CN103605132A - 一种自动测量果树生长速率的装置 - Google Patents

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周衍华
欧阳爱国
赵文星
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Abstract

本发明公开了一种自动测量果树生长速率的装置,本发明所述的装置包括固定装置和测量装置两部分。固定装置把测量装置固定在树干上；测量装置由超声波测距模块、单片机、显示模块、测温模块和无线传输模块组成。可以实时的测量果树树干的生长高度的变化，从而测量果树的生长速度。本发明可在线检测果树的生长速度，克服传统人工测量果树生长速率每次现场作业的限制，最大的避免有人工测量导致的测量误差，节省了大量的人力物力。

Description

一种自动测量果树生长速率的装置
技术领域
本发明涉及一种测量果树生长速率的装置，尤其涉及一种自动测量果树生长速率的装置。
背景技术
果树的生长速率是果树生长规律研究中的一个重要因子，而生长测量方法的方便性和精确度仍是一难解课题，目前一些测量装置和方法还处于相对落后的状态。对于树木生长因子之间的关系研究和植物生长机制的研究，目前还没有统一的定论，这和测量的精确度、测量方法的便携性有密不可分的关系。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种自动测量果树生长速率的装置,实现对果树的自动测量，并且测量精度高，测量方便，大大节省了人力物力。
本发明的目的：基于数字化果园的研究的要求，利用该发明可以实时地采集和检测果树的生长速率为果园数字化实践中提供可靠的数据支持，对果园管理决策起推动作用。
为达到上述目的，技术方案为
本发明所述自动测量果树生长速率的装置由两部分组成：固定模块和测量模块。固定装置用于将测量装置固定在树干上，使测量装置能够稳定的测量树干高度的变化，测量装置中超声波测距模块对地发送脉冲，脉冲对地反射后被超声波测距模块接收，单片机接收超声波测距模块的信号及测温模块的温度值，通过计算树干对地的高度，通过LED显示模块实时显示，并把数据传送到无线网络节点远程测量装置上，可以实时的测量果树树干的生长高度的变化，从而测量果树的生长速度。
固定装置，由5个功能模块组成：皮带、皮带扣、不锈钢固定片、螺栓和螺母；所述不锈钢固定片两端开有不锈钢固定片通槽，皮带与不锈钢固定片通槽相连接，而螺栓与螺母使测量装置相连，皮带的一端连有皮带扣，通过皮带扣与皮带的卡紧，是测量装置固定在被测量果树的树干上。
皮带，用于将自动测量果树的生长速率的装置的测量模块固定在树干上，并通过皮带扣来实现上述固定功能。
皮带扣，其功能是协助皮带把自动测量果树生长速率装置的测量模块固定在树干上，并调节皮带固定在树干的松紧。
不锈钢固定片开有通槽，用于连接皮带，且其中心位置钻有螺孔，用螺栓与螺母配合，使测量模块封装外壳悬挂在不锈钢固定片正中央。
一个不锈钢固定片开有两个通槽，两根皮带分别套在不锈钢固定片两边；两边的皮带自由端通过皮带扣卡在一起，实现对整个装置的固定。
所述的测量装置，由封装外壳、单片机、超声波测距模块、测温模块、LED显示模块和无线传输模块组成，单片机分别连接LED显示模块、测温模块、超声波测距模块和无线传输模块。
封装外壳功能是把单片机、超声波测距模块、测温模块、显示模块、无线传输模块整合在一起，避免外部环境影响测量的精度；其最顶部钻有与不锈钢固定片对应的螺孔，通过螺栓与螺母配合，使测量模块固定在树干上。
为了使超声波测距模块发出的脉冲的方向与重力方向平行，封装外壳需要使重心在其中点上，并与螺孔在一条直线上，测距传感器模块则与外壳底部平行，确保了测量是树干对地的高度。
测距传感器模块发送端对地发送一段连续脉冲，由于对面反射，接收端接收到脉冲，通过后续单片机的计算可以得出树干距离地面的高度。
由于超声波在空气传播速度受空气温度影响，测量装置添加了测温模块，以测量空气中的温度。
单片机接收超声波测距模块的信号及测温模块的温度值，即得到超声波在空气中传播的时间和空气中的温度，通过公式                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
计算树干对地的高度，并送给显示模块显示，且把运算出的结果发送给无线传输模块。
无线传输模块接受到单片机传输的结果发送给无线网络远程测量装置。
显示模块显示树干测量点距离地面的距离。
由上可知，所述装置结构简单，安装方便，价格低廉,测量精度高等优点，可以自动完成测量果树生长高度的变化，从而得到果树的生长速率，节省了人力物力。
附图说明
附图1本发明装置的固定模块示意图。
附图2本发明装置的测量模块原理示意图。
附图3 本发明装置的超声波测距模块发射驱动电路图。
附图4 本发明装置的超声波测距模块接收电路图。
附图5 本发明装置的显示模块电路、DS18B20与单片机连接图。
附图6 本发明装置的无线传输模块电路。
在图中：1、被测果树树干；2、螺栓；3、螺母；4、皮带扣；5、皮带；6、不锈钢固定片； 7、不锈钢固定片通槽；8、单片机 9、LED显示模块 10、测温模块 11、超声波测距模块 12、无线传输模块 13、封装外壳。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。 
一种自动测量果树生长速率的装置。
图1为本发明自动测量苹果树的生长速率的装置中的固定模块。
