一種便攜式玉米葉片含水檢測儀器設(shè)計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000)

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一種便攜式玉米葉片含水檢測儀器設(shè)計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)植物葉片含水率的無損和準(zhǔn)確檢測，設(shè)計了一種新的便攜式玉米葉片含水率檢測儀器，并使用AT89C52單片機(jī)設(shè)計了核心控制系統(tǒng)，利用TCL7135實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。對光譜分析儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使用線性變化的濾波片，將其與陣列探測器相結(jié)合，提高了光譜儀的分辨率，使光譜儀的體積小、質(zhì)量小且穩(wěn)定性好。對光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，改造后的透射片光柵可以進(jìn)行編程控制，從而提高了測試儀的精度。對光譜水分測試儀器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：利用實(shí)驗(yàn)室方法和本次研究設(shè)計的便攜光譜儀的測試數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證了裝置的可靠性，為植株葉片水分檢測儀的研究提供了較有價值的參考。

關(guān)鍵詞：玉米葉片；含水率；無損檢測；紅外線光譜；便攜式儀器

0引言

近紅外光譜分析技術(shù)具有速度快、效率高、樣品處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，近幾十年在農(nóng)業(yè)、制藥、石化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些行業(yè)很多時候需要體積較小、方便移動的儀器用于現(xiàn)場分析。為滿足這一需求，眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)基于不同的技術(shù)研制出了多種輕便、緊湊的近紅外光譜儀。這些儀器大的可以車載，小的可以手提甚至手持，被統(tǒng)稱為便攜式近紅外光譜儀。農(nóng)作物葉片含水率是影響植株生長的重要方面之一，含水率過高或者過低都會影響作物的生長。因此，應(yīng)及時對葉片的含水率進(jìn)行檢測，調(diào)整灌溉的頻率，以提高不耐旱植株的產(chǎn)量。但是，葉片的檢測往往需要無損檢測，而光譜分析儀是典型的無損檢測儀器，對于紅外線光譜儀無損檢測儀器的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1總體設(shè)計

光照射體表后，一部分被皮膚反射，另一部分被吸收。隨著波長的增加，光的透入程度有所變化，根據(jù)這一原理，可以設(shè)計玉米葉片的水分檢測儀器，其中對光譜信號進(jìn)行采集后，需要對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將最終結(jié)果讀出到顯示屏，其總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1　數(shù)字顯示系統(tǒng)原理框圖

顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了極性的判斷及超量的判斷，從而實(shí)現(xiàn)了自動轉(zhuǎn)換擋的功能。在顯示光譜特征方面，顯示模塊采用的5個LED的數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)顯示，且功能可以通過按鍵來設(shè)定，可以控制它的上下限設(shè)定。

本設(shè)計由4大模塊組成，包括顯示模塊、電路模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊。按照要求實(shí)現(xiàn)功能，控制模塊用的是單片機(jī)，通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行計算處理和功能控制。顯示子程序流程如圖2所示。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計

便攜式近紅外檢測儀主要由發(fā)光電路和檢測電路組成。其中，發(fā)光電路使用紅外線發(fā)光二極管設(shè)計光源，波形選取810、850、880、940nm 4個波長的短波，檢測電路使用硅光電二極管，采用透射方式接收信號。近紅外線經(jīng)過葉片進(jìn)行透射后，攜帶了水分的特征信號，在另一側(cè)用光電檢測器接收信號，通過光電轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)的信號，并進(jìn)行數(shù)字化顯示。其基本框架如圖3所示。

圖2　顯示子程序流程

圖3　近紅外水分檢測儀原理圖

短波紅外線光譜儀的頭部如圖4所示。其采用間隔GSD高于2.8m，焦距為24.5mm，視角為98°，光譜范圍設(shè)計為1 000～2 800nm，光譜的設(shè)計分辨率小于10nm。

圖4　短波紅外成像光譜儀

為了簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)，本次研究選用濾光型儀器，在儀器內(nèi)部使用濾光片分光。由于濾光分片被固定，因此使分析儀更加堅固耐用，便于手持。

圖5為濾光片型近紅外光譜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些儀器使用固定的濾光片，堅固耐用，適合手持。利用單點(diǎn)探測器對透射光線進(jìn)行接收，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過顯示屏來顯示數(shù)據(jù)信息。

圖5　濾光片型近紅外光譜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

光譜儀的光譜特性與濾光片的位置有關(guān)，隨著位置的變化呈線性變化，通帶中心的波長也隨著位置的變化而變化。因此，可以對光譜儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使用線性變化的濾波片，將其與陣列探測器相結(jié)合，提高了光譜儀的分辨率，使光譜儀的體積小、質(zhì)量小且穩(wěn)定性好，如圖6所示。

