CN101975759A - 透射式无损检测植物叶片含水量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透射式无损检测植物叶片含水量的装置和方法，所述装置包括：单片机、与单片机相连接的信号采集模块、人机交互模块、存储器和串口通讯模块；本发明采用透射法，基于光源为近红外LED，采用单片机及光频转换器组成透射式无损检测植物叶片含水量的装置，在叶片水分吸收的特征波长980nm和参比波长890nm处，测量植物叶片在此两个波长处的吸光度，利用最小二乘法建立数学模型确定植物叶片含水量与吸光度的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。该装置具有体积小、重量轻、携带方便，能快速、无损地检测植物叶片的含水量的特点。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术中农作物含水量检测技术领域，特别涉及一种透射式无损检测植物叶片含水量的装置和方法。
背景技术
在农业生产上，含水量条件是一个极其重要的自然条件。含水量是控制植物光合作用、呼吸作用和生物量的主要因素之一，水分亏缺直接影响植物的生理生化过程和形态结构，进而影响植物的生长、产量和品质。
含水量测量的标准方法是烘干法，但烘干法是有损测量，需破坏样品，且测量时间很长，步骤繁琐。于是出现了含水量的仪器测量法，有微波水分法、电容水分法、中子水分法、电极水分法等等。对植物叶片含水量测量的一般方法是烘干法、电容法、电磁波法等，但是这些方法一般都有破坏性、非连续性，并且很费时间。随着光谱技术的发展，用光谱法测量叶片含水量成为一个研究的热点。但用连续光谱(具有多个波长点)来分析叶片含水量，所用仪器体积大、重量重、价格昂贵，只适合在实验室使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种体积小重量轻，而且携带方便的透射式无损检测植物叶片含水量的装置，以快速、无损地检测植物叶片的含水量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种透射式无损检测植物叶片含水量的装置，包括：单片机、与单片机相连接的信号采集模块、人机交互模块、存储器和串口通讯模块；其中，
所述信号采集模块用于分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号，然后将该采集信号发送到单片机；
所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度，并根据叶片的吸光度计算叶片的含水量；
所述人机交互模块用于完成信息的输入、输出和显示；
所述串口通讯模块用于实现所述单片机与外部设备之间的通讯，所述外部设备为个人计算机PC；
所述存储器用于存储样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度。
优选地，所述信号采集模块包括依次连接的光源、窄带滤光片、样品室和检测器；其中，
所述窄带滤光片用于将光源所产生的光分别过滤成波长为890nm和980nm的单色光，以所述单色光作为穿透样品室中的样品的作用光，所述单色光穿透样品的透射光作为承载样品信息的分析光；
所述样品室用于放置待测叶片样品；
所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光的光强成正比关系的采集信号发送到单片机。
优选地，所述光源包括两个波长为940nm的发光二极管LED；所述窄带滤光片包括一个中心波长为890nm的窄带滤光片和一个中心波长为980nm的窄带滤光片。
优选地，所述单片机还用于将样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度信息保存在存储器中，并通过串口通讯模块将所述保存在存储器中的样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度信息上传到PC上。
优选地，所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1；其中，T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。
优选地，所述人机交互模块包括键盘和显示器；其中，所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示；所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示。
本发明还提供了一种利用上述装置进行无损检测的方法，该方法包括：
步骤A、信号采集模块分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号，并将该采集信号发送到单片机；
步骤B、单片机根据所述采集信号分别计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度；
步骤C、单片机根据叶片的吸光度计算叶片的含水量。
优选地，在所述步骤B中，
所述计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度的公式为：
A＝-log(I/I0)＝-log(f/f0)
其中，A为吸光度，I为波长为980nm和890nm的单色光透过叶片的光强，I0为波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前的光强；f为与I成正比的采集信号频率；f0为与I0成正比的采集信号频率。
优选地，在所述步骤B中，
所述计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度的公式为：
A＝-log(n/n0)
其中，n和n0分别为f和f0在同一时间内的计数值。
优选地，在所述步骤C中，
所述根据叶片的吸光度计算叶片的含水量的公式为：、
W＝a1A980+a2A890+a3
其中，W为叶片的含水量，A980为叶片在波长为980nm处的吸光度，A890为叶片在波长为890nm处的吸光度，a3为常数项，a1、a2为待定系数，通过下述方法确定a1、a2和a3：测量多个已知叶片含水量W的样本在波长为980nm和890nm处的吸光度A980和A890，并保存在存储器中，测量完毕后，将所述多个已知叶片含水量的样本的含水量W、吸光度A980和A890数据通过串口通讯模块发送到PC上，在PC上利用最小二乘法进行数据拟合，建立含水量W与吸光度A980和A890的数学模型，得出参数a1、a2和a3。
(三)有益效果
