专利名称：一种高等植物生化参数非接触监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于封闭环境的自动监测领域，涉及一种高等植物生化参数非接触 监测装置。
背景技术：
植物生化参数无损监测技术主要是用于精细农业管理或者科学实验培养技 术中对植物生长情况的检测和产量估计。目前，对植物参数无损监测和产量估 计的方法主要有两种， 一种是间接监测，通过检测植物生长环境(土壤或者液
体培养液)中某些营养元素及水分含量，来反映植物自身的生长状态；另一种 是直接监测，通过各种装置及仪器检测植物自身的叶绿素，氮素，水分等生化 参数的含量从而反映植物的生长情况及估计其产量。间接监测的方法不仅不能 及时放映植物对营养元素的需求情况还容易造成资源的浪费，因此目前发展的 趋势是对植物生化参数进行直接监测。
现有直接检测植物生化参数的装置主要分为两类， 一类是基于多光谱成像 技术，另一类是基于可见/近红外光i普技术，通过光镨仪采集到植物的光i普之后， 再通过后续的化学计量学方法进行计算得到参数含量。
中国发明专利CN2864669Y公开了一种基于近红外光谱的植物生长信息获 取装置，该专利可以同时检测植物的叶绿素、水分、氮素等含量。采用近红外 发光二极管作为光源，通过检测透过植物叶片的光获得植物的光谱，上下检测 臂与置物台之间构成一个封闭的检测环境。该装置不能实现叶片在体检测，不 能达到无损检测。另外，该专利采用发光二极管做光源，测量不同参数时需要 更换光源，使用很不方便。
中国发明专利CN1715873A公开了 一种便携式无损^r测田间植物色素的系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，并且无法实现自动化检测，需要人工操作。 目前所公开的专利和文章都没有关于非接触，自动检测的基于光谱的生化 参数检测装置，但是在一些特殊情况下，需要对植物生化参数进行自动的无人 照料、无损检测，比如对航天受控生态生命保障系统中植物培养箱，或者植物 科学实验培养箱中植物生化参数的监测。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种高等植物生化参数非接触监测装 置，能在类似植物培养箱中实现无损、非接触实时地监测高等植物生化参数。 由于可见/近红外光谱检测技术，具有实时、快速、无损检测的特点，尤其是结 合光纤采样，适合于被测空间狭小、被测样品在空间不规则分布或者现场条件 比较恶劣的情况。因此本发明采用光谱检测技术对该系统中高等植物在冠层水 平上的水分、氮素、叶绿素含量进行无损实时检测，将来便于将检测情况反馈 到植物生长控制系统，从而进行对植物生长的监控管理。为达到上述目的，本
发明的技术方案是这样实现的
一种植物生化参数实时监测装置，包括
一体化探头，用于为光谱采集提供稳定光照并通过非接触方式采集植物光 谱；其从微控制系统获取稳定的可调驱动电流，在微控制系统的控制下对目标
进行光谱采集，并通过光纤将采集的信号传输给分光和光电转化系统；
分光和光电转化系统，用于将一体化探头采集到的混合光分离成光i普形式
并转化为电信号输出给数据采集系统；
数据采集系统，用于将分光和光电转化系统输出的初级才莫拟电信号转化成
高信噪比、高稳定性的数字信号并输出到微控制系统；
微控制系统，用于实现监测过程控制、数据计算、数据存储、输入输出控
制以及为一体化探头的光源提供恒流驱动，为各受控模块提供时序信号和控制信号。
进一步地，所述一体化探头由光源及采样探头组成，采样探头由多根采样
光纤、聚光透镜组成子探头；所述光源位于一体化探头的中部，所述子探头均 匀分布于光源的周围。
进一步地，所述分光和光电转化系统采用后分光色散光路，由一体化探头 收集到的携带了叶片信息的可见/近红外光，经光纤传输，4殳射到透镜被准直之 后，经装置中的分光系统分成独立于波长的光信号，到达探测器后，转化成为 相应的电信号，输出给数据采集系统，其中分光部件可以是滤光片组或者光栅， 分光器件和:探测器的波长响应范围必须包括500-1100 nm。
