畢業(yè)論文一種無土栽培營養(yǎng)液離子檢測系統(tǒng)

1、編號：本科畢業(yè)論文（設(shè)計）（ 2015 屆）題 目： 一種無土栽培營養(yǎng)液 離子濃度的監(jiān)控系統(tǒng) 目錄1.緒論31.1課題背景及意義31.2營養(yǎng)液檢測與控制系統(tǒng)概述42.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計42.1離子檢測電路的組成42.1.1 離子檢測模塊42.1.2 電壓放大模塊82.1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊92.1.4 單片機(jī)模塊102.1.5 LCD顯示模塊122.1.6 執(zhí)行器模塊133.系統(tǒng)的軟件設(shè)計133.1 溫度采集子程序143.2 離子濃度采集子程序153.3 電磁閥控制子程序164.系統(tǒng)測試174.1溫度測試174.2離子電極測試185.總結(jié)195.1優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)195.2前景與展望19參考文獻(xiàn)19

2、致謝20附錄20一種無土栽培營養(yǎng)液離子濃度的監(jiān)控系統(tǒng)農(nóng)業(yè)電氣化與自動化: 李 瑤指 導(dǎo) 教 師: 鄒志勇摘要:本文基于離子電極對無土栽培營養(yǎng)液中離子濃度(活度)的檢測,設(shè)計了一種以離子電極為檢測器,單片機(jī)為核心控制器的無土栽培營養(yǎng)液的離子濃度檢測及其控制系統(tǒng)。設(shè)計首先對系統(tǒng)的整體設(shè)計做了一個粗略介紹，概述了整個系統(tǒng)的工作模式及其所達(dá)到的目的。然后對系統(tǒng)的主要元器件以及所對應(yīng)的模塊做了詳細(xì)的介紹。硬件方面，重點(diǎn)研究了溫度采集模塊，離子濃度采集模塊，LCD顯示模塊。軟件方面詳細(xì)介紹了各個模塊對采集到的信號所進(jìn)行處理，最后對本設(shè)計的不足以及發(fā)展前景做了總結(jié)。關(guān)鍵字：鉀離子電極；溫度檢測；PCF859

3、1；1602液晶顯示One kind of ion concentration in nutrient solution monitoring systemElectrification and automation of agriculture Li YaoTutor Zou Zhi YongAbstract: In this paper, based on the ion electrode for soilless cultivation ion concentration in the nutrient solution (activity) detection, design a k

4、ind of ion detector, was the single chip processor as the core controller of soilless cultivation ion concentration detection of nutrient and its control system. Design of the whole system design first made a rough introduction, summarizes the working mode of the whole system and achieve the purpose

5、 of. Then the main components of the system and the corresponding module is introduced in detail. Hardware, key research of temperature acquisition module, ion concentration acquisition module, LCD display module. Software modules is introduced to deal with of the collected signals. This design fina

6、lly summarizes the shortcomings and development prospects in this field.Keywords: Potassium Electrode; Temperature detection; PCF8591; 1602 LCD1. 緒論1.1 課題背景及意義無土栽培作為一種新興的生產(chǎn)方式，不論是從生產(chǎn)規(guī)模來看還是生產(chǎn)質(zhì)量來看，近年來得到了迅猛的發(fā)展，是果蔬生產(chǎn)技術(shù)上的一次飛躍性的革新。無土栽培不僅一項(xiàng)僅與土壤、根系有關(guān)的單方面的技術(shù)措施，而且已形成為一種在技術(shù)上高度密集配套、管理上達(dá)到科學(xué)優(yōu)化、生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)新

7、體系，其所具有的優(yōu)越性是不言而喻的。無土栽培作為一種新型的栽培方式，能夠使得蔬菜的生產(chǎn)向著自動化、智能化、工廠化的方向發(fā)展。它徹底的改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)日出而作，日落而息的方式。由于無土栽培方式的實(shí)現(xiàn)，也改善了生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量以及效率。隨著對于無土栽培技術(shù)的進(jìn)一步研究，該技術(shù)也將逐步成為我們生產(chǎn)生活中的主要生產(chǎn)方式，從而大大解放人的勞動力。跟傳統(tǒng)的土壤栽培方式相比，無土栽培有其無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。1)無土栽培能夠根據(jù)作物各個階段對于生長發(fā)育的需求來對栽培設(shè)施以及作物生長環(huán)境進(jìn)行控制都能做到根據(jù)其生長發(fā)育的需要進(jìn)行監(jiān)控；2)無土栽培方式能夠?qū)崿F(xiàn)作物早熟、高產(chǎn)。 無土栽培的番茄與普通栽培番茄相比可提早710天

