作物茎秆抗倒伏强度测定技术研究
2000年 3月第34卷 第1期河南农业大学学报
Journal of Henan Agricultural University Mar. 2000Vol. 34No 1
文章编号:1000-2340(2000) 01-0077-04
作物茎秆抗倒伏强度测定技术研究
胡建东1, 鲍雅萍2, 罗福和1, 梁晓辉1, 王淮欣3
(1 河南农业大学, 河南郑州450002; 2 安阳大学, 河南安阳455000; 3 黄泛区农场, 河南西华466632)
摘要:阐述了作物茎秆抗倒伏强度测定的技术原理, 以单片计算机89C52为主机芯片、附加扩展一些其它外围接口器件设计了一种便携式田间测试仪器的硬件和软件 通过大量试验, 表明该技术具有一定的先进性和应用价值, 解决了机械式测试仪存在的问题
关键词:作物茎秆; 抗倒伏强度; 测定; A/D 转换中图分类号:S126;TP302 文献标识码:A
Research on technology for measuring crop rind penetrometer resistance
HU Jian dong 1, B AO Ya ping 2, LUO Fu he 1, LI ANG Xiao hui 1, WANG Huai xin 3
(1 Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Anyang University, Anyang 45500, China; 3. The Yellow River Inundated Area Farm, Xihua 466632, China)
Abstract:This paper introduces the technical principle for measuring rind penetrometer resistance, and the hardware and software design procedure of a portable field testing instrument by using the 89C52and otherinterface devices. Large amounts of field experiments show that this technology is advanced in a way and applicable, and has solved some e xisting problems of mechanical instruments.
Key words:crop rind; penetrometer resistance; measuring; A/D convesion
作物的产量与种子、养分、管理、气候等很多因素有关 研究表明玉米、小麦、水稻、烟草等作物因倒伏造成作物缺氧而使产量损失十分巨大 作物茎秆抗倒伏强度是一个影响作物产量十分重要的指标 自50年代开始, 许多国家就把提高作物抗倒伏强度的研究列入一个重要研究领域, 尤其是随着化肥施用量的增加、茎杆增高, 因此增加了倒伏的可能性 作物倒伏不仅影响粮食产量, 而且不适应现代农业的机械化收割, 在发达国家已经成功地利用对茎杆强度的研究而培育出高茎杆强度的作物, 有效地提高作物的产量和现代化收割水平 作物抗倒伏强度主要取决于品种, 培育出抗倒伏强度的品种是作物增产的关键 在培育茎杆高抗倒伏强度的品种方面, 国内外差距较大[1] 国外最早采用实验室检测法, 比如玉米, 通常将玉米剪断以后拿到水压测力机上进行试验, 观察断面压碎时施加于水压测力机上的力大小, 施加的力越大表明该作物茎秆的抗倒伏强度越高 尽管实验室的方法在作物抗倒伏强度定量分析上提供了一种行之有效的手段, 但该方法有很大的局限性, 人们无法在田间进行检测 为此国外研制了一种简单的机械式的弹簧测力计用于田间试验, 随着电子技术的发展后来也出现了以电子技术为基础的电子产品 但国内目前仍沿用较落后的弹簧测力判定方法, 无相应的定量分析手段
1 作物茎秆抗倒伏强度的测定在育种中的应用
