本发明涉及土壤检测技术领域，具体为一种新型农田地下土壤水分与钾元素检测装置。
背景技术：
土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质)，氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。土壤水是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。土壤水的主要来源是降水和灌溉水，参与岩石圈-生物圈-大气圈-圈-水圈的水分大循环。而土壤中富含的钾元素也是养分的主要成分。
申请号为201510122666.9，名称为一种土壤检测改良设备的发明专利，第一钻头安装在机体的下端用于土壤检测改良设备的钻进，把手安装在机体的上端用于握持土壤检测改良设备，机体的上端安装有相对于机体中心对称的气缸，气缸的内部安装有活塞，活塞的下端通过活塞杆连接有第二钻头，机体的底端安装有杂质分散机，机体的内部安装有用于驱动第一钻头的电机，电机上安装有转轴，转轴的两侧对称分布有贮料室，转轴的上端安装有空气压缩机，空气压缩机与机体形成密闭的采样机内腔，采样机内腔上部安装有分析仪，该设备可有效检测土壤的成分，改变土壤的性能，优化了种植环境。但是其对于土壤内部的水分以及钾元素的检测并没有很好的解决，因此设计了一种新型农田地下土壤水分与钾元素检测装置。
技术实现要素：
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种新型农田地下土壤水分与钾元素检测装置，通过检测外壳内设置的激光检测模块检测土壤，利用激光诱导击穿光谱技术，高能激光脉冲直接击中土壤样品表面，在分析材料表面形成高强度激光光斑，对此光谱进行探测可获得土壤中的钾元素含量信息，通过钻头式的水分检测探头，采用水吸力检测方式来检测土壤水分，可以很好的采集田地里土壤的信息参数，值得推广。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型农田地下土壤水分与钾元素检测装置，包括检测外壳，所述检测外壳右端设置有滑动轨道，所述滑动轨道内设置有滑动板，所述滑动板右端连接有机壳，所述机壳下端设置有若干个水分检测探头，所述检测外壳内部设置有激光检测模块，所述检测外壳左端设置有连接杆，所述连接杆左端设置有安装座，所述安装座内设置有超声波测距装置，所述检测外壳左端设置有破土犁，所述检测外壳下端设置有刮土板与遮光挡板；
所述水分检测探头连接有单片机控制器，所述单片机控制器上连接有时钟模块、电源模块、键盘接口、数据存储器、lcd显示器、报警模块与串口数据传输接口；
所述激光检测模块包括入射光纤与采集光纤，所述入射光纤与采集光纤下端均连接在聚焦透镜组件上，所述聚焦透镜组件两端设置有透镜安装脚，所述入射光纤连接有nd:yag激光器，所述nd:yag激光器连接有延时产生器，所述延时产生器连接有ccd相机，所述ccd相机连接有上位机与光栅光谱仪，所述上位机与延时产生器相连接，所述光栅光谱仪与采集光纤相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述检测外壳包括外壳主体，所述外壳主体内部设置有探头安装板，所述探头安装板倾斜设置，所述外壳主体上端设置有弯折段，所述外壳主体上端设置有外壳开口，所述外壳开口内部设置有橡胶密封塞，所述橡胶密封塞内部设置有引线穿孔，所述外壳主体下端设置有刮板安装凹槽与遮光板安装凹槽，所述刮板安装凹槽与遮光板安装凹槽插入安装螺栓。
作为本发明一种优选的技术方案，所述水分检测探头包括钻头，所述钻头上设置有螺旋叶片，所述钻头内设置有通孔，所述通孔上端设置有塑料管，所述塑料管下端设置有陶土头，所述塑料管上端连接有集气管，所述集气管连接有压阻传感器，所述集气管上端设置有集气管橡胶塞。
