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面向变量施肥应用的OSAVI测量仪的设计

作　者: 赵天奇
导　师: 陈娟
学　校: 北京化工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 变量施肥 OSAVI 光谱仪 MSP430 最小二乘估
分类号: TP216.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

施用氮肥是作物生产中的重要措施,适量施肥能提高作物产量和蛋白质含量,并改善加工品质,但过量或不合理施肥不仅不能达到高产优质的目的,还会降低氮肥利用率,增加氮肥损失,造成环境污染。作物的光谱指数(如NDVI、OSAVI等)和作物的生物量及产量等是相关的,优化土壤调节植被指数(OSAVI)是作物重要的光谱指数。国内外研究者发现,OSAVI可以应用于作物的长势和氮素监测,进而根据作物的生长状况(OSAVI值)进行变量施肥。因此找到廉价且方便的OSAVI测量方法对合理施用氮肥,减少环境污染有着重要的意义。本课题针对我国农业生产中普遍存在的盲目施肥问题,介绍了一种基于光谱指数的变量施肥算法,并设计了一种测量优化土壤调节植被指数(OSAVI)的新仪器。本文主要介绍了OSAVI测量仪的光学设计和软硬件设计。该仪器以MSP430单片机为核心,通过硅光电池将光强转换为电流,再经过转换电路转为电压量,经硬件滤波后可直接接入MSP430单片机集成的AD转换器进行AD转换。该仪器带有液晶、键盘、大容量存储器、串口,可以方便地与上位机进行通信。软件设计采用模块化、结构化的程序设计方法,主要包括初始化程序、主循环程序和中断服务程序三个模块。本测量仪所得出的反射率是一个相对值,所以需要用ASD地物光谱仪对其进行标定。本文采用最小二乘估计法进行标定,通过与差分法进行比较,可以知道最小二乘估计标定法效果较好,从而提高了仪器的精度。OSAVI测量仪结构简单,成本低,方便易用。试验结果表明,该仪器测量结果准确、功耗低。通过该仪器测得OSAVI值,可结合上位机软件根据变量施肥算法计算出追肥量,指导变量施肥。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-14
第一章绪论  14-20
  1.1 课题背景  14-15
  1.2 基于光谱指数的变量施肥算法介绍  15-16
  1.3 农田信息获取的国内外研究现状  16-17
    1.3.1 国外的发展概况  16-17
    1.3.2 国内的发展概况  17
  1.4 课题来源  17
  1.5 OSAVI测量仪的系统结构及论文章节安排  17-20
第二章光学系统设计  20-24
  2.1 光学系统设计要求  20
  2.2 光学系统的总体设计  20-22
  2.3 探测器的位置参数  22
  2.4 主要光学元件介绍  22-24
    2.4.1 聚四氟乙烯薄片  22-23
    2.4.2 窄带干涉滤光片  23-24
第三章硬件电路设计  24-44
  3.1 电源模块  24-26
  3.2 光强测量单元  26-29
    3.2.1 光电传感器  26-28
    3.2.2 硅光电池适配电路设计  28-29
      3.2.2.1 硅光电池光电转换电路原理图  28
      3.2.2.2 硅光电池光电转换电路连接图  28-29
  3.3 LCD模块  29-34
    3.3.1 LCD模块简介  29-31
    3.3.2 串行3线时序简介  31-34
  3.4 MSP430F1611简介  34-36
    3.4.1 MSP430系列单片机性能特点  34-35
    3.4.2 主芯片MSP430F1611简介  35-36
  3.5 存储单元  36-38
  3.6 键盘电路  38-39
  3.7 串行通讯模块  39-40
  3.8 JTAG接口电路  40-42
  3.9 基准电压电路  42
  3.10 单片机的硬件抗干扰设计  42-44
第四章 OSAVI测量仪的标定  44-50
  4.1 OSAVI测量仪的标定原理  44
  4.2 最小二乘估计简介  44-45
  4.3 基于最小二乘估计的标定算法  45-50
第五章软件部分设计  50-72
  5.1 软件开发环境的选择  50-52
    5.1.1 硬件开发平台选择  50
    5.1.2 软件开发平台选择  50-52
  5.2 系统软件整体设计  52-53
  5.3 初始化  53-65
    5.3.1 系统时钟初始化  54-56
    5.3.2 I/O口初始化  56-57
    5.3.3 串行通信模块初始化  57-60
    5.3.4 ADC12模块初始化  60-63
    5.3.5 LCD初始化  63-64
    5.3.6 存储器程序初始化  64-65
  5.4 主循环程序  65
  5.5 中断服务程序  65-72
    5.5.1 测量存储子程序  65-68
      5.5.1.1 AD转换程序  66
      5.5.1.2 数字滤波算法  66-67
      5.5.1.3 光谱指数计算  67-68
      5.5.1.4 光谱指数存储  68
      5.5.1.5 光谱指数显示  68
    5.5.2 数据上传子程序  68-70
    5.5.3 历史记录(上翻)子程序  70
    5.5.4 浏览记录(下翻)子程序  70-72
第六章应用试验  72-74
第七章结论  74-76
参考文献  76-80
附录1 存储器SH程序  80-86
附录2 仪器上面板原理图及PCB  86-87
附录3 仪器下面板原理图及PCB  87-88
致谢  88-90
研究成果及发表的学术论文  90-92
作者简介  92-93
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  93-94

面向变量施肥应用的OSAVI测量仪的设计

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