專利名稱：一種高等植物生化參數非接觸監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于封閉環境的自動監測領域，涉及一種高等植物生化參數非接觸 監測裝置。
背景技術：
植物生化參數無損監測技術主要是用于精細農業管理或者科學實驗培養技 術中對植物生長情況的檢測和產量估計。目前，對植物參數無損監測和產量估 計的方法主要有兩種， 一種是間接監測，通過檢測植物生長環境(土壤或者液
體培養液)中某些營養元素及水分含量，來反映植物自身的生長狀態；另一種 是直接監測，通過各種裝置及儀器檢測植物自身的葉綠素，氮素，水分等生化 參數的含量從而反映植物的生長情況及估計其產量。間接監測的方法不僅不能 及時放映植物對營養元素的需求情況還容易造成資源的浪費，因此目前發展的 趨勢是對植物生化參數進行直接監測。
現有直接檢測植物生化參數的裝置主要分為兩類， 一類是基于多光譜成像 技術，另一類是基于可見/近紅外光i普技術，通過光鐠儀采集到植物的光i普之后， 再通過后續的化學計量學方法進行計算得到參數含量。
中國發明專利CN2864669Y公開了一種基于近紅外光譜的植物生長信息獲 取裝置，該專利可以同時檢測植物的葉綠素、水分、氮素等含量。采用近紅外 發光二極管作為光源，通過檢測透過植物葉片的光獲得植物的光譜，上下檢測 臂與置物臺之間構成一個封閉的檢測環境。該裝置不能實現葉片在體檢測，不 能達到無損檢測。另外，該專利采用發光二極管做光源，測量不同參數時需要 更換光源，使用很不方便。
中國發明專利CN1715873A公開了 一種便攜式無損^r測田間植物色素的系中性參比樣解決了測量入射光時光電檢測器飽和問題。但中性參比樣的增加使 得測量裝置的結構和操作變得復雜，并且無法實現自動化檢測，需要人工操作。 目前所公開的專利和文章都沒有關于非接觸，自動檢測的基于光譜的生化 參數檢測裝置，但是在一些特殊情況下，需要對植物生化參數進行自動的無人 照料、無損檢測，比如對航天受控生態生命保障系統中植物培養箱，或者植物 科學實驗培養箱中植物生化參數的監測。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的是提供一種高等植物生化參數非接觸監測裝 置，能在類似植物培養箱中實現無損、非接觸實時地監測高等植物生化參數。 由于可見/近紅外光譜檢測技術，具有實時、快速、無損檢測的特點，尤其是結 合光纖采樣，適合于被測空間狹小、被測樣品在空間不規則分布或者現場條件 比較惡劣的情況。因此本發明采用光譜檢測技術對該系統中高等植物在冠層水 平上的水分、氮素、葉綠素含量進行無損實時檢測，將來便于將檢測情況反饋 到植物生長控制系統，從而進行對植物生長的監控管理。為達到上述目的，本
發明的技術方案是這樣實現的
一種植物生化參數實時監測裝置，包括
一體化探頭，用于為光譜采集提供穩定光照并通過非接觸方式采集植物光 譜；其從微控制系統獲取穩定的可調驅動電流，在微控制系統的控制下對目標
進行光譜采集，并通過光纖將采集的信號傳輸給分光和光電轉化系統；
分光和光電轉化系統，用于將一體化探頭采集到的混合光分離成光i普形式
并轉化為電信號輸出給數據采集系統；
數據采集系統，用于將分光和光電轉化系統輸出的初級才莫擬電信號轉化成
高信噪比、高穩定性的數字信號并輸出到微控制系統；
微控制系統，用于實現監測過程控制、數據計算、數據存儲、輸入輸出控
制以及為一體化探頭的光源提供恒流驅動，為各受控模塊提供時序信號和控制信號。
進一步地，所述一體化探頭由光源及采樣探頭組成，采樣探頭由多根采樣
光纖、聚光透鏡組成子探頭；所述光源位于一體化探頭的中部，所述子探頭均 勻分布于光源的周圍。
進一步地，所述分光和光電轉化系統采用后分光色散光路，由一體化探頭 收集到的攜帶了葉片信息的可見/近紅外光，經光纖傳輸，4殳射到透鏡被準直之 后，經裝置中的分光系統分成獨立于波長的光信號，到達探測器后，轉化成為 相應的電信號，輸出給數據采集系統，其中分光部件可以是濾光片組或者光柵， 分光器件和:探測器的波長響應范圍必須包括500-1100 nm。