作为本发明一种优选的技术方案，所述超声波测距装置包括测距外壳，所述测距外壳内部设置有柔性电路板，所述柔性电路板上安装有两个超声波探头，所述超声波探头下端设置有喇叭口，所述测距外壳内部设置有中空隔音层，所述测距外壳内部设置有聚乙烯发泡隔音层。
作为本发明一种优选的技术方案，所述破土犁包括犁主板，所述犁主板左端设置有破土刃，所述犁主板下端设置有犁底座，所述犁底座上设置有旋转轴，所述旋转轴连接有犁尖，所述犁尖横截面为三角形结构，所述犁底座下端设置有平整辊。
作为本发明一种优选的技术方案，所述单片机控制器采用stc90c58ad为主控芯片，将水分检测探头采集到的模拟信号传输至单片机控制器，由stc90c58ad的ad转换器转换为数字信号并存储在单片机控制器内，存储的同时读取时钟芯片的时间值一并存储，即可记录采集时间。
作为本发明一种优选的技术方案，所述时钟模块采用ds1302时钟芯片为系统提供时间，通过单片机控制器控制lcd显示器来显示当前测试土壤湿度的时间，ds1302与单片机控制器采用同步串行的方式进行通信，由p3.5、p3.6和p3.7引脚分别控制ds1302的res复位端、i/o数据端及slck串行时钟端。
作为本发明一种优选的技术方案，所述lcd显示器采用qc-1602lcd液晶显示器，对采集到的数据进行实时显示，工作电压为4.5-5.5v，单片机控制器的p2.5、p2.6与p2.7脚分别连接液晶显示器的使能端、读/写选择端和数据/命令选择端。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电源模块包括设置在机壳上端的光伏架，所述光伏架上端设置有光伏板，所述光伏架两端设置有调节螺母，所述光伏架下端连接有太阳能电池。
作为本发明一种优选的技术方案，所述报警模块采用蜂鸣器型报警器，由单片机控制器的p3.2口对报警电路进行控制，当单片机控制器输出低电平时，q1导通，蜂鸣器发出报警，说明土壤湿度低于设定的阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过检测外壳内设置的激光检测模块检测土壤，利用激光诱导击穿光谱技术，高能激光脉冲直接击中土壤样品表面，在分析材料表面形成高强度激光光斑，对此光谱进行探测可获得土壤中的钾元素含量信息，通过钻头式的水分检测探头，采用水吸力检测方式来检测土壤水分，可以很好的采集田地里土壤的信息参数，值得推广。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明内部结构框图；
图3为本发明激光检测模块结构示意图；
图4为本发明检测外壳结构示意图；
图5为本发明水分检测探头结构示意图；
图6为本发明超声波测距装置结构示意图；
图7为本发明破土犁结构示意图；
图8为本发明时钟模块电路图。
图中：1-检测外壳，2-滑动轨道，3-滑动板，4-机壳，5-水分检测探头，6-激光检测模块，7-连接杆，8-安装座，9-超声波测距装置，10-破土犁，11-刮土板，12-遮光挡板，13-单片机控制器，14-时钟模块，15-电源模块，16-键盘接口，17-数据存储器，18-lcd显示器，19-报警模块，20-串口数据传输接口，21-入射光纤，22-采集光纤，23-聚焦透镜组件，24-透镜安装脚，25-nd:yag激光器，26-延时产生器，27-ccd相机，28-上位机，29-光栅光谱仪，30-外壳主体，31-探头安装板，32-弯折段，33-外壳开口，34-橡胶密封塞，35-引线穿孔，36-刮板安装凹槽，37-遮光板安装凹槽，38-安装螺栓，39-钻头，40-螺旋叶片，41-通孔，42-塑料管，43-陶土头，44-集气管，45-压阻传感器，46-集气管橡胶塞，47-测距外壳，48-柔性电路板，49-超声波探头，50-喇叭口，51-中空隔音层，52-聚乙烯发泡隔音层，53-犁主板，54-破土刃，55-犁底