一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置的製作方法
2023-05-03 03:38:41 1
本發明涉及土壤檢測技術領域，具體為一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置。
背景技術：
土壤由巖石風化而成的礦物質、動植物，微生物殘體腐解產生的有機質、土壤生物(固相物質)以及水分(液相物質)、空氣(氣相物質)，氧化的腐殖質等組成。固體物質包括土壤礦物質、有機質和微生物通過光照抑菌滅菌後得到的養料等。液體物質主要指土壤水分。氣體是存在於土壤孔隙中的空氣。土壤中這三類物質構成了一個矛盾的統一體。它們互相聯繫，互相制約，為作物提供必需的生活條件，是土壤肥力的物質基礎。土壤水是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外)，另外植物也可以直接吸收少量落在葉片上的水分。土壤水的主要來源是降水和灌溉水，參與巖石圈-生物圈-大氣圈-圈-水圈的水分大循環。而土壤中富含的鉀元素也是養分的主要成分。
申請號為201510122666.9，名稱為一種土壤檢測改良設備的發明專利，第一鑽頭安裝在機體的下端用於土壤檢測改良設備的鑽進，把手安裝在機體的上端用於握持土壤檢測改良設備，機體的上端安裝有相對於機體中心對稱的氣缸，氣缸的內部安裝有活塞，活塞的下端通過活塞杆連接有第二鑽頭，機體的底端安裝有雜質分散機，機體的內部安裝有用於驅動第一鑽頭的電機，電機上安裝有轉軸，轉軸的兩側對稱分布有貯料室，轉軸的上端安裝有空氣壓縮機，空氣壓縮機與機體形成密閉的採樣機內腔，採樣機內腔上部安裝有分析儀，該設備可有效檢測土壤的成分，改變土壤的性能，優化了種植環境。但是其對於土壤內部的水分以及鉀元素的檢測並沒有很好的解決，因此設計了一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置。
技術實現要素：
為了克服現有技術方案的不足，本發明提供一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置，通過檢測外殼內設置的雷射檢測模塊檢測土壤，利用雷射誘導擊穿光譜技術，高能雷射脈衝直接擊中土壤樣品表面，在分析材料表面形成高強度雷射光斑，對此光譜進行探測可獲得土壤中的鉀元素含量信息，通過鑽頭式的水分檢測探頭，採用水吸力檢測方式來檢測土壤水分，可以很好的採集田地裡土壤的信息參數，值得推廣。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置，包括檢測外殼，所述檢測外殼右端設置有滑動軌道，所述滑動軌道內設置有滑動板，所述滑動板右端連接有機殼，所述機殼下端設置有若干個水分檢測探頭，所述檢測外殼內部設置有雷射檢測模塊，所述檢測外殼左端設置有連接杆，所述連接杆左端設置有安裝座，所述安裝座內設置有超聲波測距裝置，所述檢測外殼左端設置有破土犁，所述檢測外殼下端設置有刮土板與遮光擋板；
所述水分檢測探頭連接有單片機控制器，所述單片機控制器上連接有時鐘模塊、電源模塊、鍵盤接口、數據存儲器、lcd顯示器、報警模塊與串口數據傳輸接口；
所述雷射檢測模塊包括入射光纖與採集光纖，所述入射光纖與採集光纖下端均連接在聚焦透鏡組件上，所述聚焦透鏡組件兩端設置有透鏡安裝腳，所述入射光纖連接有nd:yag雷射器，所述nd:yag雷射器連接有延時產生器，所述延時產生器連接有ccd相機，所述ccd相機連接有上位機與光柵光譜儀，所述上位機與延時產生器相連接，所述光柵光譜儀與採集光纖相連接。
作為本發明一種優選的技術方案，所述檢測外殼包括外殼主體，所述外殼主體內部設置有探頭安裝板，所述探頭安裝板傾斜設置，所述外殼主體上端設置有彎折段，所述外殼主體上端設置有外殼開口，所述外殼開口內部設置有橡膠密封塞，所述橡膠密封塞內部設置有引線穿孔，所述外殼主體下端設置有刮板安裝凹槽與遮光板安裝凹槽，所述刮板安裝凹槽與遮光板安裝凹槽插入安裝螺栓。