进一步地，所述数据采集系统包括信号调理电路和模数转换电路；
信号调节电路包括小信号放大电路和信号滤波电路，用于实现将分光和光 电转化系统输出的初始电信号转换成能满足模数转换电路输入要求的标准电平 信号；模数转换电路用于将信号调节电路输出的模拟信号转换为符合信噪比和 分辨率要求的数字信号输出到微控制系统。
进一步地，所述微控制系统包括
微控制器，用于实现监测过程控制、数据计算及输入输出控制； 数据存储单元，用于实现过程数据、结果数据及待测参数计算模型的存储； 程序存储单元，用于存储装置运行程序及生化参数计算程序； 输入输出模块，用于接收和处理输入输出信号，为微控制器提供输入信号 及作为接口模块将存储于数据存储单元中的结果数据输出显示；
光源驱动电路，用于在微控制器的控制下为一体化探头提供可调的恒流驱
动；
电源稳压单元，用于为系统提供稳定的工作电压；
微控制器向光源驱动电路发送控制信号实现一体化探头的工作模式的切 换；微控制器从程序存储单元读取釆集子程序并解释执行；数据采集系统输入 的测量数据存储于数据存储单元，微控制器从数据存储单元中读取测量数据及 计算模型参数并将计算结果存储于数据存储单元中。进一步地，所述樣i控制器包括
控制模块，用于对光源驱动电路进行控制，使其根据需要工作在不同的工
作模式下；对数据采集系统进行控制，对不同的测量数据进行釆集；对计算模 块进行控制，根据程序流程执行相应的数据计算；以及通过输入输出模块接收 输入设备的控制信号及控制输入输出模块向外接显示设备输出测量结果数据；
计算模块，用于在控制模块的控制下读取数据存储单元中的测量数据，执 行相应的数据运算，并将计算结果存储于数据存储单元。
进一步地，所述光源驱动电路为程控多模式光源驱动电路；在采集由标准 参考板产生的参考信号电压值时，微控制系统向所述光源驱动电路发送控制信 号，使其工作在模式1下；在采集样本信号时，微控制系统向所述光源驱动电 路发送控制信号，使其工作在模式2下。
进一步地，所述植物生化参数实时监测装置还包括
探头控制模块，用于在微控制系统的控制下控制一体化探头朝向不同的采 样目标；
在采集由标准参考板产生的参考信号电压值时，微控制系统向所述探头控 制模块发送控制信号，使其自动转向标准参考板；在采集样本信号时，微控制 系统向所述探头控制模块发送控制信号，使其自动转向被测植物。
进一步地，所述一体化探头的光源采用杯型卣钩灯光源，为标准板和被测 植物提供平行光照射。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点
(1 )由于采用了光谱测量技术，实现对植物本身进行;险测，可以更加准确， 及时的反映植物生长状态，保证可实现对植物的精细控制，使高等植物能够更 合理，科学的生长同时节省资源。
(2)由于本发明所述装置采集得到的是植物在500nm-1100nm之间的全谱 信息，在计算的时候可利用的模型信息多，因此计算精度高，适用性强，由于 该范围内包含叶绿素、氮素、叶黄素、水分等多种参数的强吸收峰，因此可以 对植物生长过程中比较关键的多种参数同时测量。(3)本发明采用独特的光源及采样探头一体化设计，通过光纤技术，将采 样器件与主机分离，实现了远距离测量，漫反射采样方式可实现非接触无损测
掉，改为杯型卣鹌灯光源直接照射，这样不仅减少了器件设计得复杂性，不需 要考虑光源与光纤之间的耦合，同时还减少了光在耦合进光纤时以及在光纤内 传播时的损耗，这样可以采用小功耗光源以降低装置功耗的同时还增加了对样 本的光照光强，提高装置的信噪比。环绕在光源的光纤束及其聚光镜可以最大 程度的收集叶片的反射光，增强有用信号。另外，该探头在控制系统的控制下， 可以在参考信号和样本信号的测量过程中自动转化方向和工作模式，提高了装 置的自动化程度。
