一種便攜式玉米葉片含水檢測儀器設計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽　473000)

?

一種便攜式玉米葉片含水檢測儀器設計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽473000)

摘要：為了實現(xiàn)植物葉片含水率的無損和準確檢測，設計了一種新的便攜式玉米葉片含水率檢測儀器，并使用AT89C52單片機設計了核心控制系統(tǒng)，利用TCL7135實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。對光譜分析儀的機械結(jié)構進行了改進，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)構進行了改造，改造后的透射片光柵可以進行編程控制，從而提高了測試儀的精度。對光譜水分測試儀器進行了試驗研究，結(jié)果表明：利用實驗室方法和本次研究設計的便攜光譜儀的測試數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗證了裝置的可靠性，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具有速度快、效率高、樣品處理簡單等優(yōu)點，近幾十年在農(nóng)業(yè)、制藥、石化等領域得到了廣泛應用。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，眾多科研機構和企業(yè)基于不同的技術研制出了多種輕便、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，應及時對葉片的含水率進行檢測，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)實意義。

1總體設計

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，可以設計玉米葉片的水分檢測儀器，其中對光譜信號進行采集后，需要對其數(shù)據(jù)進行分析，并將最終結(jié)果讀出到顯示屏，其總體設計框架如圖1所示。

圖1　數(shù)字顯示系統(tǒng)原理框圖

顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了極性的判斷及超量的判斷，從而實現(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，實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)顯示，且功能可以通過按鍵來設定，可以控制它的上下限設定。

本設計由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。按照要求實現(xiàn)功能，控制模塊用的是單片機，通過程序?qū)?shù)據(jù)進行計算處理和功能控制。顯示子程序流程如圖2所示。

2機械結(jié)構和控制系統(tǒng)設計

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，輸出相應的信號，并進行數(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°，光譜范圍設計為1 000～2 800nm，光譜的設計分辨率小于10nm。

圖4　短波紅外成像光譜儀

為了簡化設計結(jié)構，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械結(jié)構。這些儀器使用固定的濾光片，堅固耐用，適合手持。利用單點探測器對透射光線進行接收，對數(shù)據(jù)進行處理后，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械結(jié)構設計

光譜儀的光譜特性與濾光片的位置有關，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，可以對光譜儀進行結(jié)構改進，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　光譜儀線性漸變機械結(jié)構改進

圖7為光譜儀光柵改造后的機械結(jié)構。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，抗干擾等功能強大，能夠完成單極性電壓下轉(zhuǎn)換，其結(jié)構如圖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。圖9為本文設計的AT89C52單片機最小系統(tǒng)電路，可以支持兩種軟件節(jié)點模式，其性價比高、抗干擾能力強。

圖9　單片機最小系統(tǒng)電路

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

圖10　數(shù)字顯示功能模擬設計

3便攜式玉米含水近紅外光譜分析儀測試

為了驗證本設計的近紅外光譜分析儀的可行性和可靠性，對設計的紅外線分析儀進行了測試，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　測試實驗玉米葉場景圖

為了驗證裝置的可靠性，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。

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　增加采樣點后的測試結(jié)果

對不同型號的玉米葉子進行含水量檢測，并使用歸一化方法對結(jié)果進行處理，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

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

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，設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)使用設計的光譜水分分析儀對玉米的葉片進行了水分檢測，為了驗證裝置的可靠性，選用了不同種型號的玉米進行了測試。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，其測試值和實驗室實驗值基本吻合，其誤差不超過0.2%，從而驗證了本文設計儀器的可靠性。

參考文獻：

[1]郭文川,王婧,劉馳.基于介電特性的薏米含水率檢測方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(3):113-117.

[2]郭文川,趙志翔,楊沉陳.基于介電特性的小雜糧含水率檢測儀設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(5):188-193.

[3]魏永勝,李得孝,牟長靈,等.小麥葉片電特性與外加電壓和頻率的關系研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008,24 (5):166-169.

[4]馮曉旺,宣奇丹,張文杰.毛白楊葉片含水量無損檢測系統(tǒng)的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(15):8213- 8215.

[5]馮銳,劉九慶.利用微波法測量植物葉片含水量[J].林業(yè)機械與木工設備,2009,37(12):47-48.

[6]李長友.稻谷干燥含水率在線檢測裝置設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,39(3):56-59.

[7]趙家松,嚴偉榆,曹志勇,等.基于近紅外技術的豬肉新鮮度檢測儀設計[J].農(nóng)機化研究,2008(8):161- 164.

[8]姬瑞勤,黃嵐,劉莉,等.鮮肉水分近紅外漫反射方法及實驗研究[J].光譜學與光譜分析,2008,28(8):1767-1771.

[9]褚小立,王艷斌,陸婉珍.近紅外光譜儀國內(nèi)外現(xiàn)狀與展望[J].分析儀器,2007(4):1-4.

[10]陳輝.近紅外光譜技術在農(nóng)產(chǎn)品和食品安全檢測中的應用研究進展[J].畜牧與飼料科學,2010,31(8): 88-90.

[11]袁洪福,褚小立,陸婉珍，等.在線近紅外光譜成套分析技術及其在石油化工中的應用[C]//中國化工學會2005年石油化工學術年會論文集.北京：中國化工學會石油化工專業(yè)委員會，2005.

[12]胡耀華,郭康權,野口剛夫,等.基于近紅外光譜檢測豬肉系水力的研究[J].光譜學與光譜分析,2009(12):3259-3261.

[13]劉瑩,柳星.近紅外光譜儀器中濾光片波長組合的優(yōu)選[J].光譜實驗室,2011,28(6):2874-2877.

[14]嚴曉麗,徐昕.色相色譜法鑒別摻假山茶油定性及定量研究[J].食品工程,2011(2):47-49.

[15]張菊花,李向榮,李高陽,等.近紅外光譜法結(jié)合化學計量學方法用于茶油真?zhèn)舞b別分析[J].分析化學,2011,39(5):748-752.

[16]馮利輝,劉波平,張國文,等.芝麻油中摻入菜籽油的近紅外光譜研究[J].食品科學,2009,30(18):296-299.

[17]周驊.基于恒流二極管的LED驅(qū)動電路設計[J].電源技術,2011,35(9):1157-1159.

[18]余謙,張軍,陳哲,等.陣列LED油品檢測系統(tǒng)的設計[J].光譜實驗室,2010,27(3):1213-1217.

[19]舒鑫,郭其一.ST7920點陣式液晶顯示模塊的應用研究和編程[J].液晶與顯示,2007,22(2):192-196.

[20]呂慶水,蘇維嘉.KeilC下LCD多級菜單在智能微壓儀中的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(3):33-34.

[21]陸錚,羅嘉.單片機C語言下LCD多級菜單的一種實現(xiàn)方法[J].工礦自動化,2006(1):50-51.

[22]陸婉珍.近紅外光譜技術進展[J].現(xiàn)代科學儀器,2006(5):5.

[23]畢衛(wèi)紅,許峰,呂超.水果含糖量近紅外檢測系統(tǒng)及實驗[J].紅外技術,2007,29(11):678-680.

[24]余文林,曾東,苑凱華,等.皮膚組織光譜虛擬儀器系統(tǒng)的研究[J].應用激光,2007,27(1):65-67.

[25]張銀,周孟然.近紅外光譜分析技術的數(shù)據(jù)處理方法[J].紅外技術,2007,29(6):345-348.

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

文獻標識碼：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。

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目(142102210367)；南陽市科技攻關項目(2015039)

收稿日期：2015-08-04