本发明采用透射法，基于光源为近红外LED，采用单片机及光频转换器组成透射式无损检测植物叶片含水量的装置，在叶片水分吸收的特征波长980nm和参比波长890nm处，测量植物叶片在此两个波长处的吸光度，利用最小二乘法建立数学模型确定植物叶片含水量与吸光度的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。该装置具有体积小、重量轻、携带方便，能快速、无损地检测植物叶片的含水量的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的透射式无损检测植物叶片含水量的装置结构示意图；
图2是本发明实施例的透射式无损检测植物叶片含水量的方法流程图；
图3是本发明实施例中利用最小二乘法对校正集含水量计算值与含水量标准值进行数据拟合的示意图；
图4是本发明实施例中利用最小二乘法对预测集含水量计算值与含水量标准值进行数据拟合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的核心思想是采用透射法，基于光源为近红外LED，采用单片机及光频转换器组成透射式无损检测植物叶片含水量的装置，在叶片水分吸收的特征波长980nm和参比波长890nm处，测量植物叶片在此两个波长处的吸光度，利用最小二乘法建立数学模型确定植物叶片含水量与吸光度的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。
图1是本发明实施例的透射式无损检测植物叶片含水量的装置结构示意图；参见图1，所述装置包括：单片机、分别与单片机相连接的信号采集模块、人机交互模块、存储器和串口通讯模块。
所述信号采集模块用于分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号(例如，方波或脉冲)，然后将该采集信号发送到单片机。
所述信号采集模块包括依次连接的光源、窄带滤光片、样品室和检测器；
所述窄带滤光片用于将光源所产生的光分别过滤成波长为890nm和980nm的单色光，以所述单色光作为穿透样品室中的样品的作用光，穿透样品的透射光作为承载样品信息的分析光；
本发明可以采用两个波长为940nm的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为光源，分别通过中心波长为890nm和980nm的两个窄带滤光片产生单色光。每个LED具有单独的可调节的恒流电路，保证光源的稳定。
所述样品室用于放置待测叶片样品，其为不受外界光干扰的黑箱，从而提高了测量精度；
所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光的光强成正比关系的采集信号(例如，方波或脉冲)发送到单片机，其可以为光频转换器TSL230。
所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度，并根据叶片的吸光度计算叶片的含水量。其可以为MSP430F149。
所述单片机还用于将样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度等信息保存在存储器中，并通过串口通讯模块将所述保存在存储器中的样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度等信息上传到PC(personal computer，个人计算机)，所述PC利用最小二乘法进行数据拟合，建立吸光度与含水量之间的数学模型。
所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1，其中T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。
所述人机交互模块用于完成信息的输入、输出和显示。
所述人机交互模块包括键盘和显示器；所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示；所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示。
所述串口通讯模块用于实现所述单片机与外部设备之间的通讯，其可以为RS232串行接口，所述外部设备可以为PC；
所述存储器用于存储样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度等信息。
图2是本发明实施例的透射式无损检测植物叶片含水量的方法流程图。参见图2，所述方法包括：
步骤A、信号采集模块分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号(例如，方波或脉冲)，并将该采集信号发送到单片机；
植被在970nm、1450nm和1940nm附近的光谱吸收峰反映着植物的含水量状况。本发明选用980nm为测量波长。在890nm的波段，水分吸收较少，并且吸收曲线趋于平坦。因此，选用890nm作为参比波长。
为了得到叶片含水量，需要知道波长为980nm和890nm的单色光透过叶片的光强I和照射叶片前的光强I0。
本步骤采用光频转换器TSL230作为检测器，对波长为980nm和890nm的单色光透过叶片的光强I和照射叶片前的光强I0进行检测后，将上述光信号分别转换成频率与照射光强度成正比的采集信号(例如方波或者脉冲)发送给单片机。
步骤B、单片机根据所述采集信号分别计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度；
在本步骤中，根据吸收定律，吸光度为：
A＝-log(I/I0)＝-log(f/f0) (1)
其中，f，f0为经过光频转换以后输出的采集信号的频率，分别对应于波长为980nm和890nm的单色光透过叶片的光强I及照射叶片前的光强I0。
在本步骤中，还可以利用单片机内部的计数器T0和定时器T1。T0用于对光强转换成的采集信号进行计数；T1用于设定T0的计数时间。因此，光频转换器输出的采集信号频率与在一定时间内T0的计数值成正比，则吸光度为：
A＝-log(n/n0) (2)
其中，n、n0分别为单片机对透过叶片以后与照射叶片前的光强经过光频转换以后，同一时间(例如50ms)内输出信号的计数值。
因此，只要测量出波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前后的光强转换成的采集信号频率或光强转换成的采集信号频率的计数值，就可以分别根据公式(1)和(2)计算出叶片在上述两种不同波长单色光照射下的吸光度A980和A890。
步骤C、单片机根据叶片的吸光度计算叶片的含水量。
叶片的含水量W与吸光度A980和A890之间存在着一个线性的对应关系，即叶片含水量W可以近似表示为：
W＝a1A980+a2A890+a3 (3)
其中，a3为常数项，a1、a2为待定系数。
在本步骤中，主要是利用最小二乘法建模计算得到参数a1、a2和a3。
具体计算得到系数a1、a2和a3的方法包括：测量多个(至少20～30个)已知叶片含水量(可以用标准法(烘干法)测量得出)的样本在波长为980nm和890nm处的吸光度A980和A890，并保存在存储器中，测量完毕后，将所述多个已知叶片含水量的样本的含水量、吸光度A980和A890数据通过串口通讯模块发送到PC上，在PC上利用最小二乘法进行数据拟合，建立含水量W与吸光度A980和A890的数学模型，计算得出参数a1、a2和a3，将得到的参数a1、a2和a3的值代人上述公式(3)中，则可以利用上述公式(3)直接计算叶片的含水量。
