专利名称：植物叶片阵列led红外光谱检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物类检测仪器领域，特别涉及到一种简单准确快速的植物生长特征、植被指数的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪。
背景技术：
作为林业科研工作者，经常需要到野外进行科学考察，了解当地地理、气候、植物生长状况、植被指数等信息，而这些数据的获取对林业工作人员一直以来就是一个难题，因为在野外环境下，各种测量设备携带不便，就算是有一些专门的测试设备，但要么功能单一，使得外出考察必须带各种测量设备；要么智能化水平低，测得的数据依靠人工手段记录，不便于后续数据的分析处理，也不符合林业信息化的要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于不同气候环境下叶绿素相对含量、归一化植被指数和叶片水分快速测量的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，通过把叶绿素含量、归一化植被指数、水分含量和温湿度测量结合在同一个装置中的仪器，克服了传统技术中的不足，从而实现本实用新型的目的。本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，它包括电源�？椋缭茨？榘绯�、与锂电池连接的充电模块、以及与锂电池输出端连接的电池升压电路；恒流源电路，两端分别连接电源�？榈氖涑龆撕凸獾缍芊⒐獾缏返氖淙攵耍糜谙蚬獾缍芊⒐獾缏诽峁┪榷ǖ牡缌鳎还獾缍芊⒐獾缏罚糜诜⒊鋈舾芍植ǔさ墓猓灰镀谐旨安饬炕梗ㄒ镀谐只购吞酵罚鲆镀谐只拐怨獾缍芊⒐獾缏返姆⒐獯Γ糜谝镀墓潭ê筒饬浚坏テ刂频缏罚柚糜腥舾啥丝冢直鹆佑杏糜诩觳馕率鹊拇衅鞯缏罚糜谑菹允镜囊壕允镜缏罚糜谑荽娲⒌氖荽娲⒌缏罚糜谑奔浼锹嫉氖奔淙掌诘缏罚糜诩觳獾缭茨？榈缪沟那费贡ň缏罚糜谑荽�、处理及下载的计算机；光电转换电路，与单片机控制电路连接，用于将穿过叶片的光转换为电路信号，并发送给单片机控制电路。在本实用新型的一个实施例中，所述光电二极管发光电路发出的光的波长包括450nm、490nm、650nm、680nm、940nm 和 1450nm。在本实用新型的一个实施例中，所述叶片夹持及测量结构中设置有用于反射光路和测量水分含量的Y型光纤。在本实用新型的一个实施例中，所述计算机设置有RS232通信接口。本实用新型的有益效果在于提供了一种续航能力强、多功能、智能化程度高、成本低、体积小、使用简单方便的植物生长特征检测设备，有着十分重要的现实意义。
图I为所述植物叶片阵列LED红外光谱检测仪的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述 本实用新型。如图I所示，本实用新型所述的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，它主要包括电源�？椋龅缭茨？榘绯�16、与锂电池连接的充电模块17、以及与锂电池输出端连接的电池升压电路14 ；其中，电池升压电路选取TI公司的TPS61030芯片，是一款高效同步升压转换芯片，转换效率高达96%，输入电压I. 8 5. 5V，可输出电压选项截至5. 5V ;锂电池采用铝塑软包装，安全可靠，厚度�。亓壳幔萘看�(采用1200mAh),可反复充放电,不必像干电池一样需更换电池；充电�？椴捎肂Q24032芯片，BQ24032芯片是TI公司推出的锂电池专用电源管理集成芯片，适用于I组锂电池的正常充电控制、快速充电控制等，其主要特点是能够可靠地控制充电终止，确保锂电池的充电安全、充电状态指示、以及充电的同时给系统提供高效率的电源；恒流源电路I :采用Infineon公司的发光二级管驱动芯片BCR402R，其能为LED提供稳定的电流，LED驱动电流可以通过一个外部可调电阻调节(2(T60mA)，使光电二极管发光电路2发出光强恒定的光用于测量；光电二极管发光电路2，发光二极管波长分别为450nm (测量胡萝卜素)、490nm (测量叶黄素)、650nm (测量叶绿素a)、680nm(测量叶绿素b)、940nm、1450nm(测量水分);滤光片18 :采用窄带干涉滤光片，其中红光滤光片的中心波长为670nm，近红外滤光片的中心波长为780nm;叶片夹持及测量结构3 :采用铝合金制作，轻便结实。测量叶绿素含量时把叶片放入叶夹中；测量水分含量时，把检测仪探头前端贴近叶片；测量NDVI值时，需让探测仪底部与植被平行，顶部对准太阳光；光电转换电路4 :使用美国Burr-Brown公司专用芯片0PT301器件，它是一种集光电二极管和电流/电压转换放大器与一体的光电集成器件。