CN107750562A - 一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置 - Google Patents

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吴伟斌
张震邦
洪添胜
周学成
宋淑然
刘佛良
黄家曦
付正德
陈理
杨晓彬
李泽艺
刘文超
宋倩
黄锦武
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Abstract

本发明涉及基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，包括近红外光源、硅光电池、运算放大电路、数据采集卡、PC上位机、步进电机、喷头、单片机、水泵和水箱；近红外光源照射在植物叶片上，硅光电池接收穿过植物叶片的光强，运算放大电路采集硅光电池的输出电压，并通过运算放大后输入至数据采集卡，由数据采集卡将输出电压信号传输至PC上位机；PC上位机控制步进电机完成植物占地区域的扫描，根据输出电压信号计算植物的重叠叶片数，计算叶面积指数后传输至单片机，单片机根据叶面积指数信号值的大小输出控制指令至水泵，控制水泵抽水至喷头完成喷雾作业。本发明可减少叶面肥的使用量，提高施肥效率，降低环境污染。

Description

一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置
技术领域
本发明涉及农业施肥控制技术，具体是一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置。
背景技术
我国是农业生产大国，林果茶园资源丰富，喷雾施肥是林果茶园管理中的重要环节。林果茶园中种植的植物可通过喷施叶面肥促进生长。叶面肥喷洒量可根据植物的生长情况决定。叶面积指数是反映植物生长状况的重要参考指标，其定义是单位面积上植物所有叶子的总面积与植物占地面积的比值。可利用重叠叶片层数与光电传感器输出电压的指数关系，由数据采集卡采集电压信号，并利用虚拟仪器技术实现叶面积指数的测量。以叶面积指数作为水泵喷洒叶面肥的判断依据，叶面积指数小的植物，可减少叶面肥的使用量；叶面积指数大的植物，则提高叶面肥使用量。
虽然现在有比较精确和成熟的叶面积指数计算方法，但是叶面肥的喷洒量并没有实时地跟随叶面积指数的变化，以得到相应的调整与较为精准的控制。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，能采集林果茶园植物叶面积指数，并根据叶面积指数调整喷洒量，实现叶面肥的按需喷灌。
本发明采用如下技术方案来实现：一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，包括近红外光源、硅光电池、运算放大电路、数据采集卡、PC上位机、步进电机、喷头、单片机、水泵和水箱；近红外光源和硅光电池通过U型架连接；数据采集卡一端与硅光电池相连，另一端与PC上位机相连；近红外光源照射在植物叶片上，硅光电池接收穿过植物叶片的光强，运算放大电路采集硅光电池的输出电压，并通过运算放大后输入至数据采集卡，由数据采集卡将输出电压信号传输至PC上位机；PC上位机控制步进电机完成植物占地区域的扫描，根据输出电压信号计算植物的重叠叶片数，通过LabVIEW编程和虚拟仪器技术实现叶面积指数的计算及显示；PC上位机将叶面积指数信号传输至单片机，单片机根据叶面积指数信号值的大小，输出控制指令至水泵，控制水泵从水箱中抽水至喷头完成喷雾作业。
优选地，所述喷头处设有与单片机连接的流速检测电路。
优选地，所述流速检测电路所检测的流速信号经传感器接口电路、放大整形电路后输入到单片机。
优选地，所述流速检测电路用红外发光二极管和红外光敏二极管进行流速检测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、上位机控制步进电机实现叶面积指数的测量，系统根据PC上位机检测到的叶面积指数信号，通过单片机控制板调节水泵的转速，达到控制植物叶面肥喷施量的目的。
2、能采集林果茶园植物叶面积指数，并根据叶面积指数调整喷洒量，实现叶面肥的按需喷灌。叶面肥的使用量可通过单片机调节水泵的转速实现喷洒量控制，对植物喷洒叶面肥，可有效提高叶面肥的使用效率。
3、检测部分利用LabVIEW检测叶面积指数，具有编程简单、开发时间短的优点，将这套仪器应用于林果茶园精准喷雾，可减少叶面肥的使用量，提高施肥效率，降低环境污染。
附图说明
图1为本发明喷雾装置的结构示意图；
图2为本发明喷雾装置的控制结构框图；
图3为单片机控制板的模块划分示意图；
图4为单片机控制板的结构框图；
图5为流速检测电路图；
图6为通讯接口部件的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、2所示，本发明基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，包括检测部分和执行部分，检测部分包括近红外光源1、硅光电池2、运算放大电路3、数据采集卡10和PC上位机5，执行部分包括步进电机4、喷头6、单片机7、水泵8和水箱9。近红外光源和硅光电池通过U型架连接；数据采集卡一端与硅光电池相连，另一端与PC上位机相连；运算放大电路采集硅光电池的输出电压，并通过运算放大后输入至数据采集卡，数据采集卡选用NI6229，通过串口与PC上位机相连。PC上位机控制三个步进电机完成植物占地区域的扫描，通过LabVIEW编程和虚拟仪器技术，实现叶面积指数的计算及显示。PC上位机将叶面积指数信号通过数据信号线传输至单片机，单片机与步进电机驱动器和变频器相连，步进电机驱动器与步进电机相连以控制步进电机的运转，变频器与水泵相连；单片机根据叶面积指数信号值的大小，输出控制指令至水泵，控制水泵从水箱中抽水至喷头完成喷雾作业。
工作时，近红外光源照射在植物叶片上，硅光电池接收穿过植物叶片的光强，由数据采集卡将信号传输至上位机，上位机根据电压信号计算植物的重叠叶片数，通过导轨的移动扫描植物的整个占地范围，从而计算植物叶面积指数。将1至8片重叠叶片放在硅光电池与U型架之间，进行硅光电池输出电压与重叠叶片数的标定。进行茶叶扫描时，单片机通过三维导轨控制U型架沿S型扫描植物的整个占地区域，利用LabVIEW编程和虚拟仪器技术实现植物投影面积和叶子总面积的计算，根据公式叶面积指数(LAI)＝叶片总面积/阳光垂直照射下叶片的阴影面积，可计算植物的叶面积指数。
如图3，单片机控制板主要由工作电源模块、前向通道模块、扩展模块、主处理模块、辅助模块、后向通道模块和输出模块组成。工作电源模块由容量10VA变压器、三端可调集成稳压芯片、桥堆及阻容电路组成。其中变压器将220V交流电降压至15V交流电；集成稳压芯片用来稳定输出电压；桥堆及阻容电路共同起到整流和滤波作用，主要用来抑制供电系统的纹波干扰，阻容电路同时对系统电路进行退耦处理以及削弱外界瞬时的高频尖峰干扰电压的冲击，增强系统工作的可靠性。前向通道模块由A/D转换芯片、缓冲器芯片、电压比较器、精密可调电阻等组成，主要用来完成转速等信号的模数转换。扩展模块包括由20个按键键盘、8段码显示器、键盘显示用控制芯片及缓冲器等组成的键盘显示单元，4个八位三态锁存器及接口部件，主要用来进行键盘显示及外接口的扩展。主处理模块由单片机芯片、分频器芯片、串行E2PROM、复位电路等组成，主要用来进行数据保存、传输及处理，协调各接口部件之间正常工作。辅助模块由PC机与单片机间的通讯电路单元、看门狗电路单元、声光报警电路单元等组成。通讯电路单元由电平转换芯片、接口部件等组成，用来完成PC机与单片机间的数据传输。看门狗电路主要由防自锁集成芯片组成，在系统运行出现死循环时使系统自动复位。声光报警单元由指示灯、峰鸣器、锁存器等组成，主要用在当系统运行出错时进行声光报警，与看门狗电路一起来进行硬件系统的保护。
图4为本发明单片机控制板的结构示意图，单片机控制板主要包括：放大整形电路、光电检测电路、D/A转换器、变频调速控制、步进电机控制部分组成的后向通道和输出控制单元；通讯接口部件、看门狗电路、声光报警电路等辅助单元。变频调速控制部分采用闭环电路，这主要由于水泵电机转速调节误差较大，且水流从水泵出口到喷头间存在沿程阻力损失，加上其他干扰，会使喷头出口流速偏离计算值，从而影响调节精度，所以采用闭环控制。本装置只要完成数据采集，并通过控制变频器调节水泵电机转速，实现对植物喷雾量的精确控制，同时驱动步进电机带动喷头进行转动。
水泵采用日本的FVR3.7E9S-4JE变频器进行控制。上述变频器的工作电压为三相160-480v，输出功率为3.7kw，最小频率为1Hz，最大设定频率为400Hz。喷头选用口径为64mm2的带锥度的普通园林喷灌用的直射喷头，其特点是内壁较光滑，水流离开喷头后不易发散。水泵选用三相交流潜水泵，工作电压为380v，配套功率为0.37kw，额定扬程为15m，额定流量为1.5m3/h，额定转速为2860r/min。单片机通过D/A转换电路与变频器相连，变频器主要用来对水泵进行调速，通过改变电动机电子供电电压的频率，即可平滑地改变水泵的同步转速。变频器与喷头相连，单片机接受来自PC上位机的叶面积指数信号，发出指令调节变频器的转速，从而改变喷头的出口流量，达到精准喷雾的目的。喷头与水泵通过水管相连，喷头边缘开有很多小孔，在水泵压力下，肥料通过小孔向周围喷洒，形成细小的雾滴黏附在叶子表面，更容易被叶子吸收。
本发明在喷头处设有与单片机连接的流速检测电路。如图5，流速检测电路用于喷头出口流速的检测，所检测的流速信号经传感器接口电路、放大整形电路后输入到单片机。用红外发光二极管和红外光敏二极管进行流速检测，发光二极管检测光栅挡光的次数，利用三极管放大电路放大信号，并与输入电压比较整形，输出标准方波信号。
图6为本发明通讯接口部件的电路图，通讯控制接口将数据离散化后，将运算结果传送给单片机，由单片机推动变频器控制水泵喷雾流量。
如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (5)