座，56-旋转轴，57-犁尖，58-平整辊，59-光伏架，60-光伏板，61-调节螺母，62-太阳能电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1至图8所示，本发明提供了一种新型农田地下土壤水分与钾元素检测装置，包括检测外壳1，所述检测外壳1右端设置有滑动轨道2，所述滑动轨道2内设置有滑动板3，所述滑动板3右端连接有机壳4，所述机壳4下端设置有若干个水分检测探头5，所述检测外壳1内部设置有激光检测模块6，所述检测外壳1左端设置有连接杆7，所述连接杆7左端设置有安装座8，所述安装座8内设置有超声波测距装置9，所述检测外壳1左端设置有破土犁10，所述检测外壳1下端设置有刮土板11与遮光挡板12；
本发明在工作的时候，检测外壳1右端设置的滑动轨道2内设置可以上下滑动的滑动板3，滑动板3将机壳4固定住，而机壳4内部则放置了本发明中的各种电路元件，机壳4下端设置的水分检测头5可插入土壤内部，对土壤内部水分进行检测，而检测机壳1内设置的激光检测模块6通过光纤发出的激光对土壤表面进行光谱分析，遮光板12防止漏光影响激光测量效果，遮光板12为一块倾斜设置的板，横截面为直角梯形结构，在设备使用的过程中，与检测外壳1均伸入土壤内，在遮光板12左端设置的刮土板11将土地刮平整。检测外壳1左端设置有连接杆7，连接杆7下端安装的超声波测距装置9测量与土壤表面的距离，从而计算出设备伸入土壤内部的深度，该深度是破土犁10破开的土层深度，也就是刮土板11与遮光板12下端与土壤表层的距离，确定测量参数的土壤层次深度，通过破土犁10破开土壤，进行土壤内层物质分析，刮土板11用于将不平整的土刮走，避免土壤起伏影响光谱分析结果。本发明装置将土壤参数与土壤深度相互对应，提高土壤参数测量的精确性和可靠性。
所述水分检测探头5连接有单片机控制器13，所述单片机控制器13上连接有时钟模块14、电源模块15、键盘接口16、数据存储器17、lcd显示器18、报警模块19与串口数据传输接口20；
如图2所示，本发明中，水分检测探头5的参数通过接线传输给单片机控制器13，水分检测探头5检测到的土壤湿度信号传输给单片机控制器13内的a/d转换器，转换成数字信号后通过单片机控制器13进行信号处理，通过数据存储器17将采集到的湿度信号和时间数据同时存储，得到一定时间点的湿度参数，并将结果发送给lcd显示器18进行数据的直观显示，当检测到的湿度低于设定的阈值的时候，报警模块19工作发出报警信号，实现对于土壤湿度的预警，并通过串口数据传输接口20进行数据的串口传输，方便利用计算机进行数据进一步处理。
如图3所示，所述激光检测模块6包括入射光纤21与采集光纤22，所述入射光纤21与采集光纤22的一端均通过透镜安装脚24连接有聚焦透镜组件23，所述入射光纤21的另一端连接有nd:yag激光器25，所述nd:yag激光器25连接有延时产生器26，所述延时产生器26连接有ccd相机27，所述ccd相机27连接有上位机28，所述上位机28与延时产生器26相连接；所述采集光纤22的另一端连接有光栅光谱仪29，所述光栅光谱仪29与ccd相机27连接。
本发明中，激光检测模块6为检测钾元素的模块，在使用的时候，调节聚焦透镜组件23使得两个焦点位于同一点上，入射光纤21接收到nd:yag激光器25发射出的激光，nd:yag激光器25采用法国quantel公司cfr200型脉冲激光器，发射激光波长1064nm，激光发射之后反射回去的光经过采集光纤22后进入光栅光谱仪29内，光谱仪选用英国andor公司的sr-500i型，内置旋转塔轮及三条光栅，分别为600、1200和1800g/mm，光谱分辨率可达0.04nm，形成光谱后通过ccd相机27进行光谱探测，光谱探测器为istardh334型增强型ccd，时间快门2ns，光谱检测范围180-850nm，进行光谱的分析检测，由于在检测过程中土壤等离子信号的信噪比和谱线分辨率较低，因此增设了延时产生器26，选择合适的采样延迟时间驱动增强型ccd，实现待测土壤养分离散原子光谱的精确检测，上位机28完成参数匹配操作。