其中的电流/电压转换放大器有精密的FET输入运算放大器和片内金属薄膜电阻组成；单片机控制电路8 :采用AVR的8位单片机，ATmegal28是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEPROM可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。AVR Studio是ATMEL的AVR单片机的集成环境汇编级开发调试软件，完全免费。ATMEL AVRStudio集成开发环境(IDE),包括了 AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、下载功能和JTAG ICE仿真等功能；[0027]欠压报警电路10:仪器使用的是聚合物锂电池，但仪器中很多�？楸冉虾牡纾�4行的液晶。加入此�？椋钡绯氐缪瓜陆凳保嵝延没Ц枰缘绯亟谐涞�。采用了包括蜂鸣器发声和IXD12864显示提醒两种途径；数据存储电路9:采用AT系列存储芯片。考虑到单片机的数据存储器容量较�。酝饨恿艘桓龃娲⑿酒�24LC64。该芯片采用低功耗CMOS技术以减少电能消耗。该芯片具有2线串行接口总线，兼容I2C总线。该芯片擦写次数可达1，000, 000次，数据保存超过200年，静电保护电压大于4000V，工作温度-40°C到85°C。控制按键12 :实现对数据的采集、删除、显示、计算、存储以及对数据显示控制，通过LCD�？槟芸吹浇峁灰壕允镜缏�11 :采用JGD12864R汉字图形点阵液晶显示�？椋淦聊挥�64 (行)*128 (列)点阵组成，可以显示16点阵的4行*8列(32个)汉字或128*64全屏幕 点阵图形。内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示 RAM (⑶RAM)；时间日期电路为了在记录测量值的同时记录当时的时间日期，方便以后对数据进行分析是使用，加入时间日期模块。时钟芯片采用的是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片PCF8563。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(I. 0V)以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。加入时间日期模块，可以方便的记录下测量进行的时间日期，增加仪器的实用性，实际使用过程中很方便；温湿度传感器电路6 :瑞士 Scnsirion公司的温湿度集成芯片SHTX X系列它将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口 SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；测量精确度高，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；计算机和RS232通信接口及下载电路13 :本�？橹饕迪值氖墙诨獠獾玫氖菟屯扑慊�,并通过LabVIEW上位机程序对存储的数据进行分析并绘制相应的曲线。本发明采用半导体发光管作为光发射源，光电传感器作为光接收元件，分析处理光强信号，获得并与给定的进行比较，利用比较结果完成被分析叶片样品的叶绿素相对含量、水分含量和归一化植被指数NDVI值的测量，环境的温湿度测量是利用温湿度一体化传感器采集温度和湿度，并通过单片机直接处理读取温湿度的值，系统测量快速准确。下面对装置做进一步说明。硬件主要由九大�？楣钩珊诵哪？椋饕ˋtmegal28芯片、复位、下载接口等；光电转换�？椋褂眯酒�0PT301型器件；发光电路�？槭褂眯酒珺CR402R作为恒流源为半导体发光二级干提供稳定的电流；电源�？槲酆衔镲绯睾惋绯爻涞绻芾硇酒珺Q24032组成；数据存储模块，使用芯片为AT24C64，大小为64KB ;温湿度显示�？椋褂肧HTll传感器芯片；时钟显示�？椋褂眯酒琍CF8563 ;液晶显示�？椋褂眯酒狫GD12864R芯片及欠压报警电路。采用光电无损检测方法测量叶片叶绿素含量的快速方法叶绿素吸收峰是蓝光和红光区域，在绿光区域是吸收低谷，并且在近红外区域几乎没有吸收。基于此，选择红光区域和近红外区域测量叶绿素。具体过程是让由发光二极管发射红光(峰值波长大约640nm和650nm)和近红外光(峰值大约在940nm)。叶绿素a吸收波长为640nm的红光，叶绿素b吸收波长为660nm的红光，但并不吸收波长为940nm的红外光，940nm波长的红外光的发射和接收主要是为了消除叶片厚度等方面对测量结果的影响。红光到达叶片后，一部分被叶片的叶绿素所吸收，剩下的透过叶片被接收器转换成为相应的电信号，经过放大器的放大，然后通过单片机的A/D转换功能转换为数字信号，微处理器利用这些数字信号计算叶绿素的相对含量，表示为叶绿素相对含量单位，显示并自动存储。计算叶绿素相对含量值的步骤如下标准状态下(无被测样本)，两个光源依次发光，并转换为电信号，计算发射光强比。插入样本叶片之后，两个光源再次发光，叶片的透射光转换为电信号，计算透射光强度比值。运用以上两个步骤的计算结果使用如下公式计算叶绿素a/b相对含量值
