便攜式是從農(nóng)業(yè)測土配方施肥的生產(chǎn)實踐的需要出發(fā)而提出的。長期以來農(nóng)業(yè)測土施肥依賴于常規(guī)儀器分析，從田間取回的土樣烘干后再拿到實驗室進行測定，這種方式存在許多缺點，如測土耗時長、設備投資大、不便攜帶、操作復雜、所依賴的輔助設備多和測試費用高等，不適合農(nóng)村田間測土，嚴重地制約了科學合理施肥在基層農(nóng)村實施。為此急需研制適合于我國生產(chǎn)實際的土壤養(yǎng)分速測儀。
根據(jù)速測土壤的需要，便攜式速測土壤測試儀應能在線完成對土壤養(yǎng)分、水分、ph值、溫度等多參數(shù)的測量，有條件的應內(nèi)嵌入指導施肥系統(tǒng)，使用戶完成測土后直接將數(shù)據(jù)應用于指導施肥；儀器應采用lcd漢字顯示測量步驟，避免led顯示在陽光下看不清楚的缺點；支持微型打印機打印測試結(jié)果；支持交流電和電池兩種供電方式，適于田間操作。
技術(shù)路線
專家認為土壤養(yǎng)分速測儀與一般測試儀器不同，因為測土的速度不僅在于儀器的速度，而且在于前處理的速度；測土的成本不僅在于儀器的價格，而且在于測土全周期的耗用工時。因此我們把速測儀不僅看作是一種光電比色儀，而且看作低成本速測技術(shù)的載體，看作載有成套速測技術(shù)的測土裝備。只有這樣才能使研制的速測儀在農(nóng)村基層真正用起來，便攜式土壤養(yǎng)分速測儀的技術(shù)路線如圖1所示。
土壤養(yǎng)分速測儀設計技術(shù)
在充分了解國內(nèi)外相關技術(shù)發(fā)展的情況下，我們采用了技術(shù)成熟的光電比色原理研制土壤養(yǎng)分速
測儀，力求解決好如下一些關鍵技術(shù)：低成本、單色光的生成、光源選擇、電源供應、比色槽的設計和避光、土樣水分的測定、儀器的體積和便攜性、推薦施肥方案和藥劑配套等。儀器設計的總體框圖如圖2所示。
便攜式土壤養(yǎng)分速測儀硬件設計
采用微處理器技術(shù)尤其是內(nèi)含a/d的具有flash eprom的單片計算機，其性能優(yōu)越，價格較低，可方便實現(xiàn)顯示器和鍵盤的接口。系統(tǒng)主要檢測光電信號，而這一光電信號是一個慢速變化信號，對采樣速率要求不高，因此可以選擇a/d 7135作模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選用128×64的lcd液晶顯示器，可實現(xiàn)四行每行8個字符一屏共32個字符的顯示，另根據(jù)設計要求選擇鍵盤按鍵的數(shù)量。除此之外還有構(gòu)成基本微處理系統(tǒng)所必須的地址譯碼、時鐘與復位電路等。根據(jù)功能需要，系統(tǒng)中還設置有其它功能模塊，可通過rs-232串行接口與微機通信，把測量數(shù)據(jù)送入上位機以便農(nóng)業(yè)管理部門為本地區(qū)的土壤管理建立數(shù)據(jù)庫。要求存儲器模塊里包括一定容量的存儲器來存放液晶顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)以及測量過程中的測量數(shù)據(jù)、運算數(shù)據(jù)、控制程序，參數(shù)數(shù)據(jù)，漢字庫，對數(shù)和反對數(shù)表，以及推薦施肥專家系統(tǒng)等。
光 源
儀器的光源可用普通聚光白熾燈、鹵素燈、發(fā)光二極管和激光管等幾種，通常情況下鹵素燈性能穩(wěn)定，壽命長，但是光功率強，發(fā)熱量大，使用時應考慮散熱，否則效果不夠理想。發(fā)光二極管和激光也可考慮，如果有相應的單色性比較好的發(fā)光器件則認為應是方案。普通聚光白熾燈如果在聚光和可調(diào)整方面設計得比較好*可以達到理想的效果，比如光功率調(diào)整技術(shù)就能很好地解決光源的穩(wěn)定性問題，如圖3所示的光功率調(diào)整方案。用mosfet來控制光強，讓cpu控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位計1，改變vgs，把流過燈的電流穩(wěn)定在某一強度。
