專利名稱：一種測量植物葉片色素含量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量植物葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量的裝置。
背景技術(shù)：
精細農(nóng)業(yè)要求能精確掌握氣候和土壤的時間和空間演化，以及其對農(nóng)作物生長的影響，使之能通過肥料、施藥等栽培管理手段，進行高效的農(nóng)業(yè)經(jīng)營與管理，并減少由農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的污染，進而達到提高生產(chǎn)利潤、保護生態(tài)環(huán)境的目標，使農(nóng)業(yè)得以持續(xù)、健康的發(fā)展。為此，需要對農(nóng)作物的生長狀況進行實時檢測，并分析產(chǎn)生不良狀況的原因，以便采取相應(yīng)的措施。傳統(tǒng)的采樣、樣品制備和實驗室分析手段對農(nóng)作物有損害，并且在經(jīng)濟性和實時性方面也存在欠缺。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對上述問題，提供一種測量植物葉片色素含量的裝置，通過對葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量變化的檢測，了解外界脅迫條件(如水分、光照、鹽分、微量元素、氮、磷、鉀養(yǎng)分等的過量或缺乏)的變化，為采取進一步措施提供參考依據(jù)。
本實用新型提供的技術(shù)方案是一種測量植物葉片色素含量的裝置，包括半導體二極管發(fā)射光源、接收半導體二極管發(fā)射光源光信號的接收器、處理接收器輸出信號的單片計算機及提供工作電源的電池。
上述半導體二極管發(fā)射光源為多波長半導體二極管發(fā)射光源，接收器為波長選擇接收器。
上述多波長半導體二極管發(fā)射光源主要由譯碼器、反相器、若干個不同發(fā)射波長的半導體二極管及對應(yīng)的半導體二極管驅(qū)動電路、柱面透鏡、非球面透鏡和多模光纖組成；譯碼器的輸出與反相器輸入端相連，反相器輸出端與半導體二極管驅(qū)動電路輸入端相連，半導體二極管驅(qū)動電路輸出端與對應(yīng)的半導體二極管相連，半導體二極管的光學輸出依次經(jīng)柱面透鏡、非球面透鏡進入多模光纖。
上述波長選擇接收器主要由準直透鏡、濾光片調(diào)整盤、與濾光片調(diào)整盤傳動聯(lián)接的步進電機、步進電機驅(qū)動器、透射波長與半導體二極管發(fā)射波長一一對應(yīng)的若干個濾光片、會聚透鏡、硅半導體探測器、前置放大電路組成；多波長半導體二極管發(fā)射光源的光學輸出依次經(jīng)準直透鏡、濾光片、會聚透鏡進入硅半導體探測器，硅半導體探測器的輸出端與前置放大電路輸入端相連，前置放大電路輸出進入單片計算機，步進電機驅(qū)動電路的輸入接單片計算機的輸出，電機驅(qū)動電路輸出端與步進電機輸入端相連，濾光片分布在濾光片調(diào)整盤上。
上述濾光片按圓周分布在濾光片調(diào)整盤上。
本實用新型設(shè)有葉片夾具，葉片夾具的二個夾臂上分別設(shè)有光路連接的準直透鏡和會聚透鏡，其中，一夾臂上的準直透鏡連接多波長半導體二極管發(fā)射光源的多模光纖，另一夾臂上的會聚透鏡通過多模光纖連接波長選擇接收器。
多波長半導體二極管發(fā)射光源中半導體二極管為六個，所述六個半導體二極管的工作波長分別為植物葉片長波透過率參考波長950nm、葉綠素a長波端吸收峰660nm、葉綠素a短波端吸收峰430nm、葉綠素b長波端吸收峰640nm、葉綠素b短波端吸收峰460nm和類胡蘿卜素吸收峰480nm；對應(yīng)上述六個半導體二極管的工作波長，波長選擇接收器中的濾光片為對應(yīng)透射波長的六個濾光片。
上述單片計算機主要由主機芯片、數(shù)據(jù)存儲電路、外圍擴展電路、鍵盤、8個LED數(shù)碼顯示管組成；數(shù)據(jù)存儲電路包括EPROM、靜態(tài)RAM芯片和地址鎖存器，外圍擴展電路包括A/D轉(zhuǎn)換芯片和鍵盤/顯示器接口芯片，鍵盤和8個LED數(shù)碼顯示管通過8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線與鍵盤/顯示器接口芯片相連，主機芯片通過16位復用地址總線和8位數(shù)據(jù)總線及相應(yīng)片選信號線與數(shù)據(jù)存儲電路、外圍擴展電路相連。
上述電池為整機提供需要的電源。在進行實際探測前，可將定標專用光學透過率薄片夾在葉片夾具的二個夾臂之間進行系統(tǒng)定標和校正。
本實用新型做成便攜式；多波長半導體二極管發(fā)射光源、波長選擇接收器、單片計算機、電池組成主機，以背包或挎包形式由測量人員攜帶；葉片夾具由測量人員持于手中通過夾持待測植物葉片進行測量；主機和葉片夾具之間通過兩根光纖相連。
