CN100538333C - 便携式植物叶片色素检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式植物叶片色素检测仪，包括半导体二极管发射光源、接收半导体二极管发射光源光信号的接收器、处理接收器输出信号的单片计算机及提供工作电源的电池。本发明可无损检测农作物叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量，获得叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量变化，从而了解外界胁迫条件(如：水分、光照、盐分、微量元素、氮、磷、钾养分等的过量或缺乏)的变化，为采取进一步措施提供参考依据，也可为科学研究提供数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量植物叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量的便携式仪器。
背景技术
精细农业要求能精确掌握气候和土壤的时间和空间演化，以及其对农作物生长的影响，使之能通过肥料、施药等栽培管理手段，进行高效的农业经营与管理，并减少由农业所产生的污染，进而达到提高生产利润、保护生态环境的目标，使农业得以持续、健康的发展。为此，需要对农作物的生长状况进行实时检测，并分析产生不良状况的原因，以便采取相应的措施。传统的采样、样品制备和实验室分析手段对农作物有损害，并且在经济性和实时性方面也存在欠缺。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种可进行无损检测农作物叶片中色素相对含量的便携式植物叶片色素检测仪，通过对叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量变化的检测，了解外界胁迫条件(如：水分、光照、盐分、微量元素、氮、磷、钾养分等的过量或缺乏)的变化，为采取进一步措施提供参考依据。
本发明提供的技术方案是：便携式植物叶片色素检测仪，包括半导体二极管发射光源、接收半导体二极管发射光源光信号的接收器、处理接收器输出信号的单片计算机及提供工作电源的电池。
上述半导体二极管发射光源为多波长半导体二极管发射光源，接收器为波长选择接收器。
上述多波长半导体二极管发射光源主要由译码器、反相器、若干个不同发射波长的半导体二极管及对应的半导体二极管驱动电路、柱面透镜、非球面透镜和多模光纤组成；译码器的输出与反相器输入端相连，反相器输出端与半导体二极管驱动电路输入端相连，半导体二极管驱动电路输出端与对应的半导体二极管相连，半导体二极管的光学输出依次经柱面透镜、非球面透镜进入多模光纤。
上述波长选择接收器主要由准直透镜、滤光片调整盘、与滤光片调整盘传动联接的步进电机、步进电机驱动器、透射波长与半导体二极管发射波长一一对应的若干个滤光片、会聚透镜、硅半导体探测器、前置放大电路组成；多波长半导体二极管发射光源的光学输出依次经准直透镜、滤光片、会聚透镜进入硅半导体探测器，硅半导体探测器的输出端与前置放大电路输入端相连，前置放大电路输出进入单片计算机，步进电机驱动电路的输入接单片计算机的输出，电机驱动电路输出端与步进电机输入端相连，滤光片分布在滤光片调整盘上。
上述滤光片按圆周分布在滤光片调整盘上。
本发明设有叶片夹具，叶片夹具的二个夹臂上分别设有光路连接的准直透镜和会聚透镜，其中，一夹臂上的准直透镜连接多波长半导体二极管发射光源的多模光纤，另一夹臂上的会聚透镜通过多模光纤连接波长选择接收器。
多波长半导体二极管发射光源中半导体二极管为六个，所述六个半导体二极管的工作波长分别为植物叶片长波透过率参考波长950nm、叶绿素a长波端吸收峰660nm、叶绿素a短波端吸收峰430nm、叶绿素b长波端吸收峰640nm、叶绿素b短波端吸收峰460nm和类胡萝卜素吸收峰480nm；对应上述六个半导体二极管的工作波长，波长选择接收器中的滤光片为对应透射波长的六个滤光片。
