专利名称：作物长势实时分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种作物长势实时分析仪，尤其是一种通过测量植物的光谱反射率或透射率来诊断作物长势的分析仪。
背景技术：
植物营养状况与植物反射光谱特性密切相关，采用近地遥感技术测量植物的光谱反射率或透射率，再根据植物光谱特性的差异就可以诊断作物的不同营养状况。
利用作物的光谱反射率作为测量手段的方法有多种。美国ASD(Analytical Spectral Devices)公司生产用于测量地物光谱反射率的系列光谱辐射仪，包括全光谱便携式光谱分析仪(波长范围350-2500nm)以及手持便携式光谱分析仪(波长范围300-1100nm)等，这些仪器测量精度和光谱分辨率都很高，但它们的色散元件都是采用全息反射光栅，使得仪器价格昂贵，适用于研究但不适用于生产。
另外一种便携式农作物长势监测装置的光学测量部分利用了双积分球光谱测量法来获取农作物叶片光谱反射量与透射量，通过处理运算得到能反映叶片含水量、叶绿素含量等判断农作物长势的基本量。但该装置存在诸多不足，如只能测量透射率，且测量机构需携带光源、电机、电机带动的多光谱转盘等，限制了该装置在农田现场实时测量的可能性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种作物长势实时分析仪，能够收集作物冠层及其它能反映作物长势的部位的反射光，根据所测作物的不同方便的改变测量波长，且可以同时测量多个波长，实时测量生长中作物的叶片含氮量、叶绿素含量、叶片水分含量，并对作物长势作出综合判断。
基于近地遥感技术的植被反射光谱测量，是指以自然光照作为光源，测量植物冠层或叶片的光谱反射率的方法。该方法由于测量设备不与植物发生直接接触，因此可以实现真正的无损、实时测量。因此实现在低成本田间下测量植被对不同波段光的反射率，就成为实现诊断作物的不同营养状况的关键。
本发明是通过如下的技术方案实现的一种作物长势实时分析仪，其特征在于包括导光光纤、测量单元、处理单元，所述的导光光纤包括一个收集端，一个以上的出射端，一个以上的出射端分别与测量单元相应的测量接头连接，通过测量单元将导光光纤收集的反射光进行滤光、转换，通过其输出端输出电信号给处理单元，通过处理单元的信号放大、A/D转换、数据处理，得到最终的测量结果。
其中，测量单元至少包括测光接头及带有中心孔的后盖，所述的测光接头一端设有插孔，为接头端，该插孔与导光光纤的出射端连接，另一端设有带入口和出口的测光室，所述的后盖扣合在测光室的出口处，使测光室成为一个封闭的空间，该测光室的入口与插孔相通，在测光室内从入口一端依次设有滤光片、光电器件，且光电器件的信号引出线通过后盖的中心孔引出。。
所述的滤光片与光电器件之间设有垫圈。
所述导光光纤的出射端包括插入端及连接件，通过连接件将插入端固定在测光接头的插孔内。
所述的连接件为与插入端同轴设置的内表面设有螺纹的空心柱体，测量单元的接头端的外表面设有螺纹，连接件通过螺纹连接将插入端固定在插孔内。
所述插入端伸出连接件，当插入到测量单元接头端的插孔中时，该插入端抵至测光室的入口处。
所述的处理单元包括信号放大电路、A/D转换器、处理器，存储器、显示器，所述的信号放大电路的输入与测量单元的输出连接，放大电路的输出与A/D转换器的输入连接，经过A/D转换后输入到处理器，由处理器对输入的数据进行处理，并将处理后的数据输出到显示器中显示，所述的存储器分别通过数据线、地址线、控制线与处理器连接。
所述的处理单元还包括一个以上的按键，所述的一个以上的按键分别与处理器连接。
所述的处理器为单片机。
所述的信号放大电路包括射极跟随器、减法器和两级运放电路。光电器件同时输出有电流信号和电压信号，将电流信号首先接入第一级放大电路，在放大的同时将电流信号转变为电压信号；光电器件输出的电压信号输入到射极跟随器，然后将第一级放大电路和射极跟随器的输出信号接入减法器以消除与光照无关的误差，最后由第二级放大电路进行放大。
所述的处理单元还包括一个或一个以上的通信接口，所述的通信接口为串行通信接口或USB接口。
本发明通过导光光纤收集作物冠层及其它能反映作物长势的部位的反射光，其测量单元可以根据所测作物的不同可以方便的改变测量波长，并且隔绝了外部光的干扰，测量的精度高，同时可以测量多个波长，达到实时测量生长中作物的叶片含氮量、叶绿素含量、叶片水分含量，并对作物长势作出综合判断的目的，而且，本发明提供的装置操作简单、安全，成本低，适用范围广。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的导光光纤的示意图；
图3为测量单元分解示意图；图4为本发明处理单元的原理框图；图5为本发明的放大电路原理图；图6为本发明部分电路原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体的实施例对本方明的技术方案进行详细的说明。