單片計算機控制多波長半導體二極管發(fā)射光源發(fā)射某一波長的調(diào)制探測光，同時控制濾光片調(diào)整盤調(diào)整到同一波長的濾光片上，探測光透過被探測植物葉片后，經(jīng)過整形、濾光、光電轉(zhuǎn)換處理后，送入單片計算機進行分析和儲存，從而獲得這一波長的植物葉片透過率；重復這一過程但換用不同的波長，直至完成所有波長的透過率測量，即完成一次完整的植物葉片透過率測量。上述測量步驟可重復進行數(shù)次取平均值以提高探測精度。通過上述測量步驟可獲得葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量變化，從而了解外界脅迫條件(如水分、光照、鹽分、微量元素、氮、磷、鉀養(yǎng)分等的過量或缺乏)的變化，為采取進一步措施提供參考依據(jù)，也可為科學研究提供數(shù)據(jù)。


圖1是本實用新型中測量植物葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量的便攜式儀器原理框圖；圖2是本實用新型中多波長半導體二極管發(fā)射光源中譯碼器、反相器、半導體二極管和半導體二極管驅(qū)動電路部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本實用新型中多波長半導體二極管發(fā)射光源中半導體二極管、柱面透鏡、非球面透鏡和多模光纖部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是本實用新型中葉片夾具部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖5是本實用新型中波長選擇接收器主要部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖6是本實用新型中波長選擇接收器中濾光片調(diào)整盤結(jié)構(gòu)圖；圖7是本實用新型中波長選擇接收器中步進電機部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖8是本實用新型中波長選擇接收器中前置放大電路部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖9是本實用新型中單片計算機主要部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖10是本實用新型中整機電源構(gòu)成結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本實用新型作進一步詳細的描述。
參見圖1，本實用新型中的測量植物葉片色素含量的裝置主要包括多波長半導體二極管發(fā)射光源1、葉片夾具2、待測植物葉片3、波長選擇接收器4、單片計算機5和可充電電池組6。
圖2中譯碼器U1接收來自圖9中主機芯片U5(8031)的P1.2、P1.1和P1.0編碼控制信號，譯碼器Y1～Y5的輸出信號經(jīng)反相器U2實施電平反轉(zhuǎn)后，對半導體二極管驅(qū)動電路進行順序點亮控制。半導體二極管驅(qū)動電路為相同結(jié)構(gòu)的6路驅(qū)動，下面僅介紹Y1驅(qū)動的第1路Y1高電平信號導致晶體管Q1飽和導通，使半導體二極管LED1點亮，電阻R1用于限制反相器U2的輸出電流，電阻R2用于控制半導體二極管LED1的工作電流。半導體二極管的波長選擇為植物葉片長波透過率參考波長950nm、葉綠素a長波端吸收峰660nm、葉綠素a短波端吸收峰430nm、葉綠素b長波端吸收峰640nm、葉綠素b短波端吸收峰460nm、類胡蘿卜素吸收峰480nm。
為了提高信噪比和測量精度，最好選用高亮度和小發(fā)散角的半導體二極管。圖3中半導體二極管LED1～LED6呈扇形排列，其輸出的發(fā)射光經(jīng)柱面透鏡7會聚后，通過非球面透鏡8耦合入多模光纖9內(nèi)部。
參見圖4，上述葉片夾具2主要由可無損夾持植物葉片的夾具、分別安置于夾具上臂11和夾具下臂13上空間位置對應(yīng)的經(jīng)準直透鏡10和會聚透鏡12。從多模光纖9輸出的探測光進入圖4中的夾具上臂11，經(jīng)準直鏡10整理成近似平行光后，透過待測植物葉片或定標專用光學透過率薄片3，透射后的信號光經(jīng)夾具下臂13中的會聚鏡12耦合到信號光輸出光纖14輸出到波長選擇接收器。
透射后的信號光經(jīng)圖5中的信號光輸出光纖14進入波長選擇接收器，經(jīng)準直鏡15整理成近似平行光后，經(jīng)過濾光片調(diào)整盤16上相應(yīng)透射波長的濾光片22，濾光片只讓信號光通過而阻止雜散噪聲光，提高了探測信噪比。過濾后的信號光經(jīng)會聚鏡17聚焦到Si半導體探測器18上進行光電信號轉(zhuǎn)換并送入前置放大電路19。步進電機驅(qū)動器20驅(qū)動步進電機21將與探測光波長相應(yīng)的濾光片22旋轉(zhuǎn)到光路中進行濾光。