進一步地，所述數據采集系統包括信號調理電路和模數轉換電路；
信號調節電路包括小信號放大電路和信號濾波電路，用于實現將分光和光 電轉化系統輸出的初始電信號轉換成能滿足模數轉換電路輸入要求的標準電平 信號；模數轉換電路用于將信號調節電路輸出的模擬信號轉換為符合信噪比和 分辨率要求的數字信號輸出到微控制系統。
進一步地，所述微控制系統包括
微控制器，用于實現監測過程控制、數據計算及輸入輸出控制； 數據存儲單元，用于實現過程數據、結果數據及待測參數計算模型的存儲； 程序存儲單元，用于存儲裝置運行程序及生化參數計算程序； 輸入輸出模塊，用于接收和處理輸入輸出信號，為微控制器提供輸入信號 及作為接口模塊將存儲于數據存儲單元中的結果數據輸出顯示；
光源驅動電路，用于在微控制器的控制下為一體化探頭提供可調的恒流驅
動；
電源穩壓單元，用于為系統提供穩定的工作電壓；
微控制器向光源驅動電路發送控制信號實現一體化探頭的工作模式的切 換；微控制器從程序存儲單元讀取釆集子程序并解釋執行；數據采集系統輸入 的測量數據存儲于數據存儲單元，微控制器從數據存儲單元中讀取測量數據及 計算模型參數并將計算結果存儲于數據存儲單元中。進一步地，所述樣i控制器包括
控制模塊，用于對光源驅動電路進行控制，使其根據需要工作在不同的工
作模式下；對數據采集系統進行控制，對不同的測量數據進行釆集；對計算模 塊進行控制，根據程序流程執行相應的數據計算；以及通過輸入輸出模塊接收 輸入設備的控制信號及控制輸入輸出模塊向外接顯示設備輸出測量結果數據；
計算模塊，用于在控制模塊的控制下讀取數據存儲單元中的測量數據，執 行相應的數據運算，并將計算結果存儲于數據存儲單元。
進一步地，所述光源驅動電路為程控多模式光源驅動電路；在采集由標準 參考板產生的參考信號電壓值時，微控制系統向所述光源驅動電路發送控制信 號，使其工作在模式1下；在采集樣本信號時，微控制系統向所述光源驅動電 路發送控制信號，使其工作在模式2下。
進一步地，所述植物生化參數實時監測裝置還包括
探頭控制模塊，用于在微控制系統的控制下控制一體化探頭朝向不同的采 樣目標；
在采集由標準參考板產生的參考信號電壓值時，微控制系統向所述探頭控 制模塊發送控制信號，使其自動轉向標準參考板；在采集樣本信號時，微控制 系統向所述探頭控制模塊發送控制信號，使其自動轉向被測植物。
進一步地，所述一體化探頭的光源采用杯型卣鉤燈光源，為標準板和被測 植物提供平行光照射。
與現有技術相比，本發明具有以下的優點
(1 )由于采用了光譜測量技術，實現對植物本身進行;險測，可以更加準確， 及時的反映植物生長狀態，保證可實現對植物的精細控制，使高等植物能夠更 合理，科學的生長同時節省資源。
(2)由于本發明所述裝置采集得到的是植物在500nm-1100nm之間的全譜 信息，在計算的時候可利用的模型信息多，因此計算精度高，適用性強，由于 該范圍內包含葉綠素、氮素、葉黃素、水分等多種參數的強吸收峰，因此可以 對植物生長過程中比較關鍵的多種參數同時測量。(3)本發明采用獨特的光源及采樣探頭一體化設計，通過光纖技術，將采 樣器件與主機分離，實現了遠距離測量，漫反射采樣方式可實現非接觸無損測
掉，改為杯型卣鵪燈光源直接照射，這樣不僅減少了器件設計得復雜性，不需 要考慮光源與光纖之間的耦合，同時還減少了光在耦合進光纖時以及在光纖內 傳播時的損耗，這樣可以采用小功耗光源以降低裝置功耗的同時還增加了對樣 本的光照光強，提高裝置的信噪比。環繞在光源的光纖束及其聚光鏡可以最大 程度的收集葉片的反射光，增強有用信號。另外，該探頭在控制系統的控制下， 可以在參考信號和樣本信號的測量過程中自動轉化方向和工作模式，提高了裝 置的自動化程度。
(4 )可調恒流驅動電路實現了在測量參考信號和葉片信號時光強強度的不