1.一种基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，其特征在于，包括近红外光源、硅光电池、运算放大电路、数据采集卡、PC上位机、步进电机、喷头、单片机、水泵和水箱；近红外光源和硅光电池通过U型架连接；数据采集卡一端与硅光电池相连，另一端与PC上位机相连；近红外光源照射在植物叶片上，硅光电池接收穿过植物叶片的光强，运算放大电路采集硅光电池的输出电压，并通过运算放大后输入至数据采集卡，由数据采集卡将输出电压信号传输至PC上位机；PC上位机控制步进电机完成植物占地区域的扫描，根据输出电压信号计算植物的重叠叶片数，通过LabVIEW编程和虚拟仪器技术实现叶面积指数的计算及显示；PC上位机将叶面积指数信号传输至单片机，单片机根据叶面积指数信号值的大小，输出控制指令至水泵，控制水泵从水箱中抽水至喷头完成喷雾作业。
2.根据权利要求1所述的基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，其特征在于，所述水泵采用FVR3.7E9S-4JE变频器进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，其特征在于，所述喷头处设有与单片机连接的流速检测电路。
4.根据权利要求3所述的基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，其特征在于，所述流速检测电路所检测的流速信号经传感器接口电路、放大整形电路后输入到单片机。
5.根据权利要求3所述的基于林果茶园植物叶面积指数的精准喷雾装置，其特征在于，所述流速检测电路用红外发光二极管和红外光敏二极管进行流速检测。
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