(4 )可调恒流驱动电路实现了在测量参考信号和叶片信号时光强强度的不
同，不仅增加了光源稳定性，而且有效地解决了光电探测器饱与和响应效率不 高的问题，使光电探测器在不同测量情况下都工作在最佳检测范围内，增加了 信噪比，提高了测量精度。
(5)通过后续的算法处理，可以去除空间中背景光的影响，对硬件的要求降低。
图1为整个装置的系统框图2为探头的示意图3为恒流驱动电路示意图4分光系统的示意图5为整个装置的测量流程图。
具体实施例方式
本发明的核心思想是通过一体化探头及自动化的控制流程的设计，实现 对高等植物生化参数进行无人照料、非接触式光谱测量，通过步进电机控制采样探头在标准板与被测之间自动转换，实现时间双光路光谱测量，提高测量精
度；通过程控式光源驱动电流电路解决了检测器饱和以及提取微弱信号难的问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
以下现在结合附图，对本发明的植物生化参数实时监测装置的实施方式做
if细的介绍。
如图1为本发明整个装置的系统框图，主要包括以下几个部分 一体化探 头l、分光和光电转化系统2、数据采集系统3、微控制系统4、探头控制模块 5。整个装置在9V的直流电下工作。 一体化探头1用于为光谱采集提供光照并 通过非接触方式采集植物叶片的光谱。分光和光电转化系统2用于将一体化探 头1采集到的混合光分离成光谱形式并转化为电信号；数据采集系统3用于将 分光和光电转化系统2输出的较弱的初级模拟电信号转化成高信噪比、高稳定 性的数字信号输出到微控制系统4;微控制系统4是整个装置的关键部分，为 各个部分提供时序信号以及控制信号，给光源提供恒流驱动，并实现数据的存 储和计算。探头控制模块5根据微控制系统4的控制信号控制探头转向不同的 测量目标。
分光和光电转化系统2，数据采集系统3，微控制系统4，输入输出模块、 探头控制模块5构成了该装置的主机， 一体化探头通过电缆和光纤与主机相连。
图2为本发明非接触式一体化探头示意图，主要包括光源及采样探头；光 源采用杯形卣鴒灯光源101通过电缆104与微控制系统中的光源驱动电路相连， 釆样探头由采样光纤102、聚光透镜103组成，多根光纤形成的光纤束105与 分光和光电转化系统相连，整个探头的外形是一个下宽上窄的漏斗形状，下面 直径为60mm,上面直径为20mm，在探头的下表面，装一层绝热隔板，在隔 板上面有七个孔，中间安装的是光源，其它均匀分布的六个孔安装的是光纤束， 光纤束外面包着PVC管保护光纤，在每个光纤束上面通过SMA905标准接口 连接一个聚光镜头。光源101为叶片连续光谱的获得^是供光照，通过电缆与主机内的可调恒流驱动电路连接，在可调恒流源的驱动下可以稳定发出
400-2500nm范围的光，并可通过程控的方式选择工作在强光模式下或是弱光模 式下，强光模式下测量植物的信号，弱光模式测量参考光信号。所有的采样光 纤102在4妻入主才几内的分光系统之前，-故耦合成一个光纤束105，光纤102将 通过透镜103携带信息的光照信号采集进来，通过光纤束105传到分光和光电 转化系统2中。探头的外壳是散热性较好的材料制作。整个探头安装在可旋转 的云台上，固定在培养箱的上面。卣鴒灯光源为可发出平行光的，发热少的杯 型卣鴒灯，额定电流为1.3A。在本实施例中它的工作电流一个是1.3A， 一个是 1A。光纤102由9 4艮直径为lum的棵光纤组合而成，带标准SMA905接口 。
微控制系统4中的光源驱动电路405,用来保证一体化探头的杯形卣钨灯 光源的恒流驱动以及工作模式的切换，空间应用的背景要求该装置的光源必须 很稳定，卣钨灯在稳定电流的作用下将发出稳定的辐射光通量，因此需要将一 个恒流电路将主机的电源转换成恒流源，为了减少人为的操作，通过恒流电路 的设计，使得数字信号处理器(Digital Signal Processer， DSP)可以程控光源的 通断，以及不同工作电流的切换，这里采用的驱动电路如图3所示，主要是由 12位的D/A转换器、电压跟随器、电压放大器、达林顿管、参考电阻、电容构 成。由DSP发出的数字信号经12位数模D/A转化器输出模拟电压值可以控制 囟鴒灯的通断以及其驱动电流的大小，实现光源两种工作模式自由切换。D/A 芯片输出的电压值经电压跟随器和负反馈电压放大器之后，为精密采样电阻i F 提供参考电压K.,该恒流源的输出电流就是P;/i F，达林顿管实现运放输出电流