作為本發明一種優選的技術方案，所述水分檢測探頭包括鑽頭，所述鑽頭上設置有螺旋葉片，所述鑽頭內設置有通孔，所述通孔上端設置有塑料管，所述塑料管下端設置有陶土頭，所述塑料管上端連接有集氣管，所述集氣管連接有壓阻傳感器，所述集氣管上端設置有集氣管橡膠塞。
作為本發明一種優選的技術方案，所述超聲波測距裝置包括測距外殼，所述測距外殼內部設置有柔性電路板，所述柔性電路板上安裝有兩個超聲波探頭，所述超聲波探頭下端設置有喇叭口，所述測距外殼內部設置有中空隔音層，所述測距外殼內部設置有聚乙烯發泡隔音層。
作為本發明一種優選的技術方案，所述破土犁包括犁主板，所述犁主板左端設置有破土刃，所述犁主板下端設置有犁底座，所述犁底座上設置有旋轉軸，所述旋轉軸連接有犁尖，所述犁尖橫截面為三角形結構，所述犁底座下端設置有平整輥。
作為本發明一種優選的技術方案，所述單片機控制器採用stc90c58ad為主控晶片，將水分檢測探頭採集到的模擬信號傳輸至單片機控制器，由stc90c58ad的ad轉換器轉換為數位訊號並存儲在單片機控制器內，存儲的同時讀取時鐘晶片的時間值一併存儲，即可記錄採集時間。
作為本發明一種優選的技術方案，所述時鐘模塊採用ds1302時鐘晶片為系統提供時間，通過單片機控制器控制lcd顯示器來顯示當前測試土壤溼度的時間，ds1302與單片機控制器採用同步串行的方式進行通信，由p3.5、p3.6和p3.7引腳分別控制ds1302的res復位端、i/o數據端及slck串行時鐘端。
作為本發明一種優選的技術方案，所述lcd顯示器採用qc-1602lcd液晶顯示器，對採集到的數據進行實時顯示，工作電壓為4.5-5.5v，單片機控制器的p2.5、p2.6與p2.7腳分別連接液晶顯示器的使能端、讀/寫選擇端和數據/命令選擇端。
作為本發明一種優選的技術方案，所述電源模塊包括設置在機殼上端的光伏架，所述光伏架上端設置有光伏板，所述光伏架兩端設置有調節螺母，所述光伏架下端連接有太陽能電池。
作為本發明一種優選的技術方案，所述報警模塊採用蜂鳴器型報警器，由單片機控制器的p3.2口對報警電路進行控制，當單片機控制器輸出低電平時，q1導通，蜂鳴器發出報警，說明土壤溼度低於設定的閾值。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：通過檢測外殼內設置的雷射檢測模塊檢測土壤，利用雷射誘導擊穿光譜技術，高能雷射脈衝直接擊中土壤樣品表面，在分析材料表面形成高強度雷射光斑，對此光譜進行探測可獲得土壤中的鉀元素含量信息，通過鑽頭式的水分檢測探頭，採用水吸力檢測方式來檢測土壤水分，可以很好的採集田地裡土壤的信息參數，值得推廣。
附圖說明
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明內部結構框圖；
圖3為本發明雷射檢測模塊結構示意圖；
圖4為本發明檢測外殼結構示意圖；
圖5為本發明水分檢測探頭結構示意圖；
圖6為本發明超聲波測距裝置結構示意圖；
圖7為本發明破土犁結構示意圖；
圖8為本發明時鐘模塊電路圖。
圖中：1-檢測外殼，2-滑動軌道，3-滑動板，4-機殼，5-水分檢測探頭，6-雷射檢測模塊，7-連接杆，8-安裝座，9-超聲波測距裝置，10-破土犁，11-刮土板，12-遮光擋板，13-單片機控制器，14-時鐘模塊，15-電源模塊，16-鍵盤接口，17-數據存儲器，18-lcd顯示器，19-報警模塊，20-串口數據傳輸接口，21-入射光纖，22-採集光纖，23-聚焦透鏡組件，24-透鏡安裝腳，25-nd:yag雷射器，26-延時產生器，27-ccd相機，28-上位機，29-光柵光譜儀，30-外殼主體，31-探頭安裝板，32-彎折段，33-外殼開口，34-橡膠密封塞，35-引線穿孔，36-刮板安裝凹槽，37-遮光板安裝凹槽，38-安裝螺栓，39-鑽頭，40-螺旋葉片，41-通孔，42-塑料管，43-陶土頭，44-集氣管，45-壓阻傳感器，46-集氣管橡膠塞，47-測距外殼，48-柔性電路板，49-超聲波探頭，50-喇叭口，51-中空隔音層，52-聚乙烯發泡隔音層，53-犁主板，54-破土刃，55-犁底座，56-旋轉軸，57-犁尖，58-平整輥，59-光伏架，60-光伏板，61-調節螺母，62-太陽能電池。