皮带5，用于将自动测量果树的生长速率的装置的测量模块固定在树干1上，并通过皮带扣4来实现上述固定功能 。
皮带扣4，其功能是协助皮带把自动测量果树生长速率装置的测量模块固定在树干1上，调节皮带5固定在树干1的松紧。
不锈钢固定片6开有通槽7，用于连接皮带5，且其正中央钻有螺孔，用螺栓2与螺母3配合，使测量模块封装外壳悬挂在不锈钢固定片正中央。
不锈钢固定片6开有两个通槽7，两根皮带5分别套在不锈钢固定片6两边；两边的皮带5通过皮带扣4卡在一起，实现对整个装置的固定。
图2为本发明中的测量模块示意图。
所述的测量装置，由封装外壳13、单片机8、超声波测距模块11、测温模块10、LED显示模块9和无线传输模块12组成，单片机8分别连接LED显示模块9、测温模块10、超声波测距模块11和无线传输模块13。
本实例中测量模块，超声波传感器发射40kHz频率的超声波，借助空气媒质传播，到达地面后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，输入单片机，产生中断，计算中间经历的时间t。由于超声波在空气中的传播速度与空气温度有关，再根据具体的温度计算相应的声速，根据公式
Figure 800991DEST_PATH_IMAGE002
可以得到在T温度下的速度，再根据公式
Figure 718132DEST_PATH_IMAGE004
得出距离并传输给LED实时显示，同时传输给无线传输模块，无线传输模块把数据传送给无线网络节点远程测量装置上，测量模块中的各种组件集成在一起，并用封装外壳进行封装。同时封装外壳需要使重心在其中点上以确保测距传感器模块发出的脉冲的方向与重力方向平行。 
为了达到精确测量的目的，通过大量数据统计从中分析，优选下列型号：单片机采用51系列的AT89S52单片机，测距传感器模块采用超声波测距模块，无线传输模块采用nRF401，测温模块采用DS18B20。
图3为本发明装置的超声波测距模块发蛇驱动电路图。如图，超声波测距模块采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。发射电路主要由反相器74HC04和换能器TCT40-16T构成，AT89S52单片机P1.0端口输出的方波信号分成两路：一路经一级74HC04反相器后送到换能器TCT40-16T的一个电极，另一路经两级反相器后通过换能器TCT40-16T的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端提高了超声波的发射强度。输出端两个反相器的并联提高了驱动能力。上拉电阻R2，R3提高了反相器74HC04输出高电平的驱动能力，同时增加了超声波换能器TCT40-16T的阻尼效果，缩短了自由振荡的时间。
图4本发明装置的超声波测距模块接收电路图。如图，接收电路采用了超声波接收的专用芯片CX20106A，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点。CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60 kHz。
由于超声波频率为40kHz，所以调节CX20106A引脚5外接电阻R4的大小，使滤波器中心频率与超声波频率一致。
电路工接作原理：超声波接收换能器TCT40-16R接收的回波信号，接收到的脉冲信号经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的P3.2引脚上，以触发中断，单片机得到了超声波在空气中运动的往返时间。
图5为本发明装置的LED显示模块电路、DS18B20与单片机连接图。如图，显示器采用4位共阴极LED显示电路实时显示树干测量点对地高度。为了简化电路，LED显示采用动态显示方式，由P0口上拉电阻驱动数码管，P0口与相应的段码线（a~g、dp）相连，形成段码线的多路复用。其四位共阴极引脚1~4分别与单片机的P2.4~P2.7相连，形成各位的分时选通。动态显示其实质是轮流点亮扫描过程，每位显示器的点亮时间都是极为短暂的，利用人眼视觉短暂停留现象及二极管的余辉效应，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。
如图5，温度传感器采用DS18B20。DS18B20是一个单线式采集数据传输，并直接转换数字量的温度传感器，节省了I/O口线资源，结构简单，成本低廉。单片机通过单总线协议访问DS18B20，经P1.0发送指令，使DS18B20完成温度测量，测量结果放在DS18B20暂存器中，单片机最后经P1.0读取暂存器中的温度值。
图6为本发明装置的无线传输模块电路。无线芯片nRF401为半双工串行通信，单片机P3.1（TXD）与nRF401的DIN相连，单片机的P3.0（RXD）与nRF401的DOUT引脚相连，实现串行数据传输。决定工作模式的TXEN、PWR_UP和CS3个引脚分别与单片机的I/O控制口中的P2.1、P2.2和P2.3相连，工作时，由单片机中的程序实时决定nRF401工作模式，无线发送数据，被无线网络远程测量装置接收。
技术效果：本发明已单片机为核心，通过超声波对地反射所传播的时间得到所测量的树干的高度。该装置是自动化测量，不需人工测量，减少了测量的误差及工作量，达到了测量可靠、测量精度高的要求，同时大大降低了工作强度，从而大幅度提升了效率。该装置可以与无线网络相结合，实现远程数据的采集和监测，可以真实的得到果树树干测量点对地高度的平均值。