光電傳感器選擇
光電傳感器有光壓、光電流和光導等幾種，根據(jù)土壤養(yǎng)分濃度測試朗伯比爾原理，透過溶液的光強可用光電流來反映，因此可選擇光電流傳感器。在光電信號處理上通常有兩種方法，一種是選擇光電流傳感器，然后通過電流電壓變換器來獲得電壓信號并送給cpu進行處理，另一種方法是選擇內(nèi)部已經(jīng)集成了運算放大器的光電壓傳感器，這種傳感器是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，它具有價格低，性能好，集成度高，互換性好優(yōu)點，在光電儀器設計中應用較多。
單色光的產(chǎn)生
如果選擇的光源是單色性好的led管和laser管，此部分內(nèi)容可不考慮。不同的離子對光的吸收性是不一樣的，根據(jù)土壤養(yǎng)分測試機理，土壤的n，p，k和有機質(zhì)分別具有相應的zui大吸收波長，比如土壤中的五氧化二磷對650nm的波長具有zui大吸收性等，因此應使儀器具有不同波長產(chǎn)生的功能，當然土壤養(yǎng)分測試儀所分析的養(yǎng)分種類是有限的，通常只用到少數(shù)幾個波長。在進行單色光生成器設計時可有兩種方案：一種是采用光柵或棱鏡分光方法生成單色光，一種是采用單色濾光片生成單色光方案。考慮儀器性和價格低的要求，后一種方案是經(jīng)濟的。
水分測量
土樣水分的測定在基層測土配方施肥中意義重大，只有實現(xiàn)了土壤水分速測才能實現(xiàn)新鮮土的養(yǎng)分測定，從而提高土壤養(yǎng)分的分析時間。
土壤是干土、水分和空氣三者組成的混合物。由于水的介電常數(shù)比干土的介電常數(shù)高出一個數(shù)量級（水的介電常數(shù)是80，干土的介電常數(shù)約為2.7），所以土壤含水量發(fā)生變化時，其等效介電常數(shù)會有較大的變化，從而引起電容傳感器的電容量變化。根據(jù)這一原理設計的電容傳感器，可以將土壤的含水量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化并zui終轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過標定即可得到實測土樣含水量值。
除了上述幾個與土壤養(yǎng)分速測儀有關的幾個關鍵技術(shù)外，還有電源的設計和測試用藥劑的配套性及小型配套輔助裝置是zui終實現(xiàn)全土壤參數(shù)速測的關鍵，在設計時必須予以考慮。
儀器精度
儀器設計完成了土壤養(yǎng)分、ph 值、水分、溫度、打印、快捷性和便攜性等使用指標要求，滿足了測土施肥技術(shù)推廣的國家相應規(guī)范和國家相關標準。如表1所示儀器的穩(wěn)定性、重復性、線性誤差和靈敏度技術(shù)指標。
速測土壤分析技術(shù)
速測分析技術(shù)是決定土壤養(yǎng)分速測儀應用于基層和提高測試精度的關鍵，它決定了儀器是否具有生命力，表2列出幾種主要土壤養(yǎng)分速測技術(shù)。
便攜式土壤養(yǎng)分速測儀測土綜合誤差
速測儀主要幾種測試項目綜合測土誤差如表3所示:
總結(jié)：
便攜式土壤養(yǎng)分速測儀應滿足農(nóng)村生產(chǎn)實際的需要，注重便攜式、低成本和高穩(wěn)定性。本研究的便攜式土壤養(yǎng)分速測儀采用了光源恒功率技術(shù)和光強自動調(diào)整技術(shù)，使光強按照不同波長自動調(diào)整到*狀態(tài)并穩(wěn)定不變，使儀器的穩(wěn)定性幾乎超過國家檢定規(guī)程一個數(shù)量級；采用了吸光度線性自動修正技術(shù)，對由于光的非單色性帶來的誤差進行自動校正，使濾光式光電比色計的測試線性度達到分光光度計線性效果；儀器的線性誤差比國家檢定規(guī)程小1~ 1.5倍；在速測儀上采用儀載施肥咨詢系統(tǒng)，與同類儀器相比具有zui高的智能化水平；實現(xiàn)光電比色、ph 測定、水分測定、溫度顯示與校正結(jié)合一體，一儀多用，適于農(nóng)村基層單位使用。