专利名称：植物三维空间坐标数字化仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属农业仪器领域，可用于植物三维空间坐标的测量、显示、数据存储和传输。
背景技术：
虚拟植物，就是应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，主要特征为以植物个体为研究中心，以植物的形态结构为研究重点，所建立的模型是三维的，以可视化的方式反映植物的形态结构规律，建立具有真实感的植物个体或群体。虚拟植物系统的应用相当广泛，在理论研究上可以研究植物生长性能和分析形态结构，在农业生产上可用于预测环境条件对作物生长的影响，在病虫害防治方面可用于模拟植物与昆虫间的交互影响，在植物生理方面可用于研究植物的生长过程机理并测试各种假说，也可以用于电脑辅助教学和景观设计等方面。
常用的虚拟植物三维数字化方法可大致分为以下几类1、使用量角器和长度测量工具，测量植株分枝的方位角、夹角、茎杆叶片相对距离和叶片自身尺寸等数据，并根据这些数据构建植物的三维虚拟模型。这种方法费时费力，测定精度难以满足要求，已较少有使用者。2、应用机器视觉原理，通过图像获取方法取得植物的各种特征数据，依据植物的特征数据建立植物的三维虚拟模型。目前由于机器视觉的数据分析处理方法和支持设备的限制，这种方法工作量小但数据处理方法还不成熟，只能进行一些简单的模型构建工作。3、在植物上选定一些能描述其形态结构的特征点，获取其在三维坐标系中的坐标值，就能方便地计算分枝的倾角与方位角、叶片的几何形状等，可快速、精确地根据植物的空间坐标数据构建植物的三维虚拟模型。这种方法工作量适中，可精确地构建植物的三维模型，使用者较多。4、采用激光技术、雷达技术、声学技术等新技术获取植物特征信息，从而构建植物的三维虚拟模型。这些技术正处在研究过程中，目前还没有在实际中使用。
发明内容
本实用新型的目的，是推出一种能够精确测量植物三维空间坐标并进行数字化处理、具有数据显示、存储和RS232串行通讯接口等功能、安装使用方便、操作简单植物三维空间坐标数字化仪。
植物三维空间坐标数字化仪，由精密角度传感器(1)、测量臂(2)、测量臂底座(3)、信号线(4)、电源接口(5)、由单片机及其外围电路构成的控制模块(6)、显示驱动模块(7)、按键和拨码盘检测模块(8)、串行通讯接口(9)、模数转换模块(10)、模拟开关(11)、电路板(12)、液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)和仪器箱(16)共同组成；4条测量臂(2)通过3个精密角度传感器(1)连接在一起，再通过1个可水平方向旋转的精密角度传感器(1)连接在测量臂底座(3)上，传感器角度信号通过信号线(4)送入仪器箱(16)；由单片机及其外围电路构成的控制模块(6)、显示驱动模块(7)、按键和拨码盘检测模块(8)、串行通讯接口(9)、模数转换模块(10)、模拟开关(11)焊接在电路板(12)上，电路板(12)用螺丝固定在仪器箱(16)的内部；液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)固定在仪器箱(16)的前面板上，前面板用螺丝固定在仪器箱(16)的前部，前面板上的液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)与电路板(12)之间用电缆线连接。其实物结构正视图见图1。
