采用不同电流驱动，测量VM时光强较弱，这时通过调节电阻R1～R4的通断相应增大光源的驱动电流，光强会增大，这样检测到的信号信噪比得到提高。
所述的信号调理电路4主要由数字电位器U5(MAX5420)、运算放大器U6(MAX4239)、U7(MAX4239)和U8(MAX4239)组成，如图4。图中的D1为硅光电二极管，光电探测器2接收的光信号转换成电流，然后经I/V转换电路得到电压信号，电压信号经运算放大器U6进行放大，数字电位器U5和运算放大器U7搭建成二级放大电路，U8实现电压跟随器，用于减小数字电路和模拟电路的相互干扰。电阻R5的大小决定了信号调理电路4的检测能力，照射光不变的情况下，电阻R5的值越大，I/V转换的电压越大，同理，电阻R5的值越小，I/V得到的电压越小。电容C3用于消除噪声，电阻R6和电容C4实现低通滤波。数字电位器U5的D0管脚和D1管脚分别与微控制器501的P2.1和P2.2管脚相连，由微控制器501输出的数字信号控制U5的放大倍数，U5可实现1、2、4、8四种倍数的放大。
所述信号调理电路4的供电电压为+5V，微控制器501的供电电压为3.3V，本发明的整个无损测量装置由9V电池510供电，用到+5V和+3.3V两种电压，选择相应的电源芯片509，稳压芯片REG1117A输出固定的+5V电压，具有1A驱动能力，稳压芯片TPS79533输出固定的+3.3V电压，具有500mA的驱动能力。
为了尽量减少本发明的无损测量装置中光电探测器2和各电子器件的暗噪声，在进行植物叶片营养成分测量的时候先采集暗噪声对光电探测器2的影响VDARK，然后分别采集参考光和测量光对应的输出电压值，在对营养成分进行计算过程中参考光和测量光对应输出电压值分别减去VDARK，从而消除了暗噪声对测量精度的影响。
应用本发明的无损测量装置对植物叶片营养成分进行无损测量，具体的测量步骤为 (1)打开电源，使一体化叶片夹具6保持闭合状态，微控制器501控制光源驱动电路3中的模拟开关U1使3个LED光源处于熄灭状态。微控制器501控制A/D转换器502采集信号调理电路4输出的模拟电压信号，将得到的数字信号记为暗噪声电压值VDARK； (2)仍然使一体化叶片夹具6处于闭合状态，微控制器501控制光源驱动电路3中的模拟开关U1使3个LED光源轮流发光，直接照射光电探测器2，称为参考光。采集3个LED光源对应波长的参考信号电压值VR(λ1)，VR(λ2)和VR(λ3)。
具体实现为首先，控制模拟开关U1使λ1LED发光，其它2个LED熄灭，同时，控制U2的第1通道导通，即采样电阻R1与U2和三极管Q1构成通路，其它3个电阻处于断开状态，这时的采样电阻R1决定了该光源驱动电路3的电流大小。
然后，控制模拟开关U1使λ2LED发光，其它2个LED熄灭，同时，控制U2的第2通道导通，即采样电阻R2与U2和三极管Q1构成通路，其它三个电阻处于断开状态，这时的采样电阻R2决定了该光源驱动电路3的电流大小。接着，控制λ3LED发光，另外两个熄灭，U2的通断情况保持不变。
(3)打开一体化叶片夹具6，放上被测植物叶片7，合上一体化叶片夹具6，微控制器501控制3个LED光源轮流发光，透过植物叶片7的光照射到光电探测器2上，称为测量光。采集3个LED光源对应波长的测量信号电压值VM(λ1)，VM(λ2)和VM(λ3)。
具体实现为控制U1使3个LED光源轮流发光，微控制系统5采集到测量信号电压值VM(λ1)，VM(λ2)和VM(λ3)。这个过程与上一步骤(2)基本相同，只是这时每个LED对应的采样电阻不同。λ1LED对应采样电阻R3，即这个波长的LED处于发光状态时，采样电阻R3导通；λ2和λ3LED对应采样电阻R4，即这两个波长的LED处于发光状态时，采样电阻R4导通。
每个测量过程完成后，微控制器501控制模拟开关U1、U2处于断开状态。
(4)根据线性回归数学模型计算植物叶片营养成分浓度。
由于暗噪声的存在，使得测量信号和参考信号存在偏差，从而会影响到植物营养成分测量精度，因此本发明中从测量信号和参考信号中减去暗噪声来求解植物叶片中营养成分的浓度。植物叶片中氮素和水分含量的计算公式如下 氮素浓度为CN 水分浓度为CW 其中bn0，an1，bw0，aw1为系数。
