CN102589952A - 一种土壤养分浸提装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤养分浸提装置，涉及土壤样品前处理领域。在所述装置的中轴单元中，下挡板固定连接隔位支撑板的上表面；轴承的外圈固定连接隔位支撑板的下表面，内圈固定连接中轴套筒的外壁；中轴转轴的上端与上挡板固定连接，下端依次穿过下挡板、隔位支撑板和中轴套筒后与中轴支撑板固定连接；中轴套筒的下端设置有键槽，中轴转轴上设置有平键；弹性件设置在上挡板和下挡板之间；主圆柱齿轮套设在中轴套筒上，并且与副圆柱齿轮咬合；凸轮的边缘接触中轴支撑板的上表面；凸轮通过传动轴连接主锥形齿轮；主锥形齿轮垂直咬合副锥形齿轮。所述装置占地面积小，有利于实现车载作业。

Description

一种土壤养分浸提装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及土壤样品前处理技术领域，特别涉及一种土壤养分浸提装置及其工作方法。

背景技术

我国人口占世界总人口的21％，但耕地面积只占世界耕地总面积的7％。人多地少，人增地减的趋势在短时期内不可逆转，粮食安全受到了严峻的挑战。土壤养分的丰缺信息是科学施肥、实现农业高产、优质、高效、生态、安全的重要基础。土壤养分测试的基本过程包括前处理过程和分析测试过程，养分浸提是土壤前处理的重要环节之一。提高土壤养分浸提操作的自动化、仪器化水平是提高土壤养分测定效率的关键问题。

常规实验室分析中，土壤养分浸提多采用人工作业、样品批量化处理的操作模式，主要存在以下缺点：仪器设备体积占地大，只能装备在土壤分析实验室中，而不适用于车载流动作业场合应用；人工作业劳动强度大、操作复杂、自动化程度较低，易导致误操作；多采用振荡式浸提方法，土样杯多选用玻璃烧杯，存在样品易溢出和易破碎的缺点。

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：如何提供一种土壤养分浸提装置及其工作方法，以克服现有仪器设备体积占地大，只能装备在土壤分析实验室中，而不适用于车载流动作业场合应用的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种土壤养分浸提装置，其包括：主箱体、中轴单元、主控单元、搅拌单元、土样容器和清洗单元；

所述主箱体的上部设置有隔位支撑板；

所述中轴单元包括：上挡板、下挡板、弹性件、中轴转轴、中轴套筒、轴承、主圆柱齿轮、副圆柱齿轮、中轴支撑板、凸轮、主锥形齿轮和副锥形齿轮；

其中，所述下挡板固定连接所述隔位支撑板的上表面；所述轴承的外圈固定连接所述隔位支撑板的下表面，内圈固定连接所述中轴套筒的外壁；所述中轴转轴的上端与所述上挡板固定连接，下端依次穿过所述下挡板、所述隔位支撑板和所述中轴套筒后与所述中轴支撑板固定连接；所述中轴套筒的下端设置有键槽，所述中轴转轴上设置有与所述键槽匹配的平键；所述弹性件设置在所述上挡板和所述下挡板之间；所述主圆柱齿轮套设在所述中轴套筒上，并且与所述副圆柱齿轮咬合；所述副圆柱齿轮连接所述主控单元；所述凸轮的边缘接触所述中轴支撑板的上表面；所述凸轮通过传动轴连接所述主锥形齿轮；所述主锥形齿轮垂直咬合所述副锥形齿轮；所述副锥形齿轮连接所述主控单元；

所述主控单元与所述主箱体固定连接，用于控制所述中轴单元竖直运动和水平转动，以及控制所述搅拌单元作业；

所述搅拌单元的上端连接所述中轴支撑板，下端伸入所述土样容器或者所述清洗单元的清洗池中。

优选地，所述装置包括两个所述搅拌单元，两个所述搅拌单元对称设置在所述中轴支撑板的下部，其中一个所述搅拌单元的下端伸入所述土样容器，另一个所述搅拌单元的下端伸入所述清洗池中。

优选地，所述搅拌单元包括：搅拌电机、搅拌轴和搅拌叶；所述搅拌电机上端固定连接所述中轴支撑板的下表面，下端连接所述搅拌轴的上端；所述搅拌轴的下端连接所述搅拌叶；所述搅拌叶位于所述土样容器或者清洗池内部；所述搅拌电机还电连接所述主控单元，用于在所述主控单元控制下驱动所述搅拌轴转动。

