一种烟叶氮素速测仪装置及其氮素含量计算方法与流程

本发明属于智慧农业领域，涉及一种快速测量测量烟草种植中氮素含量的手持式测量装置及氮素含量计算方法。

背景技术：

1、作物生长需要多种营养元素，而氮素尤为重要。氮是限制植物生长和形成产量的首要因素，而且对改善产品品质也有明显作用。氮是叶绿素的组成成分。植物生长需要进行光合作用，而叶绿素是光合作用必不可少的关键。绿色植物有赖于叶绿素进行光合作用，而叶绿素a和叶绿素b中都有氮素。当植物缺氮时，体内叶绿素含量下降，叶片黄化，光合作用减弱，产量明显降低。烟叶生长过程中，需要经常监测叶片的氮含量，推断烟叶的生长状况。

2、现有技术中，测量叶片氮含量的简单方法是烟农通过目测判断，精确的方法是通过凯氏定氮法等化学方法测量。前者依赖于烟农的经验水平，且无法精确量化；后者对烟草叶片有损伤，且实验室的测量周期长，设备要求高。

技术实现思路

1、针对上述问题,本发明提供了一种烟草叶片氮素含量的手持式快速测量仪器，可以快速测量烟草叶片的氮素含量。

2、本发明的烟叶氮素速测仪装置，包括控制模块、半封闭光强测量模块、输入和输出显示模块和仪器机壳。

3、控制模块1包括输入接口11、微处理器12及输出接口13，微处理器12的输入端通过输入接口11与按键模块31连接，微处理器12的输出端通过输出接口13与液晶显示模块32、tf存储卡模块33，微处理器12的控制端通过输入接口11和输出接口13与光源模块123、光源模块224、光强传感器25、光强传感器26连接。

4、所述半封闭光强测量模块2包括圆柱遮光罩121、圆柱遮光罩222、光源模块123、光源模块224、光强传感器25、光强传感器26、传感器支架27，圆柱遮光罩121与圆柱遮光罩222并列排放固定在仪器机壳4上且内部与仪器机壳4连通，光源模块123和光源模块223固定在仪器机壳4中，通过输入接口11与控制模块1连接，且光源模块123与圆柱遮光罩121相通，光源模块224与圆柱遮光罩222相通，光强传感器25和光强传感器26焊接在传感器支架27上，通过输入接口11与控制模块1连接，传感器支架27固定在圆柱遮光罩21和圆柱遮光罩22的接触中部位置，两侧分别伸入圆柱遮光罩21和圆柱遮光罩22中。

5、所述输入和输出显示模块3包括按键模块31、液晶显示模块32、tf存储卡模块33，按键模块31通过输入接口11与控制模块1连接，液晶显示模块32和tf存储卡模块33通过输出接口13与控制模块1连接。

6、作为优选，第一光源模块、第二光源模块分别固定在机壳内的第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩底部，第一光源模块为蓝色led光源外加中心频率为488nm、带宽为10nm的光学窄带滤波片构成，第一光源模块为红色led光源外加中心频率675nm、带宽为10nm的光学窄带滤波片构成，这种光源结构保证了特定波长光线的波长精度和光源强度，而第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩的结构保证了测量系统不受外界环境光的影响。

7、作为优选，所述半封闭光强测量模块的第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩由空心圆柱状不透光黑色亚克力管构成，内部敷设有不反光材料。

8、作为优选，第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩并列固定在一起，下面1/3部分嵌入到仪器机壳内部。

9、作为优选，传感器支架为pcb板，固定第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩中间，分别伸入第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩内部，各有2个16位高精度光强传感器芯片分别焊接在固定第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩的传感器支架的正反面，分别用来测量在两种波长光强的直射光强和反射光强，两种光强的测量在第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩内独立完成，互不干扰，并且可以同时测量，保证了测量精度。

10、仪器采用手持式设计，通过按键模块控制，可一键测量，测量结果在液晶显示模块中显示，并可将测量数据存储在存储卡中，便于后期的数据分析处理。

11、本发明还公开了一种烟叶氮素含量计算方法，基于上述的烟叶氮素速测仪装置，通过测量的488nm、675nm可见光的直射光强和反射光强后，利用计算方法：

12、y＝21.476+147.634rb-576.302rr

13、计算出氮素含量，其中rb为波长为488nm可见光在烟草叶片上的反射率，为rr为波长为675nm可见光在烟草叶片上的反射率。

14、本发明的优点和效果在于：

15、1、打破了当前烟草叶片氮素养分测定对化学方法的依赖，填充了该领域速测技术产品空白，提升了测定效率，为大田烟草叶片氮素养分获取提供了一种便捷高效的应用工具，具有较好的经济效益和社会效益。

16、2、利用不同氮素含量的烟草叶片对某些特定波长光谱反射率不同的原理，依据构建的烟草叶片对两种特定波长光谱反射率与叶片氮含量的定量关系模型，实现大田烟草叶片氮含量的无损快速测量。