同，不僅增加了光源穩定性，而且有效地解決了光電探測器飽與和響應效率不 高的問題，使光電探測器在不同測量情況下都工作在最佳檢測范圍內，增加了 信噪比，提高了測量精度。
(5)通過后續的算法處理，可以去除空間中背景光的影響，對硬件的要求降低。
圖1為整個裝置的系統框圖2為探頭的示意圖3為恒流驅動電路示意圖4分光系統的示意圖5為整個裝置的測量流程圖。
具體實施例方式
本發明的核心思想是通過一體化探頭及自動化的控制流程的設計，實現 對高等植物生化參數進行無人照料、非接觸式光譜測量，通過步進電機控制采樣探頭在標準板與被測之間自動轉換，實現時間雙光路光譜測量，提高測量精
度；通過程控式光源驅動電流電路解決了檢測器飽和以及提取微弱信號難的問題。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下舉實施例并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
以下現在結合附圖，對本發明的植物生化參數實時監測裝置的實施方式做
if細的介紹。
如圖1為本發明整個裝置的系統框圖，主要包括以下幾個部分 一體化探 頭l、分光和光電轉化系統2、數據采集系統3、微控制系統4、探頭控制模塊 5。整個裝置在9V的直流電下工作。 一體化探頭1用于為光譜采集提供光照并 通過非接觸方式采集植物葉片的光譜。分光和光電轉化系統2用于將一體化探 頭1采集到的混合光分離成光譜形式并轉化為電信號；數據采集系統3用于將 分光和光電轉化系統2輸出的較弱的初級模擬電信號轉化成高信噪比、高穩定 性的數字信號輸出到微控制系統4;微控制系統4是整個裝置的關鍵部分，為 各個部分提供時序信號以及控制信號，給光源提供恒流驅動，并實現數據的存 儲和計算。探頭控制模塊5根據微控制系統4的控制信號控制探頭轉向不同的 測量目標。
分光和光電轉化系統2，數據采集系統3，微控制系統4，輸入輸出模塊、 探頭控制模塊5構成了該裝置的主機， 一體化探頭通過電纜和光纖與主機相連。
圖2為本發明非接觸式一體化探頭示意圖，主要包括光源及采樣探頭；光 源采用杯形卣鴒燈光源101通過電纜104與微控制系統中的光源驅動電路相連， 釆樣探頭由采樣光纖102、聚光透鏡103組成，多根光纖形成的光纖束105與 分光和光電轉化系統相連，整個探頭的外形是一個下寬上窄的漏斗形狀，下面 直徑為60mm,上面直徑為20mm，在探頭的下表面，裝一層絕熱隔板，在隔 板上面有七個孔，中間安裝的是光源，其它均勻分布的六個孔安裝的是光纖束， 光纖束外面包著PVC管保護光纖，在每個光纖束上面通過SMA905標準接口 連接一個聚光鏡頭。光源101為葉片連續光譜的獲得^是供光照，通過電纜與主機內的可調恒流驅動電路連接，在可調恒流源的驅動下可以穩定發出
400-2500nm范圍的光，并可通過程控的方式選擇工作在強光模式下或是弱光模 式下，強光模式下測量植物的信號，弱光模式測量參考光信號。所有的采樣光 纖102在4妻入主才幾內的分光系統之前，-故耦合成一個光纖束105，光纖102將 通過透鏡103攜帶信息的光照信號采集進來，通過光纖束105傳到分光和光電 轉化系統2中。探頭的外殼是散熱性較好的材料制作。整個探頭安裝在可旋轉 的云臺上，固定在培養箱的上面。卣鴒燈光源為可發出平行光的，發熱少的杯 型卣鴒燈，額定電流為1.3A。在本實施例中它的工作電流一個是1.3A， 一個是 1A。光纖102由9 4艮直徑為lum的棵光纖組合而成，帶標準SMA905接口 。
微控制系統4中的光源驅動電路405,用來保證一體化探頭的杯形卣鎢燈 光源的恒流驅動以及工作模式的切換，空間應用的背景要求該裝置的光源必須 很穩定，卣鎢燈在穩定電流的作用下將發出穩定的輻射光通量，因此需要將一 個恒流電路將主機的電源轉換成恒流源，為了減少人為的操作，通過恒流電路 的設計，使得數字信號處理器(Digital Signal Processer， DSP)可以程控光源的 通斷，以及不同工作電流的切換，這里采用的驅動電路如圖3所示，主要是由 12位的D/A轉換器、電壓跟隨器、電壓放大器、達林頓管、參考電阻、電容構 成。由DSP發出的數字信號經12位數模D/A轉化器輸出模擬電壓值可以控制 囟鴒燈的通斷以及其驅動電流的大小，實現光源兩種工作模式自由切換。D/A 芯片輸出的電壓值經電壓跟隨器和負反饋電壓放大器之后，為精密采樣電阻i F 提供參考電壓K.,該恒流源的輸出電流就是P;/i F，達林頓管實現運放輸出電流