优选地，所述主控单元包括：互相连接的齿轮电机组和微处理器；所述齿轮电机组用于驱动所述副圆柱齿轮和所述副锥形齿轮转动；所述微处理器用于控制所述齿轮电机组和所述搅拌单元中的搅拌电机按照作业流程转动。

优选地，所述齿轮电机组包括：第一伺服电机和第二伺服电机；所述第一伺服电机连接所述副圆柱齿轮，用于驱动所述副圆柱齿轮转动；所述第二伺服电机连接所述副锥形齿轮，用于驱动所述副锥形齿轮转动。

优选地，所述微处理器包括：主处理器模块，以及与所述主处理器模块连接的驱动模块、键盘及指示灯模块、显示模块、JTAG仿真模块和电源模块；

所述主处理器模块，用于向所述驱动模块发送使能信号，通过所述驱动模块使能所述齿轮电机组和所述搅拌电机；用于通过所述键盘及指示灯模块中的键盘接收录入的土壤浸提信息，通过所述键盘及指示灯模块中的指示灯指示所述装置的当前工作状态；用于通过所述显示模块显示所述装置所处当前工作状态的相关参数；用于通过所述JTAG仿真模块对所述主处理器模块的内部程序进行更新；

所述电源模块用于为所述主处理器模块、所述驱动模块、所述键盘及指示灯模块、所述显示模块、所述JTAG仿真模块，以及所述齿轮电机组和所述搅拌电机供电。

优选地，所述清洗单元除所述清洗池外还包括：注液泵和排液泵；并且，所述清洗池与所述主箱体固定连接，所述注液泵与所述清洗池的上部连通，所述排液泵与所述清洗池的下部连通。

优选地，所述清洗单元还包括：内注液管、外注液管、内排液管和外排液管；

所述内注液管的内端连通所述清洗池的上部，外端连通所述注液泵的出口端；所述外注液管的内端连通所述注液泵的入口端，外端连通清洗液容器；

所述内排液管的内端连通所述清洗池的下部，外端连通所述排液泵的入口端；所述外排液管的内端连通所述排液泵的出口端，外端连通废液池。

优选地，所述主箱体的下部设置有土样杯支架；所述土样杯放置在所述土样杯支架上，并且所述土样杯上端开口位置的高度与所述清洗池上端开口位置的高度相同。

本发明还提供一种所述土壤养分浸提装置的工作方法，其包括步骤：

A：主控单元控制微调所述中轴转轴的位置，保证中轴转轴处于最上端位置；

B：所述主控单元控制所述中轴转轴向下运动到最下端位置，此时第一搅拌单元下端的第一搅拌叶进入清洗池，所述主控单元控制清洗所述第一搅拌叶，然后所述主控单元控制所述中轴转轴向上运动回到所述最上端位置，所述中轴转轴的平键进入所述中轴套筒的键槽中，然后所述主控单元控制所述中轴套筒带动所述中轴转轴转动180°，实现第二搅拌单元和所述第一搅拌单元互换位置；

C：所述主控单元控制所述中轴转轴向下运动到最下端位置，此时所述第一搅拌叶进入土样杯，所述第二搅拌单元的第二搅拌叶进入所述清洗池，所述主控单元控制所述第一搅拌叶浸提，同时控制清洗所述第二搅拌叶，然后所述主控单元控制所述中轴转轴向上运动到最上端位置，所述中轴转轴的平键进入所述中轴套筒的键槽中，然后所述主控单元控制所述中轴套筒带动所述中轴转轴转动180°，进而带动所述第一搅拌单元和第二搅拌单元再次互换位置。

(三)有益效果

本发明的土壤养分浸提装置及其工作方法，具有以下优势：

(1)中轴单元采用套筒式结构，可进行竖直运动和水平旋转两自由度操作，以实现两组搅拌叶位置的提升(从溶液中提出)和下降(伸入溶液中)及替换。该设计可较大程度上精简设备占地面积，为系统集成及装置的自动化改造提供更大可能，有利于实现车载作业，解决了常规装置占地面积大，不易移动，不便于集成的问题。

