專利名稱：植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬農(nóng)業(yè)儀器領(lǐng)域，可用于植物三維空間坐標(biāo)的測量、顯示、數(shù)據(jù)存儲和傳輸。
背景技術(shù)：
虛擬植物，就是應(yīng)用計算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育狀況，主要特征為以植物個體為研究中心，以植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)為研究重點(diǎn)，所建立的模型是三維的，以可視化的方式反映植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律，建立具有真實(shí)感的植物個體或群體。虛擬植物系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在理論研究上可以研究植物生長性能和分析形態(tài)結(jié)構(gòu)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可用于預(yù)測環(huán)境條件對作物生長的影響，在病蟲害防治方面可用于模擬植物與昆蟲間的交互影響，在植物生理方面可用于研究植物的生長過程機(jī)理并測試各種假說，也可以用于電腦輔助教學(xué)和景觀設(shè)計等方面。
常用的虛擬植物三維數(shù)字化方法可大致分為以下幾類1、使用量角器和長度測量工具，測量植株分枝的方位角、夾角、莖桿葉片相對距離和葉片自身尺寸等數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)構(gòu)建植物的三維虛擬模型。這種方法費(fèi)時費(fèi)力，測定精度難以滿足要求，已較少有使用者。2、應(yīng)用機(jī)器視覺原理，通過圖像獲取方法取得植物的各種特征數(shù)據(jù)，依據(jù)植物的特征數(shù)據(jù)建立植物的三維虛擬模型。目前由于機(jī)器視覺的數(shù)據(jù)分析處理方法和支持設(shè)備的限制，這種方法工作量小但數(shù)據(jù)處理方法還不成熟，只能進(jìn)行一些簡單的模型構(gòu)建工作。3、在植物上選定一些能描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)，獲取其在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，就能方便地計算分枝的傾角與方位角、葉片的幾何形狀等，可快速、精確地根據(jù)植物的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建植物的三維虛擬模型。這種方法工作量適中，可精確地構(gòu)建植物的三維模型，使用者較多。4、采用激光技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、聲學(xué)技術(shù)等新技術(shù)獲取植物特征信息，從而構(gòu)建植物的三維虛擬模型。這些技術(shù)正處在研究過程中，目前還沒有在實(shí)際中使用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的，是推出一種能夠精確測量植物三維空間坐標(biāo)并進(jìn)行數(shù)字化處理、具有數(shù)據(jù)顯示、存儲和RS232串行通訊接口等功能、安裝使用方便、操作簡單植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀。
植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀，由精密角度傳感器(1)、測量臂(2)、測量臂底座(3)、信號線(4)、電源接口(5)、由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊(6)、顯示驅(qū)動模塊(7)、按鍵和撥碼盤檢測模塊(8)、串行通訊接口(9)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)、模擬開關(guān)(11)、電路板(12)、液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)和儀器箱(16)共同組成；4條測量臂(2)通過3個精密角度傳感器(1)連接在一起，再通過1個可水平方向旋轉(zhuǎn)的精密角度傳感器(1)連接在測量臂底座(3)上，傳感器角度信號通過信號線(4)送入儀器箱(16)；由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊(6)、顯示驅(qū)動模塊(7)、按鍵和撥碼盤檢測模塊(8)、串行通訊接口(9)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)、模擬開關(guān)(11)焊接在電路板(12)上，電路板(12)用螺絲固定在儀器箱(16)的內(nèi)部；液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)固定在儀器箱(16)的前面板上，前面板用螺絲固定在儀器箱(16)的前部，前面板上的液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)與電路板(12)之間用電纜線連接。其實(shí)物結(jié)構(gòu)正視圖見圖1。