上述单片计算机主要由主机芯片、数据存储电路、外围扩展电路、键盘、8个LED数码显示管组成；数据存储电路包括EPROM、静态RAM芯片和地址锁存器，外围扩展电路包括A/D转换芯片和键盘/显示器接口芯片，键盘和8个LED数码显示管通过8位地址总线和8位数据总线与键盘/显示器接口芯片相连，主机芯片通过16位复用地址总线和8位数据总线及相应片选信号线与数据存储电路、外围扩展电路相连。
上述电池为整机提供需要的电源。在进行实际探测前，可将定标专用光学透过率薄片夹在叶片夹具的二个夹臂之间进行系统定标和校正。
本发明做成便携式；多波长半导体二极管发射光源、波长选择接收器、单片计算机、电池组成主机，以背包或挎包形式由测量人员携带；叶片夹具由测量人员持于手中通过夹持待测植物叶片进行测量；主机和叶片夹具之间通过两根光纤相连。
单片计算机控制多波长半导体二极管发射光源发射某一波长的调制探测光，同时控制滤光片调整盘调整到同一波长的滤光片上，探测光透过被探测植物叶片后，经过整形、滤光、光电转换处理后，送入单片计算机进行分析和储存，从而获得这一波长的植物叶片透过率；重复这一过程但换用不同的波长，直至完成所有波长的透过率测量，即完成一次完整的植物叶片透过率测量。上述测量步骤可重复进行数次取平均值以提高探测精度。通过上述测量步骤可获得叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量变化，从而了解外界胁迫条件(如：水分、光照、盐分、微量元素、氮、磷、钾养分等的过量或缺乏)的变化，为采取进一步措施提供参考依据，也可为科学研究提供数据。
附图说明
图1是本发明中测量植物叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量的便携式仪器原理框图；
图2是本发明中多波长半导体二极管发射光源中译码器、反相器、半导体二极管和半导体二极管驱动电路部分结构原理图；
图3是本发明中多波长半导体二极管发射光源中半导体二极管、柱面透镜、非球面透镜和多模光纤部分结构原理图；
图4是本发明中叶片夹具部分结构原理图；
图5是本发明中波长选择接收器主要部分结构原理图；
图6是本发明中波长选择接收器中滤光片调整盘结构图；
图7是本发明中波长选择接收器中步进电机部分结构原理图；
图8是本发明中波长选择接收器中前置放大电路部分结构原理图；
图9是本发明中单片计算机主要部分结构原理图；
图10是本发明中整机电源构成结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明中的测量植物叶片中色素(包括叶绿素和类胡萝卜素等)相对含量的便携式仪器主要包括：多波长半导体二极管发射光源1、叶片夹具2、待测植物叶片3、波长选择接收器4、单片计算机5和可充电电池组6。
图2中译码器U1接收来自图9中主机芯片U5(8031)的P1.2、P1.1和P1.0编码控制信号，译码器Y1～Y5的输出信号经反相器U2实施电平反转后，对半导体二极管驱动电路进行顺序点亮控制。半导体二极管驱动电路为相同结构的6路驱动，下面仅介绍Y1驱动的第1路：Y1高电平信号导致晶体管Q1饱和导通，使半导体二极管LED1点亮，电阻R1用于限制反相器U2的输出电流，电阻R2用于控制半导体二极管LED1的工作电流。半导体二极管的波长选择为：植物叶片长波透过率参考波长950nm、叶绿素a长波端吸收峰660nm、叶绿素a短波端吸收峰430nm、叶绿素b长波端吸收峰640nm、叶绿素b短波端吸收峰460nm、类胡萝卜素吸收峰480nm。
为了提高信噪比和测量精度，最好选用高亮度和小发散角的半导体二极管。图3中半导体二极管LED1～LED6呈扇形排列，其输出的发射光经柱面透镜7会聚后，通过非球面透镜8耦合入多模光纤9内部。
