作物缺水檢測儀的設(shè)計(jì)—畢設(shè)論文

1、<p>　　天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)</p><p>　　Tianjin University of Technology and Education</p><p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　專 業(yè)： 電氣技術(shù)教育 </p><p>　　班級(jí)學(xué)號(hào)： 電

2、氣0714班-19號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名： 穆松柏 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 田立國 副教授 </p><p><b>　　二〇一二年六月</b></p><p>　　天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p&

3、gt;　　作物缺水檢測儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　Design of the Crop Water Stress Detector</p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 電氣0714班</p><p>　　學(xué)生姓名： 穆松柏</p><p>　　指導(dǎo)教師： 田立國 副教授</p><p>　　系

4、別：自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院</p><p><b>　　2012年06月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　農(nóng)業(yè)水資源利用效率低，短缺與浪費(fèi)現(xiàn)象并存，是當(dāng)前中國灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題，因此發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的首要條件?；谧魑锷L的缺水信息來指導(dǎo)灌溉受到越來

5、越多的重視，因?yàn)樽魑锉旧硎鞘欠裥枰喔鹊淖罴阎笜?biāo)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測作物生長的水分狀況是以作物本身為指標(biāo)的灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以對(duì)作物生長缺水信息的檢測系統(tǒng)的研究具有重要意義。</p><p>　　作物冠層溫度是由土壤—植物—大氣連通體內(nèi)的熱量和水汽流決定的, 它反映了作物和大氣之間的能量交換, 作物冠層溫度與其能量的吸收和釋放過程有關(guān)。近年來隨著紅外測溫技術(shù)的快速發(fā)展, 冠層溫度法正成為判別作物水分狀況的重要手段之

6、一,可快速測定較大范圍的植物水分狀況。因此, 利用作物冠層溫度法探測作物的水分狀況已日益被有關(guān)學(xué)者所關(guān)注, 冠氣溫差也成為診斷作物缺水狀況的重要指標(biāo)之一。</p><p>　　本文在研究國內(nèi)外作物生長缺水信息的檢測基礎(chǔ)之上，提出了一種簡單方便的基于冠層溫度的作物缺水檢測儀。該作物缺水檢測儀首先通過非接觸式紅外測溫方法測量作物冠層溫度，然后計(jì)算得出作物缺水指標(biāo)(CWSI)，從而反映出作物生長的缺水狀況，指導(dǎo)灌溉。&

7、lt;/p><p>　　本作物缺水檢測儀以ATmega16L單片機(jī)為主控核心，配置TNR數(shù)字式紅外溫度傳感器，SHT71溫濕度傳感器，用于測量作物的冠層溫度與空氣中的溫濕度，通過冠氣溫差來計(jì)算作物缺水指標(biāo)(CWSI),反映作物生長的缺水狀況。</p><p>　　實(shí)際試驗(yàn)表明：該作物缺水檢測儀具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、智能化等特點(diǎn)，可應(yīng)用于作物的缺水檢測、指導(dǎo)灌溉等方面。</p>&

8、lt;p>　　關(guān)鍵詞：缺水檢測；冠層溫度；紅外測溫；作物缺水指標(biāo)(CWSI)；單片機(jī)；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Developing efficient water-saving irrigation agriculture is the first and foremost condition for the

9、sustainable development of national agriculture. The main problems that face the development of China irrigated agriculture are low utilization ratio of agricultural water resources and coexistence of shortage and waste

10、at present. Because of the crop itself whether need to be irrigated is the best indicator. </p><p>　　Crop canopy temperature is determined by the soil - plant - atmosphere connectivity of the body heat and w

11、ater vapor flow, which reflects the energy exchange between the crop and atmospheric. With the rapid development of infrared temperature measurement technology in recent years, the canopy temperature method is becoming a

12、n important means of discrimination of crop water status, rapid determination of a wide range of plant water status. Therefore, the use of crop canopy temperature method to d</p><p>　　This paper designs a si

13、mple and convenient instrument of detection of crop water stress based on canopy temperature. The crop water stress detector measure the crop canopy temperature by the non-contact infrared temperature measurement method

14、firstly, and then calculated the crop water stress index (CWSI) to reflect the crop's water shortage, guiding irrigation.</p><p>　　The crop water stress detector uses ATmega16L microcontroller as master

15、core, and configuration TNR digital infrared temperature sensor, SHT71 temperature and humidity sensors which used to measure crop canopy temperature and air temperature and humidity, canopy temperature - air temperatur

16、e difference calculation of crop water stress index (CWSI), to reflect the crop's water shortage.</p><p>　　The actual experiments show that: the crop water stress detector has a simple structure, low cos

17、t, intelligent, and can be applied to the crop water shortage detection, guidance irrigation.</p><p>　　Key words: Detection of Water Shortage; Canopy Temperature; Infrared Temperature Measurement; Crop Water

18、 Stress Index (CWSI); Microcontroller </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引 言1</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景1</p><p>　　1.2課題的研究目的和意義2</p>

19、<p>　　1.3 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 本課題的研究目標(biāo)及內(nèi)容6</p><p>　　1.5 本章小結(jié)7</p><p>　　2 基于冠層溫度的作物缺水信息檢測技術(shù)8</p><p>　　2.1 基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)研究進(jìn)展8</p><p>　　2.2 缺

20、水指標(biāo)CWSI10</p><p>　　2.3 紅外測溫原理及特點(diǎn)11</p><p>　　2.1.1 黑體輻射與紅外測溫原理11</p><p>　　2.1.2 紅外測溫儀的特點(diǎn)13</p><p>　　2.4 本章小結(jié)14</p><p>　　3 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)15</p><

21、;p>　　3.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想15</p><p>　　3.2 系統(tǒng)方案的確定15</p><p>　　3.3 系統(tǒng)組成及框圖15</p><p>　　3.3.1 系統(tǒng)包括16</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)功能16</p><p>　　3.3.3 系統(tǒng)工作原理16</p><

22、;p>　　3.4 本章小結(jié)16</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1單片機(jī)處理模塊17</p><p>　　4.2紅外測溫傳感器模塊19</p><p>　　4.3 溫濕度測溫模塊21</p><p>　　4.4 Nokia5110模塊22</p><