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例：
如圖1至圖8所示，本發明提供了一種新型農田地下土壤水分與鉀元素檢測裝置，包括檢測外殼1，所述檢測外殼1右端設置有滑動軌道2，所述滑動軌道2內設置有滑動板3，所述滑動板3右端連接有機殼4，所述機殼4下端設置有若干個水分檢測探頭5，所述檢測外殼1內部設置有雷射檢測模塊6，所述檢測外殼1左端設置有連接杆7，所述連接杆7左端設置有安裝座8，所述安裝座8內設置有超聲波測距裝置9，所述檢測外殼1左端設置有破土犁10，所述檢測外殼1下端設置有刮土板11與遮光擋板12；
本發明在工作的時候，檢測外殼1右端設置的滑動軌道2內設置可以上下滑動的滑動板3，滑動板3將機殼4固定住，而機殼4內部則放置了本發明中的各種電路元件，機殼4下端設置的水分檢測頭5可插入土壤內部，對土壤內部水分進行檢測，而檢測機殼1內設置的雷射檢測模塊6通過光纖發出的雷射對土壤表面進行光譜分析，遮光板12防止漏光影響雷射測量效果，遮光板12為一塊傾斜設置的板，橫截面為直角梯形結構，在設備使用的過程中，與檢測外殼1均伸入土壤內，在遮光板12左端設置的刮土板11將土地刮平整。檢測外殼1左端設置有連接杆7，連接杆7下端安裝的超聲波測距裝置9測量與土壤表面的距離，從而計算出設備伸入土壤內部的深度，該深度是破土犁10破開的土層深度，也就是刮土板11與遮光板12下端與土壤表層的距離，確定測量參數的土壤層次深度，通過破土犁10破開土壤，進行土壤內層物質分析，刮土板11用於將不平整的土颳走，避免土壤起伏影響光譜分析結果。本發明裝置將土壤參數與土壤深度相互對應，提高土壤參數測量的精確性和可靠性。
所述水分檢測探頭5連接有單片機控制器13，所述單片機控制器13上連接有時鐘模塊14、電源模塊15、鍵盤接口16、數據存儲器17、lcd顯示器18、報警模塊19與串口數據傳輸接口20；
如圖2所示，本發明中，水分檢測探頭5的參數通過接線傳輸給單片機控制器13，水分檢測探頭5檢測到的土壤溼度信號傳輸給單片機控制器13內的a/d轉換器，轉換成數位訊號後通過單片機控制器13進行信號處理，通過數據存儲器17將採集到的溼度信號和時間數據同時存儲，得到一定時間點的溼度參數，並將結果發送給lcd顯示器18進行數據的直觀顯示，當檢測到的溼度低於設定的閾值的時候，報警模塊19工作發出報警信號，實現對於土壤溼度的預警，並通過串口數據傳輸接口20進行數據的串口傳輸，方便利用計算機進行數據進一步處理。
如圖3所示，所述雷射檢測模塊6包括入射光纖21與採集光纖22，所述入射光纖21與採集光纖22的一端均通過透鏡安裝腳24連接有聚焦透鏡組件23，所述入射光纖21的另一端連接有nd:yag雷射器25，所述nd:yag雷射器25連接有延時產生器26，所述延時產生器26連接有ccd相機27，所述ccd相機27連接有上位機28，所述上位機28與延時產生器26相連接；所述採集光纖22的另一端連接有光柵光譜儀29，所述光柵光譜儀29與ccd相機27連接。
