一种便携式玉米叶片含水检测仪器设计

史增芳，姜岩蕾

(河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000)



一种便携式玉米叶片含水检测仪器设计

史增芳，姜岩蕾

(河南工业职业技术学院，河南 南阳473000)

摘要：为了实现植物叶片含水率的无损和准确检测，设计了一种新的便携式玉米叶片含水率检测仪器，并使用AT89C52单片机设计了核心控制系统，利用TCL7135实现了模数转换功能。对光谱分析仪的机械结构进行了改进，使用线性变化的滤波片，将其与阵列探测器相结合，提高了光谱仪的分辨率，使光谱仪的体积小、质量小且稳定性好。对光栅结构进行了改造，改造后的透射片光栅可以进行编程控制，从而提高了测试仪的精度。对光谱水分测试仪器进行了试验研究，结果表明：利用实验室方法和本次研究设计的便携光谱仪的测试数据基本吻合，从而验证了装置的可靠性，为植株叶片水分检测仪的研究提供了较有价值的参考。

关键词：玉米叶片；含水率；无损检测；红外线光谱；便携式仪器

0引言

近红外光谱分析技术具有速度快、效率高、样品处理简单等优点，近几十年在农业、制药、石化等领域得到了广泛应用。这些行业很多时候需要体积较小、方便移动的仪器用于现场分析。为满足这一需求，众多科研机构和企业基于不同的技术研制出了多种轻便、紧凑的近红外光谱仪。这些仪器大的可以车载，小的可以手提甚至手持，被统称为便携式近红外光谱仪。农作物叶片含水率是影响植株生长的重要方面之一，含水率过高或者过低都会影响作物的生长。因此，应及时对叶片的含水率进行检测，调整灌溉的频率，以提高不耐旱植株的产量。但是，叶片的检测往往需要无损检测，而光谱分析仪是典型的无损检测仪器，对于红外线光谱仪无损检测仪器的研究具有重要的现实意义。

1总体设计

光照射体表后，一部分被皮肤反射，另一部分被吸收。随着波长的增加，光的透入程度有所变化，根据这一原理，可以设计玉米叶片的水分检测仪器，其中对光谱信号进行采集后，需要对其数据进行分析，并将最终结果读出到显示屏，其总体设计框架如图1所示。

图1　数字显示系统原理框图

显示系统实现了极性的判断及超量的判断，从而实现了自动转换挡的功能。在显示光谱特征方面，显示模块采用的5个LED的数码管，实现光谱数据显示，且功能可以通过按键来设定，可以控制它的上下限设定。

本设计由4大模块组成，包括显示模块、电路模块、AD模数转换模块和控制模块。按照要求实现功能，控制模块用的是单片机，通过程序对数据进行计算处理和功能控制。显示子程序流程如图2所示。

2机械结构和控制系统设计

便携式近红外检测仪主要由发光电路和检测电路组成。其中，发光电路使用红外线发光二极管设计光源，波形选取810、850、880、940nm 4个波长的短波，检测电路使用硅光电二极管，采用透射方式接收信号。近红外线经过叶片进行透射后，携带了水分的特征信号，在另一侧用光电检测器接收信号，通过光电转换，输出相应的信号，并进行数字化显示。其基本框架如图3所示。

图2　显示子程序流程

图3　近红外水分检测仪原理图

短波红外线光谱仪的头部如图4所示。其采用间隔GSD高于2.8m，焦距为24.5mm，视角为98°，光谱范围设计为1 000～2 800nm，光谱的设计分辨率小于10nm。