23、;p>　　4.6 電源模塊22</p><p>　　4.4 本章小結(jié)23</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1主程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.2 冠層溫度采集程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.3 本章小結(jié)25</p><p><

24、b>　　6 總 結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p>　　附錄一 原理圖28</p><p>　　附錄二 源程序29</p><p>　　附錄三 實(shí)物圖36</p><p><b>　　致 謝37</b&

25、gt;</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景</p><p>　　20 世紀(jì)是人類有史以來發(fā)展速度最快的100年，世界人口增加了4倍，工業(yè)生產(chǎn)總值增加了50倍，但水資源消耗卻增加了100多倍！這種以資源過度消耗而換來經(jīng)濟(jì)快速增長的發(fā)展模式，導(dǎo)致全球用水量已逼近水資源開發(fā)的最大潛力! 如何緩

26、解日益嚴(yán)重的全球性水資源危機(jī)，已成為21 世紀(jì)世界各國普遍關(guān)注的重大戰(zhàn)略性問題。我國是一個(gè)人口大國，又是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，是世界上13個(gè)缺水國之一，人均水資源占有量2300立方米，只有世界平均水平的1/4左右，居世界第109位。而且時(shí)空分布很不均勻，南多北少，東多西少；夏秋多，冬春少；占國土面積50%以上的華北、西北、東北地區(qū)的水資源量僅占全國總量的20%左右。近年來，隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)干

27、旱缺水和水資源短缺己成為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要制約因索，而且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。</p><p>　　20世紀(jì)80年代初，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為國際農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的跨學(xué)科綜合技術(shù)，快速有效地采集影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是開展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的重要基礎(chǔ)。近年來，我國的各種灌溉技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，一個(gè)重要的要求就是以與作物的水分需求狀況密切相關(guān)的參數(shù)為基礎(chǔ)，通過實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析與

28、控制軟件發(fā)出指令來控制灌溉，達(dá)到灌溉的定位、及時(shí)、適量。精準(zhǔn)灌溉已成為節(jié)水重要措施和提高節(jié)水效率的重要途徑之一。</p><p>　　農(nóng)業(yè)是我國節(jié)水潛力最大的行業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)是確保我國糧食安全、水安全和生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略舉措且已經(jīng)成為共識(shí)。我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量大、灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問題普遍存在。目前全國灌溉水利用率約為43%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家灌溉水利用率的70%-80%。因此，通過現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)改造傳

29、統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，緩解我國水資源的緊缺狀況是十分必要的。目前，各種灌溉技術(shù)在我國已經(jīng)得到了推廣，其中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，一個(gè)重要的因素就是與作物的需水信息相關(guān)聯(lián)，也就是實(shí)現(xiàn)作物缺水信息的采集與檢測。根據(jù)作物缺水信息實(shí)施精準(zhǔn)灌溉已經(jīng)成為提高節(jié)水利用率的重要途徑之一。</p><p>　　目前，作物缺水信息的采集與檢測方法主要有間接估算和直接測量兩大類，間接估算是根據(jù)作物生長的土壤指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行測定，主要包

30、括引起作物水分缺失的環(huán)境因素(如土壤水分含量、大氣溫濕度、二氧化碳含量、光照等)；直接測量則是從作物本身的形態(tài)與生理變化進(jìn)行測量，包括葉片相對(duì)含水量、葉水勢、莖直徑變化差等。</p><p>　　本文在這樣的背景下提出了一種簡單方便的基于冠層溫度的作物缺水檢測儀，能夠通過冠層溫度—?dú)鉁夭顏碛?jì)算作物缺水指標(biāo)(CWSI),從而反映作物生長的缺水狀況，用于指導(dǎo)灌溉。</p><p>　　1.2課

31、題的研究目的和意義</p><p>　　我國提出要建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，節(jié)約用水和挖掘節(jié)水潛力成為關(guān)鍵問題。本課題研究的目的是為了適應(yīng)節(jié)水灌溉的需要，更好的對(duì)作物生長水分狀況的信息指標(biāo)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理。為分析和預(yù)測作物生長環(huán)境變化提供終端實(shí)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)節(jié)水灌溉。同時(shí)研制與開發(fā)作物生長需水信息采集系統(tǒng)，對(duì)提高節(jié)水效率，改善水資源緊缺的條件及提高水資源的利用率起到積極的作用，而且還可以增加作物的產(chǎn)量，降低作物生產(chǎn)的成本

32、。</p><p>　　作物生長需水信息的采集是實(shí)施灌溉決策和管理的重要基礎(chǔ),也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和精準(zhǔn)灌溉工程系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，深入開展作物水分信息采集技術(shù)的研究，對(duì)于緩解我國水資源供需矛盾，保障我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。因此，本文提出采用非接觸式紅外測溫方法測量作物冠層溫度，從而利用作物缺水指數(shù)(CWSI)估測作物生長的缺水信息，進(jìn)而指導(dǎo)節(jié)水灌溉。</p><p>　　本作物

33、缺水檢測儀是為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉而設(shè)計(jì)的，主要目標(biāo)是為精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施提供較為精確的作物缺水信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉活動(dòng)，達(dá)到提高水資源利用率的效果。</p><p>　　綜上所述，本課題的研究對(duì)解決我國的水資源貧乏問題，改造傳統(tǒng)灌溉方式，實(shí)現(xiàn)適時(shí)適量的“精準(zhǔn)灌溉”，提高水資源的利用率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。</p><p>　　1.3 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p>&l

34、t;p>　　近三、四十年科技的發(fā)展，特別是具有根本性和普遍性意義的生物技術(shù)和信息技術(shù)的突破性進(jìn)展，拉開了新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命的序幕。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、空間技術(shù)、生物技術(shù)及新材料的發(fā)展和應(yīng)用，加速了農(nóng)業(yè)技術(shù)革命的步伐。農(nóng)業(yè)水資源利用效率低，短缺與浪費(fèi)現(xiàn)象并存，是當(dāng)前中國灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題，因此發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的首要條件。對(duì)作物生長水分信息采集技術(shù)國外發(fā)展比國內(nèi)要快，電子技術(shù)水平較高，已經(jīng)將空間信息技術(shù)、