参见图1，为本发明提供的作物长势实时分析仪的结构示意图，该作物长势实时分析仪主要由两部分组成，一部分为仪器主体，一部分为通过接头与其连接的导光光纤，总体来说，作物长势实时分析仪包括导光光纤1、测量单元2、处理单元3，所述的导光光纤1包括一个收集端11，两个出射端12，两个出射端12分别与测量单元2的测量接头连接，通过测量单元2将导光光纤1收集的反射光进行滤光、转换，通过其输出端输出电信号给处理单元3，通过处理单元3进行信号放大、A/D转换、数据处理，得到最终的测量结果。
为了能够同时测量多个波长，导光光纤1可以有多个出射端12，每一个出射端12分别与测量单元2的不同的测量接头连接，每一个测量接头输出不同的信号给处理单元3，在本实施例里，有两个出射端12，导光光纤1呈Y字形，其中，导光光纤1的总长度为1000mm，收集端11到节点13的长度为600mm，节点13到出射端12的长度为400mm，收集端11的光导纤维的纤芯直径为7mm，出射端12的光导纤维的纤芯直径为5mm。由于收集端11的纤芯较粗，可以保证收集更多的反射光。
出射端12的结构如图2所示，出射端12包括插入端121及连接件122，其中，连接件122为一内表面带有螺纹的空心柱体，插入端121同轴设置在空心柱体内，其中，插入端伸出空心柱体。
测量单元2的结构如图3所示，包括测光接头21、滤光片22、光电器件23、及后盖24，测量接头21为一外径不同的同轴柱体，外径小的一端内设插孔211，为接头端，插孔211的内径与图2中所示的插入端121的外径相匹配，且接头端的外表面设有螺纹，外径大的一端设有测光室212，为测光端，测光室212与插孔211相通，且在测光端上设有平行于轴的通孔213。导光光纤1出射端12的插入端121插入到插孔211中时，插入端121的末端刚好插入至测光室212，以便保证外部的干扰光无法进入测量单元2测光室，测光室内的被测光也不会散失，且连接件的内螺纹刚好与接头端外表面的螺纹配合，使导光光纤1的出射端12能够与测量单元2连接紧密。
在测光室212内从插孔211一端依次设有垫圈251、滤光片22、垫圈252、光电器件23，其中，该垫圈251、252使各部件的连接更紧密，且又可避免冲击损坏。
在本实理中，光电器件23采用光电池。
后盖24的中心设有通孔241，用于引出测光室212内光电器件23的信号引出线，靠近边缘处设有通孔242，后盖24扣合到测量接头21上时，通孔242与测光端上的通孔213相通，通过连接件固定在仪器主体上。
处理单元3的原理框图如图4所示，处理单元3包括信号放大电路31、A/D转换器32、处理器33，存储器34、液晶显示器35、串行通信接口36，按键37，其中，信号放大电路31的输入端与光电器件23的信号输出端连接，用于放大由光电器件转换的电信号，并把放大后的电信号输出到A/D转换器32，经过A/D转换后，输出到处理器33，经过处理器的处理后，将处理结果输出到显示器上显示，或者在存储器34进行保存。测得的数据也可以通过串行通信接口输出到上位机中，或者从A/D转换器转换后的数据通过处理器、串行通信接口直接输出到上位机中，由上位机进行处理。按键37用于对测试过程的操作控制。
信号放大电路31的电路原理图如图5所示，U2～U5芯片的型号均为TLC271。光电池输出的光电流被送入第一级运放U2，在进行放大的同时实现了I-U变换，以便于后续处理，同时为了消除噪声，将光电池输出的电压信号接入射极跟随器U3，然后将U2，U3的输出信号接入由U4构成的减法器中以消除与光照无关的误差，最后接入由U5组成的第二级运放进行最终放大，改变第二级运放电路的反馈电阻R7可以很方便的调整放大倍数。
处理单元3的其他部分的电路原理图如图6所示，处理器采用型号为AT89S51的单片机U7，A/D转换器采用型号为MAX186的A/D转换器U6，存储器采用型号为AT28C64的EEPROM U10，液晶显示器采用型号为LCM045的液晶显示器U11，通过型号为MAX232的电平转换芯片U12扩展串行通信接口，并有按键S1-S6，其中，A/D转换器U6的输入端连接放大电路输出的两个信号A1、A2，经过A/D转换后，通过数据线输出到单片机U7上，单片机U7通过分别数据线、地址线、控制线与EEPROM U10连接，单片机U7通过数据线与液晶显示器U11连接，并且，单片机U7通过电平转换芯片U12扩展串行通信接口J1，用于与上位机进行通信。
按键S1为电源开关，用于控制本装置的供电，按键S2为复位开关，用于复位处理器AT89S51，按键S3-S6为控制按键。