Claims (8)

1.一种自动测量果树生长速率的装置，由固定装置和测量装置组成，测量装置固定在固定装置上，其特征在于：所述的固定装置，由5个模块组成：皮带、皮带扣、不锈钢固定片、螺栓和螺母；所述不锈钢固定片两端开有不锈钢固定片通槽，皮带与不锈钢固定片通槽相连接，而螺栓与螺母使测量装置相连，皮带的一端连有皮带扣，通过皮带扣与皮带的卡紧，测量装置固定在被测量果树的树干上；
所述的测量装置，由封装外壳、单片机、超声波测距模块、测温模块、LED显示模块和无线传输模块组成，单片机分别连接LED显示模块、测温模块、超声波测距模块和无线传输模块。
2.根据权利要求1所述的自动测量果树生长速率的装置，其特征在于所述不锈钢固定片的中心位置钻有螺孔。
3.根据权利要求1所述的自动测量果树生长速率的装置，其特征在于所述螺栓与螺母是配套的。
4.根据权利要求1所述自动测量果树生长速率的装置，其特征是所述封装外壳的顶部钻有与不锈钢固定片对应的螺孔，重心在其中点上，并与螺孔在一条直线上。
5.一种权利要求1所述的自动测量果树生长速率的方法，其特征是在于：固定装置用于将测量装置固定在树干上，使测量装置能够稳定的测量树干高度的变化，测量装置中超声波测距模块对地发送脉冲，脉冲对地反射后被超声波测距模块接收，单片机接收超声波测距模块的信号及测温模块的温度值，通过计算树干对地的高度，通过LED显示模块实时显示，并把数据传送到无线网络节点远程测量装置上，可以实时的测量果树树干的生长高度的变化，从而测量果树的生长速度。
6.根据权利要求1所述自动测量果树生长速率的装置，其特征是超声波测距模块与封装外壳底部平行。
7.根据权利要求1所述自动测量果树生长速率的装置，其特征是单片机采用51系列的AT89S52单片机，无线传输模块采用nRF401，测温模块采用DS18B20。
8.根据权利要求1所述自动测量果树生长速率的装置，其特征是超声波测距模块采用收发分体式。
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