35、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)（如全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)）應(yīng)用到系統(tǒng)當(dāng)中。通過檢測作物蒸騰速率、莖流、水勢、冠層溫度、莖稈、果直徑微變化、根冠通訊信號(hào)、植物生長器官的電位信號(hào)、圖像特征與光譜特征、土壤環(huán)境氣候等，來決定作物的灌溉計(jì)劃和需水量。以色列、美國、澳大利亞等國家是設(shè)施農(nóng)業(yè)和節(jié)水技術(shù)發(fā)展的典范，對(duì)不同作物的灌溉制度進(jìn)行了深入的研究，已取得了豐富的成果。主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)信息的獲取和及時(shí)處理、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策支持

36、系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。目前，我國已研究了具有互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)多形式接入，并具有WEBGIS功能的智能化農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，研制了采用衛(wèi)</p><p>　　水分是維持作物生命活動(dòng)的重要物質(zhì)，同時(shí)也是作物生長過程中最大的消耗品。水分虧缺直接影響作物的生理生化過程和形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而影響作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測作物生長的水分狀況，對(duì)獲得最佳的灌溉制度、實(shí)現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)灌溉十分關(guān)鍵。迄今為止，不同的灌溉系統(tǒng)

37、各有自己不同的水分評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)各有特色，但大多數(shù)具有這樣那樣的不足，尚沒有形成權(quán)威的、標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)或指標(biāo)體系。目前，評(píng)定作物需水信息指標(biāo)的研究主要包括：土壤指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和作物指標(biāo)（形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)）三類。</p><p><b>　　(1)土壤信息指標(biāo)</b></p><p>　　土壤環(huán)境信息是作物需水要素中最重要的部分，由于供給作物生長所需的水分，大部

38、分情況下都需要貯存于土壤中，然后在逐步的供給作物吸收利用，因此它能夠很好的反映作物水分供應(yīng)狀況，屬于間接指標(biāo)。土壤信息一般包括土壤含水量、濕度、肥力等。內(nèi)容主要集中在如何實(shí)現(xiàn)快速采集、怎樣布置采樣點(diǎn)、采用何種插值方法準(zhǔn)確地反映土壤信息的變異規(guī)律。土壤水分測量是作物需水量研究的基礎(chǔ)，傳感器法和中子法測定土壤水分快速準(zhǔn)確。土壤水分傳感器的種類很多，根據(jù)測量原理不同、目前國際上較為先進(jìn)的測量方法分為基于時(shí)域反射儀（Time domain re

39、flectometry，TDR）原理的測量方法、頻域反射法（Frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）、駐波比法（Standing wave ratio，SWR）、基于中子法技術(shù)的測量方法、基于電磁波原理的測量方法和基于土壤水分張力的測量方法4種。時(shí)域反射法（TDR）源于軍事檢測通訊電纜故障，1975年Davis和Chudobiak等用于土壤含水量的測量，該方法目前在國際上比較流行，技術(shù)成熟，測量速度快、精度

40、高。國內(nèi)土壤含水量測量研究主要是在TDR基礎(chǔ)上</p><p>　　以土壤為對(duì)象時(shí)多采用土壤水勢或土壤相對(duì)含水量，其優(yōu)點(diǎn)是比較穩(wěn)定，受環(huán)境影響小。但畢竟是反映作物生長環(huán)境的間接指標(biāo)，且反映比較遲鈍、滯后，精度低。</p><p><b>　　(2)環(huán)境信息指標(biāo)</b></p><p>　　通過環(huán)境條件的變化估計(jì)作物需水量，也屬間接指標(biāo)。水分經(jīng)由

41、土壤到達(dá)植物根表皮，通過植物的莖運(yùn)移到葉片，再由葉片氣孔蒸騰進(jìn)入大氣散失，大氣中的水分通過降水，又回到土壤中，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的、動(dòng)態(tài)的相互連續(xù)的系統(tǒng)，即土壤—植物—大氣連續(xù)系統(tǒng)（Soil-Plant-Atmosphere continuum，簡稱SPAC）傳統(tǒng)上，通常將作物蒸騰量和土壤含水量作為作物虧水的指標(biāo)，但兩者均受到外界各種因素的影響很大。通常采用作物需水模型計(jì)算公式計(jì)算作物需水量，一類采用參考作物蒸騰發(fā)量(ET0)乘以作物系數(shù)

42、,另一類采用能量平衡法如Penman-Monteith模型來模擬計(jì)算作物蒸騰速率。王志良等作物需水量與氣溫關(guān)系的模糊回歸分析；蔡甲冰等對(duì)甘肅景泰提水灌區(qū)作物需水與灌溉制度研究；李靖等對(duì)作物需水量預(yù)報(bào)的時(shí)間序列分析；王士武的灰色關(guān)聯(lián)分析在灌溉試驗(yàn)資料分析中的應(yīng)用等。Mohamed Habib Sellami等連續(xù)觀測了海棗樹和杏樹的莖流,建立了蒸騰量和太陽總輻射與凈輻射之間的關(guān)系。</p><p>　　作物莖流指蒸

43、騰作用在作物體內(nèi)引起的上升液流,莖稈液流速度與蒸騰速率、植株需水之間有著十分密切的關(guān)系。常被用來計(jì)算作物蒸騰量，從而作為反映作物水分狀況的指標(biāo)之一。彭致功等研究了日光溫室內(nèi)茄子的莖流變化規(guī)律及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系。李國臣等分析了不同供水條件下的黃瓜莖流日變化規(guī)律及環(huán)境因素對(duì)莖流變化的影響,提出了基于作物莖流變化的作物虧水診斷方法。</p><p>　　以環(huán)境為對(duì)象的指標(biāo)主要由通過葉面蒸發(fā)量來估計(jì)同期作物的耗水量

44、，從而指導(dǎo)灌溉，其優(yōu)點(diǎn)是簡便易行，缺點(diǎn)是精度較低。</p><p><b>　　(3)作物指標(biāo)</b></p><p>　　作物指標(biāo)受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)槿藗冎饾u認(rèn)識(shí)到，歸根到底，作物本身應(yīng)該是是否需要灌溉的最佳指示物，因?yàn)橹挥兴鼈兡馨芽刂谱魑锼制胶獾耐寥酪蜃雍痛髿庖蜃诱掀饋怼；谏鲜鲈?，以作物本身為?duì)象的水分虧缺判斷越來越受到眾多學(xué)者的推崇。這一類指標(biāo)可分為