的放大作用，保证大电流输出。并在负载两端的电容使负载在模式切换的时侯， 起到緩冲的作用。D/A转换器将DSP发出的不同的数字信号转化成为模拟电压 值，使得光源的程控发光与工作模式的切换成为可能。这里的12位D/A转换 器采用的是MAX531芯片，它是一种低功耗、电压输出型的12位D/A转换器， 是一种高线性度的串行总线器件，可以在单电源5V的支持下工作。其内部有 精密参考电压源(2.048V)，采用2倍增益输出时，满量程输出电压为4.0%V,MAX531仅需3个串行端口 DATA、 CLK、 CS就可以实现与单片机的通信，使 用比较简单。电压跟随器和电压放大器是采用MAX9916芯片，该芯片将两个 运放集成在一起，实现电压跟随，负反馈电压输出，将D/A输出的参考电压， 精确的提供给采样电阻，并实现阻抗匹配。达林顿管采用的是BCX38，实现电 流的放大，因为我们这里要求的是1.3A的大电流，而运》丈的输出电流只有几十 毫安，采用BCX38,使得输出电流可达到2A,满足要求。电容C保证DSP控 制光源通断以及^t式切换的时间，起到緩沖作用，保证负载。
分光和光电转化系统2主要包括光栅203和探测器205,实现了信息的分 离和光信号到电信号的转化。采用后分光光栅色散光路，将收集到的光经准直 镜后照射到光栅，经光栅色散之后被探测器所接收。光栅和探测器的组合实现 了光谱测量，并且保证仪器无移动部件。后分光系统保证可以实现远距离测量。 本实施例中，分光和光电转化系统2的详细结构如图4所示，包括狭缝和滤 光片201、准直镜202、光栅203、聚焦镜204、探测器205构成。该部分是整 个仪器的重要部分，实现了植物光谱的获得，并将抽象的光信号转化成电信号。 该系统通过一个标准的SM.A905接口与采样系统连接，由光纤束105采集到的 光，通过狭缝和滤光片201进入到该部分。狭缝控制着进入光栅的光通量，滤 光片控制进入光栅的波长范围。狭缝的宽度越小，分辨率越高，但是进入系统 的光通量越小，信噪比会大大下降，因此需要综合考虑，这里所述的狭缝是50um 宽，lmm高，像素分辨率为11.6个像素。准直镜202将进入该系统的光聚集到 光栅203上，光栅203将其衍射，再将衍射光投射到聚焦镜204,聚焦镜204 接收光栅反射来的光，并会聚到探测器205上，光信号被转化成为相应的电信 号。所述光栅203采用响应波段为500-1100nm,刻线密度为600(1 ine/mm)，闪 耀波长为750nm的光栅。该系统的结构采用f/4的非对称Czemy-Turner交叉结 构的光路，其入射焦距为42mm,出射焦距为68mm，这种光路结构不仅节省 空间，有利于实现仪器的小型化，还可以消去彗差的影响和像散的影响，提高 系统的稳定性。所述探测器205采用Toshiba生产的TCD1304AP线阵CCD探 测器，其有效像敏单元为3648个像素。该探测器具有很好的灵敏度和低的噪声的光电探测器，其主要特征是具有很高的光电转换效率，而且输出噪声小。数据采集系统3主要由信号调理电路301和模数(A/D)转换电路302构 成，信号调节电路包括小信号放大电路和信号滤波电路，实现将传感器输出的 初始电信号转换成能满足A/D输入要求的标准电平信号。A/D转换电路要保证 仪器信噪比和分辨率的要求。本实施例中选择的一个带信号调理功能、lmW功 耗、双通道16位AD转换器AD7705，它采用2-A的ADC (模数转换器)，实 现16位无误码的良好性能，片内可编程放大器可设置输入信号增益。