的放大作用，保證大電流輸出。并在負載兩端的電容使負載在模式切換的時侯， 起到緩沖的作用。D/A轉換器將DSP發出的不同的數字信號轉化成為模擬電壓 值，使得光源的程控發光與工作模式的切換成為可能。這里的12位D/A轉換 器采用的是MAX531芯片，它是一種低功耗、電壓輸出型的12位D/A轉換器， 是一種高線性度的串行總線器件，可以在單電源5V的支持下工作。其內部有 精密參考電壓源(2.048V)，采用2倍增益輸出時，滿量程輸出電壓為4.0%V,MAX531僅需3個串行端口 DATA、 CLK、 CS就可以實現與單片機的通信，使 用比較簡單。電壓跟隨器和電壓放大器是采用MAX9916芯片，該芯片將兩個 運放集成在一起，實現電壓跟隨，負反饋電壓輸出，將D/A輸出的參考電壓， 精確的提供給采樣電阻，并實現阻抗匹配。達林頓管采用的是BCX38，實現電 流的放大，因為我們這里要求的是1.3A的大電流，而運》丈的輸出電流只有幾十 毫安，采用BCX38,使得輸出電流可達到2A,滿足要求。電容C保證DSP控 制光源通斷以及^t式切換的時間，起到緩沖作用，保證負載。
分光和光電轉化系統2主要包括光柵203和探測器205,實現了信息的分 離和光信號到電信號的轉化。采用后分光光柵色散光路，將收集到的光經準直 鏡后照射到光柵，經光柵色散之后被探測器所接收。光柵和探測器的組合實現 了光譜測量，并且保證儀器無移動部件。后分光系統保證可以實現遠距離測量。 本實施例中，分光和光電轉化系統2的詳細結構如圖4所示，包括狹縫和濾 光片201、準直鏡202、光柵203、聚焦鏡204、探測器205構成。該部分是整 個儀器的重要部分，實現了植物光譜的獲得，并將抽象的光信號轉化成電信號。 該系統通過一個標準的SM.A905接口與采樣系統連接，由光纖束105采集到的 光，通過狹縫和濾光片201進入到該部分。狹縫控制著進入光柵的光通量，濾 光片控制進入光柵的波長范圍。狹縫的寬度越小，分辨率越高，但是進入系統 的光通量越小，信噪比會大大下降，因此需要綜合考慮，這里所述的狹縫是50um 寬，lmm高，像素分辨率為11.6個像素。準直鏡202將進入該系統的光聚集到 光柵203上，光柵203將其衍射，再將衍射光投射到聚焦鏡204,聚焦鏡204 接收光柵反射來的光，并會聚到探測器205上，光信號被轉化成為相應的電信 號。所述光柵203采用響應波段為500-1100nm,刻線密度為600(1 ine/mm)，閃 耀波長為750nm的光柵。該系統的結構采用f/4的非對稱Czemy-Turner交叉結 構的光路，其入射焦距為42mm,出射焦距為68mm，這種光路結構不僅節省 空間，有利于實現儀器的小型化，還可以消去彗差的影響和像散的影響，提高 系統的穩定性。所述探測器205采用Toshiba生產的TCD1304AP線陣CCD探 測器，其有效像敏單元為3648個像素。該探測器具有很好的靈敏度和低的噪聲的光電探測器，其主要特征是具有很高的光電轉換效率，而且輸出噪聲小。數據采集系統3主要由信號調理電路301和模數(A/D)轉換電路302構 成，信號調節電路包括小信號放大電路和信號濾波電路，實現將傳感器輸出的 初始電信號轉換成能滿足A/D輸入要求的標準電平信號。A/D轉換電路要保證 儀器信噪比和分辨率的要求。本實施例中選擇的一個帶信號調理功能、lmW功 耗、雙通道16位AD轉換器AD7705，它采用2-A的ADC (模數轉換器)，實 現16位無誤碼的良好性能，片內可編程放大器可設置輸入信號增益。它將從探 測器205接收到的很弱的輸入信號直接轉換成串行數字信號輸出，而無需外部 儀表放大器。