45、形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)兩種。</p><p>　　形態(tài)指標(biāo)：形態(tài)指標(biāo)是指作物與吸水相關(guān)的形態(tài)特性，如葉子顏色的變化、葉子角度的變化和葉片卷攏的程度等。研究人員分別利用莖直徑微變化提出日最大收縮量、日增長量等指標(biāo)判斷作物缺水情況；利用葉片缺水會(huì)發(fā)生萎蔫現(xiàn)象，建立葉片幾何特征（葉面積指數(shù)、葉片傾角）和葉片含水量之間的關(guān)系判斷作物的需水情況，并可通過光譜反射率測量葉片水勢。</p><p>　　根據(jù)

46、莖直徑變化來反映作的物水分狀況因?yàn)榫哂胁黄茐闹仓杲M織、適合長期自動(dòng)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn),在自動(dòng)灌溉領(lǐng)域已引起廣泛的關(guān)注。國內(nèi)以作物莖、果的微變化信息作為檢測方法,采用位移傳感器研究植株莖、果形態(tài)微變化作為作物需水信息進(jìn)行自動(dòng)控制灌溉的可行性已得到廣泛研究。張寄陽、段愛旺等利用直徑生長測量儀持續(xù)監(jiān)測筒栽棉花和棉花莖稈直徑的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)莖直徑在不同天氣的日變化規(guī)律、水分脅迫條件下不同生長階段的變化規(guī)律及其與環(huán)境因素的關(guān)系進(jìn)行了研究。Namken等利用

47、線性變化傳感器和傳感解調(diào)器對(duì)棉株直莖微變化來監(jiān)測棉株水分狀況。Goldhamer等利用日最大收縮量（MDS）指導(dǎo)杏樹灌溉。莖直徑變差作為一個(gè)可靠的判別指標(biāo)廣泛用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水管理之前,尚有許多的研究工作要做。</p><p>　　葉面幾何特征是一項(xiàng)重要的作物生長參數(shù)，該參數(shù)可以計(jì)算作物的用水量、可以分析植物的生長狀況，并且建立植物生長模型。Yang和Ling利用PROSPECT+SAIL模型，用葉面積(LAI)和平

48、均葉片傾角來判斷作物的需水情況，誤差在±10%之間。Kacria等利用視覺技術(shù)提取頂部樹冠層的投影面積來反映作物內(nèi)部水壓，但是其只針對(duì)幼苗,對(duì)成熟期的作物并沒有進(jìn)行研究。早在1989年，日本學(xué)者Hashimoto提出了SPA(Speaking Plant Approach)的控制新思想，其核心是利用圖像傳感器，開發(fā)視覺控制系統(tǒng)，采集溫室作物生長信息也已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Lobell和Asner的實(shí)驗(yàn)證實(shí)用測量土壤的反射光

49、譜可以判斷土壤的濕度。Post等也證明了土壤顏色和土壤濕度以及土壤的反射率之間存在相應(yīng)關(guān)系。羅錫文用XCT成像技術(shù)對(duì)大豆根系原位形態(tài)進(jìn)行了可視化研究，為準(zhǔn)確、快速、無損地實(shí)現(xiàn)植物根系原位形態(tài)的定性觀察和定量測量提供了新思路。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，通過攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測葉面的變化已引起人們的關(guān)注。</p><p>　　生理指標(biāo)：生理指標(biāo)是指一些與水分相關(guān)的生理性狀。如葉片含水量、葉水勢和滲透勢、葉片或冠層溫度、氣

50、孔平均開張度或氣孔水汽擴(kuò)散阻力等。</p><p>　　葉水勢是植物生理研究中重要的參數(shù),是植物水分狀況的最佳度量。主要應(yīng)用在研究氣孔的活動(dòng)及作物光合作用等生理活動(dòng)過程中，通過研究土壤水勢和葉水勢之間的數(shù)量變化關(guān)系來判斷水分在作物生產(chǎn)系統(tǒng)中運(yùn)輸?shù)姆较蚺c速率。土壤水勢的降低，葉水勢的恢復(fù)變慢。當(dāng)葉水勢不能得到恢復(fù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)作物永久萎蔫。此時(shí)的葉水勢和土壤水勢可作為防止作物葉片發(fā)生萎蔫的臨界閾值，是作物水分狀況基本

51、的度量指標(biāo)。鮑一丹等結(jié)合葉片電特性(電容)與葉水勢對(duì)玉米植株進(jìn)行了缺水度的實(shí)驗(yàn)。張文麗等研究發(fā)現(xiàn),葉水勢為-0.8MPa是光合速率和蒸騰速率敏感的臨界點(diǎn),可認(rèn)為葉水勢-0.8MPa是提高玉米光合速率和水分利用效率的重要閾值之一。</p><p>　　植物生理電特性信號(hào)，作物因缺水而導(dǎo)致細(xì)胞液濃度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致植物電特性的變化。日本Keolntabonetal測量西紅柿葉片表面電位，在光照時(shí)葉片表面電位比黑暗時(shí)高

52、，認(rèn)為光合活動(dòng)可以從葉片表面電位反映出來。白廣存等對(duì)植物生理信息采集處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，選用微電極傳感器，實(shí)現(xiàn)了植物電位信號(hào)的多點(diǎn)采集。近期研究表明：水分、養(yǎng)分、光照、溫度、濕度等因素的變化都會(huì)引起植株局部電位（LEP）的變化。干旱造成的植株體液濃度增高，可反映在電導(dǎo)率增高，電阻下降，因此張世芳等人通過測量植株生理電阻的變化研討了植株的虧水程度。但是采用這種方法需將電阻傳感插針刺入植株莖桿，這樣多少會(huì)對(duì)植物體造成傷害并影響測試精度同時(shí)存

