一种活体叶面积测试仪及其测试叶面积的方法

摘要

一种活体叶面积测试仪及其测试叶面积的方法，具体涉及测试仪及其测试方法。本发明主要包括垫板、盖板、壳体、纵向脉冲发生器、光电传感器、薄膜按键和测绳，盖板安装在壳体上，垫板固定在上盖板和下盖板的头部，上盖板通过合叶和轴钉安装在下盖板上，薄膜按键设置在上盖板上，盖板之间还设有弹簧，壳体内设置有微处理器模块、高速数据采集模块和光电传感器，叶面积测试仪尾部设有数据传输模块，每个模块之间采有电信号连接；光电二极管、光电码盘和测绳被设置在下壳体中，测绳和植物的叶子同步拉出，带动光电码盘转动，经光电二极管转换为纵向脉冲信号。本发明的产品操作方便、图像清晰，本发明所述的测试方法测试快速、准确，便于数据批量处理。

说明书

技术领域

本发明涉及测试仪及其测试方法，具体涉及一种活体叶面积测试仪及其测试叶面积的方法。

背景技术

80年代中后期，哈尔滨市光学仪器厂根据投射原理，生产了GCY-200型光电叶面积仪，测量范围为2～200cm²，最小分辨率为1.5cm²，是国内最早的叶面积测量仪器。近年来生产的WDA-500A型、WDA-300A型微电子面积测量仪，最小分辨率为1cm²，最大存贮面积值为65535cm²时，误差为±3％；SHY-150型扫描式活体面积测量仪，最小分辨率为1mm²，误差为±2％^[1]。

1994年，受国家气象局委托，荆州农业气象试验站进行了SHY-150型面积仪的试用，试用结果表明仪器误差大，重复性差，因此未得到推广。

90年代初，北京农业大学的李崇慈、梅建德等申请研制农业数据自动采集装置，其中提出了叶面积仪的研究方案，拟采用单线发光二极管和光敏三极管为测量元件，通过单片机辅以人工控制速度来测量叶面积，但是此方案仅有理论上的讨论，未有成品研制出来。

尽管上述叶面积仪在理论上精度很高、误差很小，但是在国内的实际使用中还有一些重大问题：

(1)移动部件尽管测量长度大，但是通常都会产生误差，而且易损坏，难维修。设计理论上认为移动步长是固定的，但不管是机械的还是手动的，移动步长都不可能恒定不变，由此引起的误差是移动部件不可避免的。

(2)叶片的颜色、边缘等都影响测量结果的精度。锯齿形等不规则形状的叶片测量时误差更大。

(3)进口叶面积仪价格昂贵，难于维修；国内叶面积仪研制很少，精度和重复性等均不能满足要求。

(4)受数据处理速度影响，测试较慢。

(5)不能与计算机通讯，处理、存储数据不便。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种活体叶面积测试仪及其测试叶面积的方法，能够采用纵向脉冲发生器和光电传感器对植物叶面积进行纵向和横向量化，经单片机和FPGA模块积分等数据处理后，结果送入LCD显示，同时仪器还可以测量叶片的长宽比、最大宽度、总长度、以及虫孔面积等参量都可以通过按键选择以数字形式显示出来，并且可以通过串口或者USB接口将数据传递给上位机，操作清晰、方便。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种活体叶面积测试仪，主要包括上、下垫板、上、下盖板、壳体、纵向脉冲发生器、光电传感器、薄膜按键、面板和测绳，盖板安装在壳体上，上、下垫板分别固定在上盖板和下盖板的头部，上盖板通过合叶和轴钉安装在下盖板上，薄膜按键设置在上盖板上，上、下盖板之间还设有弹簧，其特征在于壳体内设置安装有微处理器模块、高速数据采集模块和光电传感器，上盖板设有人机接口模块，叶面积测试仪尾部设有数据传输模块，每个模块之间采有电信号连接；光电二极管、光电码盘和测绳被设置在下壳体中，测绳和植物的叶子同步拉出，带动光电码盘转动，经光电二极管转换为纵向脉冲信号。