图4　短波红外成像光谱仪

为了简化设计结构，本次研究选用滤光型仪器，在仪器内部使用滤光片分光。由于滤光分片被固定，因此使分析仪更加坚固耐用，便于手持。

图5为滤光片型近红外光谱仪机械结构。这些仪器使用固定的滤光片，坚固耐用，适合手持。利用单点探测器对透射光线进行接收，对数据进行处理后，通过显示屏来显示数据信息。

图5　滤光片型近红外光谱仪机械结构设计

光谱仪的光谱特性与滤光片的位置有关，随着位置的变化呈线性变化，通带中心的波长也随着位置的变化而变化。因此，可以对光谱仪进行结构改进，使用线性变化的滤波片，将其与阵列探测器相结合，提高了光谱仪的分辨率，使光谱仪的体积小、质量小且稳定性好，如图6所示。

图6　光谱仪线性渐变机械结构改进

图7为光谱仪光栅改造后的机械结构。改造后的光栅是由一系列长条形的反射镜组成，这些反射镜有一半是可以移动的，动镜和固定镜子是分开的；光反射后会差生干涉图，可以利用编程来控制光栅的移动，从而提高装置的精确性。把光模拟信号转换为数字信号时，需要进行数模转换，需要借助集成芯片来完成。TLC7135是一种单片的集成ADC芯片，分辨率非常高，且价格偏低，抗干扰等功能强大，能够完成单极性电压下转换，其结构如图8所示。

图7　光栅可控性改造

图8　数字转换芯片

图8中，转换通过扫描的方式而输出，若要组成一个数字显示屏，需要一个数码的显示驱动器和电阻电容等元件；芯片可以自动调零，这样常温情况下就可以常期稳定。

控制系统的核心是单片机。图9为本文设计的AT89C52单片机最小系统电路，可以支持两种软件节点模式，其性价比高、抗干扰能力强。

图9　单片机最小系统电路

图10为数字显示功能模拟设计图。通过A/D转换，可以将测试结果在LED屏上进行显示，显示部分的功能包括正负设计、小数点设计和数字显示功能设计，可以从便携式装置上方便地进行读数。

图10　数字显示功能模拟设计

3便携式玉米含水近红外光谱分析仪测试

为了验证本设计的近红外光谱分析仪的可行性和可靠性，对设计的红外线分析仪进行了测试，主要为玉米叶含水率的测试。测试选取的玉米叶如图11所示。

图11　测试实验玉米叶场景图

为了验证装置的可靠性，选取了干旱地区的玉米叶作为研究对象，通过红外线便携式分析仪对玉米叶的含水量进行了测试，选取的玉米叶总长为40cm。通过测试，得到了如图12、图13所示的测试结果。

由图12可以看出：玉米叶片的含水量随着玉米叶片的位置不同有所不同，其最大的含水量不超过35%，这与干旱的地块环境有关。

由图14可以看出：多种型号的玉米叶含水量均不超过40%，这与干旱实际地块的情况相符合。

图12　单叶片水分含量红外线测试结果

图13　增加采样点后的测试结果

对不同型号的玉米叶子进行含水量检测，并使用归一化方法对结果进行处理，得到了如图14所示的多叶片含水量的曲线结果。

图14　归一化处理后的多叶片水分含量

为了验证便携式光谱仪测量的可靠性，将其测试结果和实验室结果进行对比，结果如表1所示。通过对比发现：测试结果和实验室测试结果基本吻合，误差不超过0.2%，验证了本次设计的可靠性。

表1　玉米叶水分测试结果表

4结论

1)利用AT89C52单片和TCL7135数字集成芯片，结合线性变化滤波片和光栅可编程控制技术，设计了一种新的植株叶片水分检测仪。通过测试发现：该检测仪体积小、稳定性好、分辨率高。

2)使用设计的光谱水分分析仪对玉米的叶片进行了水分检测，为了验证装置的可靠性，选用了不同种型号的玉米进行了测试。通过测试发现：该仪器可以有效地检测玉米叶片的含水率，其测试值和实验室实验值基本吻合，其误差不超过0.2%，从而验证了本文设计仪器的可靠性。

参考文献：

[1]郭文川,王婧,刘驰.基于介电特性的薏米含水率检测方法[J].农业机械学报,2012,43(3):113-117.