53、在信號(hào)不敏感、誤差及變異很大,難以正確反映作物的實(shí)際需水信息。</p><p>　　其它指標(biāo)：利用聲發(fā)射技術(shù)AE（Acoustic Emission），可以檢測得到作物的受水脅迫程度。1993年，米蘭大學(xué)植物學(xué)家勞恩戈還肯定植物確能發(fā)出“喝水”的“劈啪聲”借助現(xiàn)代儀器完全可變成相應(yīng)的術(shù)語。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊世風(fēng)、霍曉靜等首次在國內(nèi)采用了以莖部聲發(fā)射信號(hào)作為農(nóng)作物需水信息的新方法，并以溫室大面積栽培作物番茄為對(duì)象，進(jìn)行

54、了聲發(fā)射信息自動(dòng)監(jiān)測與灌溉控制效果試驗(yàn)，開展了番茄莖部聲發(fā)射信息與其他參數(shù)關(guān)系的探索性研究。還有人嘗試?yán)秒妼?dǎo)、電容、射線吸收等測定計(jì)算葉片及其他組織的含水量。</p><p>　　1.4本課題的研究目標(biāo)及內(nèi)容</p><p>　　本課題所研究的作物缺水檢測儀是為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉而設(shè)計(jì)的，主要目標(biāo)是為精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施提供較為精確的作物缺水信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉活動(dòng)，達(dá)到提高水資源利用率的效果。該

55、作物生長缺水信息檢測系統(tǒng)通過非接觸式紅外測溫方法測量作物冠層溫度，采用SHT71溫濕度傳感器測量大氣中的溫濕度，通過冠層溫度—?dú)鉁夭钣?jì)算得出作物缺水指標(biāo)(CWSI)，從而反映出作物生長的缺水狀況，指導(dǎo)灌溉。本課題的研究主要為系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，研究工作有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)功能要求并且考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期開發(fā)。<

56、;/p><p>　　(2)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：主要包括嵌入式芯片的選擇、傳感器的選擇；傳感器采集電路的設(shè)計(jì)與搭建，電源電路的設(shè)計(jì)等。</p><p>　　(3)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：主要包括各種傳感器信息的采集，數(shù)據(jù)的顯示、處理與存儲(chǔ)，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。</p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介

57、紹了研究本課題的背景、目的與意義，接著重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外關(guān)于本課題的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，最后對(duì)本課題的研究目標(biāo)與內(nèi)容進(jìn)行了簡要概述。</p><p>　　2 基于冠層溫度的作物缺水信息檢測技術(shù)</p><p>　　2.1 基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)研究進(jìn)展</p><p>　　冠層溫度信息可以很好地反映作物的水分狀況。自20世紀(jì)70年代以來，基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)的研

58、究經(jīng)歷了三個(gè)階段，即單純研究冠層溫度本身變化特征的第一階段，以冠層能量平衡原理為基礎(chǔ)的作物水分脅迫指數(shù)的第二階段和考慮冠層和土壤的復(fù)合溫度的水分虧缺指數(shù)的第三階段。指標(biāo)的發(fā)展也由使用手持式紅外輻射儀擴(kuò)大到使用航空和衛(wèi)星遙感信息。這一類指標(biāo)在點(diǎn)和區(qū)域尺度上均可應(yīng)用。加強(qiáng)這一類指標(biāo)的研究對(duì)于我國北方地區(qū)農(nóng)作物的有效灌溉和區(qū)域水資源的管理都有重要意義。</p><p>　　半干旱地區(qū)農(nóng)作物特別是冬小麥經(jīng)常遭受水分脅迫的

59、影響，為了制定實(shí)時(shí)補(bǔ)充灌溉計(jì)劃和管理策略需要對(duì)水分脅迫的影響進(jìn)行定量化表面溫度是聯(lián)系地表和大氣之間能量交換，藕合組成開放表面(exposed Surface)能量平衡的輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流傳輸過程的關(guān)鍵變量。因此，表面溫度的測定常被作為表面通量模式的輸入項(xiàng)(Kustas和Norman 1997)，或被作為監(jiān)測作物水分脅迫的指示器(Idso,1981)，該指標(biāo)的測定在自然和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。作物冠層溫度是指作物不同高度莖、葉表面溫度

60、的平均值。應(yīng)用作物冠層溫度監(jiān)測其水分脅迫的研究已有30多年的歷史(Tnaner,1963;Jackson,1982;Idso,1982)，作物葉片和空氣溫度差異是監(jiān)測植物水分脅迫的一個(gè)常用指標(biāo)。在過去30多年，對(duì)冠層溫度指標(biāo)作為監(jiān)測作物水分脅迫指示器的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究(Jackson,1982;Idso,1982)。植物水分脅迫的發(fā)生，取決于大氣的蒸發(fā)需求(evaporation demand)和土壤水分有效性2個(gè)方面。蒸發(fā)需求可由

61、水汽壓差的大小來描述，而蒸發(fā)需求的供給程度則依賴于土壤水分狀況和相對(duì)葉面積</p><p>　　作物葉片和空氣溫度差異是監(jiān)測植物水分脅迫的一個(gè)常用指標(biāo)而在部分植被覆蓋條件下大多數(shù)手持機(jī)載或基于衛(wèi)星的紅外傳感器測定的是土壤和植物的混合平均溫度，測定葉溫比較困難，因此阻礙了CWSI由農(nóng)田尺度向區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換應(yīng)用。Shaa等(1986)提出基于冠層溫度來估算蒸散的方法，且蒸散與氣溫差日測定值有關(guān)。Patel(2001)采

62、用不同種植日期法，研究了利用遙測冠層溫度指標(biāo)來估算作物水分狀況的效果，并且對(duì)雨養(yǎng)木豆最終水分脅迫進(jìn)行定量化。冠氣溫差隨時(shí)間變化的差異清楚地描述了木豆對(duì)土壤水分有效性的不同反應(yīng)。冠氣溫差與土壤濕度、作物根區(qū)土壤含水量和蒸散量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P≤0.05)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量與生殖生長期間的冠氣溫差和脅迫度日(stress degree day，SDD)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在生殖生長階段，大豆利用水總量隨SDD的增加而降低。在大豆的花期單株植物

63、的種子產(chǎn)量與SDD之間的密切關(guān)系，清楚地表明了利用冠層溫度資料來描述水分脅迫對(duì)雨養(yǎng)木豆影響的應(yīng)用潛力。我國關(guān)于冠層溫度反映作物水分虧缺的研究基本上還停留在研究冠層溫度本身的變化特點(diǎn)上(董振國，;王宏，1992;劉恩民，2000)，利用遙感測</p><p>　　2.2 缺水指標(biāo)CWSI</p><p>　　缺水指標(biāo)CWSI(Crop Water Stress Index) 是反映作物水分狀