它将从探 测器205接收到的很弱的输入信号直接转换成串行数字信号输出，而无需外部 仪表放大器。减少了电路的复杂性以及仪器的体积，同时还提高仪器的信噪比。 该芯片的工作电压是3V。微控制系统4用于实现测量过程的控制、光谱数据的计算、测量数据的存 储以及输入输出的控制等，测量数据包括测量过程的中间数据、最终的植物光 语数据、参数计算模型等。测量过程的控制包括对光源、 一体化探头、计算过 程的控制等。微控制系统4主要包括微控制器401、数据存储单元402、程序存 储单元403、电源稳压单元404，光源驱动电路405及输入输出模块406。微控制器401用于实现监测过程控制、光谱数据的计算以及输入输出的控 制，进一步包括控制模块407和计算模块408;控制模块407用于依据测量流 程对光源驱动电路、探头控制模块、数据采集模块及输入输出模块进行控制， 从而实现植物光谱数据的自动化采集及参数计算等功能；计算模块用于计算出 植物的光语数据并根据存在存储单元中的参数计算模型计算得到待测的植物生 化参数结果。数据存储单元402用于存储测量过程数据及测量结果数据，例如暗噪声电 压值、参考信号电压值、样本信号电压值及依据参数计算模型计算出的待测的 植物生化参数结果数据等。程序存储单元403用于存储装置运行程序及生化参数计算程序，装置运行 程序指流程控制程序、设备驱动程序、初始化程序、采集子程序等，控制模块 读取采集子程序用于实现对各测量步骤的控制，读取参数计算程序得到待检测参数的含量值。输入输出模块406用于接收输入设备(例如键盘)的输入信号并将其转发给控制模块，以及在控制模块的控制下从数据存储单元读取测量过程 数据及植物生化参数结果数据等以外设可以接受的格式和频率传送到外接输出 设备(如液晶显示器)。电源稳压单元404用于为系统提供稳定的工作电压。探头控制模块5可由步进电机实现，用于控制一体化探头转向不同的被测 目标，转向的角度及距离可事先在试验中调整好作为参数存储于数据存储单元， 由微控制系统读取并根据测量流程向探头控制模块发出控制指令，使其在控制 指令的控制下旋转一体化探头朝向不同的被测目标，实现自动测量，无人照料。 由于该装置采集的是500nm-1100nm之间的全部光谱信息，需要很大的存 储空间，同时计算对应生化参数含量时需要相应的预处理和较为复杂的模型计 算，因此需要选择一个计算功能很强，存储器可扩展性强的数字信号处理器 (DSP)或ARM芯片来实现微控制器401，本实施例采用TI公司的 TMS320F2812这一核心器件该芯片的最低功耗仅为0.05MW/MIPS，具有 128Kxl6bit的片上FLASH和18KB的片上RAM,具有16位并行总线，可扩 展各种外部存储器，具有512Kxl6位的最大外部存储器访问空间。 一条光谱数 据可以达到14.25K,因此需要一个数据存储单元402,本实施例选择RAMTRON 公司的FM18L08,它具有类似RAM的读写操作，其内部按照32Kx8位组织， 访问周期为70ns,读写^t喿作周期相同，易于使用。同时它也是一款支持低电压 工作的芯片，3.3V时典型工作电流为5mA,典型静态电流为7uA。程序存储单 元403采用ATMEL公司的SPI接口的低电压串行EEPROM AT25256芯片。由 于该DSP要求为3.3V的I/O和Flash编程供电电压和1.8V内核供电电压，而 本发明的装置提供的是9V的直流电源，考虑到装置中的D/A等芯片需要5V 的电压以及低功耗的要求，本系统使用低压差集成稳压器LM1086-5.0,将+9V 电源变换成稳压值为+5V的电源，再采用TPS7533和TPS76801Q将5V转化成 3.3V和1.8V。应用本发明的无损测量装置对植物生化参数成分进行无损测量，具体的测量步骤为步骤601:执行系统初始化操作；打开主机电源，为系统各模块供电，使系统进入工作状态，清除内存中的 数据，为系统各模块赋初始状态值。