从上两式中可以看出，由于在计算氮素和水分浓度的时候，每一个参考信号和测量信号都减去了暗噪声，也就是消除了测量装置中光电探测器和电子器件暗噪声对测量精度的影响，因此应用本发明提供的测量方法和测量装置可以得到更加精确的植物叶片参数浓度值。
权利要求
1、一种便携式植物营养成分无损测量装置，包括单色光源(1)、光电探测器(2)、光源驱动电路(3)、信号调理电路(4)和微控制系统(5)，其特征在于
所述的单色光源(1)与光电探测器(2)组成一体化叶片夹具(6)，其中单色光源(1)与光电探测器(2)分别安装于一体化叶片夹具(6)的上臂(601)和下臂(602)内部，并且单色光源(1)和光电探测器(2)分别通过电缆线与光源驱动电路(3)和信号调理电路(4)连接；
所述的光源驱动电路(3)结构主要包括稳压芯片、采样电阻、三极管和模拟开关；稳压芯片、采样电阻和三极管构成恒流电路，实现对单色光源的恒流驱动；模拟开关由数字信号控制实现单色光源轮流发光并通过对采样电阻的选择性通断实现驱动电流值的程控调节；
所述微控制系统(5)主要由微控制器(501)、A/D转换器(502)、数据存储模块(503)、监控电路(504)、串口通信电路(505)、时钟电路(506)、LCD显示器(507)、键盘(508)和电源芯片(509)组成，用于实现数据的采集、数据存储、供电电压监控、与上位机的数据传输和结果显示等功能，所述的微控制器(501)是微控制系统(5)的核心器件，它不但实现了对其它功能模块的控制、数据处理，而且控制光源驱动电路(3)实现单色光源(1)轮流发光。
2、根据权利要求1所述的便携式植物营养成分无损测量装置，其特征在于所述的单色光源(1)是发光二极管或激光二极管。
3、根据权利要求1所述的便携式植物营养成分无损测量装置，其特征在于所述的光电探测器(2)是光电二极管、光电池或光电倍增管。
4、根据权利要求1所述的便携式植物营养成分无损测量装置，其特征在于所述的单色光源(1)包括3个LED单色光源，输出波长分别为λ1＝510～530nm，λ2＝870～910nm和λ3＝960～990nm，其中，λ1和λ3作为测量波长，λ2作为参比波长。
5、应用权利要求1所述的测量装置的一种便携式植物营养成分无损测量方法，其特征在于包括以下步骤
(1)打开电源，使一体化叶片夹具(6)保持闭合状态，微控制器(501)控制A/D转换器(502)采集由信号调理电路(4)输出的模拟电压信号，将转换后得到的数字信号记为暗噪声电压值VDARK；
(2)仍然使叶片夹具处于闭合状态，微控制器(501)控制3个单色光源(1)轮流发光，直接照射光电探测器(2)，称为参考光；光电探测器(2)将检测到的光信号转化成电信号，经信号调理电路(4)得到模拟电压信号，经A/D转换后，分别得到3个波长对应的参考信号电压值VR(λ1)，VR(λ2)和VR(λ3)；
(3)打开一体化叶片夹具(6)，放上被测叶片(7)，合上夹具，微控制器(501)控制3个单色光源(1)轮流发光，透过叶片(7)的光照射到光电探测器(2)上，称为测量光；光电探测器(2)将检测到的光信号转化成电信号，经信号调理电路(4)得到模拟电压信号，经A/D转换后，分别得到3个波长对应的测量信号电压值VM(λ1)，VM(λ2)和VM(λ3)；
(4)根据以下公式计算植物叶片水分和氮素的含量
氮素浓度为CN
水分浓度为CW
其中bn0，an1，bw0，aw1为系数。
全文摘要
本发明公开了一种便携式植物营养成分无损测量装置和方法，包括单色光源、光电探测器、光源驱动电路、信号调理电路和微控制系统，所述单色光源与光电探测器组成一体化叶片夹具，通过电缆线分别与光源驱动电路和信号调理电路连接，不仅减少了光能损失，提高信噪比，而且简化了测量装置，使夹具采样灵活方便；所述光源驱动电路主要包括稳压芯片、采样电阻、三极管和模拟开关，实现对单色光源的恒流驱动和电流值的程控调节，不仅增加了光源稳定性，而且有效地解决了光电探测器饱和的问题，使光电探测器工作在最佳检测范围内，增加了信噪比，提高了测量精度。同时，本装置在测量过程中增加了对暗噪声的测量和扣除，使得植物营养成分测量精度得到提高。
文档编号G01N21/27GK101334359SQ20081011732
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者李庆波, 徐玉坡, 张广军, 张倩暄 申请人:北京航空航天大学