便携式植物营养测定仪系统原理设计.doc

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1、便携式植物营养测定仪系统原理设计摘要建立了可以同时检测作物叶片叶绿素、氮素和水分的数学模型。研制了便携式的TYS-3N型植物营养测定仪。结合光谱学原理，设计了由近红外LED光源、窄带干涉滤光片、光电检测芯片以及单片机系统组成的作物叶片叶绿素、氮素、水分检测一体化便携式仪器。避免现有仪器由于叶片位置和测定时间差异导致的作物养分探测误差，可用于作物养分和水分的精细管理。关键词：植物营养测定仪引言养分和水分精细管理是精细农业的重要技术。施氮过多，容易造成地下水的污染…1。我国很多地区处于干旱状态，水分的精确管理具有重要意义。为了实现对作物肥水的精确管理，首先需要获知作物的养分和水分

2、状况。相比于传统的化学检测方法，近红外光谱技术具有快速、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【2]。基于透射或反射光谱的作物养分检测仪器，如浙江托普仪器生产的TYS-A叶绿素测定仪等已经被广泛应用在农业科研和生产中[3--4】，检测土壤水分的仪器很多，但直接检测作物水分的仪器少见报道。由于作物存在肥水耦合作用[5】，相比于单一成分检测，同时检测出作物的养分和水分状况更有利于精细管理。本文设计作物叶片叶绿素、氮素、水分一体化便携式检测仪即植物营养测定仪。可同时测定叶片SPAD(soilandplantanalyzerdevelopment)值、氮含量、水

3、含量，以减少利用不同仪器检测时由于叶片位置及时间差异所引起的误差。1仪器原理和模型1．1SPAD模型SPAD值可以反映植物叶绿素相对含量。已经被广泛应用于作物叶绿素、氮素水平的检测和作物追肥指导。计算式为650am的红光是叶绿素敏感波段，同时胡萝卜素对此波段影响很小㈨；940am的近红外光基本不受色素影响，透过率只受叶片结构影响，利用它们相除进行归一化处理可以消除叶片厚度对测量值的影响。通过650、940am的LED光源发光，检测两个光源透过率，计算SPAD值，通过SPAD值反演作物氮素含量。作物氮素含量和SPAD值呈线性关系，但由于比例系数受作物品种和不同生长阶段影响，因此

4、对不同品种和不同生育期作物，要根据具体品种和生育期在确定参数后进行氮素反演。1．2作物水分反演模型刘良云等[10】发现975nm水分吸收特征处与945nm相比，叶片色素、干物质等光谱吸收系数变化可以忽略(叶绿素吸收系数为零，干物质吸收系数变化不到0．01cm2／g)，但水分吸收系数从945nm处的零变化到0．31cm2／g。推导出了利用975nm和945am波长反演叶片水厚度的公式，并对其进行了验证，相关系数达到了0．8。计算公式为利用975nnl和940am主动光源照射叶片，通过对这两个波段叶片透过率的检测，反演叶片水厚度。达到对叶片水分检测的目的。2硬件设计仪器采用模块化

5、设计。主要由光路、控制器模块、键盘模块、液晶显示模块和串口模块组成。硬件框图如图1所示。2．1主控制器及外围模块控制器采用MSP430F149单片机。是TI公司推出的430系列单片机中应用较广的一种。低功耗，内部存储量大，自带12位AD转换，调试方便，适合作为电池供电的便携式仪器的主控制器。采用12C接口芯片PCF8574扩展引脚，并将PCF8574的中断引脚和MSP430的具有中断功能的P1．4引脚相连。每当有按键按下时，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。考虑到便携仪器低功耗的要求，选用CSME一12864A—D系列

6、低功耗图形点阵模块，控制芯片型号为S17565，采用SPI串行通信接口方式。128×64的液晶模块，每屏可以显示32个16×16的汉字，或者64个8×16的字符，可以满足便携仪器作界面显示的要求。数据通信模块采用SP3223智能串口芯片，有自动掉电和唤醒功能，可以完成TTL／COMS到RS232的电平转换。2．2光路设计光源部分采用发光二极管(LED)加滤光片的方式。LED只需配合恒流源驱动，电路设计简单，而且具有发光稳定、体积小、无污染、寿命长、价格低廉等特点【11】，适宜在便携式仪器中使用。LED2和LED3的带宽不能完全满足仪器要求，为此在LED2和LED3前面安装了滤

7、光片。光路结构如图2所示。光源的稳定性对光谱数据的测量精度有很大影响，因此必须设计稳定的恒流源电路来控制光源发光。以提高仪器信噪比。利用LM336产生基准电压2．5V，通过三极管和ULN2003达林顿管阵列集成芯片提高电流的驱动能力，通过可变电阻可以调节恒流源电流大小，使3个发光二极管透过滤光片照到检测芯片上的光强接近，并且使输出电压略小于模数转换器(ADC)满量程电压，这样可以有效提高测量精度。光电检测器选用BURRBROWN公司的OPTl01芯片，为光强转电压的集成芯片。内带运放电路，可以外接电阻，