64、況的一種綜合指標(biāo), 其變化范圍在0～1之間，若CWSI=0，則水分充足, 作物發(fā)生潛在蒸騰；若CWSI=1，則作物水分嚴(yán)重虧缺。CWSI隨作物水分的消耗而增大。CWSI的表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，E和Ep分別為作物實(shí)際和潛在蒸騰速率。</p><p>　　缺水指標(biāo)CWSI的計(jì)算方法可以

65、分為能量平衡法和圖解法，其中圖解法比較常用。</p><p><b>　　(1)能量平衡法</b></p><p>　　能量平衡法是根據(jù)能量平衡方程首先計(jì)算蒸騰速率E和Ep，然后由式2-1計(jì)算CWSI值。能量平衡法計(jì)算公式如下：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><

66、;b>　　其中，</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中：r——濕度常數(shù)（Pa/℃）；</p><p>　　rf和rfp ——分別為實(shí)際和潛在蒸騰時(shí)的氣孔擴(kuò)散阻力(s/m)；</p><p>　　ra ——空氣動(dòng)力阻力(s/m)；</p><

67、p>　　、——分別為TF和TA 對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓（Pa）。</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)常數(shù)rf和rfp 與作物種類有關(guān)，ra 與風(fēng)速及葉子尺寸有關(guān)。實(shí)際計(jì)算時(shí)，上述公式主要未知數(shù)是葉面溫度TF 。</p><p><b>　　(2)圖解法</b></p><p>　　圖解法計(jì)算缺水指標(biāo)CWSI示意圖如圖2-1所示：</p>&

68、lt;p>　　圖2-1圖解法計(jì)算缺水指標(biāo)CWSI示意圖</p><p>　　圖中橫座標(biāo)為空氣飽和差（即飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差, 是空氣濕度的一種表示方法）,縱座標(biāo)為葉氣溫差。直線AB為作物停止蒸騰時(shí)的葉氣溫差, 稱為上基線 直線；CD為作物發(fā)生潛在蒸騰時(shí)葉氣溫差與空氣飽和差之間的關(guān)系, 稱為下基線。當(dāng)上、下基線確定后, 由實(shí)測的葉氣溫差T和空氣飽和差e可得到圖中的N點(diǎn), 對(duì)應(yīng)的缺水指標(biāo)：CWSI=NS/

69、MS。</p><p>　　這種方法雖然叫做圖解法, 但實(shí)際計(jì)算時(shí)并不需要作圖。求得下基線方程后, 由實(shí)測空氣飽和差代人下基線方程得到相應(yīng)葉氣溫差T1 ，再由實(shí)測葉氣溫差T和上基線對(duì)應(yīng)的葉氣溫差T2 ，即可計(jì)算缺水指標(biāo)CWSI，計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　由此可知, 采用圖解法計(jì)算缺水指標(biāo)

70、時(shí),首先需要確定下基線和上基線, 當(dāng)上、下基線確定后, 缺水指標(biāo)CWSI的計(jì)算比較簡單。</p><p>　　2.3紅外測溫原理及特點(diǎn)</p><p>　　2.3.1 黑體輻射與紅外測溫原理</p><p>　　一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物

71、體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。　</p><p>　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)

72、出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱黑體輻射定律。</p><p>　　由于黑體的光譜輻射功率Pb(λΤ)與絕對(duì)溫度Τ 之間滿足普朗克定理：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，Pb(λΤ)—黑體的輻射出射度；</p><p>&

73、lt;b>　　λ—波長；</b></p><p><b>　　T—絕對(duì)溫度；</b></p><p>　　c1、c2—輻射常數(shù)。</p><p>　　式（2-5）說明在絕對(duì)溫度Τ下，波長λ處單位面積上黑體的輻射功率為Pb(λΤ)。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以得到圖2-1的關(guān)系曲線：</p><p>　　圖2-2黑體

74、輻射的光譜分析</p><p>　　從圖2-2中可以看出：</p><p>　　(1)隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強(qiáng)。這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，也是單波段紅外測溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。</p><p>　　(2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左)，并滿足維恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K，峰值處的波長λm與絕對(duì)溫度Τ 成反比，虛線為λm 處峰值

75、連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y溫儀大多工作在短波處，低溫測溫儀大多工作在長波處。</p><p>　　(3)輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的測溫儀相對(duì)信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強(qiáng)，測溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。</p><p>　　根據(jù)斯特藩—玻耳茲曼定理黑體的輻出度 Pb(Τ)與溫度Τ的四次方成正比， 即：

76、 </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中，Pb(T)—溫度為T 時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度；</p><p>　　σ—斯特藩—玻耳茲曼常量；</p><p><b>　　T—物體溫度。</b></p>

77、<p>　　式（2-6）中黑體的熱輻射定律正是紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果在條件相同情況下，物體在同一波長范圍內(nèi)輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度 Pb(Τ)小于黑體的單色黑度ε(λ)，即實(shí)際物體接近黑體的程度。</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　考慮到物體的單色黑度ε(λ)是不隨波長變化的常數(shù)，即ε (λ

78、)=ε，稱此物體為灰體。它是隨不同物質(zhì)而值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體ε=1，而一般灰體0<ε<1，由式(2)可得：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　所測物體的溫度為：</b></p><p><b>　　(2-9)</b>

79、;</p><p>　　式(2-9)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。</p><p>　　2.3.2 紅外測溫儀的特點(diǎn)</p><p>　　一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。紅外輻射能量的大小按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過對(duì)物體自身發(fā)出的紅外能量的測量,便能準(zhǔn)確地測出它的表面溫度。紅外測溫儀能接收多種物體自身

80、發(fā)射出的不可見紅外輻射能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分,紅外位于可見光和無線電波之間。當(dāng)儀器測溫時(shí),被測物體發(fā)射出的紅外輻射能量,通過測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)在探測器上轉(zhuǎn)為電信號(hào),并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。紅外測溫儀一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)紅外測溫不干擾被測溫場，不影響溫度場分布，從而具有較高的測量準(zhǔn)確度；</p><p>　　(2)紅外測溫的測溫范