8、成熟，而且產(chǎn)量可提高0.51.0倍；3）無土栽培能夠生產(chǎn)清潔無公害的產(chǎn)品。由于無土栽培不施用人糞尿、廄肥等農(nóng)家肥料，病蟲害相對較少，也不用大量施用農(nóng)藥，因此，其產(chǎn)品減少了肥料、寄生蟲、農(nóng)藥等污染，清潔衛(wèi)生；4）無土栽培能夠節(jié)約土地，提高土地的利用率無土栽培能夠在某些不適合室外種植的地區(qū)進(jìn)行種植，而且由于無土栽培采用密集生產(chǎn)的方式，能夠高效的利用土地。但無土栽培也有其缺點(diǎn)。比如剛開始時需要投入大量資金，需要專業(yè)的知識技能培訓(xùn)，受外界影響大，緩沖力小等等。但正因?yàn)闊o土栽培技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，幾十年來專家們對這一技術(shù)褒貶不一。但是在無土栽培工作者的不懈努力下，無土栽培技術(shù)已然成為當(dāng)下蔬菜栽培技術(shù)研

9、究的重點(diǎn)研究方向之一，其發(fā)展應(yīng)用前景也是十分廣闊。從上世紀(jì)80年代開始，我國開始對國外發(fā)達(dá)國家引進(jìn)的溫室硬件系統(tǒng)進(jìn)行改善，使其適應(yīng)我國的具體情形。目前國內(nèi)自主開發(fā)出來的溫室營養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)大致可分為兩類。一類為A-B箱式系統(tǒng)：主要對營養(yǎng)液的電導(dǎo)率（EC值）和PH值進(jìn)行測定，然后根據(jù)這兩個指標(biāo)來控制負(fù)責(zé)配肥的閥門以及清水閥，并最終將EC值和PH值保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。另一類為具有閉環(huán)控制功能的調(diào)控系統(tǒng)：該類系統(tǒng)與第一類系統(tǒng)相比新增了對營養(yǎng)液成分的在線檢測裝置，組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠針對各種離子的營養(yǎng)液濃度進(jìn)行管理，能夠反映出反映各組分相對活度，即能夠反映出其他因素對營養(yǎng)液組分的相互影響。本文設(shè)計的

10、系統(tǒng)營養(yǎng)液濃度采用離子電極進(jìn)行采集，相比與傳統(tǒng)的對PH值、EC值采集，具有精度高，測量范圍廣等特點(diǎn)。1.2 營養(yǎng)液檢測與控制系統(tǒng)概述本文設(shè)計了一種以單片機(jī)為控制核心的水培方式的營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由三部分組成：一是離子檢測系統(tǒng)，主要以離子選擇電極和溫度傳感器為核心。溫度傳感器對溶液的溫度進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測與顯示。離子選擇電極與參比電極組成二電極體系，離子電極通過對營養(yǎng)液中特定離子的選擇性濾過，使其在離子電極與參比電極之間形成電位差，并通過放大和AD轉(zhuǎn)換之后傳送到單片機(jī)控制器；二是單片機(jī)控制器，通過對接收到的信號進(jìn)行處理，并給執(zhí)行器件即電磁閥發(fā)送指令，控制其動作通斷，同時對采集到的信號送LCD

11、進(jìn)行實(shí)時顯示，方便操作人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時在適當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行人為操作；三是執(zhí)行器件，主要包括電磁閥、攪拌電機(jī)以及LCD顯示模塊組成。當(dāng)檢測出檢測池中離子濃度過高時，打開清水閥門，對營養(yǎng)液進(jìn)行稀釋；攪拌電機(jī)將溶液攪拌均勻后，當(dāng)檢測出離子濃度過低時，打開營養(yǎng)液閥門，對營養(yǎng)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，使?fàn)I養(yǎng)液中離子濃度總保持在合適的范圍。2. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計2.1 離子檢測電路的組成2.1.1 離子檢測模塊營養(yǎng)液中的主要營養(yǎng)元素為N、P、K。其在營養(yǎng)液中主要是以游離的離子形式存在的，本設(shè)計以測定鉀離子在營養(yǎng)液中的含量為例，其他的離子的測定方法與鉀離子測定方法類似。本設(shè)計中，離子傳感器采用泰州雷磁儀器設(shè)備