減少了電路的復雜性以及儀器的體積，同時還提高儀器的信噪比。 該芯片的工作電壓是3V。微控制系統4用于實現測量過程的控制、光譜數據的計算、測量數據的存 儲以及輸入輸出的控制等，測量數據包括測量過程的中間數據、最終的植物光 語數據、參數計算模型等。測量過程的控制包括對光源、 一體化探頭、計算過 程的控制等。微控制系統4主要包括微控制器401、數據存儲單元402、程序存 儲單元403、電源穩壓單元404，光源驅動電路405及輸入輸出模塊406。微控制器401用于實現監測過程控制、光譜數據的計算以及輸入輸出的控 制，進一步包括控制模塊407和計算模塊408;控制模塊407用于依據測量流 程對光源驅動電路、探頭控制模塊、數據采集模塊及輸入輸出模塊進行控制， 從而實現植物光譜數據的自動化采集及參數計算等功能；計算模塊用于計算出 植物的光語數據并根據存在存儲單元中的參數計算模型計算得到待測的植物生 化參數結果。數據存儲單元402用于存儲測量過程數據及測量結果數據，例如暗噪聲電 壓值、參考信號電壓值、樣本信號電壓值及依據參數計算模型計算出的待測的 植物生化參數結果數據等。程序存儲單元403用于存儲裝置運行程序及生化參數計算程序，裝置運行 程序指流程控制程序、設備驅動程序、初始化程序、采集子程序等，控制模塊 讀取采集子程序用于實現對各測量步驟的控制，讀取參數計算程序得到待檢測參數的含量值。輸入輸出模塊406用于接收輸入設備(例如鍵盤)的輸入信號并將其轉發給控制模塊，以及在控制模塊的控制下從數據存儲單元讀取測量過程 數據及植物生化參數結果數據等以外設可以接受的格式和頻率傳送到外接輸出 設備(如液晶顯示器)。電源穩壓單元404用于為系統提供穩定的工作電壓。探頭控制模塊5可由步進電機實現，用于控制一體化探頭轉向不同的被測 目標，轉向的角度及距離可事先在試驗中調整好作為參數存儲于數據存儲單元， 由微控制系統讀取并根據測量流程向探頭控制模塊發出控制指令，使其在控制 指令的控制下旋轉一體化探頭朝向不同的被測目標，實現自動測量，無人照料。 由于該裝置采集的是500nm-1100nm之間的全部光譜信息，需要很大的存 儲空間，同時計算對應生化參數含量時需要相應的預處理和較為復雜的模型計 算，因此需要選擇一個計算功能很強，存儲器可擴展性強的數字信號處理器 (DSP)或ARM芯片來實現微控制器401，本實施例采用TI公司的 TMS320F2812這一核心器件該芯片的最低功耗僅為0.05MW/MIPS，具有 128Kxl6bit的片上FLASH和18KB的片上RAM,具有16位并行總線，可擴 展各種外部存儲器，具有512Kxl6位的最大外部存儲器訪問空間。 一條光譜數 據可以達到14.25K,因此需要一個數據存儲單元402,本實施例選擇RAMTRON 公司的FM18L08,它具有類似RAM的讀寫操作，其內部按照32Kx8位組織， 訪問周期為70ns,讀寫^t喿作周期相同，易于使用。同時它也是一款支持低電壓 工作的芯片，3.3V時典型工作電流為5mA,典型靜態電流為7uA。程序存儲單 元403采用ATMEL公司的SPI接口的低電壓串行EEPROM AT25256芯片。由 于該DSP要求為3.3V的I/O和Flash編程供電電壓和1.8V內核供電電壓，而 本發明的裝置提供的是9V的直流電源，考慮到裝置中的D/A等芯片需要5V 的電壓以及低功耗的要求，本系統使用低壓差集成穩壓器LM1086-5.0,將+9V 電源變換成穩壓值為+5V的電源，再采用TPS7533和TPS76801Q將5V轉化成 3.3V和1.8V。應用本發明的無損測量裝置對植物生化參數成分進行無損測量，具體的測量步驟為步驟601:執行系統初始化操作；打開主機電源，為系統各模塊供電，使系統進入工作狀態，清除內存中的 數據，為系統各模塊賦初始狀態值。