CN112067561A - 基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，包括数据采集模块、数据处理模块、存储模块、显示模块、LED驱动模块，LED光源组和光敏三极管电阻阵列；数据处理模块为单片机核心处理模块，数据采集模块为FPGA数据采集单元，FPGA数据采集单元将所采集的数据传递至单片机核心处理模块，采集的数据包括叶片情况和虫孔情况；单片机核心处理模块连接FLASH存储器、液晶显示模块和矩阵键盘；单片机核心处理模块连接LED驱动模块，LED驱动模块将单片机核心处理模块发送的指令传递至LED光源组。本发明以FPGA和MSP430为硬件基础，设计了高精度手持式叶面积测量仪器，在精度和性能方面较其他测量仪器更精准。

Description

基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪
技术领域
本发明涉及电子自动控制技术，具体涉及一种基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪。
背景技术
在自然界中，动植物是主宰，植物为各类动物提供了必须的生活来源。而叶片作为植物进行光合作用的主要器官，其能在光下制造有机物，是孕育生命最原始最基础的地方。植物在进行光合作用与蒸腾作用过程中，叶片的面积会直接影响植物生长过程。因此，叶面积的大小是植物生长、作物栽培、育种实践、测定虫害的重要衡量指标，建立有效的叶片面积测量方法以及设备，在以上农业研究和实践中有积极地意义。
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器一般由处理通路和处理元件组成，以光电效应为基础，首先将被测量的变化转换成光信号的变化，然后利用光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电式传感器以其非接触、响应快、性能可靠等特点，在工业自动化装置和机器人中获得大量使用。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，在检测和控制中得到了广泛应用。
目前对于叶面积测量方法主要分为两类，第一类传统测量法，但其使用局限于手工操作繁琐、工序复杂等缺陷，如坐标纸法、称重法等。第二类大设备检测法，该类方法检测设备要求极高，且处理过程耗时较长，如图像处理法。目前缺少一种既简便又操作简单的侧量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电检测法，以FPGA和MSP430为硬件基础，设计了高精度的手持式叶面积测量仪器，该仪器可以在精度和性能方面较其他测量仪器更精准。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，包括数据采集模块、数据处理模块、存储模块、显示模块、LED驱动模块，LED光源组和光敏三极管电阻阵列；
所述的数据处理模块为单片机核心处理模块，所述的数据采集模块为FPGA数据采集单元，所述的FPGA数据采集单元将所采集的数据传递至所述的单片机核心处理模块，所述采集的数据包括叶片情况和虫孔情况；
所述的单片机核心处理模块连接FLASH存储器、液晶显示模块和矩阵键盘，所述的FLASH存储器完成数据存储，所述的液晶显示模块用于对数据处理模块处理得到的数据进行实时显示，所述的矩阵键盘用于对单片机核心处理模块进行设置，实现数据输入及功能控制；
所述的单片机核心处理模块连接LED驱动模块，所述的LED驱动模块将单片机核心处理模块发送的指令传递至所述的LED光源组。
进一步的，所述的单片机核心处理模块采用MSP430单片机。
进一步的，还包括固态继电器组，所述的固态继电器组连接光敏三极管电阻阵列，所述光敏三极管电阻阵列连接至FPGA数据采集单元，用于对叶片情况和虫孔情况进行测量采集。
进一步的，所述的数据处理模块处理得到的数据包括叶片面积、叶片长度、虫洞个数和虫洞面积。
进一步的，运用VHDL语言的FPGA逻辑的编写完成数据采集工作，基于C语言的单片机程序设计，配合硬件电路完成数据处理，结合软件和硬件，进行元件调整和仪器调试，实现叶面积测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪在测量过程中对叶片损伤极小，几乎为0，测量过程中避免了以往测量需要将叶片摘下过程与测量过程对植物带来的损伤，仪器为手持式，体积小，重量轻，便于携带且稳固性好，在长时间工作过程中，其测量数据依然稳定可靠。
采用该仪器能够得到更具泛化能力的测量数据(叶面积、叶最大长度、虫孔面积、平均面积等)。本发明的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪的测量范围涵盖更广，测量精度高，同时也大大提高了测量速度、降低了能耗，弥补了以往研究的不足之处。
该仪器的维护性与环境适应性也极好，当测量对象、测量环境发生改变时，在进行有效调整后依然可进行准确测量，天气、温度、湿度等因素对其测量影响较小。该仪器的高效低功耗以及方便提取使用数据的特性，使得它在具有一定的实际意义，可投入实际叶面积测量中使用。