12、有限公司的401型鉀離子電極，參比電極采用配套的801型雙液接飽和甘汞電極,離子電極將營養(yǎng)液中鉀離子濃度信號轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過電壓放大以及AD轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)，過程如下圖所示。離子選擇性電極關(guān)鍵是膜基裝置，由選擇性滲透的離子導(dǎo)體材料組成的膜將樣品與電極內(nèi)部溶液分開，在膜的內(nèi)側(cè)填充有一定活度的被測離子的溶液。此膜通常是無孔的、非水溶性的、力學(xué)上性能穩(wěn)定的膜。膜能夠?qū)Ω信d趣的離子進(jìn)行選擇性鍵合，即發(fā)生在膜-溶液界面上的離子交換，而將其他共存離子留在膜材料的原側(cè)。而且此鍵合過程會引起一個相界電位，該電位滿足能特斯方程： (1)式中， ：標(biāo)準(zhǔn)電極電位(mv)，由測定系數(shù)所決定的電位差，R為氣體常數(shù)8

13、.314J/Kmol，T為熱力學(xué)溫度；z：離子價態(tài)，F(xiàn)：法拉第常數(shù) 96487C/mol，為被測離子在溶液中的活度。常見標(biāo)準(zhǔn)電極電位如下表2-1所示:電極組成電極反應(yīng)式氧化型+還原型/VK+K-2.924Ca+2Ca-2.76+Zn-0.7628Pt+-0.74Cd+2Cd-0.403Ni+2Ni-0.23Pb+2Pb-0.1263AgAgBr+Ag+0.0713Pt+2+0.15表2-1 標(biāo)準(zhǔn)電極電位（298K）本設(shè)計所采用的鉀離子電極為標(biāo)準(zhǔn)Pt電極,通過上表可查得其標(biāo)準(zhǔn)電極電位。我們把電解質(zhì)溶液中離子實(shí)際發(fā)揮作用的濃度稱作有效濃度，即為活度（activity）。通常用表示，它和離子的濃度有

14、如下關(guān)系： （2）上式中，叫做活度系數(shù)（activity coefficient）。一般說來活度總是小于濃度，故 1。溶液越稀，活度與濃度的相差就越小。特別的，當(dāng)溶液的離子濃度很稀，離子所帶的電荷也很少時這時活度就接近于濃度，活度系數(shù)近似于1。常見的電解質(zhì)離子平均活度系數(shù)如表2-2所示（溫度為298K時）。m/molHClNaOHNaClKClCaLa0.0010.97-0.970.970.890.830.730.850.0050.93-0.930.930.790.640.480.850.010.910.900.900.900.720.550.390.640.050.830.810.820.8

15、20.580.340.200.420.10.800.760.790.770.520.170.150.350.50.770.680.680.650.510.160.0030.30表2-2 298K時某些強(qiáng)電解質(zhì)的平均活度系數(shù)（） 在本設(shè)計中，我們用不同濃度KCL溶液模擬營養(yǎng)液系統(tǒng)，通過上述表格，我們可以查得其平均活度系數(shù)。鉀離子電極401的其他一些參數(shù)如下：1、 線性范圍：1005×10-6M2、 測量范圍：110-6M3、 PH范圍：410pH4、 使用溫度：0455、 響應(yīng)時間：1分鐘6、 電極內(nèi)阻：12兆歐 （298K）7、 主要干擾離子： 干擾離子 選擇系數(shù) 鋰離子 1.0&#

