专利名称：一种便携式测定仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及植物检测技术领域，特别地，涉及一种便携式测 定仪。
背景技术：
肥料既是植物的营养源，又是农业生态系统中的污染源。施氮过 多，容易造成地下水的污染。我国很多地区处于干單状态，水分的精 确管理具有重要意义。为了实现对植物肥水的精确管理，首先需要获 知植物的养分水分状况。
通过对植物叶片进行检测，可以直接反映植物的营养状况和水分 状况。上述的对植物叶片进行检测主要是利用近红外光谱技术检测植 物叶片的养分、水分等状况，且对植物叶片进行检测的方法具有快速、 无损、样品准备简单、单个光谱可进行多种组分分析、无污染等优点。
例如，日本Minolta公司生产的SPAD ( Soil and Plant Analyzer Development)叶绿素计，和美国研制的手持式冠层长势仪Greenseeker 等基于透射或反射光谱的原理进行植物养分检测的仪器已经被广泛 应用在农业研究和生产中，由于植物品种不同、生长期发生变化， SPAD叶绿素计只能给出一个反应植物叶片绿色程度的相对值，无法 给出针对具体植物具体生育期的叶绿素和氮素含量准确值，需要根据 具体植物具体生育期进行二次建模分析。由于植物肥水耦合作用，植 物的养分和水分吸收相互影响，单独知道一项指标无法给出精确的肥 水指导；也就是说，所述叶绿素计和手持式冠层长势仪只能对植物叶 片色素含量进行检测，即为单一检测植物叶片色素的仪器。
现有技术中检测植物水分的仪器很多，例如中国专利公开号 200620171018.9公开了水分测定仪，该水分测定仪含有场效应管、表头、电源和两个探头，场效应管的漏极一路通过表头与电源正极相连， 另一路通过一个开关和一个电阻亦与电源正极相连，电源正极与地之 间串接有两个电阻，该两电阻的连接点与场效应管的源极相接；场效 应管的控制极的一路依次通过一个二极管和一个电阻与地相连接，另 一路通过一个电阻和一个二极管与一个探头相连，而另一个探头则于 电源正极相连接，该实用新型可以测量植物水分，且节省时间、提高 工作效率，但是，其缺点为只能单一检测植物水分。
因此，目前本领域技术人员迫切需要发展出 一种能够同时检测植 物叶片叶绿素、氮素、水分的并能够为小麦肥水诊断提供充分依据的 仪器。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种同时检测植物叶片叶绿素、氮素、 水分的含量，并能够为小麦肥水诊断提供充分依据的便携式测定仪。
为达到上述目的，本实用新型公开了一种便携式测定仪，包括 微机，连接于微机并用于釆集待测叶片透过光强检测芯片，还包括 弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、 940nm、 660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分 别为980nm、 940nm、 655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所 述上臂的滤光片架上；所述下臂包括所述检测芯片。
优选地，所述上臂上固定有用于遮挡环境光的中空的遮光罩。
优选地，所述三个光源为轮流发光的光源。
优选地，所述检测芯片为一个，并相应于光源位置固定于所述下 臂的上表面；或相应于光源位置固定于所述下臂的上表面的三个检测 芯片。
优选地，所述微机包括
用于控制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微 控制器控制的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的显示单元，用于控制微机的连接于所述微控制器的操作单元。
优选地，所述微机还包括连接于所述微控制器的信号放大调解
单元，用于将所述测量数据导出的串口通讯单元。 优选地，所述光源为发光二极管。 优选地，所述遮光罩为黑色橡胶制作。
优选地，所述滤光片的带宽10nm。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点
首先，本实用新型通过940nm、 650nm发光二极管发光，检测两 个光源照射叶片后的透过光强，计算SPAD值。SPAD值可以反映植物 氮素含量，植物叶绿素含量；因为叶绿素含量、氮素含量和SPAD值 呈线性关系，故可以对植物叶片直接进行测量，获取叶绿素含量，植 物氮素含量。