如图4所示，本发明中，所述检测外壳1包括外壳主体30，所述外壳主体30内部设置有探头安装板31，所述探头安装板31倾斜设置，倾斜设置的探头安装板31可将聚焦透镜组件23倾斜固定住，使得两个焦点位于同一点上，所述外壳主体30上端设置有弯折段32，所述外壳主体30上端设置有外壳开口33，顶部设置的开口较小，避免光线进入检测外壳1内部，所述外壳开口33内部设置有橡胶密封塞34，进一步挡光，所述橡胶密封塞34内部设置有引线穿孔35，用于穿过入射光纤21与采集光纤22，并将入射光纤21与采集光纤22连接的激光检测模块6内其他部件安装在机壳4内，所述外壳主体30下端设置有刮板安装凹槽36与遮光板安装凹槽37，所述刮板安装凹槽36与遮光板安装凹槽37插入安装螺栓38，通过安装螺栓38固定刮土板11与遮光挡板12，避免设备行进过程中导致刮土板11与遮光挡板12发生位置偏移影响设备稳定性。
如图5所示，本发明中，所述水分检测探头5包括钻头39，所述钻头39上设置有螺旋叶片40，可以旋转进入土壤内部，所述钻头39内设置有通孔41，通孔41在钻头39进入土壤之后，使得一定量的土壤进入到通孔41内部，所述通孔41上端设置有塑料管42，所述塑料管42下端设置有陶土头43，陶土头43与通孔41内部的土壤接触，所述塑料管42上端连接有集气管44，所述集气管44连接有压阻传感器45，所述集气管44上端设置有集气管橡胶塞46，使用的时候，将集气管44上端的集气管橡胶塞46打开，向内部加入水，陶土头43是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头43被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜，当充满水且密封的水分检测探头5插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，使仪器内部的水产生负压，此负压作用于固态的压阻传感器45，压阻传感器45将负压转换成电信号，从而可获得0-100kpa范围内任意点土壤吸力的电信号，并且二者有良好的线性关系，压阻传感器45采集到的信号可以输出给单片机控制器13或者外接存储器，将电信号数值采集下来，由于二者保持良好的线性关系，可直接通过电信号的的数值转换成土壤内部湿度数值，得到土壤水分参数。
如图6所示，本发明中，所述超声波测距装置9包括测距外壳47，所述测距外壳47内部设置有柔性电路板48，所述柔性电路板48上安装有两个超声波探头49，柔性电路板48驱动其中一个超声波探头49发出超声波，所述超声波探头49下端设置有喇叭口50，发出的超声波经过喇叭口50后向下发散，接触到土壤表面之后反射回来，再次经过喇叭口50进入另一个超声波探头49内，柔性电路板48内电路采集到往返的时间，进行计算得出与土壤表面的距离，所述测距外壳47内部设置有中空隔音层51和聚乙烯发泡隔音层52，多隔音结构设计，使得超声波测距装置9在户外工作的时候保持很好的稳定性，避免噪音干扰。
如图7所示，本发明中，所述破土犁10包括犁主板53，所述犁主板53左端设置有破土刃54，破土刃54在犁主板53上倾斜设置，破土刃54与土壤接触之后，将土壤破开，所述犁主板53下端设置有犁底座55，所述犁底座55上设置有旋转轴56，所述旋转轴56连接有犁尖57，所述犁尖57横截面为三角形结构，破土效果好，采用旋转轴56设计，使得犁尖57可以调节角度，实现不同角度的破土操作，所述犁底座55下端设置有平整辊58，将破开的土压平整后，便于之后的激光检测模块6进行激光检测分析土壤元素。破土犁10的工作过程为：使用时，破土犁10倾斜放置在土壤表面，检测装置从右向左移动过程中，犁尖57首先接触到土壤，随着犁尖57的深入，土壤被翻出并由破土刃54破开，平整辊58对破开的土壤表面进行平整，破土犁10破土的过程中，设置在其右侧的检测机壳1底端的刮土板11和遮光板12插入土壤中，刮土板11进一步将破开的土壤刮平整，遮光板12采用遮光材料制成，具有一定的弹性，与土壤紧贴合，使得检测外壳1内部保持很好的黑暗环境，以便更精确地进行土壤钾元素检测。