16、215; 鈉離子 5.0× 銨離子 2.0× 鈣離子 5.0× 鎂離子 5.0× 鋇離子 8.0×在這里特別需要提出的是溶液的溫度和干擾離子對于離子電極檢測過程的影響。溫度對于離子的活度有一定的影響，在這里我們只討論常溫（298K）下的溶液的離子檢測；對于干擾離子來說，沒有任何一個電極只是對某一種特殊離子有響應(yīng)，而在在含有主要和干擾的兩種離子的混合物中（分別為i和j）,電極響應(yīng)滿足以下方程： (3)其中，為選擇性系數(shù)，當(dāng)1時，表示離子電極對于干擾離子的響應(yīng)遠(yuǎn)大于目標(biāo)離子，值越低，表示電極的選擇性越高。一般來說，選擇性系數(shù)低于10-5時，可以認(rèn)為

17、該離子對于目標(biāo)離子沒有干擾。在實(shí)際的營養(yǎng)液配方中，由各種肥料組成的營養(yǎng)液含有多種干擾離子，影響鉀離子電極的電勢測量精度，由選擇系數(shù)表明各干擾離子對鉀離子電極正常工作影響較小。氯化鉀濃度(mol/L)測量電勢(mV)氯化鉀濃度(mol/L)測量電勢（mV）1×-103.5201×92.9721×-69.3481×145.4221×-18.4060.5178.5841×40.0881192.936在實(shí)驗(yàn)中，我們通過測不同濃度下的KCl溶液的測量電勢，為盡量避免誤差，采取多次測量取平均值的方法，得出如下表的數(shù)據(jù)，并繪制出如下圖2曲線：表2-

18、3 鉀離子電極測量電勢與鉀離子濃度的關(guān)系（室溫下）圖2 離子濃度與電壓關(guān)系通過上述的圖表可以看出，通過鉀離子電極檢測到的電壓與溶液中離子的濃度近似為線性關(guān)系，基本滿足能特斯方程。去除兩頭的失真部分,其有效檢測范圍為1×mol/L到1mol/L。2.1.2 電壓放大模塊 由于從離子電極采集到的電壓信號為mV級別的電壓，不能夠直接接到AD轉(zhuǎn)換芯片直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，故需要對電壓進(jìn)行放大操作才可以。而電壓放大模塊能夠?qū)斎氲男盘栠M(jìn)行放大操作，其放大倍數(shù)在1-100倍是連續(xù)可調(diào)的 ，這就能夠滿足我們設(shè)計的要求。該模塊其他一些技術(shù)參數(shù)如下：1、輸入電壓：DC5-24V 單雙電源均可；2、功耗特點(diǎn)

19、：低功耗；3、增益線性度：線性；4、是否有溫漂：有；5、工作溫度范圍：-25+65； 圖3 電壓放大模塊 2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊PCF8591是一個單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-位的CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。該芯片采用典型的I²C總線接口進(jìn)行器件尋址。含有4個模擬輸入端口和1個模擬輸出端口，同時還有1個串行I²C總線接口。I²C總線上在能夠同時接入多個PCF8591器件，其3個地址引腳AIN0, AIN1和AIN2可用于硬件的地址編程。在PCF8591芯片由雙向C總線以串行的方式對輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號進(jìn)行輸送。PCF8591的功能十分豐富，包括進(jìn)行多路

20、模擬輸入、跟蹤保持以及8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的操作電壓范圍為2.5V-6V，根據(jù)我們檢測出的電壓信號，我們將電壓放大到合適的倍數(shù)，使其輸出電壓值在2.5V-5V范圍內(nèi)。值得注意的是放大倍數(shù)一旦確定，就不能夠輕易更改，否則可能會影響AD轉(zhuǎn)換芯片的使用壽命。其外形圖與引腳圖如下：圖4 PCF8591外形圖及引腳圖 其中，AIN0AIN3為模擬信號輸入端。A0A3：引腳地址端V DD 、V SS ：電源端。（2.56V）SDA、SCL：I²C 總線的數(shù)據(jù)線以及時鐘控制線OSC：外部時鐘的輸入端，或者內(nèi)部時鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部的時鐘選擇線，當(dāng)EXT接地時使用內(nèi)部時