其次，由于975nm处叶片水分吸收特征相比于945nm处，叶片色 素、干物质等光谱吸收系数变化可以忽略，但水分吸收系数从945nm 处的0值变化到0.31 (cm"或g/cm,,因此利用975nm和945nm波长叶片
透过光强可以反演叶片水分含量。
再者，本实用新型不仅可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿
素、氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据；还可以进行参 数下载和数据上传，这样可以扩大测量品种和生育时期的测量范围， 使测量值更加准确，同时有利于后期数据分析应用。
图l是本实用新型 一种便携式测定仪的结构示意图2是本实用新型一种便携式测定仪的滤光片架的结构示意图3是本实用新型一种便携式测定仪的检测的流程图4是本实用新型一种便携式测定仪的俯视图5是本实用新型的微机的结构示意图6是本实用新型的微机的驱动单元的电路结构图；图7是本实用新型的微机的串口通讯单元的的电路结构示意图； 图8是本实用新型一种便携式测定仪使用的光电转换芯片的电路 结构示意图9是本实用新型微机的操作单元的电路结构示意图10A和图10B是本实用新型一种便携式测定仪使用的电源单元
电路结构示意图il是本实用新型一种便携式测定仪使用的显示单元的接口电 路结构示意图12是本实用新型微机的流程示意图。
图中1、发光二极管；2、滤光片；3、滤光片架；4、上臂；5、 下臂；6、光电检测芯片；7、遮光罩；8、待测叶片；9、弹簧；10、 夹臂；11、液晶显示器；12、键盘；13、串口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
在植物研究领域，650mn红光是叶绿素敏感波段同时胡萝卜素对 此波段影响很小，940nm近红外光基本不受色素影响，而且透过光强 只受叶片结构影响，因而，上述红光和近红外光相除，并进行归一化 处理可以消除植物叶片厚度对测量值的影响。
另外，需要进行说明的是，SPAD值可以反映植物叶绿素含量， 植物氮素含量；且已经被广泛应用于植物叶绿素、氮素水平的检测。 其中，叶绿素含量、氮素含量分别和SPAD值呈线性关系，但不同植 物以及同 一植物的不同生育阶段通过SPAD值反演叶绿素含量、氮素 含量的比例系数是不同的，可以在测量前通过本实用新型的 一种便携 式测定仪的串口把对应于植物种类和生育期的已知的比例系数下载 到微控制器中再进行相关测量。
本实用新型首先获取待测叶片的比例系数，由650nm、 940nm的 发光二极管发光，检测所述发光二极管照射待测叶片后的透过光强，计算SPAD值。进而获得待测叶片的叶绿素含量、氮素含量。
由于975nm叶片水分吸收特征处相比于945nm处，叶片色素、干 物质等光谱吸收系数变化可以忽略，但水分吸收系数从945nm处的0 值变化到0.31 (cm"或g/cm勺，因此利用975nm和945nm波长叶片透过 光强可以反演叶片水分含量。
本实用新型的核心构思在于，利用待测的小麦叶片的可见光和近 红外透射光谱反演小麦叶绿素、氮素、水分含量，即使用三个发光二 极管灯泡分别为中心波长970nm、 940nm、 660nm。光源发出的光分 别经过对应的三个滤光片(该滤光片的的峰值波长为980nm、 940nm、 655nm;带宽为10nm),然后经过待测叶片到达光电检测芯片；通过 650rnn、 940nm的发光二极管发光，检测两个光源照射叶片后的透过 光强，计算SPAD值，进而得到叶绿素、氮素含量，并利用975nm和 945nm波长检测待测叶片的透过光强可以反演得到叶片水分含量。 实施例l
本实用新型的一种便携式测定仪，该测定仪包括弹簧连接的上臂 和下臂，该上臂上固定有波长分别为970nm、 940nm、 660nm的三个 光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、 940nm、 655mn滤光片，所述滤光片放置于固定连接于上臂的滤光片架上；所 述下臂包括 一用于釆集待测叶片透过光强的检测芯片；所述检测芯片 连接一微机，且所述检测芯片为光电检测器，可以将光信号转换为电 信号，传输至微机进行数据处理。
所述微机用于分析和处理数据，可以是本领域技术人员所熟悉的 现有技术中的任何一个操作及处理过程；或该微机可以包括用于控 制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微控制器控制 的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的显示单元， 用于控制微机的连接于所述微机的微控制器的操作单元。
优选地，所述微机还包括连接于所述微控制器的信号放大调解单元，用于将所述测量数据导出的串口通讯单元。
