基于电容特性的植物叶片含水率无损检测仪

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1、2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．045*基于电容特性的植物叶片含水率无损检测仪1112，3郭文川刘东雪周超超韩文霆(1．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;2．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100;3．西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌712100)摘要:为实现植物叶片含水率的无损和准确检测，利用圆形平行板电容传感器检测植物叶片电容，利用直径为12.7mm的圆形FSＲ

2、402型压力传感器测量平行极板对植物叶片的压力，以MSP430型单片机为微控制器，设计了一种基于植物叶片电容检测其含水率的仪器。以玉米叶片为对象，研究了玉米叶片含水率和极板对叶片的压力对电容的影响规律，选取了极板对玉米叶片的最佳压力，建立了最佳压力下玉米叶片的电容与含水率之间的关系模型，并对模型的可靠性进行了检验。结果表明，玉米叶片的电容随含水率和极板对叶片压力的增大而增大，检测玉米叶片电容的最佳压力为4N。玉米叶片湿基含水率为55%～80%时，所设计检测仪的含水率绝对测量误差为－1.2%～1.7%;在

3、晶振频率为8MHz下检测含水率的响应时间小于3s。关键词:植物叶片含水率压力电容检测仪中图分类号:S24文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0288-06的电容检测含水率的仪器对于植物叶片含水率检测引言仪精度的提高具有重要的作用。水是植物生存的重要条件，植物的水分代谢一本文以玉米叶片为对象，通过试验研究玉米叶［1］旦失去平衡，就会导致植物体生理活动的紊乱。片含水率和极板对叶片的压力对电容的影响规律，植物叶片是植物体进行光合作用、呼吸作用以及蒸腾选取最佳压力;并在最佳压力下，建立玉

4、米叶片电容作用等生理过程的重要器官。叶片含水率能反映植物与含水率的关系模型;进而设计基于MSP430型单［2－4］的含水率和旱情信息。实现植物叶片含水率的无片机的便携式植物叶片含水率无损检测仪。损检测对于研究植物生理和指导抗旱具有重要意义。1叶片含水率检测仪的设计目前植物叶片含水率检测方法主要包括图像处［5－9］理法、微波法、介电法和干燥法等。其中介电法1.1硬件系统总体设计方案因其具有简单、快速和准确的特点，发展较为迅植物叶片含水率检测仪的硬件系统如图1所［10－16］［17］速。栾忠奇等发现干旱胁迫

5、下冬小麦的叶示。该系统主要包括微控制器、电容传感器、电容/片电容与其含水率呈极显著正相关，指出叶片电容频率(C/F)转换电路、压力传感器、压力检测电路、能较灵敏地反映小麦叶片含水率的变化。魏永胜信号调理电路、键盘和液晶显示器等。电容传感器［18］等研究了小麦叶片介电特性与外加电压和频率采集的电容信号，经C/F转换电路和信号调理电路的关系，结果表明小麦幼苗叶片的电容不受测试信后传至微控制器，微控制器根据采集信号的频率计号频率的影响。现有研究为开发依据介电特性检测算出被测样品的电容。压力传感器采集的压力信号

6、植物叶片含水率的仪器提供了理论依据。但是，植经压力检测电路后转换成电压信号，经信号调理电物叶片的电容除受含水率的影响外，极板对叶片的路后送给微控制器，利用微控制器自带的A/D转换［19］压力也是影响电容的主要因素。压力过大，会造器完成模数转换，根据转换后的数字量计算出极板成植物叶片组织的损伤;压力较小，测量的电容变化对叶片的压力。根据后续试验得到最佳压力下电容不明显，灵敏度较低。因此开发一种能够检测极板与含水率的关系计算该植物叶片的含水率，并通过对植物叶片的压力，并在最佳压力下根据植物叶片液晶显示器显示

7、测量结果。收稿日期:2013-11-27修回日期:2014-01-15*“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAD29B08)和高等学校学科创新引智计划(111计划)资助项目(B12007)作者简介:郭文川，教授，博士生导师，主要从事智能化检测技术与装备研究，E-mail:guowenchuan69@126．com通讯作者:韩文霆，研究员，博士生导师，主要从事智能控制精准灌溉技术与装备研究，E-mail:hanwt2000@126．com第10期郭文川等:基于电容特性的植物叶片含水率无损检测仪2

8、89内部有2个16位定时器，1个高速12位A/D转换器，48个I/O口。MSP430的供电电压为3.3V，晶振频率为8MHz，定时器的时钟频率为32.768kHz。前期研究表明，两个频率皆能满足系统的测量要求。图1硬件系统框图本设计中单片机主要实现电容信号和压力信号的采Fig．1Diagramofhardwaresystem集与运算，并控制输入输出设备实现人机交互的功1.2植物叶片夹持结构的设计能。所设计的植物叶片夹持结构由电容传感器、压1