(2)土壤养分浸提环节采用搅拌方式进行，双搅拌叶设计可实现清洗与土壤养分浸提的同时处理，土样容器使用聚乙烯塑料容器或一次性纸杯。该设计具有浸提效率高，可较好避免因搅拌叶清洗不当引起的交叉污染，且具有浸提液不易溢出、容器不易破碎的特点。

(3)系统采用MSP430系列微处理器编程控制小功率的两个直流搅拌电机、微型注液泵和微型排液泵，实现对土壤样本养分浸提和搅拌叶清洗环节的自动控制，具有功耗较小、成本较低、只需人工递样操作的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的土壤养分浸提装置的结构示意图；

图2是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的结构示意图；

图3是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的两向视图；

图4是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的剖视图；

图5是所述凸轮的结构示意图；

图6是所述微处理器的模块结构示意图；

图7是所述第一搅拌叶的结构示意图。

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。

图1是本发明实施例的土壤养分浸提装置的结构示意图。如图1所示，所述装置包括：主箱体100、中轴单元、主控单元、搅拌单元、土样容器500和清洗单元。

其中，所述主箱体100主要用于实现对所述装置的支撑和保护作用。在所述主箱体100的上部设置有隔位支撑板101，在所述主箱体100的左侧下部位置设置有土样杯支架102。

所述中轴单元包括：中轴转轴200、上挡板201、中轴支撑板203、弹性件210、下挡板220、轴承230、主圆柱齿轮241、副圆柱齿轮242、中轴套筒250、主锥形齿轮261、副锥形齿轮262、传动轴270、传动轴支架271和凸轮280。

图2是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的结构示意图；图3是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的两向视图；图4是所述中轴单元中中轴转轴相关部件的剖视图。参见图2、图3和图4，所述中轴转轴相关部件的具体连接关系如下：所述下挡板220焊接在所述隔位支撑板101的上表面；所述轴承230的外圈通过螺钉固定连接所述隔位支撑板101的下表面，内圈固定连接所述中轴套筒250的外壁，所述轴承230优选采用防锈钢质材料；所述中轴转轴200的上端与所述上挡板201焊接；所述中轴套筒250的下端对称设置有两个键槽251，所述中轴转轴200上对称设置有与所述两个键槽251匹配的两个平键202，所述键槽251的大小优选为2.5cm×0.6cm，所述平键202的大小优选为3.5cm×0.5cm；所述弹性件210采用弹簧，套设在所述上挡板201和所述下挡板220之间的中轴转轴200的外侧。

参见图1，所述中轴转轴200的下端依次穿过所述下挡板220、所述隔位支撑板101和所述中轴套筒250后与所述中轴支撑板203固定连接；所述主圆柱齿轮241套设在所述中轴套筒250上，并且与所述副圆柱齿轮242平行咬合；所述副圆柱齿轮242连接所述主控单元。

所述凸轮280的下部边缘接触所述中轴支撑板203的上表面；所述凸轮280通过所述传动轴270连接所述主锥形齿轮261；所述主锥形齿轮261垂直咬合所述副锥形齿轮262；所述副锥形齿轮262连接所述主控单元；所述传动轴270的中部转动连接所述传动轴支架271，所述传动轴支架271与所述主箱体100固定连接。

图5是所述凸轮的结构示意图，如图5所示，所述凸轮280包括一个近轴点281和一个远轴点282，所述近轴点281和所述远轴点282的连线为所述凸轮280的最大直径，所述最大直径两侧的形状相对称，所述传动轴270与所述凸轮280的连接点在所述最大直径上，并且靠近所述近轴点281。

参见图1，所述主控单元设置在所述主箱体100的右上侧，与所述主箱体100固定连接。所述主控单元进一步包括：互相连接的齿轮电机组300和微处理器310。

所述齿轮电机组300包括：第一伺服电机和第二伺服电机；所述第一伺服电机连接所述副圆柱齿轮242，用于驱动所述副圆柱齿轮242转动；所述第二伺服电机连接所述副锥形齿轮262，用于驱动所述副锥形齿轮262转动。

图6是所述微处理器的模块结构示意图，如图6所示，所述微处理器310进一步包括：电源模块311、主处理器模块312，以及与所述主处理器模块312连接的驱动模块313、键盘及指示灯模块314、显示模块315和JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行为组织)仿真模块316。