本实施例的优点是可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿素、 氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据；并且还可以进行参 数下载和上传测量数据。
实施例2
参考图1和图2，为本实用新型一种便携式测定仪的结构示意图和 滤光片架的结构示意图；如图l所示，该测定仪包括上臂4、下臂5、 以及连接上臂4、下臂5的弹簧9;在未进行测量的状态下，上臂4、下 臂5是张开的，测量时需夹紧上下臂，待测量完成后，由于弹簧9弹性 的作用上臂4、下臂5自然张开。
在本实施例中，上臂4内装有三个光源，该光源为发光二极管l, 该发光二极管的中心波长为970nm、 940nm、 660nm;相对应的带宽 为50nm、 50nm、 20nm。发光二极管下面是一个固定的滤光片架3， 如图2所示，上面嵌有三个滤光片2，相应于所述光源波长的三个滤光 片的峰值波长分别为980nm、 940nm、 655nm，所述滤光片的带宽10nm; 另外，所述上臂4下面固定一个用黑色橡胶制作的遮光罩7，夹持待测 叶片后，可以有效防止环境光干扰；
下臂5内装有一个光电检测芯片6。进行测量时，所述光源l的光 透过滤光片2后，再透过待测叶片8到达检测芯片6。该检测芯片6可以 为一个，也可以为三个，其检测芯片6固定于下臂5，对于发光二极管 光强进行检测，过程是一个一个的光源轮流发光，通过检测芯片6釆 集数据。
所述待测芯片用于采集透过光强，进而通过微机处理数据，其操 作的步骤如图3所示的流程图，具体的操作过程如下步骤
首先执行的步骤是下载参数，即待测叶片对应的比例系数。闭 合上臂、下臂，测量透射的光源强度，获得一组光源强度数据；
执行步骤M01:放入待测叶片，夹紧上臂、下臂，置是否放置准确，若是则执 行步骤M03,否则，重复步骤MOl。
步骤M03:测量其待测叶片对应所述发光二极管的峰值波长 970nm、 940nm、 660nm的透过光强，釆集测量数据；在此过程中， 本实施例使用的是三个发光二极管轮流发光，待测芯片固定于下臂， 每个光源发光二极管发光的中间间隔几十亳秒，对于每一个光源发光 二极管对应的待测叶片的透光光强分别釆集十组数据；
步骤M04:对每一个光源发光二极管的数据进行保存和处理，可 以适合处理数据的一种操作为去除最大和最小值，其余的数据取平均 值，该处求平均值的方法本实施例不加以限定；
步骤M05:根据如下的模型公式(1)和(2)计算，并显示出测 量结果，上传测量结果。
对于本实施例中使用的模型公式(1)和(2)具体为，选用了峰 值波长970nm、 940nm、 660nm，带宽为50nm、 50nm、 20nm的发光二 极管和峰值波长分别为980nm、 940nm、 655nm，带宽10nm的滤光片 组合作为光源，
对应的940nm、 650nm发光二极管光源的透过光强分别对应氮素 的SPAD值和叶绿素的的SPAD值，该SPAD值的计算公式为
其中K:系数；7&:近红外透过光强940nm;顶。近红外光 源光强940nm;红光透过光强650nm; 红光光源光强650nm;
SPAD值可以反映植物叶绿素含量，植物氮素含量；且已经被广 泛应用于植物叶绿素、氮素水平的检测。其中，叶绿素值、氮素值分 别和SPAD值呈线性关系，但由于植物品种的不同、生长阶段的不同， 叶绿素值、氮素值所对应的比例系数是不相同的，因此本实施例中设定了小麦叶片的比例系数，可以通过微机分析测定的小麦叶片的透过 光强获得SPAD值，进而可以得到待测小麦叶片的叶绿素值和氮素值； 相应待测叶片的水分测量公式<formula>formula see original document page 10</formula>
式中^fT:叶片水厚度；^^『7^: 975rim波长辐射等效水厚 度；"为945nm和975nm波长的透光率差值与反射率差值的比值系 数，通过室温下对多种植物进行测量和分析，确定实验值为0.6404; 』:945nm透光率;: 975nm透光率;:水的消光系数，其 中，所述975nm波长对应的水分的消光系数为0.31 g/cm2。
参考图4和图5所示，为本实用新型一种便携式测定仪的俯视图， 以及本实用新型的微机的结构示意图；在本实施例中所述的显示单元 为液晶显示器。其中，图3中外壳前端是光路部分的夹臂10结构，后 面面板上有液晶显示器ll、键盘12和串口13。
如图5所示的微机包括微控制器；包括输入接微控制器，输出
接发光二极管光源的驱动单元，即发光二极管恒流驱动单元； 输入接光电检测芯片，输出接微控制器的信号放大调解单元；