首先，按下按键S1打开电源，若显示屏显示“good”，表示仪器工作正常，然后按下按键S3，用于测试标准板，由于导光光纤采用了“Y”形结构，仪器将根据采用的2片滤光片的中心波长，同时获得标准板在2个波长范围的反射光强度，该测试数据将被立即放入单片机U7内部固定的RAM内；第二步，按下按键S4开始测试叶片，与测试标准板同样，仪器将同时获得叶片在2个波长范围的反射光强度，然后由程序分别根据标准板和叶片的反射光强度，计算出叶片对2个设定波长的反射率；第三步，单片机U7内嵌的模型算法程序，将会根据叶片对2个设定波长的反射率，计算出叶片的含氮量，将该数据显示在显示屏上，并存入外部扩展的EEPROM U10，该EEPROM U10具有掉电保护功能，可在较长时间保存数据；第四步，测试完毕后若要将存储器中的数据读出，则将其与上位机通过串行通信接口J1连接起来，按下按键S6，此时数据便可通过上位机软件读出。若在测试时直接应用上位机，则可按下按键S5，此时显示屏显示“PC”，表示与上位机通讯成功，测试的数据便会在上位机软件中显示，并可以存储。当测试过程中出现错误，则可按按键S2，使单片机U7复位，重新进行测试。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种作物长势实时分析仪，其特征在于包括导光光纤、测量单元、处理单元，所述的导光光纤包括一个收集端，一个以上的出射端，一个以上的出射端分别与测量单元对应的测量接头连接，通过测量单元将导光光纤收集的反射光进行滤光、转换，通过其输出端输出电信号给处理单元，通过处理单元的采集、信号放大、A/D转换、数据处理，得到最终的测量结果。
2.根据权利要求1所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的测量单元至少包括测光接头及带有中心孔的后盖，所述的测光接头一端设有插孔，为接头端，该插孔与导光光纤的出射端连接，另一端设有带入口和出口的测光室，所述的后盖扣合在测光室的出口处，使测光室成为一个封闭的空间，该测光室的入口与插孔相通，在测光室内从入口一端依次设有滤光片、光电器件，且光电器件的信号引出线通过后盖的中心孔引出。
3.根据权利要求2所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的滤光片与光电器件之间设有垫圈。
4.根据权利要求2所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述导光光纤的出射端包括插入端及连接件，通过连接件将插入端固定在测光接头的插孔内。
5.根据权利要求4所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的连接件为与插入端同轴设置的内表面设有螺纹的空心柱体，测量单元的接头端的外表面设有螺纹，连接件通过螺纹连接将插入端固定在插孔内。
6.根据权利要求4或5所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述插入端伸出连接件，当插入到测量单元接头端的插孔中时，该插入端抵至测光室的入口处。
7.根据权利要求1所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的处理单元包括信号放大电路、A/D转换器、处理器、显示器、存储器，所述的信号放大电路的输入与测量单元的输出连接，放大电路的输出与A/D转换器的输入连接，经过A/D转换后输入到处理器，由处理器对输入的数据进行处理，并将处理后的数据输出到显示器中显示，所述的存储器分别通过数据线、地址线、控制线与处理器连接。
8.根据权利要求1或7所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的处理单元还包括一个以上的按键，所述的一个以上的按键分别与处理器连接。
9.根据权利要求7所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的处理器为单片机。
10.根据权利要求1或7所述的作物长势实时分析仪，其特征在于所述的处理单元还包括一个以上的通信接口，所述的通信接口为串行通信接口或USB接口。
全文摘要
本发明公开了一种作物长势实时分析仪，包括导光光纤、测量单元、处理单元，所述的导光光纤包括一个收集端，一个以上的出射端，一个以上的出射端分别与测量单元的测量接头连接，通过测量单元将导光光纤收集的反射光进行滤光、转换，通过其输出端输出电信号给处理单元，通过处理单元的采集、信号放大、A/D转换、数据处理，得到最终的测量结果。本发明收集作物冠层及其它能反映作物长势的部位的反射光，根据所测作物的不同可以方便的改变测量波长，并且隔绝了外部光的干扰，测量的精度高，同时可以测量多个波长，能够实时对作物长势作出综合判断，而且，本发明提供的装置操作简单、安全，成本低，适用范围广。
文档编号G01N21/25GK1710406SQ20041004879
公开日2005年12月21日 申请日期2004年6月18日 优先权日2004年6月18日
发明者李民赞, 张喜杰, 汪懋华, 张彦娥, 赵朋 申请人:中国农业大学