步骤602:在初始状态下，采集由分光和光电转化系统输出的暗噪声电压 值y .i且^ n4狀5调用采集子程序，在初始状态下，采集由分光和光电转化系统输出的模拟 电压信号，将转换后得到的数字信号记为暗噪声电压值^皿存储在数据存储单元，可重复采集多次暗噪声电压值然后求平均值，以减少随机误差；步骤603:采集由标准参考板产生的参考信号电压值；微控器判断存储暗电流的存储器的标志位是否为0。若为0,装置处于等待 状态，若为1，则微处理器分别给出信号使得探头控制模块的步进电机和光源 驱动电路开始工作，微处理器控制步进电机使得一体化探头转向安装在另一侧 壁的标准参考板，同时控制恒流驱动电路在模式1 (较弱的电压)下驱动光源 发光，光源照射在前面放置好的标准参考板，由标准参考板产生的光称为参考 光；探测器感应到经光纤束收集到的照射在标准反射板的光信号并将其转换成 电信号，经数据釆集系统得到参考信号电压值R砂存储在数据存储单元；步骤604:测量植物反射光，釆集样本信号电压值；在测得参考电压值后，由微控制器给步进电机信号，控制采样探头转向被 测植物并控制恒流驱动电路在模式2下驱动光源发光，探测器将检测到的植物 反射回来的光信号转化成电信号，经数据采集系统得到样本信号电压值K,将其存储在数据存储单元；步骤605:微控制器中的计算模块读取存储单元中的测量数据，依据如下 算式计算植物的光谱数据^lg 、' r膨 (1)计算得到植物的光谱数据存储在存储单元中，接着运行程序存储单元中的命令，读取500-1000nm的数据，每5个数据取一个，使得光i普的分辨率是lnm， 在不影响精度的前提下，减少数据的计算量。对读取的数据做平滑预处理，平 滑点数为9,然后进行主成分分析，将得到的前十个主成分作为输入，调用存 储单元中已训练好的预测模型，本实施例我们采用是最小二乘支持向量机回归， 核函数选择径向基函数(Radial Basis Function, RBF ),经过模型训练得到不 同的最佳函数参数sigm2和模型参数a和b，依据公式2可以计算得到不同的 待测植物生化参数的结果并将其存储。<formula>formula see original document page 16</formula>步骤606:显示输出模块从存储单元中读取测量结果，输出到显示模块进 行结果显示。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1、一种植物生化参数监测装置，其特征在于，包括一体化探头，用于为光谱采集提供稳定光照并通过非接触方式采集植物光谱；其从微控制系统获取稳定的可调驱动电流，在微控制系统的控制下对目标进行光谱采集，并通过光纤将采集的信号传输给分光和光电转化系统；分光和光电转化系统，用于将一体化探头采集到的混合光分离成光谱形式并转化为电信号输出给数据采集系统；数据采集系统，用于将分光和光电转化系统输出的初级模拟电信号转化成高信噪比、高稳定性的数字信号并输出到微控制系统；微控制系统，用于实现监测过程控制、数据计算、数据存储、输入输出控制以及为一体化探头的光源提供恒流驱动，为各受控模块提供时序信号和控制信号。
2、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一体化探头由光源及采 样探头组成，采样探头由多根采样光纤、聚光透镜组成子探头；所述光源位于 一体化探头的中部，所述子探头均匀分布于光源的周围。
3、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光和光电转化系统采 用后分光色散光路，由 一体化探头收集到的携带了叶片信息的可见/近红外光， 经光纤传输，投射到透镜被准直之后，经装置中的分光系统分成独立于波长的 光信号，到达探测器后，转化成为相应的电信号，输出给数据采集系统，其中 分光部件可以是滤光片组或者光栅，分光器件和探测器的波长响应范围必须包 括500-1100腿。