输入接微控制器的液晶显示器，对应于图3所示的俯视图中的液
晶显示器的ii;
输出接微控制器的键盘单元；
输入接微控制器，输出接上位计算机的串口通讯单元，对应于连 接图4所示的俯视图中的串口13;
输出接微控制器、发光二极管恒流驱动单元的电源单元(图5中 未示出)。
参考图6，为本实用新型的微机的驱动单元的电路结构图；即发 光二极管恒流驱动电路，ULN2003达林顿管阵列集成芯片U2输入接微控制器型号为MSP430单片机U101 (图中未示出)相对应的P4.0、 P4.1、 P4.2、 P4.3引脚，以提高微控制器引脚电流驱动能力。由微控 制器MSP430单片机的引脚控制发光二极管的亮灭，输出高，发光二 极管导通，发光二极管亮；输出低，发光二极管截至。本实施例中， 一共四路驱动电路，并且，每一路的驱动过程和连接关系都相同或相 应的，故在本实施例中以一种驱动电路为例进行说明。型号LM324 运算放大器U1和三极管组成反馈电路达到恒流效果，图6中的可调电 阻用于调节恒流源电流大小；另外，可以看出的是型号为LM336的基 准电压U3为运算放大器U1提供2.5V基准电压。
参考图7，为本实用新型的微机的串口通讯单元的的电路结构示 意图；即串口通讯单元电路图；串口的2、 3引脚接型号为SP3223串口 电平转换芯片U401的16、 17引脚。U401的13、 15引脚接微控制器型 号为MSP430的单片机U101的P3.4、 P3.5引脚。且所述串口电平转换 芯片U401为智能串口芯片可以具有自动掉电和唤醒功能，实现三态/ 场效应管的电平转换，即可以完成TTL/COMS到RS232的电平转换。 发光二极管的连接端连接到U401的11引脚，用于显示当前是否正在进 行通讯的状态显示。
参考图8，为本实用新型一种便携式测定仪使用的光电转换芯片 的电路结构示意图；当使用多个光源/发光二极管交替发光时，需要
进行光源切换，本实施例中使用三个光源，进而需要对发光的光源进
行切换；其中，型号为OPT101的光电转换芯片JP701的引脚中的3脚 和8脚之间连接可调电阻器，用于调整芯片光电转换放大倍数。8脚同 时接到微控制器型号为MSP430单片机U101的P6.0脚，进行A/D转换。 参考图9，为本实用新型微机的操作单元的电路结构示意图；或 为本实用新型使用的的键盘电路图。五个按键组成2x3矩阵，连接到 12C接口芯片U301的6、 7、 9、 10、 ll引脚，U301的13、 14、 15引脚 连接到单片机U101的P1.4、P3.1、P3.3引脚。当有按键按下时，PCF8574就会产生中断信号，同时微控制器响应中断，调用中断子程序，扫描
键盘，并返回键值。
参考图10A和10B，为本实用新型一种便携式测定仪使用的电源
单元电路结构示意图；通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压 器U201将9V电池电压降到5V,再通过型号SPX1117M3-3.3的低压差 线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。由5V和3.3V为本实施例中的测 定仪提供电电压。
参考图ll,为本实用新型一种便携式测定仪使用的显示单元的接 口电路结构示意图；型号为CSME-12864的液晶控制单元J101的3、 5、 8、 17、 18脚分别接单片机U101的P1.0、 P5.7、 P5.6、 P5.3、 P5.1脚。 3脚为液晶复位控制，5脚是液晶片选信号，8脚是命令和存储器选择 控制位，17、 18脚是时钟和数据线。
需要进行说明的是，本实用新型的测量原理是通过650nm、 940nm 的光源发光二极管发光，检测两个待测叶片被照射后的透过光强，计 算SPAD值，得到待测叶片的叶绿素值和氮素值。由于975nm叶片水 分吸收特征处相比于945nm处，叶片色素、干物质等光谱吸收系数变 化可以忽略，但水分吸收系数从945nm处的0值变化到0.31 (cm-1或 g/cm-2)，因此利用975nm和945nm波长检测待测叶片的透过光强可以 反演叶片水分含量。
在实际测量中，由于待测叶片透射光谱连续变化，因此模型波长 点和它附近的波长点的透射率差别很小，考虑到现有技术的元器件供 应和生产实际状况，本实施例选用了峰值波长970nm、940nm、660nm, 带宽为50nm、 50nm、 20nm的发光二极管和峰值波长分别为980nm、 940nm、 655nm,带宽10nm的滤光片组合作为光源，其与实际的理论 模型的光源偏差小于5nm,但在实际测量过程中，该波长970nm、 940nm、 660nm的光源能够满足仪器精度要求，本实用新型不对此进 行限定和进行特殊要求，其波长能够满足测量的需要即可。参考图12，为本实用新型一种便携式测定仪的微机操作的流程示