圖6　光譜儀線性漸變機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖7為光譜儀光柵改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)。改造后的光柵是由一系列長條形的反射鏡組成，這些反射鏡有一半是可以移動的，動鏡和固定鏡子是分開的；光反射后會差生干涉圖，可以利用編程來控制光柵的移動，從而提高裝置的精確性。把光模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，需要借助集成芯片來完成。TLC7135是一種單片的集成ADC芯片，分辨率非常高，且價格偏低，抗干擾等功能強(qiáng)大，能夠完成單極性電壓下轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7　光柵可控性改造

圖8　數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片

圖8中，轉(zhuǎn)換通過掃描的方式而輸出，若要組成一個數(shù)字顯示屏，需要一個數(shù)碼的顯示驅(qū)動器和電阻電容等元件；芯片可以自動調(diào)零，這樣常溫情況下就可以常期穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)的核心是單片機(jī)。圖9為本文設(shè)計的AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，可以支持兩種軟件節(jié)點(diǎn)模式，其性價比高、抗干擾能力強(qiáng)。

圖9　單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

圖10為數(shù)字顯示功能模擬設(shè)計圖。通過A/D轉(zhuǎn)換，可以將測試結(jié)果在LED屏上進(jìn)行顯示，顯示部分的功能包括正負(fù)設(shè)計、小數(shù)點(diǎn)設(shè)計和數(shù)字顯示功能設(shè)計，可以從便攜式裝置上方便地進(jìn)行讀數(shù)。

圖10　數(shù)字顯示功能模擬設(shè)計

3便攜式玉米含水近紅外光譜分析儀測試

為了驗(yàn)證本設(shè)計的近紅外光譜分析儀的可行性和可靠性，對設(shè)計的紅外線分析儀進(jìn)行了測試，主要為玉米葉含水率的測試。測試選取的玉米葉如圖11所示。

圖11　測試實(shí)驗(yàn)玉米葉場景圖

為了驗(yàn)證裝置的可靠性，選取了干旱地區(qū)的玉米葉作為研究對象，通過紅外線便攜式分析儀對玉米葉的含水量進(jìn)行了測試，選取的玉米葉總長為40cm。通過測試，得到了如圖12、圖13所示的測試結(jié)果。

由圖12可以看出：玉米葉片的含水量隨著玉米葉片的位置不同有所不同，其最大的含水量不超過35%，這與干旱的地塊環(huán)境有關(guān)。

由圖14可以看出：多種型號的玉米葉含水量均不超過40%，這與干旱實(shí)際地塊的情況相符合。

圖12　單葉片水分含量紅外線測試結(jié)果

圖13　增加采樣點(diǎn)后的測試結(jié)果

對不同型號的玉米葉子進(jìn)行含水量檢測，并使用歸一化方法對結(jié)果進(jìn)行處理，得到了如圖14所示的多葉片含水量的曲線結(jié)果。

圖14　歸一化處理后的多葉片水分含量

為了驗(yàn)證便攜式光譜儀測量的可靠性，將其測試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。通過對比發(fā)現(xiàn)：測試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果基本吻合，誤差不超過0.2%，驗(yàn)證了本次設(shè)計的可靠性。

表1　玉米葉水分測試結(jié)果表

4結(jié)論

1)利用AT89C52單片和TCL7135數(shù)字集成芯片，結(jié)合線性變化濾波片和光柵可編程控制技術(shù)，設(shè)計了一種新的植株葉片水分檢測儀。通過測試發(fā)現(xiàn)：該檢測儀體積小、穩(wěn)定性好、分辨率高。

2)使用設(shè)計的光譜水分分析儀對玉米的葉片進(jìn)行了水分檢測，為了驗(yàn)證裝置的可靠性，選用了不同種型號的玉米進(jìn)行了測試。通過測試發(fā)現(xiàn)：該儀器可以有效地檢測玉米葉片的含水率，其測試值和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)值基本吻合，其誤差不超過0.2%，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計儀器的可靠性。

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Design of a Portable Instrument for Measuring Water Content of Corn Leaves

Shi Zengfang, Jiang Yanlei

(Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China)

Abstract：In order to achieve non-destructive and accurate detection of the moisture content of plant leaves, a new method for measuring the moisture content of corn leaves was designed, and the core control system was designed by using AT89C52 chip microcomputer.The conversion function was realized by TCL7135. The mechanical structure of the spectrum analyzer is improved, and the linear filter is used to improve the resolution of the spectrometer, which can improve the resolution of the spectrometer. After the reconstruction of the grating structure, the transmission grating can be programmed and controlled, so as to improve the accuracy of the test system. Finally, the experimental study of the spectral moisture test instrument, the test data of the test data of the portable spectrometer is basically consistent with the test data, which verifies the reliability of the device, and provides a valuable reference for the research of the plant leaf water detector.

Key words：corn leaf; water content; nondestructive detection； infrared spectrum; portable instrument

中圖分類號：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0096-05

作者簡介：史增芳(1973-)，男，河南焦作人，副教授，碩士。通訊作者：姜巖蕾(1974-)，女，河南南陽人，副教授，碩士，(E-mail)jiangyanlei1974@qq.com。

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210367)；南陽市科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015039)

收稿日期：2015-08-04