所述主处理器模块312，用于向所述驱动模块313发送使能信号，通过所述驱动模块313使能所述齿轮电机组300中的第一伺服电机和第二伺服电机，以及所述搅拌单元中的第一搅拌电机401和第二搅拌电机411；所述主处理器模块312还用于通过所述键盘及指示灯模块314中的键盘接收录入的土壤浸提指令，通过所述键盘及指示灯模块314中的指示灯指示所述装置的当前工作状态；所述主处理器模块312还用于通过所述显示模块315显示所述装置所处当前工作状态的相关参数；所述主处理器模块312还用于通过所述JTAG仿真模块316连接PC机(个人计算机)后对所述主处理器模块312的内部程序进行更新。

所述电源模块311用于为所述主处理器模块312、所述驱动模块313、所述键盘及指示灯模块314、所述显示模块315、所述JTAG仿真模块316，以及所述第一伺服电机、第二伺服电机、第一搅拌电机401和第二搅拌电机411供电。

所述主处理器模块312采用MSP430F149单片机；所述驱动模块313采用大电流驱动达林顿晶体管阵列芯片ULN2003；所述电源模块311包括12V电源(输出电流最大为10A，可保证同时驱动所述装置中的6个电机工作)和基于转换芯片LM2576-3.3的3.3V电源模块(为所述主处理器模块312、所述键盘及指示灯模块314、所述显示模块315和所述JTAG仿真模块316供电)；所述键盘及指示灯模块314包括3个键盘(复位键、清洗键和浸提键)和6个指示灯(电源指示灯、清洗指示灯、浸提指示灯、中轴提升指示灯、中轴下降指示灯和中轴转动指示灯)；所述显示模块采用1602液晶屏(两行显示)。

参见图1，本实施例所述装置还包括对称设置在所述中轴支撑板203下方的第一搅拌单元和第二搅拌单元。所述第一搅拌单元包括：第一搅拌电机401、第一搅拌轴402和第一搅拌叶403。所述第一搅拌电机401的上端固定连接所述中轴支撑板203的下表面，下端连接所述第一搅拌轴402的上端；所述第一搅拌轴402的下端连接所述第一搅拌叶403；所述第一搅拌叶403位于所述土样容器500内部。图7是所述第一搅拌叶的结构示意图。所述第二搅拌单元包括：第二搅拌电机411、第二搅拌轴412和第二搅拌叶413。所述第二搅拌单元的结构与所述第一搅拌单元的结构完全相同，在此不再赘述。需要注意的是，当所述第一搅拌叶403位于所述土样容器500内部时，所述第二搅拌叶413位于所述清洗单元的清洗池600内部。

所述第一搅拌电机401和第二搅拌电机411均电连接所述主控单元的驱动模块313，用于在所述主控单元控制下驱动相应的搅拌轴转动。通过设置两个所述搅拌单元，可以实现土壤浸提与搅拌叶清洗的并行作业，提高了作业效率。本领域技术人员容易想到，如果仅设置一个搅拌单元，并相应地修改作业程序，虽然作业效率降低，但仍旧能够完成土壤养分浸提作业；如果设置更多个搅拌单元(比如4个)，并相应的修改作业程序，则可以进一步提高作业效率。

所述土样容器500设置在所述土样杯支架102的上部，并且所述土样容器500的上端开口位置的高度与所述清洗池600的上端开口位置的高度相同。

所述清洗单元除了所述清洗池600外，还包括：清洗池固定架601、注液泵610、内注液管611、外注液管612、排液泵620、内排液管621、外排液管622和内排液管固定架623。

所述清洗池600通过所述清洗池固定架601与所述主箱体100固定连接。所述内注液管611的内端连通所述清洗池600的上部，外端连通所述注液泵610的出口端；所述外注液管612的内端连通所述注液泵610的入口端，外端连通清洗液容器。

所述内排液管621的内端连通所述清洗池600的下部，外端连通所述排液泵620的入口端；所述外排液管622的内端连通所述排液泵620的出口端，外端连通废液池。所述内排液管621还通过所述内排液管固定架623与所述主箱体100连接。