21、鐘AGND：模擬信號地端口。AOUT：D/A 轉(zhuǎn)換的輸出端口：基準(zhǔn)電源端口。特別值得注意的是，當(dāng)進(jìn)行精密測量時，該引腳需連接穩(wěn)壓電路2.1.4 單片機(jī)模塊系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器。該單片機(jī)是一款高速、低功耗、抗干擾能力超強(qiáng)的單片機(jī)，片內(nèi)含有8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（ROM），且片內(nèi)集成了512字節(jié)RAM，該單片機(jī)的主要特性如下：1. 用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)2. 具有4個8位的I/O口(P0,P1,P2,P3)。3. 具有掉電保存功能4. 具有3個定時器/計數(shù)器。分別為定時器T0、T1和T2單片機(jī)管腳如下圖5所示：主要引腳介紹如下：VCC：第40

22、引腳。接+5 V電源正端口VSS：第20引腳。接+5 V電源地端口P0端口：第3932引腳。包括P0.0P0.7八個端口。當(dāng)不與外部存儲器相連時，作為標(biāo)準(zhǔn)的雙向I/O口。當(dāng)進(jìn)行外部存儲器擴(kuò)展時，P0口能夠低8位地址總線以及8位數(shù)據(jù)總線復(fù)用。這個時候，P0口內(nèi)部的上拉電阻有效。P1端口：包括P1.0P1.7。P1口也能夠作為標(biāo)準(zhǔn)8位雙向I/O口。除此之外，當(dāng)定時器/計數(shù)器2的外部輸入端口需要用到時，需用到P1.0引腳作為其輸入端子；定時器1/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入端口（P1.1/T2EX）用到時。P1.1端口作為其輸入。P2端口：包括P2.0P2.7，第2128引腳。P2口也是一個標(biāo)準(zhǔn)的8位雙向I/

23、O端口。除開P1口的第二功能外，其他功能與P1口基本相同。P3端口：包括P3.0P3.7，第1017引腳。P3口也是標(biāo)準(zhǔn)的8位雙向I/O端口。其功能與P0口亦類似。但是P3口除作為一般I/O口之外，還有其他的一些復(fù)用功能，其他功能，如下表2-4所示：引腳號復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD(串行輸出口)P3.2(外部中斷0)P3.3（外部中斷1）P3.4TO（定時器0的外部輸入端口）P3.5T1(定時器1的外部輸入端口)P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通端)P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通端）表2-4 P3口引腳復(fù)用功能表RST：第9管腳。復(fù)位輸入端。當(dāng)連續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平時

24、，單片機(jī)即完成復(fù)位操作，使其回到初始化的狀態(tài)ALE/：30引腳地址。訪問外部程序存儲器時，鎖存控制信號（ALE）用來鎖存低8位地址輸出脈沖。引腳（）用作編程輸入脈沖時用于Flash編程。: 29引腳。是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)在每個機(jī)器周期被激活兩次時，AT89C51RC從外部程序存儲器讀取數(shù)據(jù)并執(zhí)行該代碼，不出現(xiàn)時，將對外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行訪問。/VPP：31引腳。片內(nèi)外程序存儲器使能端。該引腳為低電平時，表示只訪問外部程序存儲器，否則將會訪問片內(nèi)程序存儲器。XTAL1：19引腳。構(gòu)成片內(nèi)振蕩器時，為單片機(jī)內(nèi)部一反向放大器的輸入端子。XTAL2：18引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，是一個反向放大器的輸出

25、端子。他也能接收外部振蕩器的震蕩信號。2.1.5 LCD顯示模塊1602A是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行），在本設(shè)計中，由該液晶對待測溶液的溫度以及電壓進(jìn)行顯示，其引腳圖如下所示： 圖6 LCD1602引腳圖其各引腳功能介紹如下：編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極表2-5 1602各引腳功能介紹通過對溶液溫度以及濃度的實(shí)時顯示，我們

26、可以清晰的從液晶上面讀出數(shù)據(jù)，并供給我們分析。當(dāng)液晶顯示溶液中離子濃度過高時，打開清水池的控制閥，對溶液濃度進(jìn)行稀釋；當(dāng)顯示離子濃度過低時，打開原液控制閥，對溶液中離子進(jìn)行補(bǔ)充。值得注意的是，液晶是對所檢測到的離子濃度進(jìn)行實(shí)時的顯示，不論是離子濃度過低時打開清水閥還是濃度過高時打開原液閥，此時離子電極檢測到的離子濃度都將會是一個變化的值，需要我們在程序設(shè)計時，只有當(dāng)液晶顯示的濃度為一個相對比較穩(wěn)定的值時才能進(jìn)行下一步的操作。2.1.6 執(zhí)行器模塊 執(zhí)行器由電磁閥、繼電器以及電磁閥驅(qū)動電路組成，由繼電器控制電磁閥的通斷來控制不同的溶液罐進(jìn)而對營養(yǎng)液的成分進(jìn)行控制。在本設(shè)計中，我們用LED小燈對控