作物茎秆抗倒伏强度在玉米、小麦、烟草、园林中都有应用, 就玉米现代育种发展来说, 美国处于世界领先地位 从20世纪30年代开始育种的基础理论研究, 到50年代开始使用杂交种, 到60年代末70年
收稿日期:1999-11-10
基金项目:河南省科委资助项目(981020113)
作者简介:胡建东(1965-) , 男, 江西新余人, 河南农业大学助理研究员, 硕士, 从事机电一体化研究工作
代初, 开始培育高抗倒伏强度品种 美国科学家用抗倒伏强度测定仪选择强度高的品种, 先后培育出了B73, B14, B37, Mo17等高抗倒伏强度品种, 并大量推广 在育种时, 为了选择出符合要求的品种, 由亲本作大量的自交系品种, 新一代品种的某一性质是服从正态分布的 抗倒伏强度接近者呈最多, 抗倒伏强度特弱和特强的都很少 如果不测抗倒伏强度, 则许多表现一般的品种又被选为下一次的亲本 这样高抗倒伏强度品种的育出速度就较慢, 用抗倒伏强度测定仪可将虽然为数不多, 但抗倒伏强度高的品种挑选出来作为下一次的亲本, 将大量表现一般的品种淘汰掉 这样, 每一次都准确地挑选出了优秀者, 所以将大大加速育种速度 而且培育出高抗倒伏强度的品种, 对粮食高产、稳产具有十分巨大的社会意义和经济意义
2 作物茎秆抗倒伏强度的测定技术原理
作物茎秆抗倒伏强度的高低(大小) 可以通过作物茎秆某一固定部位的单位面积上的压力来表示, 为此只需检测到作物某一固定部位固定面积上的压力就可以计算出作物茎秆的抗倒伏强度值 在大量的试验中发现测试探头向作物茎秆深度方向变化过程中, 其压力值也是变化的, 一般以作物表皮的压力值为最大, 因此为了准确地反映作物茎秆的强度, 仅取该次测量的最大值P max 即可
P max =max{( F i /S ) /N }
式中, P max 作物茎秆强度, kg m -2; 综合系数; F i 每次测定的压力值, kg; S 受力面积, m 2; N 某一部位测量的次数
设计时根据不同的作物选择不同直径(1, 1 5, 2, 2 5mm) 的测试探头; 采用先进的电子压力传感器将茎秆抗倒伏强度转变为电信号, 将该信号放大并进行模数(A/D) 转换后送入单片计算机89C52; 由单片计
算机完成采样、计算、存储等工作, 并采用液晶显示器将测试结果显示出来 为了方便科研人员在田间使用, 仪器采用直流电池供电
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作物茎秆强度测定仪的硬件设计
设计的强度测定仪要解决两个主要问题, 1) 解决传统茎秆强度测定仪测定的结果精度不能保证的问题 2) 解决用微电子技术取代传统的机械装置, 使之自动化水平得以大大提高的问题 为此, 作者选择高性能的单片计算机89C52作主机芯片[2], 并与传感器、A/D 转换器、
运算放大器、液晶显示器等一起构成本设计的首选方案 总体硬件结构示意图如图1所示 3 1 单片计算机89C 52
89C52单计算机中具有体积小、功耗低、控制功能强的一种芯片 如将其做到产品的内部, 取代部分机械、电子零件或元器件, 可使产品缩小体积, 增强功能, 实现不同程度的智能化 89C52是CHMOS 材料制成的产品, 其功能更强, 可靠性较高[3] 由于89C52内部自带8K 字节的EPROM, 不需要另外再扩展程序存贮器, 从而使系统体积进一步缩小 3 2 传感器的选择
传感器是将压力信号转换成电信号的一种装置 传感器选用的正确与否很关键, 它将直接影响到整个系统的测定精度 作者选用蚌埠传感器厂生产的悬臂梁式传感器 它是一种体积小、精度为0 3%、量程为10kg 、抗偏、抗侧压性能优越的压力传感器[4] 它采用弹性梁及电阻应变片作为敏感元件, 组成全桥电路, 当垂直正压力作用在弹性梁上时, 电阻应变片随金属弹性梁一起变形, 产生一定的应变, 此应变使应变电阻片的阻抗发生变化, 因而使应变电桥产生一个与压力成正比的电压输出信号[5] 3 3 液晶显示器
晰显示且耗电低, 可以用电池供电, 不能选用数码显示管 这里选择Intersil 公司生产的ICM7211AM 液晶显示驱动器, 液晶显示器选用中科院新乡科教仪器厂生产的6500型4位液晶显示器, IC M7211AM [6]具有B 码输出, 并具有输入锁存功能, 能直接与CPU 接口 3 4 A/D 转换器的选择