所述注液泵610和所述排液泵620均电连接所述微处理器310中的电源模块311和驱动模块312，可以在所述微处理器310的控制下实现注液和排液。

在说明本实施例所述装置的工作方法之前，首先从所述中轴单元的竖直运动和水平转动两个方面对所述装置的工作原理进行解释。

所述凸轮280是所述中轴单元实现竖直运动的关键部件之一，具体地，可以从所述凸轮280的位置变化角度将所述中轴单元的竖直运动划分为如下四个状态：

(1)凸轮“回程停歇”状态：当所述凸轮280的近轴点281与所述中轴支撑板203接触时，此时所述弹性件210处于最小压缩形变状态，所述中轴转轴200上的两个平键202分别完全滑入所述键槽251中，所述第一搅拌叶403和所述第二搅拌叶413提升出所述土样容器500和所述清洗池600，此时所述中轴单元可在所述主控单元的控制下进行水平转动或保持此状态；

(2)凸轮“停歇-推程”状态：所述主控单元控制所述副锥形齿轮262转动，带动所述主锥形齿轮261转动，进而带动所述凸轮280将进入“停歇-推程”的运动过程，所述弹性件210形变进一步拉大，所述凸轮280的远轴点282逐渐靠近所述中轴支撑板203的上表面，此时两个所述搅拌单元同步向下运动；

(3)凸轮“推程停歇”状态：当所述凸轮280的远轴点282与所述中轴支撑板203的上表面接触时，所述弹性件210的压缩程度最强，由此产生的向上形变恢复力最大，此时所述凸轮280由推程进入停歇状态，此时所述主控单元可以控制搅拌叶转动，以进行土样浸提或清洗操作；

(4)凸轮“停歇-回程”状态：当土样浸提或清洗操作完成后，所述主控单元控制所述副锥形齿轮262带动所述主锥形齿轮261转动，进而带动所述凸轮280将完成“停歇-回程”的运动过程，所述弹性件210形变产生的向上拉力使所述中轴转轴200不断向上提升，此过程中所述弹性件210始终处于压缩状态，直至根据程序控制判断出所述凸轮280的近轴点281与所述中轴支撑板203的上表面接触，此时所述弹性件210处于最小压缩形变状态，进而保持静止状态，等待所述主控单元的操作指令。

依据(1)到(4)运动状态变化，所述中轴单元完成竖直运动的全过程。

所述中轴单元的水平转动过程相对简单，具体过程如下：

当所述中轴单元处于上述凸轮“回程停歇”状态时，所述主控单元控制所述副圆柱齿轮242带动所述主圆柱齿轮241转动，进而带动所述中轴支撑板203顺时针转动180°；完成一次土壤浸提和搅拌叶清洗操作后，当所述中轴单元再次处于上述凸轮“回程停歇”状态时，再次带动所述中轴支撑板203顺时针转动180°，如此重复完成多样品浸提操作。

接下来对本发明实施例所述装置的工作方法进行说明，所述方法包括步骤：

A：装置初始化，具体步骤如下：

A1：所述装置水平放置后，所述外注液管612接入去离子水源(本实施例采用的清洗液)，所述外排液管622接入废液池。

A2：打开所述装置的电源，轻按所述键盘上的复位键，所述微处理器310的显示模块315显示“Initializing”，电源指示灯常亮，其余指示灯全部熄灭；所述显示模块315采用液晶屏。

A3：所述微处理器310控制所述第二伺服电机工作，微调所述第二伺服电机的转动位置，保证所述凸轮280的近轴点281与所述中轴支撑板203接触，所述中轴转轴200上的平键202滑入所述中轴套筒250的键槽251，中轴提升指示灯在运动过程中闪烁，达到设定位置后常亮。

A4：所述微处理器310控制所述第二伺服电机转动，使所述主圆柱齿轮241和所述副圆柱齿轮242处于零扭转位置。

初始化完成后，所述液晶屏显示“OK”，电源指示灯及中轴提升指示灯常亮，其余指示灯熄灭。

B：进行清洗操作，具体步骤如下：

B1：轻按所述键盘上的清洗键，所述液晶屏首行显示“Rinsing”，电源指示灯常亮，清洗指示灯闪烁，其余指示灯熄灭；

B2：所述微处理器310控制所述第二伺服电机转动，带动所述副锥形齿轮262和所述主锥形齿轮261转动，中轴下降指示灯闪烁，所述液晶屏第2行显示“Rinsing-D”，此时所述中轴转轴200等单元进入“纵向下降”的运动过程：随所述第二伺服电机运转，所述弹性件210形变不断拉大，所述凸轮280的远轴点282逐渐靠近所述中轴支撑板203，所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和所述两个搅拌单元同步下降。根据预设下降时间，当所述凸轮280的远轴点282与所述中轴支撑板203接触时，所述第二搅拌子413进入所述清洗池600，制动所述第一伺服电机，使所述凸轮280处于停歇状态，中轴下降指示灯常亮。