27、制電路進(jìn)行模擬。當(dāng)檢測到的電壓值在實(shí)驗(yàn)要求范圍內(nèi)時，我們設(shè)置L4為常亮狀態(tài)，當(dāng)高于設(shè)定閾值時，表示電壓值過高，即營養(yǎng)液中營養(yǎng)離子濃度過高，此時應(yīng)該打開清水閥一段時間；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的閾值時，表示電壓過低，相反地，此時應(yīng)該打開原液閥一段時間。等到攪拌電機(jī)對溶液攪拌均勻后，再對溶液進(jìn)行檢測，如果檢測到的電壓依然不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，那么執(zhí)行器件將會一直動作下去，直到將溶液離子濃度調(diào)節(jié)至設(shè)定的閾值附近。3. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與系統(tǒng)硬件相對應(yīng)，系統(tǒng)的軟件是整個系統(tǒng)的實(shí)際控制者。系統(tǒng)在軟件的驅(qū)動下才能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件通過對采集到的各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、加工以及處理，最終轉(zhuǎn)換成命令信號，發(fā)送至系統(tǒng)的各個執(zhí)行

28、器件，使其動作。從而達(dá)到對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行控制的目的。系統(tǒng)軟件設(shè)計的質(zhì)量，直接對整個系統(tǒng)運(yùn)行的速度、精確性以及穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計以單片機(jī)STC89C52RC為核心控制器，用C語言為開發(fā)環(huán)境。其整體結(jié)構(gòu)圖如下3-1所示。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用分模塊設(shè)計的方法進(jìn)行設(shè)計，對各個功能實(shí)行分模塊設(shè)計。整個軟件設(shè)計系統(tǒng)包括離子電極電壓采集模塊、溫度采集模塊、LCD顯示模塊以及電磁閥控制模塊四個模塊組成。圖3-1 系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)圖3.1 溫度采集子程序 本系統(tǒng)使用DS18B20作為溫度傳感器檢測營養(yǎng)液中溫度，該傳感器具有檢測溫度范圍較寬，價格便宜等特點(diǎn)，而且精度也能夠基本滿足本設(shè)計的要求。其溫

29、度數(shù)據(jù)關(guān)系如下表3-1所示。溫度采集子程序的讀取流程如下：先對LCD的顯示模塊進(jìn)行初始化，讀一個字節(jié)，寫一個字節(jié)，讀取溫度。當(dāng)需要讀取營養(yǎng)液溫度時，首先向溫度傳感器載入數(shù)據(jù)信息，完成初始化，再次載入數(shù)據(jù)，使其開始轉(zhuǎn)換溫度信息，最后發(fā)出命令，完成溫度讀取。由于溫度傳感器是置于溶液中的，當(dāng)傳感器不能夠正常工作時，會導(dǎo)致其他裝置誤操作，為避免這種情況，當(dāng)沒有正常檢測到溫度傳感器時，則不會進(jìn)行讀寫操作，而是顯示錯誤。其程序流程圖如下，子程序見附錄。3.2 離子濃度采集子程序 離子濃度采集子程序流程如下：初始化LCD，I2C初始化設(shè)置，分別顯示離子濃度對應(yīng)的電壓值的個位以及小數(shù)點(diǎn)后一位、后兩位。由于離子

30、濃度信號只能夠轉(zhuǎn)換成電壓信號，本設(shè)計采用PCF8591作為AD轉(zhuǎn)換芯片，將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并最終在LCD上進(jìn)行實(shí)時顯示。先初始化LCD，將顯示起始位置設(shè)置為第一行的第一個字符并進(jìn)行顯示，然后對PCF8591專用變量進(jìn)行定義，對I2C總線初始化，設(shè)置顯示通道之后，對顯示位置進(jìn)行選擇，然后讀取整數(shù)位的數(shù)值，此方法依次對小數(shù)后一位與后兩位進(jìn)行顯示，如果有錯誤則重新來，重新對I2C總線初始化，重新設(shè)置顯示位置并讀取數(shù)據(jù)。最后將數(shù)字輸出傳入單片機(jī)控制由LCD對營養(yǎng)液離子濃度轉(zhuǎn)換而來的電壓信號進(jìn)行顯示。程序流程圖如下，子程序見附錄。3.3 電磁閥控制子程序在本設(shè)計中，我們僅設(shè)計兩個溶液罐，一個為濃度