圖6中不同波長的濾光片22-27按圓周均勻分布在濾光片調(diào)整盤16上。圖中所示為6通道(波長)情況，濾光片22-27的峰值透射波長分別為950nm、660nm、640nm、480nm、460nm、430nm。
圖7所示為步進電機驅(qū)動器20和步進電機21的連接方式和工作過程。步進電機驅(qū)動器20(常州德昌，型號DCM-210)接收來自主機芯片U5的P1.4和P1.3的方向電平和步進脈沖信號，從A、A’、B和B’四個輸出端連接到步進電機21(常州德昌，型號39BYG006)的A相和B相，驅(qū)動步進電機21工作。步進電機驅(qū)動器20的“Free”端需接“+5V”端防止步進電機21自由滑動，Vcc端直接從12V電池上取電，C3提供高頻濾波。
前置放大電路19的原理結(jié)構(gòu)示于圖8。電感L1和L2對±5V電源實施高頻扼流，電容C5和C6用于降低±5V電源的紋波噪聲，-15V電源通過電阻R13和R14為Si二極管探測器18提供反向偏置，電容C7進行高頻濾波，Si二極管探測器18的光感生電流通過電阻R15形成電壓信號，電容C8和C11為運放U3的±5V電源進行高頻濾波，運放U3及其外圍電路電阻R16-R22組成的變化放大電路對電阻R15上的信號電壓變化量進行放大，還可以通過電阻R21的調(diào)節(jié)來改變增益，電阻R23將運放U3輸出的信號直流耦合到運放U4進行增益放大，同樣的，電容C12和C13為運放U4的±5V電源進行高頻濾波，通過電阻R24的調(diào)節(jié)來改變增益，電壓信號最后通過電阻R27輸出到圖9中A/D轉(zhuǎn)換芯片U7(MAX197)的模擬輸入端。
圖9中，電容C16、C17和晶振X1構(gòu)成主機芯片U5時鐘電路，電容C15、電阻R28、R29和開關(guān)K1組成主機芯片U5復位電路，主機芯片U5的P2口用作高8位地址，P0口通過地址鎖存器U10(74LS373)實現(xiàn)低8位地址/數(shù)據(jù)復用，數(shù)據(jù)存儲電路還包括EPROM芯片U6(27128A)和靜態(tài)RAM芯片U8(62256)，由于EPROM芯片U6最高只用到了A13、靜態(tài)RAM芯片U8最高只用到了A14，所以將地址最高位P2.7用作PROM芯片U6片選信號，靜態(tài)RAM芯片U8片選信號由主機芯片U5的P3.4口提供。從前置放大電路19輸入的模擬電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換芯片U7轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號后，再通過A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的INT口向主機芯片U5的INT1口發(fā)出中斷請求，要求主機芯片U5讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，但由于整個單片計算機的數(shù)據(jù)總線只有8位，主機芯片U5通過P3.0口提供A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的HBEN信號，實施高4位信號復用，A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的VDD、SHDN和REFADJ引腳連接到+5V高電平，電容C22實施高頻濾波，A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的REF引腳通過電容C23接地以降低電壓紋波，A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的CLK引腳通過電容C24接地，以設(shè)定時鐘頻率，主機芯片U5的P3.1口提供A/D轉(zhuǎn)換芯片U7的片選信號，主機芯片U5的WR和RD口為靜態(tài)RAM芯片U8和A/D轉(zhuǎn)換芯片U7提供讀寫控制信號，鍵盤/顯示器接口芯片U9(CH451)以串行方式與主機芯片U5的P1.7、P1.6和P1.5口相連，鍵盤/顯示器接口芯片U9通過8位SEG總線和8位DIG總線與8×8鍵盤K2和8位數(shù)碼顯示管N1～N8相連，主機芯片U5將需要顯示的信息傳遞到鍵盤/顯示器接口芯片U9，鍵盤/顯示器接口芯片U9以掃描方式驅(qū)動8位數(shù)碼顯示管N1～N8顯示相關(guān)信息，8電阻排R30對驅(qū)動電流進行限流，當鍵盤/顯示器接口芯片U9檢測到鍵盤K2上有鍵被按下后，通過DOUT口向主機芯片U5的INT0提出中斷請求，要求調(diào)用相關(guān)程序，為防止鍵被按下后鍵盤/顯示器接口芯片U9的SEG總線和DIG總線發(fā)生短路，在鍵盤/顯示器接口芯片U9的DIG0～DIG7引腳與鍵盤K2之間串接限流8電阻排R31，電容C18、C19、C21、C25和C26為各個數(shù)字芯片+5V提供高頻濾波。使用中，測量人員通過鍵盤K2輸入相應(yīng)的控制指令，8位數(shù)碼顯示管N1～N8顯示相關(guān)信息和測量數(shù)據(jù)。