植物三维空间坐标数字化仪，电路部分由单片机8031、程序存储器2764、数据存储器6264、数据存储器掉电保护电路TL7705、模数转换器ICL7135、模拟开关4052、显示驱动电路8255和附属器件74LS04、74LS07、按键状态和拨码盘监测电路74LS244、精密角度传感器及信号调理电路、RS232串行通讯电路共同组成；单片机8031和程序存储器2764内的软件作为整个系统的控制核心，数据存储器6264、模数转换器ICL7135、显示驱动电路8255和拨码盘按键状态监测电路74LS244通过并行数据总线连接到8031，RS232串行通讯接口通过扩展芯片MAX232连接在8031的串口上，4路角度传感器输出信号经AD620放大调理后连接模拟开关4052，切换后送到模数转换器输入端进行模数转换，直流+5V、-5V电源用来满足信号处理的需求。其系统电气组成结构示意图见图2，原理图见图3。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案选用4个电阻型精密角度传感器结合测量臂和底座，构成植物三维空间坐标数字化仪的机械测量部分，测量出1个可水平方向转动的传感器角度值φ和可3个可任意方向转动的角度传感器值α、β、γ，通过数字化仪内部信号处理和数据计算得出探针所处植物部位的三维空间坐标，通过移动探针可测量出整株植物或植物群落的各特征点的数据。单片机选用51系列产品8031，通过P0口和P2口外扩8K程序存储器2764和2个8K数据存储器6264，用来存储程序和数据，数据存储器掉电保护电路TL7705保证系统掉电后数据不丢失，以上各部分作为整个系统的核心控制模块；4路精密角度传感器输出信号经AD620放大调理后送往模拟开关4052，8255的C口控制模拟开关4052的通道选择，经选择切换后的传感器信号送到14位模数转换器ICL7135输入端进行模数转换，转换结果送CPU；串口使用MAX232扩展成RS232接口，实现与计算机的数据传输；显示驱动电路8255的A口、B口和附属的74LS04、74LS07驱动液晶显示器，用来显示测量数据、正在进行的各种操作、错误提示代码等；按键状态和拨码盘监测电路74LS244通过并行数据总线连接到8031，用来监测按键和拨码盘的状态，并依次进行各种操作；直流+5V、-5V电源用来满足信号处理的需求。
本实用新型的有益效果1、可精确测量植物三维空间坐标并进行数字化处理。
2、测量数据可通过串行通讯接口送往计算机新成数据库，方便三维建模使用。
3、测量范围达到2×1.5×1.5米，精度小于±1毫米，可满足大部分植物的测量需求。
4、所使用精密角度传感器长期性能稳定且线性好，整个系统可在高温高湿等恶劣环境中长期稳定地工作。
5、探针部分、底座部分和仪器面板部分同时设有主要功能按钮，方便用户的不同操作方式。
6、整个系统的供电留有220V交流电接口、9-24V直流接口、太阳能板和蓄电池接口，在野外工作时可由太阳能板或蓄电池供电。
图1是本实用新型的实物结构正视示意图。
图2是本实用新型的系统组成结构示意图。
图3是本实用新型的原理图。
具体实施方式
如图1所示，植物三维空间坐标数字化仪的机械测量部分由4个电阻型精密角度传感器(1)、4个臂长50cm的测量臂(2)、固定机械部分用的测量臂底座(3)和信号线(4)组成，通过精密角度传感器(1)固定在测量臂底座(3)上的测量臂可在水平方向转动，从而测量出该传感器的角度值φ，其他3个可任意方向转动测量臂(2)可带动精密角度传感器(1)测量出传感器的角度值α、β、γ，各传感器的测量信号通过信号线(4)送入仪器箱(16)处理；充当探针的最前端的测量臂(2)和测量臂底座(3)上，安装方便用户使用的手按式或脚踏式操作按钮，按钮控制信号通过信号线(4)送入仪器箱(16)处理。
液晶显示器(13)由8位笔段式液晶块组成，用来轮流显示计算出测量点的空间坐标X、Y、Z值及此测量点和上一个测量点之间的坐标差值dX、dY、dZ，同时还显示用户操作信息和错误代码；显示驱动模块(7)由8255的A口、B口和附属的74LS04、74LS07组成，用来驱动各液晶块的显示。
按键和拨码盘检测模块(8)的监测电路由1片74LS244通过并行数据总线连接到8031，用来监测拨码盘(15)设置的工作模式、测量臂(2)和测量臂底座(3)上安装的手按式或脚踏式操作按钮的操作信息和仪器箱(16)的前面板上的按键(14)的操作信息，并依次调整程序的运行并作出相应的反应。