[2]郭文川,赵志翔,杨沉陈.基于介电特性的小杂粮含水率检测仪设计与试验[J].农业机械学报,2013,44(5):188-193.

[3]魏永胜,李得孝,牟长灵,等.小麦叶片电特性与外加电压和频率的关系研究[J].农业工程学报,2008,24 (5):166-169.

[4]冯晓旺,宣奇丹,张文杰.毛白杨叶片含水量无损检测系统的研究[J].安徽农业科学,2010,38(15):8213- 8215.

[5]冯锐,刘九庆.利用微波法测量植物叶片含水量[J].林业机械与木工设备,2009,37(12):47-48.

[6]李长友.稻谷干燥含水率在线检测装置设计与试验[J].农业机械学报,2008,39(3):56-59.

[7]赵家松,严伟榆,曹志勇,等.基于近红外技术的猪肉新鲜度检测仪设计[J].农机化研究,2008(8):161- 164.

[8]姬瑞勤,黄岚,刘莉,等.鲜肉水分近红外漫反射方法及实验研究[J].光谱学与光谱分析,2008,28(8):1767-1771.

[9]褚小立,王艳斌,陆婉珍.近红外光谱仪国内外现状与展望[J].分析仪器,2007(4):1-4.

[10]陈辉.近红外光谱技术在农产品和食品安全检测中的应用研究进展[J].畜牧与饲料科学,2010,31(8): 88-90.

[11]袁洪福,褚小立,陆婉珍，等.在线近红外光谱成套分析技术及其在石油化工中的应用[C]//中国化工学会2005年石油化工学术年会论文集.北京：中国化工学会石油化工专业委员会，2005.

[12]胡耀华,郭康权,野口刚夫,等.基于近红外光谱检测猪肉系水力的研究[J].光谱学与光谱分析,2009(12):3259-3261.

[13]刘莹,柳星.近红外光谱仪器中滤光片波长组合的优选[J].光谱实验室,2011,28(6):2874-2877.

[14]严晓丽,徐昕.色相色谱法鉴别掺假山茶油定性及定量研究[J].食品工程,2011(2):47-49.

[15]张菊花,李向荣,李高阳,等.近红外光谱法结合化学计量学方法用于茶油真伪鉴别分析[J].分析化学,2011,39(5):748-752.

[16]冯利辉,刘波平,张国文,等.芝麻油中掺入菜籽油的近红外光谱研究[J].食品科学,2009,30(18):296-299.

[17]周骅.基于恒流二极管的LED驱动电路设计[J].电源技术,2011,35(9):1157-1159.

[18]余谦,张军,陈哲,等.阵列LED油品检测系统的设计[J].光谱实验室,2010,27(3):1213-1217.

[19]舒鑫,郭其一.ST7920点阵式液晶显示模块的应用研究和编程[J].液晶与显示,2007,22(2):192-196.

[20]吕庆水,苏维嘉.KeilC下LCD多级菜单在智能微压仪中的实现[J].工业控制计算机,2009,22(3):33-34.

[21]陆铮,罗嘉.单片机C语言下LCD多级菜单的一种实现方法[J].工矿自动化,2006(1):50-51.

[22]陆婉珍.近红外光谱技术进展[J].现代科学仪器,2006(5):5.

[23]毕卫红,许峰,吕超.水果含糖量近红外检测系统及实验[J].红外技术,2007,29(11):678-680.

[24]余文林,曾东,苑凯华,等.皮肤组织光谱虚拟仪器系统的研究[J].应用激光,2007,27(1):65-67.

[25]张银,周孟然.近红外光谱分析技术的数据处理方法[J].红外技术,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

中图分类号：S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0096-05

作者简介：史增芳(1973-)，男，河南焦作人，副教授，硕士。通讯作者：姜岩蕾(1974-)，女，河南南阳人，副教授，硕士，(E-mail)jiangyanlei1974@qq.com。

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(142102210367)；南阳市科技攻关项目(2015039)

收稿日期：2015-08-04