参见图4，上述叶片夹具2主要由可无损夹持植物叶片的夹具、分别安置于夹具上臂11和夹具下臂13上空间位置对应的经准直透镜10和会聚透镜12。从多模光纤9输出的探测光进入图4中的夹具上臂11，经准直镜10整理成近似平行光后，透过待测植物叶片或定标专用光学透过率薄片3，透射后的信号光经夹具下臂13中的会聚镜12耦合到信号光输出光纤14输出到波长选择接收器。
透射后的信号光经图5中的信号光输出光纤14进入波长选择接收器，经准直镜15整理成近似平行光后，经过滤光片调整盘16上相应透射波长的滤光片22，滤光片只让信号光通过而阻止杂散噪声光，提高了探测信噪比。过滤后的信号光经会聚镜17聚焦到Si半导体探测器18上进行光电信号转换并送入前置放大电路19。步进电机驱动器20驱动步进电机21将与探测光波长相应的滤光片22旋转到光路中进行滤光。
图6中不同波长的滤光片22—27按圆周均匀分布在滤光片调整盘16上。图中所示为6通道(波长)情况，滤光片22—27的峰值透射波长分别为950nm、660nm、640nm、480nm、460nm、430nm。
图7所示为步进电机驱动器20和步进电机21的连接方式和工作过程。步进电机驱动器20(常州德昌，型号DCM—210)接收来自主机芯片U5的P1.4和P1.3的方向电平和步进脉冲信号，从A、A’、B和B’四个输出端连接到步进电机21(常州德昌，型号39BYG006)的A相和B相，驱动步进电机21工作。步进电机驱动器20的“Free”端需接“+5V”端防止步进电机21自由滑动，Vcc端直接从12V电池上取电，C3提供高频滤波。
前置放大电路19的原理结构示于图8。电感L1和L2对±5V电源实施高频扼流，电容C5和C6用于降低±5V电源的纹波噪声，—15V电源通过电阻R13和R14为Si二极管探测器18提供反向偏置，电容C7进行高频滤波，Si二极管探测器18的光感生电流通过电阻R15形成电压信号，电容C8和C11为运放U3的±5V电源进行高频滤波，运放U3及其外围电路电阻R16—R22组成的变化放大电路对电阻R15上的信号电压变化量进行放大，还可以通过电阻R21的调节来改变增益，电阻R23将运放U3输出的信号直流耦合到运放U4进行增益放大，同样的，电容C12和C13为运放U4的±5V电源进行高频滤波，通过电阻R24的调节来改变增益，电压信号最后通过电阻R27输出到图9中A/D转换芯片U7(MAX197)的模拟输入端。
图9中，电容C16、C17和晶振X1构成主机芯片U5时钟电路，电容C15、电阻R28、R29和开关K1组成主机芯片U5复位电路，主机芯片U5的P2口用作高8位地址，P0口通过地址锁存器U10(74LS373)实现低8位地址/数据复用，数据存储电路还包括EPROM芯片U6(27128A)和静态RAM芯片U8(62256)，由于EPROM芯片U6最高只用到了A13、静态RAM芯片U8最高只用到了A14，所以将地址最高位P2.7用作PROM芯片U6片选信号，静态RAM芯片U8片选信号由主机芯片U5的P3.4口提供。从前置放大电路19输入的模拟电压信号通过A/D转换芯片U7转换成12位数字信号后，再通过A/D转换芯片U7的INT口向主机芯片U5的INT1口发出中断请求，要求主机芯片U5读取A/D转换后的数字信号，但由于整个单片计算机的数据总线只有8位，主机芯片U5通过P3.0口提供A/D转换芯片U7的HBEN信号，实施高4位信号复用，A/D转换芯片U7的VDD、SHDN和REFADJ引脚连接到+5V高电平，电容C22实施高频滤波，A/D转换芯片U7的REF引脚通过电容C23接地以降低电压纹波，A/D转换芯片U7的CLK引脚通过电容C24接地，以设定时钟频率，主机芯片U5的P3.1口提供A/D转换芯片U7的片选信号，主机芯片U5的WR和RD口为静态RAM芯片U8和A/D转换芯片U7提供读写控制信号，键盘/显示器接口芯片