便携式高精度土壤养分光电比色仪研究

　　1　引　言

　　长期以来,农业测土施肥均依赖于常规光电比色仪,使用这种仪器需要从田间取回土样,烘干后再送到实验室进行测定。这种方式存在许多不足,如仪器投资大、不能便携、所依赖的辅助设备多和测试费用高等,严重地制约了科学合理施肥在基层农村的实施。便携式土壤养分光电比色仪就是为满足农业生产实践需要而研制的,除完成常规的光电比色之外,还应根据速测土壤的需要,能在线完成温度等多参数的测量并进行温度校正,有条件的还应在光电比色仪内部嵌入指导施肥系统,使用户完成测土后直接将数据应用于指导施肥[1-4]。为此,根据我国目前农村使用人员的实际条件,我们在研制中以滤光光电比色技术、单片计算机技术、微电子技术为基础,广泛采用土壤化学、分析化学、人工智能、传感技术等领域先进而适用的技术,尽可能地提高土壤的速测性和精确性[5-6]。仪器采用LCD汉字显示测量步骤,避免LED显示器耗电大且在强阳光下看不清楚的缺点,支持微型打印机,支持交流电和电池两种供电方式。仪器体积小、重量轻、维修方便,非常适于田间操作。

　　2　便携式光电比色仪设计

　　我们选择了低成本的滤光光电比色原理研制土壤养分光电比色仪,力求解决如下一些关键问题:低成本、入射光的单色性、光源的稳定性、电源交直流两用、比色槽的设计和避光、高精度测试光路设计、光强控制技术[7]、吸光度修正和便携性等。仪器构成的总体框图如图1所示。

　　2.1　光电比色计设计原理

　　光电比色仪的设计原理结构[8]如图2所示。假定白光光源发出一束经过滤光片后的近似平面单色光波为:

式中,Ac表示标准样品的吸光度,Cc表示标准样品的浓度。再将待测样品置于光路中,测取此时的吸光度值

式(13)就是光电比色仪用于测量物质浓度的基本原理公式。

　　2.2　光电比色仪的硬件设计

　　采用微处理器技术尤其是具有Flash EPROM的单片计算机,其性能优越,价格较低,可方便实现显示器和键盘的接口。光电比色仪检测的待测样品光电信号是一个慢速变化信号,对采样速率要求不高,因此可以选择14位的A/D7135作模数转换器[8],选用126×64的LCD液晶显示器,可实现4行每行8个字符一屏共32个字符的显示。

　　由于所采集的光电信号比较弱,因此信号放大可分为前置放大和后置主放大两部分,前置放大与传感器做在一起,有利于提高信噪比。根据功能需要,还要选择键盘按键的数量和设置其它功能模块,可通过RS-232串行接口与微机通信,把测量数据送入上位机以便农业管理部门建立本地区的土壤管理数据库[1]。