4、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据釆集系统包括信 号调理电路和模数转换电路；信号调节电路包括小信号放大电路和信号滤波电路，用于实现将分光和光电转化系统输出的初始电信号转换成能满足模数转换电路输入要求的标准电平 信号；模数转换电路用于将信号调节电路输出的模拟信号转换为符合信噪比和分辨率要求的数字信号输出到微控制系统。
5、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微控制系统包括 微控制器，用于实现监测过程控制、数据计算及输入输出控制； 数据存储单元，用于实现过程数据、结果数据及待测参数计算模型的存储; 程序存储单元，用于存储装置运行程序及生化参数计算程序； 输入输出模块，用于接收和处理输入输出信号，为微控制器提供输入信号及作为接口模块将存储于数据存储单元中的结果数据输出显示；光源驱动电路，用于在微控制器的控制下为一体化探头提供可调的恒流驱动；电源稳压单元，用于为系统提供稳定的工作电压；微控制器向光源驱动电路发送控制信号实现 一 体化探头的工作模式的切 换；微控制器从程序存储单元读取采集子程序并解释执行；数据采集系统输入 的测量数据存储于数据存储单元，微控制器从数据存储单元中读取测量数椐及 计算模型参数并将计算结果存储于数据存储单元中。
6、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微控制器包括 控制模块，用于对光源驱动电路进行控制，使其根据需要工作在不同的工作模式下；对数据采集系统进行控制，对不同的测量数据进行采集；对计算模 块进行控制，根据程序流程执行相应的数据计算；以及通过输入输出模块接收 输入设备的控制信号及控制输入输出模块向外接显示设备输出测量结果数据； 计算模块，用于在控制模块的控制下读取数据存储单元中的测量数据，执行相应的数据运算，并将计算结果存储于数据存储单元。
7、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光源驱动电路为程控多 模式光源驱动电路；在采集由标准参考板产生的参考信号电压值时，微控制系 统向所述光源驱动电路发送控制信号，使其工作在模式l下；在釆集样本信号 时，微控制系统向所述光源驱动电路发送控制信号，使其工作在模式2下。
8、 根据权利要求1至7任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所迷 装置还包括探头控制模块，用于在微控制系统的控制下控制一体化探头朝向不同的采样目标；在采集由标准参考板产生的参考信号电压值时，微控制系统向所述探头控 制模块发送控制信号，使其自动转向标准参考板；在采集样本信号时，微控制 系统向所述探头控制模块发送控制信号，使其自动转向被测植物。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述一体化探头的光源采用 杯型卣鴒灯光源，为标准板和被测植物提供平行光照射。
全文摘要
本发明公开了一种高等植物生化参数非接触监测装置，用于在无人照料的环境中，对植物冠层水平的叶绿素，水分，氮素等生化参数进行无损自动实时检测。本发明采用了可见/近红外光谱分析技术，对植物本身进行检测，可以实现精细控制；采用独特的光源及采样探头一体化设计，实现了无人照料，非接触采样，降低了装置功耗；通过光纤技术，将采样器件与主机分离，实现了远距离测量；采用可调恒流驱动电路，实现在测量参考信号和叶片信号时光源发出不同的光照强度，保证探测器始终可以高灵敏度响应，解决了光电探测器检测范围有限的问题，提高了仪器的信噪比，确保仪器的测量精度。
文档编号G01N21/31GK101625314SQ200910090120
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者张倩暄, 张广军, 李庆波 申请人:北京航空航天大学