31、較高的營養(yǎng)液罐，另一個為清水罐。當(dāng)電壓值高于設(shè)定的閾值時，則說明營養(yǎng)液中的離子濃度過高，則清水罐的閥門打開一段時間，攪拌均勻后再次測量，若依然高于設(shè)定閾值，繼續(xù)加入清水對營養(yǎng)液進(jìn)行稀釋；若低于閾值，則打開營養(yǎng)液罐，對營養(yǎng)液進(jìn)行補(bǔ)充，直到營養(yǎng)離子保持在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)。LCD顯示模塊程序與離子濃度采集和溫度采集互相交叉，在這里就不再贅述。4. 系統(tǒng)測試在本系統(tǒng)中,由兩路傳感器組成的信號采集系統(tǒng)分別對溶液中的溫度以及鉀離子濃度進(jìn)行檢測。為驗(yàn)證所檢測信號的準(zhǔn)確性，作者設(shè)計了兩個實(shí)驗(yàn)分別對溶液溫度以及鉀離子濃度進(jìn)行測試。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都表現(xiàn)得很好。4.1溫度測試因?yàn)椴煌瑴囟认聽I養(yǎng)液

32、鉀離子的活度不同，故在實(shí)際應(yīng)用中營養(yǎng)液的溫度應(yīng)根據(jù)具體蔬菜品種在不同生長階段的需求進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，由于無土栽培下的蔬菜緩沖能力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)土壤栽培方式下的緩沖能力，溫度測量的準(zhǔn)確性對于溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要性顯而易見。本系統(tǒng)采用DS18b20進(jìn)行溫度采集，將程序中的溫度控制子程序燒寫進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，通過測量不同環(huán)境下的溫度，觀察其穩(wěn)定性并與標(biāo)準(zhǔn)溫度計示數(shù)相比較，通過測量多組數(shù)據(jù)取平均值并得到如下表所示數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)溫度計示數(shù)（/）檢測溫度（T/）1818.212020.112222.012424.312625.892828.223030.34表4-1 溫度檢測情況表通過上述數(shù)據(jù)，可以看出檢測到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度

33、計檢測的溫度誤差較小,基本能夠滿足無土栽培情形下各種蔬菜對溫度的要求。4.2離子電極測試在保持溫度穩(wěn)定的情況下，通過對不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液進(jìn)行檢測，得到對應(yīng)的電勢,再帶入能特斯方程中進(jìn)行驗(yàn)證。通過表2-1以及2-2，可查得標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液的活度系數(shù)以及鉀離子電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。將鉀離子電極與參比電極同時放入0.1mol/L的標(biāo)準(zhǔn)液中時，測量電壓E為136.34mV，將各個參數(shù)代入能特斯方程中，可由計算得理論的計算電勢=140.52mV。圖4-1 0.1mol/L溶液測量電勢 圖4-2 0.5mol/L溶液測量電勢分別將鉀離子電極放入標(biāo)準(zhǔn)的0.5mol/L到1×mol/L的KCl溶液中，可類似的計算出各標(biāo)準(zhǔn)濃度下的計算電勢，得到如下表所示數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)液濃度（mol/L）測量電勢(E/mV)計算電勢(/mV)1×-63.57-67.871×-15.45-17.221×36.7738.821×86.5590.361×136.34140.520.5171.21175.64表4-2 各濃度溶液下的測量電勢與計算電勢由于溫度以及標(biāo)準(zhǔn)液配制誤差等原因，測量電勢與計算數(shù)據(jù)之間存在一定的誤差， 但誤差在能夠接受的范圍內(nèi)?？梢宰龀鼋Y(jié)論認(rèn)為鉀離子電極在對0.5mol/L到1×mol/L的范圍內(nèi)進(jìn)行測量時是十分可靠的。5.