圖10所示為整機電源構(gòu)成。+12V電源來自可充電電池組6，電容C28用于抑制紋波噪聲，C29進行高頻濾波，雙路輸出電源模塊U11(C & D Technologies，型號HL02U12D15)提供±15V電壓，+15V在本系統(tǒng)中用不上，所以空置；-15V通過電容C30抑制紋波噪聲，C31進行高頻濾波；雙路輸出電源模塊U12(C & D Technologies，型號WPN20R12D05)提供±5V電壓，相似地，電容C32、C34抑制紋波噪聲，C33、C35進行高頻濾波。
權(quán)利要求1.一種測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于包括半導體二極管發(fā)射光源、接收半導體二極管發(fā)射光源光信號的接收器、處理接收器輸出信號的單片計算機及提供工作電源的電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于半導體二極管發(fā)射光源為多波長半導體二極管發(fā)射光源，接收器為波長選擇接收器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于多波長半導體二極管發(fā)射光源主要由譯碼器、反相器、若干個不同發(fā)射波長的半導體二極管及對應(yīng)的半導體二極管驅(qū)動電路、柱面透鏡、非球面透鏡和多模光纖組成；譯碼器的輸出與反相器輸入端相連，反相器輸出端與半導體二極管驅(qū)動電路輸入端相連，半導體二極管驅(qū)動電路輸出端與對應(yīng)的半導體二極管相連，半導體二極管的光學輸出依次經(jīng)柱面透鏡、非球面透鏡進入多模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于波長選擇接收器主要由準直透鏡、濾光片調(diào)整盤、與濾光片調(diào)整盤傳動聯(lián)接的步進電機、步進電機驅(qū)動器、透射波長與半導體二極管發(fā)射波長一一對應(yīng)的若干個濾光片、會聚透鏡、硅半導體探測器、前置放大電路組成；多波長半導體二極管發(fā)射光源的光學輸出依次經(jīng)準直透鏡、濾光片、會聚透鏡進入硅半導體探測器，硅半導體探測器的輸出端與前置放大電路輸入端相連，前置放大電路輸出進入單片計算機，步進電機驅(qū)動電路的輸入接單片計算機的輸出，電機驅(qū)動電路輸出端與步進電機輸入端相連，濾光片分布在濾光片調(diào)整盤上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于濾光片按圓周分布在濾光片調(diào)整盤上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于設(shè)有葉片夾具，葉片夾具的二個夾臂上分別設(shè)有光路連接的準直透鏡和會聚透鏡，其中，一夾臂上的準直透鏡連接多波長半導體二極管發(fā)射光源的多模光纖，另一夾臂上的會聚透鏡通過多模光纖連接波長選擇接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量植物葉片色素含量的裝置，其特征在于多波長半導體二極管發(fā)射光源中半導體二極管為六個，所述六個半導體二極管的工作波長分別為植物葉片長波透過率參考波長950nm、葉綠素a長波端吸收峰660nm、葉綠素a短波端吸收峰430nm、葉綠素b長波端吸收峰640nm、葉綠素b短波端吸收峰460nm和類胡蘿卜素吸收峰480nm；對應(yīng)上述六個半導體二極管的工作波長，波長選擇接收器中的濾光片為對應(yīng)透射波長的六個濾光片。
專利摘要本實用新型涉及一種測量植物葉片色素含量的裝置，包括半導體二極管發(fā)射光源、接收半導體二極管發(fā)射光源光信號的接收器、處理接收器輸出信號的單片計算機及提供工作電源的電池。本實用新型可無損檢測農(nóng)作物葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量，獲得葉片中色素(包括葉綠素和類胡蘿卜素等)相對含量變化，從而了解外界脅迫條件(如水分、光照、鹽分、微量元素、氮、磷、鉀養(yǎng)分等的過量或缺乏)的變化，為采取進一步措施提供參考依據(jù)，也可為科學研究提供數(shù)據(jù)。
文檔編號G01N21/25GK2919241SQ200620096489
公開日2007年7月4日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者龔威, 朱忠敏, 劉夢雨, 郝中豫, 馬盈盈 申請人:武漢大學