所述的光电码盘属反射式结构，其红外发光接收对管安放于码盘同一侧，码盘是在圆盘上刻有明暗相间的栅线，四十五条栅线均匀分布于整个圆周上，相邻两条栅线之间角度是8°，测绳每拉出0.67mm，码盘转动8°，红外接收光电管输出一个脉冲信号，此脉冲就是步进控制脉冲，测绳拉出后，在线轮组中的弹簧作用下自动收回。

所述微处理器模块包括单片机、复位电路、时钟电路和扩展存储器，主要用于控制外围元件的操作，实现数据的采集、存储、显示和传输功能，是系统的核心部分。

所述数据采集模块包括信号源、传感器、信号调理电路及FPGA模块，主要完成叶面积的测量和数据采集。

所述人机接口模块包括液晶显示模块和按键电路，用于人机交换信息。

所述数据传输模块通过串口转USB电路，通过USB接口实现数据从单片机到计算机的传输。

根据叶面积测试仪测试活体叶面积的方法，将整个叶片表面分为N个微小的长方形来近似，通过计算每个长方形的面积，得出的面积再进行累加就近似得到了整个叶片的面积，每个长方形的计算是通过光电扫描完成的。

所述光电系统测量采用纵向脉冲发生器和光电传感器对植物叶面积进行纵向和横向量化，经单片机和FPGA(现场可编程逻辑器件)模块积分等数据处理后，结果送入LCD(液晶显示器)显示，同时仪器还可以测量叶片的长宽比、最大宽度、总长度、以及虫孔面积等参量都可以通过按键选择以数字形式显示出来，并且可以通过串口或者USB接口将数据传递给上位机。

纵向脉冲发生器完成由线轮组、红外发射接收对管、测绳和码盘组构成，测绳和植物叶同步拉出，带动光电码盘转动。

所述光电传感器，由光电阵列板和LED阵列板构成，LED阵列由六十六支红光贴片式发光二极管做成，相邻两只发光二极管中心距是1.2mm。光电阵列板是七十只光敏三极管均匀分布在加工好的线路板上，封装方法和LED阵列板基本相同，从提高整机性能上考虑，封装形式采用球面封装。这种封装一方面有利于降低田间强烈阳光对仪器测量的影响，另一方面，降低了仪器的能耗，增加了测量的时间。光电阵列板和LED阵列板相对放置，在其中间没有被测物时，LED阵列板发射的光脉冲全部由光电管阵列板接收。通过拉动测绳，使光栅转盘旋转，发光二极管发出的光照射到旋转的光栅转盘的明暗条纹表面上，反射光被光敏三极管接收，光电码盘输出的是接近于正弦波的幅度信号，通过信号调理电路，转化为方波信号，传到单片机中，完成纵向的计算。

通过反复试验得出，拉线每拉出两毫米便产生三个脉冲信号传到单片机中。横向由上下两排光电对管阵列构成，下排为发光二极管阵列，上排为光敏三极管阵列，叶片在两排光电对管中间，光电二极管发光，未被叶片遮住的光电二极管，发出的光能被光敏三极管接收，光敏三极管导通，输出的是高电平，被叶片遮住的光电二极管，发出的光不能被光敏三极管接收，光敏三极管截止，输出的是低电平，通过FPGA判断高低电平就可以得到被遮挡住的光敏三极管的个数，进而可以确定叶片的横向宽度。

本发明的技术特征还有下述几点：

(1)测量精度：±2％；

(2)仪器分辨率：1mm²；

(3)最大测量长度：1000mm；

(4)最大测量宽度：160mm；

(5)产品实现主机与探头的一体化设计；

(6)可应用高速处理器对叶面面积实现实时测量，并通过液晶实时显示，一次可测量范围1000mm×160mm；可测量叶片的多种参数：叶面积、平均叶面积、总叶面积、叶边周长；