B3：所述微处理器310控制控制所述注液泵610工作，所述液晶屏显示“Rinsing-I”，所述清洗池600内开始注入去离子水，达到设定注水时间后，所述注液泵610关闭。

B4：所述微处理310控制所述第二搅拌电机411，使所述第二搅拌叶413转动，所述液晶屏显示“Rinsing-R”，程序设定搅拌时间结束后，所述搅拌电机411停止工作。

B5：所述微处理器310控制所述排液泵620工作，所述液晶屏显示“Rinsing-O”，所述清洗池600内废液逐渐排空，达到程序设定排液时间后，关闭所述排液泵620。

B6：重复所述步骤B3～B5，进行预定次数的清洗。

B7：所述微处理器310使能所述第二伺服电机工作，带动所述副锥形齿轮262和所述主锥形齿轮261转动，中轴下降指示灯熄灭，中轴上升指示灯闪烁，所述液晶屏显示“Rinsing-U”，此时所述中轴转轴200等单元进入“纵向提升”的运动过程：在所述锥形齿轮261和所述主锥形齿轮261的带动下，所述凸轮280将完成“停歇-回程”的运动过程，由所述弹性件210形变产生的向上拉力使所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和所述两个搅拌单元同步提升，直至达到程序设定的提升时间，此时所述凸轮280的近轴点281与所述中轴支撑板203接触，所述平键202完全滑入所述键槽251中，所述第二搅拌叶412完全提升出所述清洗池600，中轴上升指示灯常亮，所述液晶屏显示“Rinsing-F”。

B8：所述微处理310控制所述第一伺服电机工作，带动所述主圆柱齿轮241和副圆柱齿轮242转动，中轴上升指示灯熄灭，中轴转动指示灯闪烁，所述液晶屏显示“Turn”，此时所述中轴套筒250、所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和所述两个搅拌单元同步转动，达到程序设定时间后，即可完成180°顺时针转动操作，保持电源指示灯常亮，关闭其余指示灯，所述液晶屏仅首行显示“Ready”，完成清洗操作。

C：进行浸提清洗操作，具体步骤如下：

C1：将所述土样容器500放置于所述土样杯支架102上，按所述键盘的组合键(清洗键和浸提键)，所述液晶屏首行显示“Extract”，第2行显示“Rinsing”电源指示灯常亮，浸提指示灯和清洗指示灯闪烁，其余指示灯熄灭。

C2：所述微处理器310控制使能所述第二伺服电机工作，带动所述副锥形齿轮262和所述主锥形齿轮261转动，中轴下降指示灯闪烁，所述液晶屏显示“Extract-D”和“Rinsing-D”，此时所述中轴转轴200等单元进入“纵向下降”的运动过程：随所述第二伺服电机运转，所述弹性件210形变不断拉大，所述凸轮280的远轴点282逐渐靠近所述中轴支撑板203，所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和两个所述搅拌单元同步下降。根据预设下降时间，当所述凸轮280的远轴点282与所述中轴支撑板203接触时，所述第二搅拌子413进入所述土样容器500，所述第一搅拌子403进入所述清洗池600，制动所述第二伺服电机，使所述凸轮280处于停歇状态，中轴下降指示灯常亮。

C3：所述微处理器310控制所述第二搅拌电机411和所述注液泵610工作，所述液晶屏第一行和第二行分别显示“Extract-U”和“Rinsing-I”，使所述第二搅拌电机411转动，土样溶液处于浸提状态；所述清洗池600内开始注入去离子水，达到设定注水时间后，所述注液泵610关闭。

C4：所述微处理310控制所述第一搅拌电机401，使所述第一搅拌叶403转动，所述第一搅拌叶403此时处于清洗状态，液晶屏显示“Extract-R”，程序设定搅拌时间结束后，所述第一搅拌电机401停止工作。

C5：所述微处理器310控制所述排液泵620工作，所述液晶屏显示“Extract-O”，所述清洗池600内废液逐渐排空，达到程序设定排液时间后，关闭所述排液泵620。

C6：所述微处理器310再次启动所述注液泵610工作，对所述第一搅拌子403进行新一轮清洗，液晶屏显示“Rinsing-I”，所述清洗池600内重新开始注入去离子水，达到设定注水时间后，所述注液泵610关闭。