附图说明
图1：本发明的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪的结构示意图。
图2：本发明的原理结构示意图。
图3：数据采集模块结构示意图。
图4：单片机执行示意图。
图5：FPGA数据采集执行流程图。
图6：实施例中样本测量结果图。
图7：实施例中测量位置误差分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，包括数据采集模块、数据处理模块、存储模块、显示模块、LED驱动模块，LED光源组和光敏三极管电阻阵列；
所述的数据处理模块为单片机核心处理模块，所述的数据采集模块为FPGA数据采集单元，所述的FPGA数据采集单元将所采集的数据传递至所述的单片机核心处理模块，所述采集的数据包括叶片情况和虫孔情况；
所述的单片机核心处理模块连接FLASH存储器、液晶显示模块和矩阵键盘，所述的FLASH存储器完成数据存储，所述的液晶显示模块用于对数据处理模块处理得到的数据进行实时显示，所述的矩阵键盘用于对单片机核心处理模块进行设置，实现数据输入及功能控制；
所述的单片机核心处理模块连接LED驱动模块，所述的LED驱动模块将单片机核心处理模块发送的指令传递至所述的LED光源组。
所述的单片机核心处理模块采用MSP430单片机。
还包括固态继电器组，所述的固态继电器组连接光敏三极管电阻阵列，所述光敏三极管电阻阵列连接至FPGA数据采集单元，用于对叶片情况和虫孔情况进行测量采集。
所述的数据处理模块处理得到的数据包括叶片面积、叶片长度、虫洞个数和虫洞面积。
运用VHDL语言的FPGA逻辑的编写完成数据采集工作，基于C语言的单片机程序设计，配合硬件电路完成数据处理，结合软件和硬件，进行元件调整和仪器调试，实现叶面积测量。
测试过程中实我们选用的模具样本面积为4cm2、9cm2、16cm2、20.25cm2、28.26cm2(此面积经过精确测量)。每个叶片在仪器的左侧、中部、右侧3个不同的位置进行测量，每个位置测10次，结果如图6、7。
本发明以单片机作为核心控制单元，FPGA作为数据采集与计算单元，提高了程序可移植性，复用性高，使仪器重复性好。数据表明系统的最大相对误差在5％以内。同时也由测量结果分析得到，测量叶片的长度越大，则平均误差相对越小，这是有序测量过程中量化误差引起的。由于光敏三极管和发光二极管的个体差异，以及测量方式的不同，使得不同位置、不同方向上的测量结果有一定差异，但是差异较小，几乎不影响结果。基于以上分析得出不同位置测量对测量结果精度影响较小。本仪器分辨率可达0.8mm2,测量范围在0—400cm2之间(可根据具体要求进行扩展进一步提升测量范围)，测量精度达到要求的3％，可更加快速、精准的测量叶片情况(包含面积、最大长度、虫洞个数、虫洞面积、平均面积在内等多个方面)，与其他测量方式相比，本仪器测量范围涵盖更广，精度更高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块、存储模块、显示模块、LED驱动模块，LED光源组和光敏三极管电阻阵列；
所述的数据处理模块为单片机核心处理模块，所述的数据采集模块为FPGA数据采集单元，所述的FPGA数据采集单元将所采集的数据传递至所述的单片机核心处理模块，所述采集的数据包括叶片情况和虫孔情况；
所述的单片机核心处理模块连接FLASH存储器、液晶显示模块和矩阵键盘，所述的FLASH存储器完成数据存储，所述的液晶显示模块用于对数据处理模块处理得到的数据进行实时显示，所述的矩阵键盘用于对单片机核心处理模块进行设置，实现数据输入及功能控制；
所述的单片机核心处理模块连接LED驱动模块，所述的LED驱动模块将单片机核心处理模块发送的指令传递至所述的LED光源组。
2.根据权利要求1所述的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，其特征在于：所述的单片机核心处理模块采用MSP430单片机。
3.根据权利要求1所述的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，其特征在于：还包括固态继电器组，所述的固态继电器组连接光敏三极管电阻阵列，所述光敏三极管电阻阵列连接至FPGA数据采集单元，用于对叶片情况和虫孔情况进行测量采集。
4.根据权利要求1所述的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，其特征在于：所述的数据处理模块处理得到的数据包括叶片面积、叶片长度、虫洞个数和虫洞面积。
5.根据权利要求1所述的基于光电检测方法的手持高精度叶片测量仪，其特征在于：运用VHDL语言的FPGA逻辑的编写完成数据采集工作，基于C语言的单片机程序设计，配合硬件电路完成数据处理，结合软件和硬件，进行元件调整和仪器调试，实现叶面积测量。
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