本發明中，雷射檢測模塊6為檢測鉀元素的模塊，在使用的時候，調節聚焦透鏡組件23使得兩個焦點位於同一點上，入射光纖21接收到nd:yag雷射器25發射出的雷射，nd:yag雷射器25採用法國quantel公司cfr200型脈衝雷射器，發射雷射波長1064nm，雷射發射之後反射回去的光經過採集光纖22後進入光柵光譜儀29內，光譜儀選用英國andor公司的sr-500i型，內置旋轉塔輪及三條光柵，分別為600、1200和1800g/mm，光譜解析度可達0.04nm，形成光譜後通過ccd相機27進行光譜探測，光譜探測器為istardh334型增強型ccd，時間快門2ns，光譜檢測範圍180-850nm，進行光譜的分析檢測，由於在檢測過程中土壤等離子信號的信噪比和譜線解析度較低，因此增設了延時產生器26，選擇合適的採樣延遲時間驅動增強型ccd，實現待測土壤養分離散原子光譜的精確檢測，上位機28完成參數匹配操作。
如圖4所示，本發明中，所述檢測外殼1包括外殼主體30，所述外殼主體30內部設置有探頭安裝板31，所述探頭安裝板31傾斜設置，傾斜設置的探頭安裝板31可將聚焦透鏡組件23傾斜固定住，使得兩個焦點位於同一點上，所述外殼主體30上端設置有彎折段32，所述外殼主體30上端設置有外殼開口33，頂部設置的開口較小，避免光線進入檢測外殼1內部，所述外殼開口33內部設置有橡膠密封塞34，進一步擋光，所述橡膠密封塞34內部設置有引線穿孔35，用於穿過入射光纖21與採集光纖22，並將入射光纖21與採集光纖22連接的雷射檢測模塊6內其他部件安裝在機殼4內，所述外殼主體30下端設置有刮板安裝凹槽36與遮光板安裝凹槽37，所述刮板安裝凹槽36與遮光板安裝凹槽37插入安裝螺栓38，通過安裝螺栓38固定刮土板11與遮光擋板12，避免設備行進過程中導致刮土板11與遮光擋板12發生位置偏移影響設備穩定性。
如圖5所示，本發明中，所述水分檢測探頭5包括鑽頭39，所述鑽頭39上設置有螺旋葉片40，可以旋轉進入土壤內部，所述鑽頭39內設置有通孔41，通孔41在鑽頭39進入土壤之後，使得一定量的土壤進入到通孔41內部，所述通孔41上端設置有塑料管42，所述塑料管42下端設置有陶土頭43，陶土頭43與通孔41內部的土壤接觸，所述塑料管42上端連接有集氣管44，所述集氣管44連接有壓阻傳感器45，所述集氣管44上端設置有集氣管橡膠塞46，使用的時候，將集氣管44上端的集氣管橡膠塞46打開，向內部加入水，陶土頭43是儀器的感應部件，具有許多微小的孔隙，陶土頭43被水浸潤後，在孔隙中形成一層水膜，當充滿水且密封的水分檢測探頭5插入水分不飽和的土壤時，水膜就與土壤水連接起來，使儀器內部的水產生負壓，此負壓作用於固態的壓阻傳感器45，壓阻傳感器45將負壓轉換成電信號，從而可獲得0-100kpa範圍內任意點土壤吸力的電信號，並且二者有良好的線性關係，壓阻傳感器45採集到的信號可以輸出給單片機控制器13或者外接存儲器，將電信號數值採集下來，由於二者保持良好的線性關係，可直接通過電信號的的數值轉換成土壤內部溼度數值，得到土壤水分參數。
如圖6所示，本發明中，所述超聲波測距裝置9包括測距外殼47，所述測距外殼47內部設置有柔性電路板48，所述柔性電路板48上安裝有兩個超聲波探頭49，柔性電路板48驅動其中一個超聲波探頭49發出超聲波，所述超聲波探頭49下端設置有喇叭口50，發出的超聲波經過喇叭口50後向下發散，接觸到土壤表面之後反射回來，再次經過喇叭口50進入另一個超聲波探頭49內，柔性電路板48內電路採集到往返的時間，進行計算得出與土壤表面的距離，所述測距外殼47內部設置有中空隔音層51和聚乙烯發泡隔音層52，多隔音結構設計，使得超聲波測距裝置9在戶外工作的時候保持很好的穩定性，避免噪音幹擾。
如圖7所示，本發明中，所述破土犁10包括犁主板53，所述犁主板53左端設置有破土刃54，破土刃54在犁主板53上傾斜設置，破土刃54與土壤接觸之後，將土壤破開，所述犁主板53下端設置有犁底座55，所述犁底座55上設置有旋轉軸56，所述旋轉軸56連接有犁尖57，所述犁尖57橫截面為三角形結構，破土效果好，採用旋轉軸56設計，使得犁尖57可以調節角度，實現不同角度的破土操作，所述犁底座55下端設置有平整輥58，將破開的土壓平整後，便於之後的雷射檢測模塊6進行雷射檢測分析土壤元素。破土犁10的工作過程為：使用時，破土犁10傾斜放置在土壤表面，檢測裝置從右向左移動過程中，犁尖57首先接觸到土壤，隨著犁尖57的深入，土壤被翻出並由破土刃54破開，平整輥58對破開的土壤表面進行平整，破土犁10破土的過程中，設置在其右側的檢測機殼1底端的刮土板11和遮光板12插入土壤中，刮土板11進一步將破開的土壤刮平整，遮光板12採用遮光材料製成，具有一定的彈性，與土壤緊貼合，使得檢測外殼1內部保持很好的黑暗環境，以便更精確地進行土壤鉀元素檢測。