81、圍寬，在理論上無測量上限，可測量相當(dāng)高的溫度；</p><p>　　(3)探測器的響應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)速度快，已與快速與動(dòng)態(tài)測量；</p><p>　　(4)不必接觸物體，操作方便；</p><p>　　(5)可以確定微小目標(biāo)的溫度。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p&g

82、t;　　本章詳細(xì)介紹了基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)的研究進(jìn)展，接著講解了兩種計(jì)算CWSI的方法，最后介紹了紅外測溫的原理和方法。</p><p>　　3 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想</p><p>　　針對(duì)目前各種各樣的作物缺水信息檢測方法的特點(diǎn)與缺陷，提出一種基于作物冠層溫度的作物缺水信息檢測方法，首先利用傳感器測量作物的冠層溫度、

83、大氣溫濕度，然后通過計(jì)算作物缺水指標(biāo)(CWSI)得出作物的缺水信息，從而用于指導(dǎo)灌溉。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　本作物缺水檢測儀將傳感器技術(shù)、紅外測溫技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過傳感器測量作物的冠層溫度和大氣中的溫濕度，經(jīng)過單片機(jī)處理后采用相應(yīng)的算法，計(jì)算得出作物的缺水信息。</p><p>　　本系統(tǒng)選用ATmega16L

84、單片機(jī)作為缺水檢測儀的主控核心，采用TNR數(shù)字式紅外測溫傳感器測量作物的冠層溫度，SHT71溫濕度傳感器測量大氣中的溫濕度，經(jīng)過單片機(jī)處理后得出作物的缺水信息，并且利用Nokia5110液晶屏將信息顯示出來。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)組成及框圖</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的作物缺水檢測儀以ATmega16L單片機(jī)作為主控核心，配置TNR數(shù)字式紅外測溫傳感器，SHT71溫濕度傳感器

85、，Nokia5110液晶屏，通過相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。作物缺水檢測儀系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 作物缺水檢測儀系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.3.1 系統(tǒng)包括</p><p>　　單片機(jī)模塊：作物缺水檢測儀的主控部分，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。根據(jù)本文的實(shí)際需要，選定低功耗微處理器AVR單片機(jī)ATmega16L。</p>

86、;<p>　　紅外測溫模塊：冠層溫度的采集部分，選用TNR數(shù)字式紅外測溫傳感器。</p><p>　　溫濕度模塊：大氣中的溫濕度采集部分，選用SHT71溫濕度傳感器。</p><p>　　液晶顯示模塊：作物缺水信息的顯示部分，選用Nokia5110液晶屏。</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)功能</p><p>　　(1)執(zhí)行

87、作物冠層溫度的采集顯示功能；</p><p>　　(2)執(zhí)行大氣中溫濕度的采集顯示功能；</p><p>　　(3)執(zhí)行作物缺水信息的顯示功能。</p><p>　　3.3.3 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　在本系統(tǒng)中，首先利用傳感器測量作物的冠層溫度、大氣溫濕度，然后通過計(jì)算作物缺水指標(biāo)(CWSI)得出作物的缺水信息，從而用于指導(dǎo)灌溉。

88、</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先提出了作物缺水檢測儀的方案設(shè)想，接著確定系統(tǒng)總體方案，最后通過框圖與文字描述對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的組成與工作原理進(jìn)行了介紹。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)本文上章確定的系統(tǒng)方案

89、構(gòu)想，本章進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由便攜式藍(lán)牙GPS接收器與手持式GPS信息顯示器組成。</p><p>　　便攜式藍(lán)牙GPS接收器由GPS模塊、藍(lán)牙模塊以及電源模塊等部分組成，負(fù)責(zé)GPS定位信息的接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。手持式GPS信息顯示器由藍(lán)牙模塊、Nokia5110液晶顯示模塊、主控模塊以及電源模塊等部分組成。</p><p>　　4.1單片機(jī)處理模塊</p>&

90、lt;p>　　本系統(tǒng)經(jīng)過各種MCU的選擇對(duì)比，選定了ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控模塊芯片。</p><p>　　ATMEL公司是世界上有名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。在單片機(jī)微控制器方面，ATMEL公司有AT89, AT90和ARM三個(gè)系列單片機(jī)的產(chǎn)品。由于8051本身結(jié)構(gòu)的先天性不足和近年來各種采用新型結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的單片機(jī)的不斷涌現(xiàn)，

91、現(xiàn)在的單片機(jī)市場是百花齊放。ATMEL在這種強(qiáng)大市場壓力下，發(fā)揮Flash存儲(chǔ)器的技術(shù)特長，于1997年研發(fā)并推出了個(gè)新配置的、采用精簡指令集RISC(Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的新型單片機(jī)，簡稱AVR單片機(jī)。</p><p>　　精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代開發(fā)出來的，綜合了半導(dǎo)體案成技術(shù)和軟例-性能的新結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，具有1MIPS/ MHz的

92、高速運(yùn)行處理能力。為了縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的時(shí)間，簡化系統(tǒng)的維護(hù)和支持，對(duì)于由單片機(jī)組成的嵌入式系統(tǒng)來說，用高級(jí)語言編程已成為一種標(biāo)準(zhǔn)編程方法。AVR結(jié)構(gòu)單片機(jī)的開發(fā)日的就在于能夠更好地采用高級(jí)語言（例如C語言、BASIC語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)代碼。為了對(duì)目標(biāo)代碼大小、性能及功耗進(jìn)行優(yōu)化，AVR單片機(jī)的結(jié)構(gòu)中采用了大型快速存取寄存器組和快速的單周期指令系統(tǒng)。</p><p>　　AV

93、R單片機(jī)運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令。在其他的CISC以及類似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達(dá)12倍(8051)。AVR單片機(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在8位單片機(jī)中第一個(gè)真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。</p><p>　　由于AVR單片機(jī)采用了Harvard結(jié)構(gòu)，所以它的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)