(7)产品测量结果不受拉送速度影响；

(8)可通过串口/usb口将叶片数据传入上位机。

本发明的产品操作方便、图像清晰，本发明所述的测试方法测试快速、准确，便于数据批量处理。

说明书附图

图1是本发明所述产品的主视图；

图2是本发明所述产品的侧视图；

图3是本发明所述方法的流程图；

图4是本发明所述红光发光二极管阵列与光敏三极管阵列配合示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1～2所示，一种活体叶面积测试仪，主要包括上、下垫板、上、下盖板、壳体、纵向脉冲发生器、光电传感器、薄膜按键、面板和测绳，盖板安装在壳体上，上、下垫板分别固定在上盖板和下盖板的头部，上盖板通过合叶和轴钉安装在下盖板上，薄膜按键设置在上盖板上，上、下盖板之间还设有弹簧，其特征在于壳体内设置安装有微处理器模块、高速数据采集模块和光电传感器，上盖板设有人机接口模块，叶面积测试仪尾部设有数据传输模块，每个模块之间采有电信号连接；光电传感器、光电码盘和测绳被设置在下壳体中，测绳和植物的叶子同步拉出，带动光电码盘转动，经光电传感器转换为纵向脉冲。

所述的光电码盘属反射式结构，其红外发光接收对管安放于码盘同一侧，码盘是在圆盘上刻有明暗相间的栅线，四十五条栅线均匀分布于整个圆周上，相邻两条栅线之间角度是8°，测绳每拉出0.67mm，码盘转动8°，红外接收光电管输出一个脉冲信号，此脉冲就是步进控制脉冲，测绳拉出后，在线轮组中的弹簧作用下自动收回。

如图3～4所示，叶面积测试仪测试活体叶面积的方法，将整个叶片表面分为N个微小的长方形来近似，通过计算每个长方形的面积，得出的面积再进行累加就近似得到了整个叶片的面积，每个长方形的计算是通过光电扫描完成的。

所述光电系统测量采用纵向脉冲发生器和光电传感器对植物叶面积进行纵向和横向量化，经单片机和FPGA(现场可编程逻辑器件)模块积分等数据处理后，结果送入LCD(液晶显示器)显示，同时仪器还可以测量叶片的长宽比、最大宽度、总长度、以及虫孔面积等参量都可以通过按键选择以数字形式显示出来，并且可以通过串口或者USB接口将数据传递给上位机。纵向脉冲发生器完成由线轮组、红外发射接收对管、测绳和码盘组构成，测绳和植物叶同步拉出，带动光电码盘转动。

所述光电传感器，由光电阵列板和LED阵列板构成，LED阵列由六十六支红光贴片式发光二极管做成，相邻两只发光二极管中心距是1.2mm。光电阵列板是七十只光敏三极管均匀分布在加工好的线路板上，封装方法和LED阵列板基本相同，从提高整机性能上考虑，封装形式采用球面封装。这种封装一方面有利于降低田间强烈阳光对仪器测量的影响，另一方面，降低了仪器的能耗，增加了测量的时间。光电阵列板和LED阵列板相对放置，在其中间没有被测物时，LED阵列板发射的光脉冲全部由光电管阵列板接收。通过拉动测绳，使光栅转盘旋转，发光二极管发出的光照射到旋转的光栅转盘的明暗条纹表面上，反射光被光敏三极管接收，光电码盘输出的是接近于正弦波的幅度信号，通过信号调理电路，转化为方波信号，传到单片机中，完成纵向的计算。

通过反复试验得出，拉线每拉出两毫米便产生三个脉冲信号传到单片机中。横向由上下两排光电对管阵列构成，下排为发光二极管阵列，上排为光敏三极管阵列，叶片在两排光电对管中间，光电二极管发光，未被叶片遮住的光电二极管，发出的光能被光敏三极管接收，光敏三极管导通，输出的是高电平，被叶片遮住的光电二极管，发出的光不能被光敏三极管接收，光敏三极管截止，输出的是低电平，通过FPGA判断高低电平就可以得到被遮挡住的光敏三极管的个数，进而可以确定叶片的横向宽度。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，作出各种等同变换或变化的技术方案属于本发明的保护范畴，由各项权利要求限定。