本發明中，所述單片機控制器13採用stc90c58ad為主控晶片，將水分檢測探頭5採集到的模擬信號傳輸至單片機控制器13，由stc90c58ad的ad轉換器轉換為數位訊號並存儲在單片機控制器13內，存儲的同時讀取時鐘晶片的時間值一併存儲，即可記錄採集時間，測試所得土壤溼度值經換算後在lcd顯示器18上實時顯示，採集到的數據需要與預存的報警閾值進行比較，如超過閾值，則輸出報警信號，而對於閾值的設置，則是通過鍵盤接口16外接鍵盤，進行閾值數據輸入。
本發明中，所述時鐘模塊14採用ds1302時鐘晶片為系統提供時間，通過單片機控制器13控制lcd顯示器18來顯示當前測試土壤溼度的時間，ds1302與單片機控制器13採用同步串行的方式進行通信，由p3.5、p3.6和p3.7引腳分別控制ds1302的res復位端、i/o數據端及slck串行時鐘端，時鐘模塊14在本發明中的主要作用是進行實時的時間記錄，當設備工作時採集到的溼度參數，都需要一個相對應的時間來記錄，通過時鐘模塊14可以提供很好的時間記錄，便於之後的數據分析，可得到不同時間的溼度信息。
本發明中，所述lcd顯示器18採用qc-1602lcd液晶顯示器，對採集到的數據進行實時顯示，工作電壓為4.5-5.5v，單片機控制器13的p2.5、p2.6與p2.7腳分別連接液晶顯示器的使能端、讀/寫選擇端和數據/命令選擇端，為了調節液晶顯示器的亮度，在液晶顯示器的vo引腳接入一個可變電阻,因為單片機控制器13的p1口通電後為開漏輸出，因此在液晶顯示器的數據口並聯一個10kω排阻作為上拉電阻，即可實現對於亮度的調控。
本發明中，所述電源模塊15包括設置在機殼4上端的光伏架59，所述光伏架59上端設置有光伏板60，光伏板60活動安裝在光伏架59內，所述光伏架60兩端設置有調節螺母61，在日常使用的時候，將調節螺母61鬆開後，調節光伏板60的角度，使得光伏板60對準太陽直射，所述光伏架60下端連接有太陽能電池62，內部通過導線將光伏板60與太陽能電池62連接在一起，通過太陽能電池62存儲太陽能轉換成的電能，可用於系統的供電。
本發明中，所述報警模塊19採用蜂鳴器型報警器，蜂鳴報警器在使用的時候，可以發出很好的聲音報警信號，由於檢測的環境多為戶外，會導致光較強，光信號報警不易發現，因此採用蜂鳴器型報警器，由單片機控制器13的p3.2口對報警器的電路進行控制，當單片機控制器13輸出低電平時，q1導通，蜂鳴器發出報警，說明土壤溼度低於設定的閾值，可在檢測的同時監測土壤溼度，避免溼度過低。
本發明工作時通過破土犁10破開土壤，通過刮土板11將土壤刮平，並通過遮光板12使得檢測機殼1內保持黑暗條件，採用雷射檢測模塊6檢測土壤內元素，超聲波測距裝置9採集到土壤平面與超聲波測距裝置9之間的距離，而超聲波測距裝置9與刮土板11豎直距離已知，可測出設備下端插入土壤的深度，機殼4在滑動軌道2內上下滑動，將水分檢測探頭5插入土壤內，檢測土壤溼度。
本發明通過檢測外殼內設置的雷射檢測模塊檢測土壤，利用雷射誘導擊穿光譜技術，高能雷射脈衝直接擊中土壤樣品表面，在分析材料表面形成高強度雷射光斑，對此光譜進行探測可獲得土壤中的鉀元素含量信息，通過鑽頭式的水分檢測探頭，採用水吸力檢測方式來檢測土壤水分，可以很好的採集田地裡土壤的信息參數，值得推廣。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。