意图；其所述操作步骤具体如下
步骤S01:对所有的电路的各个功能单元进行初始化，该步骤为 启动本仪器后内部电路自动完成；
步骤S02:显示开机界面，即显示该仪器名称和制作单位； 步骤S03:执行打开中断，该步骤为本仪器的开机界面显示之后 内部电路自动完成的一搡作； 步骤S04:显示搡作界面；
步骤S05:等待键盘中断，若有键盘中断操作出现时，执行步骤 S06,否则，返回并执行步骤S04;该步骤为本仪器的操作界面显示之 后内部电路自动完成的一操作；
步骤S06:分析键值进而调用相对应的子程序，如删除程序的 操作、测量、查看、标定、以及上传等操作步骤，最后搡作完成，返 回操作界面。
本说明书中的各个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同 之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。并且，对于前 述的各流程图实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作 组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动 作顺序的限制，且说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉 及的动作和单元并不一定是本实用新型所必须的。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限 制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范 围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案 也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求 限定。
权利要求1、一种便携式测定仪，包括微机，连接于微机并用于采集待测叶片透过光强检测芯片，其特征在于还包括弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所述上臂的滤光片架上；所述下臂包括所述检测芯片。
2、 如权利要求l所示的测定仪，其特征在于，所述上臂上固定有 用于遮挡环境光的中空的遮光罩。
3、 如权利要求l所示的测定仪，其特征在于，所述三个光源为轮 流发光的光源。
4、 如权利要求3所示的测定仪，其特征在于，所述检测芯片为一 个，并相应于光源位置固定于所述下臂的上表面；或相应于光源位置 固定于所述下臂的上表面的三个检测芯片。
5、 如权利要求4所示的测定仪，其特征在于，所述微机包括 用于控制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微控制器控制的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的 显示单元，用于控制微机的连接于所述微控制器的操作单元。
6、 如权利要求5所示的测定仪，其特征在于，所述微机还包括连接于所述微控制器的信号放大调解单元，用于将所述测量数据导出 的串口通讯单元。
7、 如权利要求l、 2、 3、 4或5所示的测定仪，其特征在于，所述 光源为发光二极管。
8、 如权利要求2、 3或4所示的测定仪，其特征在于，所述遮光罩为黑色橡胶制作。
9、 如权利要求l、 2或3所示的测定仪，其特征在于，所述滤光片 的带宽10nm。
专利摘要本实用新型涉及一种便携式测定仪，包括微机，连接于微机并用于采集待测叶片透过光强检测芯片，另外还包括，弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所述上臂的滤光片架上；所述下臂包括所述检测芯片；该测定仪可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿素、氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据。
文档编号G01N21/31GK201311393SQ20082012474
公开日2009年9月16日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者渤 于, 刘良云, 刚 孙, 明 孙, 杨贵军, 韩书庆, 黄文江 申请人:中国农业大学