U9(CH451)以串行方式与主机芯片U5的P1.7、P1.6和P1.5口相连，键盘/显示器接口芯片U9通过8位SEG总线和8位DIG总线与8×8键盘K2和8位数码显示管N1～N8相连，主机芯片U5将需要显示的信息传递到键盘/显示器接口芯片U9，键盘/显示器接口芯片U9以扫描方式驱动8位数码显示管N1～N8显示相关信息，8电阻排R30对驱动电流进行限流，当键盘/显示器接口芯片U9检测到键盘K2上有键被按下后，通过DOUT口向主机芯片U5的INT0提出中断请求，要求调用相关程序，为防止键被按下后键盘/显示器接口芯片U9的SEG总线和DIG总线发生短路，在键盘/显示器接口芯片U9的DIG0～DIG7引脚与键盘K2之间串接限流8电阻排R31，电容C18、C19、C21、C25和C26为各个数字芯片+5V提供高频滤波。使用中，测量人员通过键盘K2输入相应的控制指令，8位数码显示管N1～N8显示相关信息和测量数据。
图10所示为整机电源构成。+12V电源来自可充电电池组6，电容C28用于抑制纹波噪声，C29进行高频滤波，双路输出电源模块U11(C&D Technologies，型号HL02U12D15)提供±15V电压，+15V在本系统中用不上，所以空置；—15V通过电容C30抑制纹波噪声，C31进行高频滤波；双路输出电源模块U12(C&D Technologies，型号WPN20R12D05)提供±5V电压，相似地，电容C32、C34抑制纹波噪声，C33、C35进行高频滤波。
Claims (5)
1.一种便携式植物叶片色素检测仪，其特征在于：包括半导体二极管发射光源、接收半导体二极管发射光源光信号的接收器、处理接收器输出信号的单片计算机及提供工作电源的电池；所述半导体二极管发射光源为多波长半导体二极管发射光源，接收器为波长选择接收器；所述多波长半导体二极管发射光源主要由译码器、反相器、若干个不同发射波长的半导体二极管及对应的半导体二极管驱动电路、柱面透镜、非球面透镜和多模光纤组成；译码器的输出与反相器输入端相连，反相器输出端与半导体二极管驱动电路输入端相连，半导体二极管驱动电路输出端与对应的半导体二极管相连，半导体二极管的光学输出依次经柱面透镜、非球面透镜进入多模光纤。
2.根据权利要求1所述的便携式植物叶片色素检测仪，其特征在于：波长选择接收器主要由准直透镜、滤光片调整盘、与滤光片调整盘传动联接的步进电机、步进电机驱动器、透射波长与半导体二极管发射波长一一对应的若干个滤光片、会聚透镜、硅半导体探测器、前置放大电路组成；多波长半导体二极管发射光源的光学输出依次经准直透镜、滤光片、会聚透镜进入硅半导体探测器，硅半导体探测器的输出端与前置放大电路输入端相连，前置放大电路输出进入单片计算机，步进电机驱动电路的输入接单片计算机的输出，电机驱动电路输出端与步进电机输入端相连，滤光片分布在滤光片调整盘上。
3.根据权利要求2所述的便携式植物叶片色素检测仪，其特征在于：滤光片按圆周分布在滤光片调整盘上。
4.根据权利要求2所述的便携式植物叶片色素检测仪，其特征在于：设有叶片夹具，叶片夹具的二个夹臂上分别设有光路连接的准直透镜和会聚透镜，其中，一夹臂上的准直透镜连接多波长半导体二极管发射光源的多模光纤，另一夹臂上的会聚透镜通过多模光纤连接波长选择接收器。
5.根据权利要求2所述的便携式植物叶片色素检测仪，其特征在于：多波长半导体二极管发射光源中半导体二极管为六个，所述六个半导体二极管的工作波长分别为植物叶片长波透过率参考波长950nm、叶绿素a长波端吸收峰660nm、叶绿素a短波端吸收峰430nm、叶绿素b长波端吸收峰640nm、叶绿素b短波端吸收峰460nm和类胡萝卜素吸收峰480nm；对应上述六个半导体二极管的工作波长，波长选择接收器中的滤光片为对应透射波长的六个滤光片。
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