基于冠层反射光谱的作物氮素营养无损监测仪的研制

论文摘要

精确农业是基于信息采集技术、决策支持技术和智能装备对农业生产进行定量决策、变量投入并定位精确实施的现代农业生产管理技术系统,它充分体现了因地制宜、科学管理的思想理念,对于最大限度挖掘耕地生产潜力、实现农业生产要素高效利用和保护农田生态环境具有重大意义,必将成为当今世界现代农业发展的前沿。其中农田信息采集技术和设备是精确农业的基础和支撑,是实现农业的高效、高产、高品质的重要保障。氮素是作物生长必须的六大元素中最重要的元素,是作物体内叶绿体和蛋白质构成的必须元素,氮素的缺乏将会对作物的长势、产量和品质产生深远的影响。因此实时、快捷、方便的获取作物氮素营养状况对指导作物生产和精量施用氮肥具有重要意义。本研究在总结和借鉴国内外有关基于光谱技术的监测研究和基于光谱模型的科研成果基础上,致力于研制一种基于冠层反射光谱的多通道作物氮素营养便携式无损监测仪。论文详细介绍了该仪器的工作原理、光电传感变送器设计、主机软硬件设计和仪器的结构设计。采用新型的低功耗单片机C8051F005作为主控芯片,配合农田信息的变换和采集光路、多通道数据调理和数模转换电路、键盘及LCD显示电路、数据存储电路等组成系统硬件结构。利用单片机低功耗的优越特性,设计了中断唤醒,多次休眠的软件主体流程,取得了良好的控制和节电效果。仪器通过对四个特定波段的入射和反射光信号的探测,可获取到作物冠层四个波段的反射率值,结合相关农学数学模型实时的计算出了稻麦含氮量、稻麦氮积累量及小麦的叶面积指数LAI等农学参数。该监测仪采用便携式设计,体积小、重量轻、实时性较强,适用于农田信息的快速获取。通过田间试验验证,精度高、实用性好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 引言
• 2 氮素营养的光谱监测与诊断研究进展
• 2.1 基于植物氮素光谱响应规律的光谱参数研究
• 2.2 植物氮素光谱估算模型研究
• 2.3 作物氮素光谱诊断指标及施肥调控模型研究
• 2.4 作物氮素监测诊断设备研究
• 3 本课题研究的目的和意义
• 4 研究的主要内容
• 5 小结
• 第二章 作物氮素无损监测仪的理论分析
• 1 基于光谱无损监测的特点和优越性
• 2 作物氮素营养光谱无损监测的理化机理
• 3 基于冠层反射光谱的作物氮素无损监测仪的工作光学原理
• 4 小结
• 第三章 光电传感变送器设计
• 1 光学光路设计
• 1.1 太阳入射光探测光路设计
• 1.2 作物冠层反射光探测光路设计
• 2 光电探测器件特性分析及微电流信号处理电路设计
• 2.1 光电探测器件选取和特性分析
• 2.2 光电探测器件微电流信号处理电路设计
• 3 光电传感变换器标定和测试实验
• 4 小结
• 第四章 系统硬件设计
• 1 系统硬件整体设计
• 2 C8051F005低功耗单片机设计
• 2.1 C8051F005单片机简介
• 2.2 C8051F005单片机端口设计
• 3 分布式电源供电模块
• 3.1 电压变换电路
• 3.2 电源管理
• 4 外围功能模块硬件设计
• 4.1 AD采样单元设计
• 4.2 液晶（LCD）显示单元设计
• 4.3 矩阵键盘单元设计
• 4.4 数据存储单元设计
• 4.5 实时时钟单元设计
• 4.6 报警单元设计
• 5 硬件电路的制作
• 5.1 印制电路板的设计规则
• 5.2 印制电路板的完成
• 6 小结
• 第五章 系统软件设计
• 1 软件开发语言及编程环境
• 1.1 IDE开发环境简介
• 1.2 软件编程与调试
• 2 软件低功耗设计原则
• 3 系统软件总体结构设计
• 4 软件功能子程序设计
• 4.1 ADC采集子程序
• 4.2 液晶显示子程序
• 4.3 数据存储子程序
• 4.4 实时时钟处理子程序
• 4.5 按键处理子程序
• 5 小结
• 第六章 仪器结构组装设计
• 1 仪器结构组装总体设计
• 2 光电变送器的安装和定位设计
• 3 主机结构设计
• 4 支撑杆的设计和系统组装
• 5 小结
• 第七章 仪器田间试验与总结
• 1 田间小麦冠层反射率监测试验
• 1.1 测试条件
• 1.2 仪器的田间安装调节和标定
• 1.3 试验小区和试验方法简介
• 2 数据分析
• 3 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间发表的论文
• 附录