iIR, ///<ΛSPAD=Khgw ,广,(公式 I)
V / ^ O /其中，K为常数；IRt为接收到的940nm红外光照强度；IR0为发射红外光照强度；Rt为接收到的640nm/660nm红光照强度；R0为发射红光照强度。叶黄素和胡萝卜素测量方法与叶绿素相似，只需改变特征吸收波长即发射二极管的波长即可，其中叶黄素的特征吸收波长为490nm，胡萝卜素的特征吸收波长为450nm。米用反射率法测量叶片水分含量水分在1450nm处有一个反射谷，当叶片水分增多时，入射光的反射减少，在反射光谱上的反映就是波谷将变得更深。而当叶片水分下降时，水分吸收减少，入射光的反射增加，在反射光谱上的反映就是波谷将变浅。1450nm处反射光谱的深浅对应于叶片水分的变化，建立1450nm处光谱反射率的回归模型就可以检测叶片水分含量。在检测反射光时使用了 Y型导光光纤，包括一个入射光端口、反射光检测端口和一个兼照射和收集反射光端口。入射端与光源(峰值为1450nm的近红光)相连,反射光测量端与光电转换器件相连，通过光电转换器件将反射光进行转换并输出电信号给单片机，通过处理得到最终的测量结果。计算叶片含水量的步骤如下白板对准水分测量探头，按水分测量按钮，采集参比光谱。将水分测量探头移向被测目标，按水分测量按钮，残疾反射光谱。运用以上两步的测量可以测得光谱吸收深度值h，可以计算出含水量(％) = KXh+C (公式 2)其中K和C为常数，可以通过数理统计中线性回归的方法得出。测量归一化植被指数NDVI值的方法利用日光作为光源，通过4个由前置滤光片的光电转换器，在近红外和红光两个特征波段，分别对太阳入射光和植被反射光进行测量，测得太阳入射光和植被反射光在两个波段的辐射强度，再由单片机进行处理，得到NDVI值。若仪器测得红光特征波段的入射光信号为Esr，对应波段的植被反射光信号为Err;近红外特征波段的入射光信号为Esn，对应波段的植被反射光信号为Ern，则有
权利要求1.植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，其特征在于，它包括 电源�？椋缭茨？榘绯�、与锂电池连接的充电�？椤⒁约坝腼绯厥涑龆肆拥牡绯厣沟缏罚� 恒流源电路，两端分别连接电源�？榈氖涑龆撕凸獾绁思芊⒐獾缏返氖淙攵耍糜谙蚬獾绁思芊⒐獾缏诽峁┪榷ǖ牡缌鳎� 光电ニ极管发光电路，用于发出若干种波长的光； 叶片夹持及測量机构，包括叶片夹持机构和探头，所述叶片夹持机构正对光电ニ极管发光电路的发光处，用于叶片的固定和測量； 单片机控制电路，设置有若干端ロ，分别连接有用于检测温湿度的传感器电路，用于数据显示的液晶显示电路，用于数据存储的数据存储电路，用于时间记录的时间日期电路，用于检测电源�？榈缪沟那费贡ň缏罚糜谑荽�、处理及下载的计算机； 光电转换电路，与单片机控制电路连接，用于将穿过叶片的光转换为电路信号，并发送给单片机控制电路。
2.根据权利要求I所述的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，其特征在于，所述光电ニ极管发光电路发出的光的波长包括450nm、490nm、650nm、680nm、940nm和1450nm。
3.根据权利要求I所述的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，其特征在于，所述叶片夹持及测量结构中设置有用于反射光路和測量水分含量的Y型光纤。
4.根据权利要求I所述的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪，其特征在于，所述计算机设置有RS232通信接ロ。
专利摘要本实用新型公开了一种基于单片机的植物叶片阵列LED红外光谱检测仪,主要包括阵列发光二极管电路、光电转换电路、温湿度传感电路、单片机处理电路、通信接口、数据处理电路及上位机数据处理程序等。可以用于实时测量并记录在不同气候环境条件(主要是温度和湿度)下的植物叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素相对含量、水分含量、归一化植被指数NDVI等，可以用于实时监测诸如温带、寒带、热带等各种气候条件下植物生长情况、植被指数及温湿度和水分对植物生长的影响。
文档编号G01N21/35GK202649111SQ201220218949
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者刘姣, 张立, 赵睿 申请人:北京林业大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