C7：重复所述步骤C5至C6，对所述第一搅拌子403进行预定次数的清洗后，所述第一搅拌电机401停止工作。

C8：达到设定浸提时间后，所述微处理310控制所述第二搅拌电机411停止工作，然后使能所述第二伺服电机工作，带动所述副锥形齿轮262和所述主锥形齿轮261转动，中轴下降指示灯熄灭，中轴上升指示灯闪烁，所述液晶屏显示“Extract-U”，此时所述中轴转轴200等单元进入“纵向提升”的运动过程：在所述副锥形齿轮262和所述主锥形齿轮261的带动下，所述凸轮280将完成“停歇-回程”的运动过程，由所述弹性件210形变产生的向上拉力使所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和所述两个搅拌单元同步提升，直至达到程序设定的提升时间，此时所述凸轮280的近轴点281与所述中轴支撑板203接触，所述平键202完全滑入所述键槽251中，两片搅拌叶完全提升出所述清洗池600和土样容器500，中轴上升指示灯常亮，所述液晶屏显示“Extract-F”。

C9：取下所述土样容器500，轻按中轴转动键，所述微处理310控制所述第一伺服电机，带动所述主圆柱齿轮241和副圆柱齿轮242转动，中轴上升指示灯熄灭，中轴转动指示灯闪烁，所述液晶屏显示“Turn”，此时所述中轴套筒250、所述中轴转轴200、所述中轴支撑板203和两个所述搅拌等单元同步转动，达到程序设定时间后，即可完成180°顺时针转动操作，保持电源指示灯常亮，关闭其余指示灯，所述液晶屏仅首行显示“Ready”，完成浸提操作。

本发明实施例所述土壤养分浸提装置及其工作方法，具有以下优势：

(1)中轴单元采用套筒式结构，可进行竖直运动和水平旋转两自由度操作，以实现两组搅拌叶位置的提升(从溶液中提出)和下降(伸入溶液中)及替换。该设计可较大程度上精简设备占地面积，为系统集成及装置的自动化改造提供更大可能，有利于实现车载作业，解决了常规装置占地面积大，不易移动，不便于集成的问题。

(2)土壤养分浸提环节采用搅拌方式进行，双搅拌叶设计可实现清洗与土壤养分浸提的同时处理，土样容器使用聚乙烯塑料容器或一次性纸杯。该设计具有浸提效率高，可较好避免因搅拌叶清洗不当引起的交叉污染，且具有浸提液不易溢出、容器不易破碎的特点。

(3)系统采用MSP430系列微处理器编程控制小功率的两个直流搅拌电机、微型注液泵和微型排液泵，实现对土壤样本养分浸提和搅拌叶清洗环节的自动控制，具有功耗较小、成本较低、只需人工递样操作的特点。

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)

1.一种土壤养分浸提装置，其特征在于，包括：主箱体、中轴单元、主控单元、搅拌单元、土样容器和清洗单元；

所述主箱体的上部设置有隔位支撑板；

所述中轴单元包括：上挡板、下挡板、弹性件、中轴转轴、中轴套筒、轴承、主圆柱齿轮、副圆柱齿轮、中轴支撑板、凸轮、主锥形齿轮和副锥形齿轮；

其中，所述下挡板固定连接所述隔位支撑板的上表面；所述轴承的外圈固定连接所述隔位支撑板的下表面，内圈固定连接所述中轴套筒的外壁；所述中轴转轴的上端与所述上挡板固定连接，下端依次穿过所述下挡板、所述隔位支撑板和所述中轴套筒后与所述中轴支撑板固定连接；所述中轴套筒的下端设置有键槽，所述中轴转轴上设置有与所述键槽匹配的平键；所述弹性件设置在所述上挡板和所述下挡板之间；所述主圆柱齿轮套设在所述中轴套筒上，并且与所述副圆柱齿轮咬合；所述副圆柱齿轮连接所述主控单元；所述凸轮的边缘接触所述中轴支撑板的上表面；所述凸轮通过传动轴连接所述主锥形齿轮；所述主锥形齿轮垂直咬合所述副锥形齿轮；所述副锥形齿轮连接所述主控单元；