通过信号线(4)送入仪器箱(16)的各传感器的测量信号为电压信号，该信号用运算放大器AD620调理成介于±5V范围内的信号后送模拟开关(11)，模拟开关4052选择需调理后的传感器信号后送到模数转换模块(10)内的14位模数转换器ICL7135输入端进行模数转换，转换结果送CPU。
单片机选用51系列产品8031，通过P0口和P2口外扩8K程序存储器2764和2个8K数据存储器6264，用来存储程序和数据，数据存储器掉电保护电路TL7705保证系统掉电后数据不丢失；串口使用MAX232扩展成RS232接口，实现与计算机的数据传输；电源接口(5)把外部连接的220V交流电或9-24V直流电源转换成直流+5V、-5V电源用来满足系统和信号处理的需求。
权利要求1.植物三维空间坐标数字化仪，其特征是由精密角度传感器(1)、测量臂(2)、测量臂底座(3)、信号线(4)、电源接口(5)、由单片机及其外围电路构成的控制模块(6)、显示驱动模块(7)、按键和拨码盘检测模块(8)、串行通讯接口(9)、模数转换模块(10)、模拟开关(11)、电路板(12)、液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)和仪器箱(16)共同组成；4条测量臂(2)通过3个精密角度传感器(1)连接在一起，再通过1个可水平方向旋转的精密角度传感器(1)连接在测量臂底座(3)上，传感器角度信号通过信号线(4)送入仪器箱(16)；由单片机及其外围电路构成的控制模块(6)、显示驱动模块(7)、按键和拨码盘检测模块(8)、串行通讯接口(9)、模数转换模块(10)、模拟开关(11)焊接在电路板(12)上，电路板(12)用螺丝固定在仪器箱(16)的内部；液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)固定在仪器箱(16)的前面板上，前面板用螺丝固定在仪器箱(16)的前部，前面板上的液晶显示器(13)、按键(14)、拨码盘(15)与电路板(12)之间用电缆线连接。
2.如权利要求1所述的植物三维空间坐标数字化仪，其特征在于电路部分由单片机8031、程序存储器2764、数据存储器6264、数据存储器掉电保护电路TL7705、模数转换器ICL7135、模拟开关4052、显示驱动电路8255和附属器件74LS04、74LS07、按键状态和拨码盘监测电路74LS244、精密角度传感器及信号调理电路、RS232串行通讯电路共同组成；单片机8031和程序存储器2764内的软件作为整个系统的控制核心，数据存储器6264、模数转换器ICL7135、显示驱动电路8255和拨码盘按键状态监测电路74LS244通过并行数据总线连接到8031，RS232串行通讯接口通过扩展芯片MAX232连接在8031的串口上，4路角度传感器输出信号经AD620放大调理后连接模拟开关4052，切换后送到模数转换器输入端进行模数转换，直流+5V、-5V电源用来满足信号处理的需求。
专利摘要本实用新型属农业仪器领域，植物三维空间坐标数字化仪，由测量臂通过三个精密角度传感器连接在一起，再通过可以水平方向旋转的精密角度传感器连接在测量臂底座上，信号通过信号线传入仪器箱。由单片机及其外围电路构成的控制模块、显示驱动模块、按键和拨码盘检测模块、串行通讯接口、模数转换模块、模拟开关焊接在电路板上，液晶显示器、按键、拨码盘固定在仪器箱的前面板上，用电缆线连接。可用于植物三维空间坐标的测量、显示、数据存储和传输，从而根据测量的数据构建植物的三维虚拟模型，为农业研究服务。
文档编号G01B7/00GK2763910SQ200420093250
公开日2006年3月8日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者赵春江, 王纪华, 王成, 乔晓军, 张云鹤, 焦春岩 申请人:北京农业信息技术研究中心