高通量水稻高光谱自动检测系统设计

摘要

水稻是发展中国家的主要粮食作物，是世界一半数量以上人口的重要主粮。提高水稻产量，对解决粮食短缺问题至关重要。水稻表型参数的测量研究对水稻增产和水稻育种技术的发展至关重要。传统的人工搬运测量劳动强度大、效率低、对植株有损、测量精度依赖于主观，不能满足大批量水稻样品的测量要求。研制出一套高通量的水稻高光谱自动成像检测系统具有十分重要的科研意义和应用价值。
　　本课题以水稻盆栽的运动为主线，基于三维建模软件UG对成像系统的输送区域、助推装置、成像平台、暗室部分等进行机械设计，根据设计组装和搭建了完整的硬件平台。基于PLC控制对成像系统进行电路布线和程序设计，并对PLC单部分的程序进行整合，对水稻盆栽的控制运动进行调试，研制出了一套测量效率高于45s/株的水稻表型参数自动化测量平台。最后对平台的高通量检测开展进一步的探索与优化，分别对高光谱模式下的成像运动和非高光谱模式下的输送运动进行了改进设计，提高了平台的检测效率，为水稻遗传育种和栽培研究提供了强有力的技术支撑。论文开展的主要工作内容包括：
　　（1）使用UG绘制了原有的CT检测暗室的结构模型，分析水稻盆栽运动状态和控制过程的改变。拆除CT暗室，对水稻高光谱暗室的关键零部件进行机械设计。
　　（2）基于UG对即将新建的高光谱检测暗室进行了三维建模和虚拟装配。该检测系统的三维模型主要由输送线、成像平移装置、助推装置、直角对接装置、高光谱暗室等组成。
　　（3）由于目标暗室与实验室已有的顶/侧视成像暗室的设计差异，为使输送线I段与所衔接的成像平移装置共线，构思了两种盆栽助推装置的设计方案，分析和比较了两种方案的优缺点，提出并构建了水稻盆栽助推装置的新方案。
　　（4）根据上述设计组装和搭建了整套运行控制系统和外围暗室。依据水稻盆栽测量运动的控制过程，选购了相应的电气元件。基于欧姆龙PLC进行了控制过程的电路设计，为了加深对设计电路的掌握和方便以后对可能发生的电路故障的处理，使用UG绘制了PLC电路设计图。
　　（5）依据所设计的硬件电路，基于CX-Programmer7.3设计编写了相应的PLC控制程序，驱动检测系统各部件进行独立运动。根据水稻盆栽成像运动的整个过程，对PLC单部分的控制程序进行了整合，对水稻盆栽的控制运动进行了调试。完毕后，对设计细节和PLC控制程序进行了详细解析并整理成册，形成了一部较好的实验设计说明书。
　　（6）对成像平台的高通量检测开展进一步的探索与优化，分别对水稻高光谱模式下的成像运动和非高光谱模式下的输送运动进行了改进设计，提高了平台的检测效率。最后对实验设计说明书进行了完善。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2国内外研究现状和分析

1.3研究内容和技术路线

1.4 本章小结

2 水稻高光谱暗室关键零部件设计和三维建模

2.1 水稻高光谱暗室关键零部件设计

2.2 基于UG的水稻高光谱成像系统的三维建模和虚拟装配

2.3 本章小结

3 水稻高光谱成像检测系统的控制设计

3.1 欧姆龙PLC简介

3.2 主要电气器件的功能和接线说明

3.3 高光谱成像检测系统各部件独立运动的控制设计

3.4 高光谱成像检测系统全过程运动的控制设计

3.5 工业触摸屏的设置

3.6 启动和急停电元件的设置

3.7 本章小结

4 成像检测系统高通量的进一步探索和优化

4.1 高光谱暗室零部件的改进

4.2 改进和增置部件独立运动的控制设计

4.3 改进优化后成像系统全过程运动的控制设计

4.4触摸屏开关的完善

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1研究工作总结

5.2下一步研究的展望

参考文献

致谢

附件一

整个成像平台（包含顶侧视和荧光成像）的内部结构图

优化改进后 整个成像平台（包含顶侧视和荧光成像）的内部结构图

整个成像平台（包含顶侧视和荧光成像暗室）的外部结构图

附件二

高光谱系统电路板总电路（UG绘制）

附件三

高光谱系统全过程运动PLC主程序

附件四

优化后高光谱模式下的成像运动PLC主程序

附件五

优化后非高光谱模式下的输送运动PLC主程序

附件六

高光谱暗室控制时序图

优化后高光谱模式控制时序图

优化后非高光谱模式控制时序图

附件七

高光谱控制柜PLC接点图

优化后高光谱控制柜PLC接点图

附件八

PLC程序解析一览