A/D 转换器的品种繁多, 性能各异 根据设计要求, 所选择的A/D 转换器是ADC0804[3], 它的分辨率为8位, 转换时间为100 s, 转换误差为 1LSA, 其市场售价便宜 ADC0804是20引脚双列直插式封装芯片 其特点是内含时钟电路, 只要外接一个电阻和一个电容就可以自身提供时钟等信号 使用单电源5V 供电, 很容易与单片计算机89C52进行接口
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作物茎秆抗倒伏强度测定仪的软件设计
软件设计部分采用模块化设计方法, 将软件部分化分成主程序模块、读A/D 转换值的外部中断处理程序模块、用于B CD 码显示的定时器中断处理子程序模块等 不同的模块独立编程、独立调试, 等各模块调通后再进行系统连接统调, 然后将其固化在89C52的EPROM 中
4 1 主程序框图
主程序主要对系统各芯片进行初始化工作, 使整个系统在上电后即进入初始状态, 响应键盘的输入, 完成采集数据的处理 主程序框图见图2
4 2 用于BCD 码显示的定时器T0中断子程序框图
用定时器T0的中断响应子程序来定时地显示缓冲区的BCD 码, 其中断子程序框图的内容包括:定时时间常数的赋值、待显示值的输入、以及中断保护及返回等 定时器中断T0中断服务子程序框图如图3所示
4 3 用于读A/D 转换器ADC0804外中断1的子程序框图
外中断I NT1用于读取A/D 转换值, 并对其转换值作平均值滤波[7] 将经过平均值滤波后的测试值进行比较, 取其最大值作为测定所需要的强度值 其中断服务子程序框图如图4
5 作物茎秆强度测定仪的测试结果分析
为了验证作物茎秆抗倒伏强度测定仪的实用性和可靠性, 作者做了大量的对比测量试验 5 1 试验方法
本试验用7个不同的测验种作父本, 20个被测系作母本, 20个被测系是从一个美国玉米杂交种的F 2
代的10个基本株选来的, 其分别为S 2代和与之对应的S 6代, 田间采用再裂区设计, 主区为早晚代(不同世代S 2和S 6) , 副区为7个不同测验种, 副副区为10个不同被测系
表1 玉米茎秆强度试验变量分析
5 2 试验结果分析
对玉米茎秆强度(用茎秆强度测定仪测定) 性状进行方差分析(表1) , 由表1可以看出:1) 在茎秆强度上, 同一基本株的早晚代间差异不显著, 这说明该性状在早代已基本稳定; 7个不同测验种测定结果差异不显著, 从理论上说, 这7个测验种有不同的遗传基础, 测同一套被测系应该有差异, 但结果却不符, 可能是由于该性状受环境条件影响较大, 掩盖了其真实的基因型表现 2) 10个被测系在茎秆强度上差异正好达到显著水平, 这说明进行该性状的测定虽然
具有可选择性, 但差异水平较少
变异来源 区间组A 品种间 误 差 品种间B
A B 误 差 品种间 A C C
B C A B C 误 差 合 计
df [***********]9
SS 10 31820 954328 72381 70551 05612 79752 62691 52716 12878 618133 526397 9824
M S 5 15910 954314 36190 28430 17600 11660 29190 16970 11350 15960 1330
2 191 280 001 202 441 51F 0 36
0 07
注:A 表示主区, B 表示副区, C 表示副副区
6 结语
由于采用精度较高的传感器, 使测试分辨率得以极大的改善; 采用单片计算机技术后, 由单片计算机去完成数值比较和数据存贮, 自动化程度和可靠性大大提高; 由于采用89C52芯片, 使整个仪器结构非常紧凑、方便携带
参考文献:
[1] 李景安, 冯芬芬 玉米科学[M] 北京:中国农业出版社, 1997 [2] 鄢定明 单片计算机应用技术[M] 北京:人民邮电出版社, 1988
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