步驟602:在初始狀態下，采集由分光和光電轉化系統輸出的暗噪聲電壓 值y .i且^ n4狀5調用采集子程序，在初始狀態下，采集由分光和光電轉化系統輸出的模擬 電壓信號，將轉換后得到的數字信號記為暗噪聲電壓值^皿存儲在數據存儲單元，可重復采集多次暗噪聲電壓值然后求平均值，以減少隨機誤差；步驟603:采集由標準參考板產生的參考信號電壓值；微控器判斷存儲暗電流的存儲器的標志位是否為0。若為0,裝置處于等待 狀態，若為1，則微處理器分別給出信號使得探頭控制模塊的步進電機和光源 驅動電路開始工作，微處理器控制步進電機使得一體化探頭轉向安裝在另一側 壁的標準參考板，同時控制恒流驅動電路在模式1 (較弱的電壓)下驅動光源 發光，光源照射在前面放置好的標準參考板，由標準參考板產生的光稱為參考 光；探測器感應到經光纖束收集到的照射在標準反射板的光信號并將其轉換成 電信號，經數據釆集系統得到參考信號電壓值R砂存儲在數據存儲單元；步驟604:測量植物反射光，釆集樣本信號電壓值；在測得參考電壓值后，由微控制器給步進電機信號，控制采樣探頭轉向被 測植物并控制恒流驅動電路在模式2下驅動光源發光，探測器將檢測到的植物 反射回來的光信號轉化成電信號，經數據采集系統得到樣本信號電壓值K,將其存儲在數據存儲單元；步驟605:微控制器中的計算模塊讀取存儲單元中的測量數據，依據如下 算式計算植物的光譜數據^lg 、' r膨 (1)計算得到植物的光譜數據存儲在存儲單元中，接著運行程序存儲單元中的命令，讀取500-1000nm的數據，每5個數據取一個，使得光i普的分辨率是lnm， 在不影響精度的前提下，減少數據的計算量。對讀取的數據做平滑預處理，平 滑點數為9,然后進行主成分分析，將得到的前十個主成分作為輸入，調用存 儲單元中已訓練好的預測模型，本實施例我們采用是最小二乘支持向量機回歸， 核函數選擇徑向基函數(Radial Basis Function, RBF ),經過模型訓練得到不 同的最佳函數參數sigm2和模型參數a和b，依據公式2可以計算得到不同的 待測植物生化參數的結果并將其存儲。<formula>formula see original document page 16</formula>步驟606:顯示輸出模塊從存儲單元中讀取測量結果，輸出到顯示模塊進 行結果顯示。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種植物生化參數監測裝置，其特征在于，包括一體化探頭，用于為光譜采集提供穩定光照并通過非接觸方式采集植物光譜；其從微控制系統獲取穩定的可調驅動電流，在微控制系統的控制下對目標進行光譜采集，并通過光纖將采集的信號傳輸給分光和光電轉化系統；分光和光電轉化系統，用于將一體化探頭采集到的混合光分離成光譜形式并轉化為電信號輸出給數據采集系統；數據采集系統，用于將分光和光電轉化系統輸出的初級模擬電信號轉化成高信噪比、高穩定性的數字信號并輸出到微控制系統；微控制系統，用于實現監測過程控制、數據計算、數據存儲、輸入輸出控制以及為一體化探頭的光源提供恒流驅動，為各受控模塊提供時序信號和控制信號。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述一體化探頭由光源及采 樣探頭組成，采樣探頭由多根采樣光纖、聚光透鏡組成子探頭；所述光源位于 一體化探頭的中部，所述子探頭均勻分布于光源的周圍。
3、 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述分光和光電轉化系統采 用后分光色散光路，由 一體化探頭收集到的攜帶了葉片信息的可見/近紅外光， 經光纖傳輸，投射到透鏡被準直之后，經裝置中的分光系統分成獨立于波長的 光信號，到達探測器后，轉化成為相應的電信號，輸出給數據采集系統，其中 分光部件可以是濾光片組或者光柵，分光器件和探測器的波長響應范圍必須包 括500-1100腿。