本发明中，所述单片机控制器13采用stc90c58ad为主控芯片，将水分检测探头5采集到的模拟信号传输至单片机控制器13，由stc90c58ad的ad转换器转换为数字信号并存储在单片机控制器13内，存储的同时读取时钟芯片的时间值一并存储，即可记录采集时间，测试所得土壤湿度值经换算后在lcd显示器18上实时显示，采集到的数据需要与预存的报警阈值进行比较，如超过阈值，则输出报警信号，而对于阈值的设置，则是通过键盘接口16外接键盘，进行阈值数据输入。
本发明中，所述时钟模块14采用ds1302时钟芯片为系统提供时间，通过单片机控制器13控制lcd显示器18来显示当前测试土壤湿度的时间，ds1302与单片机控制器13采用同步串行的方式进行通信，由p3.5、p3.6和p3.7引脚分别控制ds1302的res复位端、i/o数据端及slck串行时钟端，时钟模块14在本发明中的主要作用是进行实时的时间记录，当设备工作时采集到的湿度参数，都需要一个相对应的时间来记录，通过时钟模块14可以提供很好的时间记录，便于之后的数据分析，可得到不同时间的湿度信息。
本发明中，所述lcd显示器18采用qc-1602lcd液晶显示器，对采集到的数据进行实时显示，工作电压为4.5-5.5v，单片机控制器13的p2.5、p2.6与p2.7脚分别连接液晶显示器的使能端、读/写选择端和数据/命令选择端，为了调节液晶显示器的亮度，在液晶显示器的vo引脚接入一个可变电阻,因为单片机控制器13的p1口通电后为开漏输出，因此在液晶显示器的数据口并联一个10kω排阻作为上拉电阻，即可实现对于亮度的调控。
本发明中，所述电源模块15包括设置在机壳4上端的光伏架59，所述光伏架59上端设置有光伏板60，光伏板60活动安装在光伏架59内，所述光伏架60两端设置有调节螺母61，在日常使用的时候，将调节螺母61松开后，调节光伏板60的角度，使得光伏板60对准太阳直射，所述光伏架60下端连接有太阳能电池62，内部通过导线将光伏板60与太阳能电池62连接在一起，通过太阳能电池62存储太阳能转换成的电能，可用于系统的供电。
本发明中，所述报警模块19采用蜂鸣器型报警器，蜂鸣报警器在使用的时候，可以发出很好的声音报警信号，由于检测的环境多为户外，会导致光较强，光信号报警不易发现，因此采用蜂鸣器型报警器，由单片机控制器13的p3.2口对报警器的电路进行控制，当单片机控制器13输出低电平时，q1导通，蜂鸣器发出报警，说明土壤湿度低于设定的阈值，可在检测的同时监测土壤湿度，避免湿度过低。
本发明工作时通过破土犁10破开土壤，通过刮土板11将土壤刮平，并通过遮光板12使得检测机壳1内保持黑暗条件，采用激光检测模块6检测土壤内元素，超声波测距装置9采集到土壤平面与超声波测距装置9之间的距离，而超声波测距装置9与刮土板11竖直距离已知，可测出设备下端插入土壤的深度，机壳4在滑动轨道2内上下滑动，将水分检测探头5插入土壤内，检测土壤湿度。
本发明通过检测外壳内设置的激光检测模块检测土壤，利用激光诱导击穿光谱技术，高能激光脉冲直接击中土壤样品表面，在分析材料表面形成高强度激光光斑，对此光谱进行探测可获得土壤中的钾元素含量信息，通过钻头式的水分检测探头，采用水吸力检测方式来检测土壤水分，可以很好的采集田地里土壤的信息参数，值得推广。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。