所述主控单元与所述主箱体固定连接，用于控制所述中轴单元竖直运动和水平转动，以及控制所述搅拌单元作业；

所述搅拌单元的上端连接所述中轴支撑板，下端伸入所述土样容器或者所述清洗单元的清洗池中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个所述搅拌单元，两个所述搅拌单元对称设置在所述中轴支撑板的下部，其中一个所述搅拌单元的下端伸入所述土样容器，另一个所述搅拌单元的下端伸入所述清洗池中。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌单元包括：搅拌电机、搅拌轴和搅拌叶；所述搅拌电机上端固定连接所述中轴支撑板的下表面，下端连接所述搅拌轴的上端；所述搅拌轴的下端连接所述搅拌叶；所述搅拌叶位于所述土样容器或者清洗池内部；所述搅拌电机还电连接所述主控单元，用于在所述主控单元控制下驱动所述搅拌轴转动。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控单元包括：互相连接的齿轮电机组和微处理器；所述齿轮电机组用于驱动所述副圆柱齿轮和所述副锥形齿轮转动；所述微处理器用于控制所述齿轮电机组和所述搅拌单元中的搅拌电机按照作业流程转动。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述齿轮电机组包括：第一伺服电机和第二伺服电机；所述第一伺服电机连接所述副圆柱齿轮，用于驱动所述副圆柱齿轮转动；所述第二伺服电机连接所述副锥形齿轮，用于驱动所述副锥形齿轮转动。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微处理器包括：主处理器模块，以及与所述主处理器模块连接的驱动模块、键盘及指示灯模块、显示模块、JTAG仿真模块和电源模块；

所述主处理器模块，用于向所述驱动模块发送使能信号，通过所述驱动模块使能所述齿轮电机组和所述搅拌电机；用于通过所述键盘及指示灯模块中的键盘接收录入的土壤浸提信息，通过所述键盘及指示灯模块中的指示灯指示所述装置的当前工作状态；用于通过所述显示模块显示所述装置所处当前工作状态的相关参数；用于通过所述JTAG仿真模块对所述主处理器模块的内部程序进行更新；

所述电源模块用于为所述主处理器模块、所述驱动模块、所述键盘及指示灯模块、所述显示模块、所述JTAG仿真模块，以及所述齿轮电机组和所述搅拌电机供电。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述清洗单元除所述清洗池外还包括：注液泵和排液泵；并且，所述清洗池与所述主箱体固定连接，所述注液泵与所述清洗池的上部连通，所述排液泵与所述清洗池的下部连通。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述清洗单元还包括：内注液管、外注液管、内排液管和外排液管；

所述内注液管的内端连通所述清洗池的上部，外端连通所述注液泵的出口端；所述外注液管的内端连通所述注液泵的入口端，外端连通清洗液容器；

所述内排液管的内端连通所述清洗池的下部，外端连通所述排液泵的入口端；所述外排液管的内端连通所述排液泵的出口端，外端连通废液池。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主箱体的下部设置有土样杯支架；所述土样杯放置在所述土样杯支架上，并且所述土样杯上端开口位置的高度与所述清洗池上端开口位置的高度相同。

10.一种权利要求1至9之一所述土壤养分浸提装置的工作方法，其特征在于，包括步骤：

A：主控单元控制微调所述中轴转轴的位置，保证中轴转轴处于最上端位置；

B：所述主控单元控制所述中轴转轴向下运动到最下端位置，此时第一搅拌单元下端的第一搅拌叶进入清洗池，所述主控单元控制清洗所述第一搅拌叶，然后所述主控单元控制所述中轴转轴向上运动回到所述最上端位置，所述中轴转轴的平键进入所述中轴套筒的键槽中，然后所述主控单元控制所述中轴套筒带动所述中轴转轴转动180°，实现第二搅拌单元和所述第一搅拌单元互换位置；

C：所述主控单元控制所述中轴转轴向下运动到最下端位置，此时所述第一搅拌叶进入土样杯，所述第二搅拌单元的第二搅拌叶进入所述清洗池，所述主控单元控制所述第一搅拌叶浸提，同时控制清洗所述第二搅拌叶，然后所述主控单元控制所述中轴转轴向上运动到最上端位置，所述中轴转轴的平键进入所述中轴套筒的键槽中，然后所述主控单元控制所述中轴套筒带动所述中轴转轴转动180°，进而带动所述第一搅拌单元和第二搅拌单元再次互换位置。

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