17、3、传统测量方法需要将叶片采摘取样后，到实验室用化学方法测定，时间长，速度慢。本测量仪将叶片放在手持仪器的遮光罩前，按键后1秒内即可测量出结果，携带方便，对叶片没有损伤，操作便捷，测量速度快。

18、4、本测量仪的光源采用特定波长led，加光学窄带带通滤波片的方法产生。这种方法保证了测量用的光源波长频率在特定波长频率10nm以内，且滤波片的透过率大于90％，有效保证了光源波长频率的精度和光源强度。

19、5、本测量仪在结构上将光源内置于遮光罩一侧，被测叶片放置在遮光罩的另一侧，通过遮光罩形成一个不透光的密闭光学测量环境，有效避免了环境光照的影响。

20、6、经济效益和社会效益：本测量仪对使用人员的知识水平和知识结构没有特定要求，经过简单介绍后即可操作测量，从lcd显示屏中可以直接显示当前所测量的叶片氮素含量。测量仪推广给烟草种植农民使用后，可以作为烟叶生长状况监测的一种有效工具。此外本测量仪是针对烟草叶片氮素含量专门设计的便携式手持测量仪器，与动辄几十万的非专用测量仪器相比，价格便宜。日常使用中，除需要给电池充电外，没有其他耗材支出。测量过程方便快捷，测量结果准确，日常使用易维护，投入使用后可产生可观的经济效益和社会效益。

21、本发明操作简单，可行性高，实用性强，具有良好的应用市场。

技术特征：

1.一种烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，该装置包括控制模块(1)、半封闭光强测量模块(2)和输入和输出显示模块(3)；

2.根据权利要求1所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述第一光源模块(23)为蓝色led光源外加中心频率为488nm、带宽为10nm的光学窄带滤波片，所述第二光源模块(24)为红色led光源外加中心频率675nm、带宽为10nm的光学窄带滤波片。

3.根据权利要求2所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述光强传感器(25)焊接在第一圆柱遮光罩(21)内的传感器支架(27)正反面、所述光强传感器(26)焊接在第二圆柱遮光罩(22)内的传感器支架(27)的正反面，以测量第一圆柱遮光罩(21)和第二圆柱遮光罩(22)内不同波长光源发出的直射光线光强和叶片表面的反射光线光强。

4.根据权利要求2所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述输入和输出显示模块(3)包括按键模块(31)、液晶显示模块(32)和tf存储卡模块(33)，所述按键模块(31)通过输入接口(11)与控制模块(1)的输入端连接，所述液晶显示模块(32)和tf存储卡模块(33)通过输出接口(13)与控制模块(1)的输出端连接。

5.根据权利要求2所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述烟叶氮素速测仪装置还包括仪器机壳(4)，所述第一圆柱遮光罩(21)与第二圆柱遮光罩(22)并列排放固定在仪器机壳(4)上，部分嵌入仪器机壳(4)内且内部与仪器机壳(4)连通。

6.根据权利要求5所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，根据权利要求6所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述第一光源模块(23)和第二光源模块(23)固定在仪器机壳(4)中，具体为，第一光源模块(23)固定在第一圆柱遮光罩底部，与第一圆柱遮光罩(21)相通；第二光源模块(24)固定在第二圆柱遮光罩(22)底部，与第二圆柱遮光罩(22)相通。

7.根据权利要求5所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述第一圆柱遮光罩和第二圆柱遮光罩为空心圆柱状不透光黑色亚克力管，内部敷设有不反光材料。

8.根据权利要求2所述的烟叶氮素速测仪装置，其特征在于，所述传感器支架(27)的材料为pcb板。

9.一种烟叶氮素含量计算方法，其特征在于，根据权利要求2至8任意一项所述的烟叶氮素速测仪装置，通过测量的488nm、675nm可见光的直射光强和反射光强后，利用计算方法：

技术总结
本发明公开了一种烟叶氮素速测仪装置及其氮素含量计算方法，利用不同氮素含量的烟草叶片对某些特定波长光谱反射率不同的原理，依据构建的烟草叶片对两种特定波长光谱反射率与叶片氮含量的定量关系模型，实现烟草叶片氮含量的无损快速测量。装置通过安装在两个独立遮光罩内的特定波长LED光源，同时分别照射在待测烟叶叶片上；用高精度光强传感器测量出直射光强和反射光强，通过计算方法公式计算出被测烟草叶片样品的氮素含量。本发明为手持式测量装置，测量过程方便快捷，测量结果准确，日常使用易维护，投入使用后可产生可观的经济效益和社会效益。

技术研发人员：郭婷,李文,李武进,陈夏晔,余金龙,范光奖,李林吉,何志红
受保护的技术使用者：湖南省烟草公司郴州市公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22