植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀，電路部分由單片機(jī)8031、程序存儲器2764、數(shù)據(jù)存儲器6264、數(shù)據(jù)存儲器掉電保護(hù)電路TL7705、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135、模擬開關(guān)4052、顯示驅(qū)動電路8255和附屬器件74LS04、74LS07、按鍵狀態(tài)和撥碼盤監(jiān)測電路74LS244、精密角度傳感器及信號調(diào)理電路、RS232串行通訊電路共同組成；單片機(jī)8031和程序存儲器2764內(nèi)的軟件作為整個系統(tǒng)的控制核心，數(shù)據(jù)存儲器6264、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135、顯示驅(qū)動電路8255和撥碼盤按鍵狀態(tài)監(jiān)測電路74LS244通過并行數(shù)據(jù)總線連接到8031，RS232串行通訊接口通過擴(kuò)展芯片MAX232連接在8031的串口上，4路角度傳感器輸出信號經(jīng)AD620放大調(diào)理后連接模擬開關(guān)4052，切換后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，直流+5V、-5V電源用來滿足信號處理的需求。其系統(tǒng)電氣組成結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，原理圖見圖3。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案選用4個電阻型精密角度傳感器結(jié)合測量臂和底座，構(gòu)成植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀的機(jī)械測量部分，測量出1個可水平方向轉(zhuǎn)動的傳感器角度值φ和可3個可任意方向轉(zhuǎn)動的角度傳感器值α、β、γ，通過數(shù)字化儀內(nèi)部信號處理和數(shù)據(jù)計算得出探針?biāo)幹参锊课坏娜S空間坐標(biāo)，通過移動探針可測量出整株植物或植物群落的各特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)。單片機(jī)選用51系列產(chǎn)品8031，通過P0口和P2口外擴(kuò)8K程序存儲器2764和2個8K數(shù)據(jù)存儲器6264，用來存儲程序和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲器掉電保護(hù)電路TL7705保證系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，以上各部分作為整個系統(tǒng)的核心控制模塊；4路精密角度傳感器輸出信號經(jīng)AD620放大調(diào)理后送往模擬開關(guān)4052，8255的C口控制模擬開關(guān)4052的通道選擇，經(jīng)選擇切換后的傳感器信號送到14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送CPU；串口使用MAX232擴(kuò)展成RS232接口，實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；顯示驅(qū)動電路8255的A口、B口和附屬的74LS04、74LS07驅(qū)動液晶顯示器，用來顯示測量數(shù)據(jù)、正在進(jìn)行的各種操作、錯誤提示代碼等；按鍵狀態(tài)和撥碼盤監(jiān)測電路74LS244通過并行數(shù)據(jù)總線連接到8031，用來監(jiān)測按鍵和撥碼盤的狀態(tài)，并依次進(jìn)行各種操作；直流+5V、-5V電源用來滿足信號處理的需求。
本實(shí)用新型的有益效果1、可精確測量植物三維空間坐標(biāo)并進(jìn)行數(shù)字化處理。
2、測量數(shù)據(jù)可通過串行通訊接口送往計算機(jī)新成數(shù)據(jù)庫，方便三維建模使用。
3、測量范圍達(dá)到2×1.5×1.5米，精度小于±1毫米，可滿足大部分植物的測量需求。
4、所使用精密角度傳感器長期性能穩(wěn)定且線性好，整個系統(tǒng)可在高溫高濕等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
5、探針部分、底座部分和儀器面板部分同時設(shè)有主要功能按鈕，方便用戶的不同操作方式。
6、整個系統(tǒng)的供電留有220V交流電接口、9-24V直流接口、太陽能板和蓄電池接口，在野外工作時可由太陽能板或蓄電池供電。


圖1是本實(shí)用新型的實(shí)物結(jié)構(gòu)正視示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀的機(jī)械測量部分由4個電阻型精密角度傳感器(1)、4個臂長50cm的測量臂(2)、固定機(jī)械部分用的測量臂底座(3)和信號線(4)組成，通過精密角度傳感器(1)固定在測量臂底座(3)上的測量臂可在水平方向轉(zhuǎn)動，從而測量出該傳感器的角度值φ，其他3個可任意方向轉(zhuǎn)動測量臂(2)可帶動精密角度傳感器(1)測量出傳感器的角度值α、β、γ，各傳感器的測量信號通過信號線(4)送入儀器箱(16)處理；充當(dāng)探針的最前端的測量臂(2)和測量臂底座(3)上，安裝方便用戶使用的手按式或腳踏式操作按鈕，按鈕控制信號通過信號線(4)送入儀器箱(16)處理。
液晶顯示器(13)由8位筆段式液晶塊組成，用來輪流顯示計算出測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)X、Y、Z值及此測量點(diǎn)和上一個測量點(diǎn)之間的坐標(biāo)差值dX、dY、dZ，同時還顯示用戶操作信息和錯誤代碼；顯示驅(qū)動模塊(7)由8255的A口、B口和附屬的74LS04、74LS07組成，用來驅(qū)動各液晶塊的顯示。
按鍵和撥碼盤檢測模塊(8)的監(jiān)測電路由1片74LS244通過并行數(shù)據(jù)總線連接到8031，用來監(jiān)測撥碼盤(15)設(shè)置的工作模式、測量臂(2)和測量臂底座(3)上安裝的手按式或腳踏式操作按鈕的操作信息和儀器箱(16)的前面板上的按鍵(14)的操作信息，并依次調(diào)整程序的運(yùn)行并作出相應(yīng)的反應(yīng)。