94、存儲(chǔ)器是分開組織和尋址的。尋址空間分別為可直接訪問8M字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和8M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)，由32個(gè)通用工作寄存器所構(gòu)成的寄存器組被雙向映射，因此，可以采用讀寫寄存器和讀寫片內(nèi)快速SRAM存儲(chǔ)器兩種方式來訪問32個(gè)通用工作寄存器[5]。</p><p>　　AVR主要有單片機(jī)有ATtiny、AT90和ATmega三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理都相類似。本設(shè)計(jì)所用到的Atmega16L芯片便是ATmega系列中

95、的一種，在這里作為紅外線測溫儀的核心部件。它是一種具有40引腳的高性能、低功耗的8位微處理器。</p><p>　　AVR單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)片內(nèi)集成可擦寫10000次以上的Flash程序存儲(chǔ)器。由于AVR采用16位的指令，所以一個(gè)程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元為16位，即XXXX*1116(也可理解為8位，即2*XXXX*8)。AVR的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是以8個(gè)Bit(位)

96、為一個(gè)單元，因此AVR還是屬于8位單片機(jī)。</p><p>　　(2)采用CMOS工藝技術(shù)，高速度(50ns)、低功耗、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns (20MHz)。AVR運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令的特性，即對(duì)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲(chǔ)器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。</p>&l

97、t;p>　　(3)高度保密(LOCK)?？啥啻尾翆懙腇LASH具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序(產(chǎn)品升級(jí))而不必浪費(fèi)1C或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及競爭力。</p><p>　　(4)超功能精簡指令。具有32個(gè)通用作寄存器(相當(dāng)于8051中的32個(gè)累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶須現(xiàn)象，128~4K字節(jié)SRAM可靈活使用指令計(jì)算，并可

98、用功能很強(qiáng)的C語言編程，易學(xué)、易寫、易移植。</p><p>　　(5)程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑懭?用編程器寫入)，也可使用串行在線編程(ISP)方法下載寫入，也就是說不用將單片機(jī)芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到萬用編程器上燒寫，而可直接在電路板上進(jìn)行程序的修改、燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級(jí)，尤其是采用SMD封裝，更利于產(chǎn)品微型化。</p><p>　　(6)工作電壓范圍為2.7V~6.0V,電源抗干擾

99、性能強(qiáng)。</p><p>　　(7)AVR單片機(jī)還在片內(nèi)集成了可擦寫100000次的 PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等于又增加了一個(gè)芯片，可用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)，既方便了使用，減小了系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。</p><p>　　(8)有8位和16位的計(jì)數(shù)器定時(shí)器(C/T)，可作比較器、計(jì)數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作D/A ）用于控制輸出。</p>

100、<p>　　ATmega16外圍電路圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 ATmega16外圍電路圖</p><p>　　圖中，K1為外部復(fù)位按鍵，當(dāng)發(fā)生緊急情況是可由此按鈕進(jìn)行復(fù)位</p><p>　　4.2紅外測溫傳感器模塊</p><p>　　本紅外測溫儀選用TNR數(shù)字式紅外探測器作為測溫模塊，它是一種集成的

101、紅外探測器，內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路，因此簡化了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　它的測量距離大約為30米，測量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機(jī)（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。其相關(guān)資料如下：</p><p>　　紅外測溫傳感器的引腳介紹：</p><p>　　(1)紅外測溫傳感器引腳圖如圖4-2，</p><p

102、>　　圖4-2 紅外測溫傳感器引腳圖</p><p>　　如圖所示：V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取3.3V；D為數(shù)據(jù)接收引腳，沒有數(shù)據(jù)接收時(shí)D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。</p><p>　　(2)紅外測溫模塊的時(shí)序：</p><p>　　紅外測溫模塊的時(shí)序圖如圖4-

103、3，在CLOCK的下降沿時(shí)接收數(shù)據(jù)。(例：如果一次溫度測量需接收5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這5個(gè)字節(jié)中：Item為0x4c表示測量目標(biāo)溫度，為0x6c表示測量環(huán)境溫度；MSB為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)；LSB為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)；Sum為驗(yàn)證碼，接收正確時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；CR為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0xodH時(shí)表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。)</p><p>　　圖4-3 紅外測溫時(shí)序圖</p>&l

104、t;p>　　(3)紅外測溫模塊溫度值的計(jì)算：</p><p>　　以上面的例子：無論測量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測到Item為0x4cH或者0x66H同時(shí)檢測到CR為0x0dH，他們的溫度的計(jì)算方法都相同。</p><p><b>　　計(jì)算公式：</b></p><p>　　目標(biāo)溫度/環(huán)境溫度=Temp/16-273.15</p

105、><p>　　其中Temp為十進(jìn)制，當(dāng)把它轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的高八位為MSB，低八位為LSB；比如MSB為0x14H，LSB為0x2Ah，則Temp十六進(jìn)制時(shí)為0x142aH，十進(jìn)制時(shí)為5162，則測得的溫度值為5162/16-273.15=39.475℃。</p><p>　　本紅外線測溫儀的紅外測溫傳感器模塊電路原理圖如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 紅外

106、測溫傳感器模塊電路原理圖</p><p>　　4.3 溫濕度測溫模塊</p><p>　　SHT71溫濕度傳感器是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它將溫度感測、濕度感測、信號(hào)轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，輸出直接為數(shù)字信號(hào)。SHT71抗干擾能力強(qiáng)，具有極高的性價(jià)比，極低的功耗，且所有的技術(shù)指標(biāo)都與本設(shè)計(jì)的要求吻合。</p><p>　　本SHT71

107、傳感器模塊電路原理圖如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 SHT71傳感器模塊電路原理圖</p><p>　　4.4 Nokia5110模塊</p><p>　　在信號(hào)采集模塊對(duì)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，要對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行顯示，數(shù)碼管和液晶屏都可滿足我們的要求，但數(shù)碼管只能顯示數(shù)據(jù)，不便于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，同時(shí)由于顯示的位數(shù)較多，會(huì)占用

108、大量的I/O口，給控制器帶來負(fù)擔(dān)。采用液晶顯示器，雖然成本相對(duì)較高一些，但它的優(yōu)越性非常高，適合顯示多個(gè)變量，還能給人以直觀的印象，所以我們選用功耗、成本極低的Nokia5110液晶屏。</p><p>　　硬件電路連接如圖4-6所示：</p><p>　　圖4-6 Nokia5110液晶屏顯示模塊電路原理圖</p><p><b>　　4.5 電源模塊&