4、 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數據釆集系統包括信 號調理電路和模數轉換電路；信號調節電路包括小信號放大電路和信號濾波電路，用于實現將分光和光電轉化系統輸出的初始電信號轉換成能滿足模數轉換電路輸入要求的標準電平 信號；模數轉換電路用于將信號調節電路輸出的模擬信號轉換為符合信噪比和分辨率要求的數字信號輸出到微控制系統。
5、 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微控制系統包括 微控制器，用于實現監測過程控制、數據計算及輸入輸出控制； 數據存儲單元，用于實現過程數據、結果數據及待測參數計算模型的存儲; 程序存儲單元，用于存儲裝置運行程序及生化參數計算程序； 輸入輸出模塊，用于接收和處理輸入輸出信號，為微控制器提供輸入信號及作為接口模塊將存儲于數據存儲單元中的結果數據輸出顯示；光源驅動電路，用于在微控制器的控制下為一體化探頭提供可調的恒流驅動；電源穩壓單元，用于為系統提供穩定的工作電壓；微控制器向光源驅動電路發送控制信號實現 一 體化探頭的工作模式的切 換；微控制器從程序存儲單元讀取采集子程序并解釋執行；數據采集系統輸入 的測量數據存儲于數據存儲單元，微控制器從數據存儲單元中讀取測量數椐及 計算模型參數并將計算結果存儲于數據存儲單元中。
6、 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微控制器包括 控制模塊，用于對光源驅動電路進行控制，使其根據需要工作在不同的工作模式下；對數據采集系統進行控制，對不同的測量數據進行采集；對計算模 塊進行控制，根據程序流程執行相應的數據計算；以及通過輸入輸出模塊接收 輸入設備的控制信號及控制輸入輸出模塊向外接顯示設備輸出測量結果數據； 計算模塊，用于在控制模塊的控制下讀取數據存儲單元中的測量數據，執行相應的數據運算，并將計算結果存儲于數據存儲單元。
7、 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光源驅動電路為程控多 模式光源驅動電路；在采集由標準參考板產生的參考信號電壓值時，微控制系 統向所述光源驅動電路發送控制信號，使其工作在模式l下；在釆集樣本信號 時，微控制系統向所述光源驅動電路發送控制信號，使其工作在模式2下。
8、 根據權利要求1至7任意一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所迷 裝置還包括探頭控制模塊，用于在微控制系統的控制下控制一體化探頭朝向不同的采樣目標；在采集由標準參考板產生的參考信號電壓值時，微控制系統向所述探頭控 制模塊發送控制信號，使其自動轉向標準參考板；在采集樣本信號時，微控制 系統向所述探頭控制模塊發送控制信號，使其自動轉向被測植物。
9、根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述一體化探頭的光源采用 杯型卣鴒燈光源，為標準板和被測植物提供平行光照射。
全文摘要
本發明公開了一種高等植物生化參數非接觸監測裝置，用于在無人照料的環境中，對植物冠層水平的葉綠素，水分，氮素等生化參數進行無損自動實時檢測。本發明采用了可見/近紅外光譜分析技術，對植物本身進行檢測，可以實現精細控制；采用獨特的光源及采樣探頭一體化設計，實現了無人照料，非接觸采樣，降低了裝置功耗；通過光纖技術，將采樣器件與主機分離，實現了遠距離測量；采用可調恒流驅動電路，實現在測量參考信號和葉片信號時光源發出不同的光照強度，保證探測器始終可以高靈敏度響應，解決了光電探測器檢測范圍有限的問題，提高了儀器的信噪比，確保儀器的測量精度。
文檔編號G01N21/31GK101625314SQ200910090120
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者張倩暄, 張廣軍, 李慶波 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