通過信號線(4)送入儀器箱(16)的各傳感器的測量信號為電壓信號，該信號用運(yùn)算放大器AD620調(diào)理成介于±5V范圍內(nèi)的信號后送模擬開關(guān)(11)，模擬開關(guān)4052選擇需調(diào)理后的傳感器信號后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)內(nèi)的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送CPU。
單片機(jī)選用51系列產(chǎn)品8031，通過P0口和P2口外擴(kuò)8K程序存儲器2764和2個8K數(shù)據(jù)存儲器6264，用來存儲程序和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲器掉電保護(hù)電路TL7705保證系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失；串口使用MAX232擴(kuò)展成RS232接口，實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；電源接口(5)把外部連接的220V交流電或9-24V直流電源轉(zhuǎn)換成直流+5V、-5V電源用來滿足系統(tǒng)和信號處理的需求。
權(quán)利要求1.植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀，其特征是由精密角度傳感器(1)、測量臂(2)、測量臂底座(3)、信號線(4)、電源接口(5)、由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊(6)、顯示驅(qū)動模塊(7)、按鍵和撥碼盤檢測模塊(8)、串行通訊接口(9)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)、模擬開關(guān)(11)、電路板(12)、液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)和儀器箱(16)共同組成；4條測量臂(2)通過3個精密角度傳感器(1)連接在一起，再通過1個可水平方向旋轉(zhuǎn)的精密角度傳感器(1)連接在測量臂底座(3)上，傳感器角度信號通過信號線(4)送入儀器箱(16)；由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊(6)、顯示驅(qū)動模塊(7)、按鍵和撥碼盤檢測模塊(8)、串行通訊接口(9)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)、模擬開關(guān)(11)焊接在電路板(12)上，電路板(12)用螺絲固定在儀器箱(16)的內(nèi)部；液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)固定在儀器箱(16)的前面板上，前面板用螺絲固定在儀器箱(16)的前部，前面板上的液晶顯示器(13)、按鍵(14)、撥碼盤(15)與電路板(12)之間用電纜線連接。
2.如權(quán)利要求1所述的植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀，其特征在于電路部分由單片機(jī)8031、程序存儲器2764、數(shù)據(jù)存儲器6264、數(shù)據(jù)存儲器掉電保護(hù)電路TL7705、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135、模擬開關(guān)4052、顯示驅(qū)動電路8255和附屬器件74LS04、74LS07、按鍵狀態(tài)和撥碼盤監(jiān)測電路74LS244、精密角度傳感器及信號調(diào)理電路、RS232串行通訊電路共同組成；單片機(jī)8031和程序存儲器2764內(nèi)的軟件作為整個系統(tǒng)的控制核心，數(shù)據(jù)存儲器6264、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135、顯示驅(qū)動電路8255和撥碼盤按鍵狀態(tài)監(jiān)測電路74LS244通過并行數(shù)據(jù)總線連接到8031，RS232串行通訊接口通過擴(kuò)展芯片MAX232連接在8031的串口上，4路角度傳感器輸出信號經(jīng)AD620放大調(diào)理后連接模擬開關(guān)4052，切換后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，直流+5V、-5V電源用來滿足信號處理的需求。
專利摘要本實(shí)用新型屬農(nóng)業(yè)儀器領(lǐng)域，植物三維空間坐標(biāo)數(shù)字化儀，由測量臂通過三個精密角度傳感器連接在一起，再通過可以水平方向旋轉(zhuǎn)的精密角度傳感器連接在測量臂底座上，信號通過信號線傳入儀器箱。由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊、顯示驅(qū)動模塊、按鍵和撥碼盤檢測模塊、串行通訊接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、模擬開關(guān)焊接在電路板上，液晶顯示器、按鍵、撥碼盤固定在儀器箱的前面板上，用電纜線連接?？捎糜谥参锶S空間坐標(biāo)的測量、顯示、數(shù)據(jù)存儲和傳輸，從而根據(jù)測量的數(shù)據(jù)構(gòu)建植物的三維虛擬模型，為農(nóng)業(yè)研究服務(wù)。
文檔編號G01B7/00GK2763910SQ200420093250
公開日2006年3月8日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者趙春江, 王紀(jì)華, 王成, 喬曉軍, 張云鶴, 焦春巖 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心