例如，试验采集39个叶片。用烘干法测定其标准含水量。在本发明所述装置上随机取出其中30片作为校正集，剩下的9片作为预测集进行测定。如图3所示，利用最小二乘法对校正集含水量计算值与含水量标准值进行数据拟合，得到标准值与计算值之间的数学模型为y＝x+1E-05。如图4所示，利用最小二乘法对预测集含水量计算值与含水量标准值进行数据拟合，得到标准值与计算值之间的数学模型为y＝1.0246x-0.0146。从上述两图中可以看出不论是校正集还是预测集，其含水量计算结果与标准含水量基本一致。
本发明上述实施例中，采用透射法，基于光源为近红外LED，采用单片机及光频转换器组成透射式无损检测植物叶片含水量的装置，在叶片水分吸收的特征波长980nm和参比波长890nm处，测量植物叶片在此两个波长处的吸光度，利用最小二乘法建立数学模型确定植物叶片含水量与吸光度的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。该装置具有体积小、重量轻、携带方便，能快速、无损地检测植物叶片的含水量的特点。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明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发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种透射式无损检测植物叶片含水量的装置，其特征在于，包括：单片机、分别与单片机相连接的信号采集模块、人机交互模块、存储器和串口通讯模块；其中，
所述信号采集模块用于分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号，然后将该采集信号发送到单片机；
所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度，并根据叶片的吸光度计算叶片的含水量；
所述人机交互模块用于完成信息的输入、输出和显示；
所述串口通讯模块用于实现所述单片机与外部设备之间的通讯，所述外部设备为个人计算机PC；
所述存储器用于存储样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括依次连接的光源、窄带滤光片、样品室和检测器；其中，
所述窄带滤光片用于将光源所产生的光分别过滤成波长为890nm和980nm的单色光，以所述单色光作为穿透样品室中的样品的作用光，所述单色光穿透样品的透射光作为承载样品信息的分析光；
所述样品室用于放置待测叶片样品；
所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光的光强成正比关系的采集信号发送到单片机。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光源包括两个波长为940nm的发光二极管LED；所述窄带滤光片包括一个中心波长为890nm的窄带滤光片和一个中心波长为980nm的窄带滤光片。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机还用于将样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度信息保存在存储器中，并通过串口通讯模块将所述保存在存储器中的样本叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度信息上传到PC上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1；其中，T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述人机交互模块包括键盘和显示器；其中，所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示；所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示。
7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述装置进行无损检测的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤A、信号采集模块分别将波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前和透过叶片后的光信号转换为频率分别与波长为980nm和890nm的单色光的光强成正比关系的采集信号，并将该采集信号发送到单片机；
步骤B、单片机根据所述采集信号分别计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度；
步骤C、单片机根据叶片的吸光度计算叶片的含水量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤B中，
所述计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度的公式为：
A＝-log(I/I0)＝-log(f/f0)
其中，A为吸光度，I为波长为980nm和890nm的单色光透过叶片的光强，I0为波长为980nm和890nm的单色光照射叶片前的光强；f为与I成正比的采集信号的频率；f0为与I0成正比的采集信号频率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤B中，
所述计算叶片在波长为980nm和890nm处的吸光度的公式为：
A＝-log(n/n0)
其中，n和n0分别为f和f0在同一时间内的计数值。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤C中，
所述根据叶片的吸光度计算叶片的含水量的公式为：、
W＝a1A980+a2A890+a3
其中，W为叶片的含水量，A980为叶片在波长为980nm处的吸光度，A890为叶片在波长为890nm处的吸光度，a3为常数项，a1、a2为待定系数，通过下述方法确定a1、a2和a3：测量多个已知叶片含水量W的样本在波长为980nm和890nm处的吸光度A980和A890，并保存在存储器中，测量完毕后，将所述多个已知叶片含水量的样本的含水量W、吸光度A980和A890数据通过串口通讯模块发送到PC上，在PC上利用最小二乘法进行数据拟合，建立含水量W与吸光度A980和A890的数学模型，得出参数a1、a2和a3。
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