毕业论文一种无土栽培营养液离子检测系统.docx
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1、编号:本科毕业论文(设计)( 2015 届)题 目: 一种无土栽培营养液 离子浓度的监控系统 目录1.绪论31.1课题背景及意义31.2营养液检测与控制系统概述42.系统硬件电路的设计42.1离子检测电路的组成42.1.1 离子检测模块42.1.2 电压放大模块82.1.3 A/D转换模块92.1.4 单片机模块102.1.5 LCD显示模块122.1.6 执行器模块133.系统的软件设计133.1 温度采集子程序143.2 离子浓度采集子程序153.3 电磁阀控制子程序164.系统测试174.1温度测试174.2离子电极测试185.总结195.1优点与缺点195.2前景与展望19参考文献19
2、致谢20附录20一种无土栽培营养液离子浓度的监控系统农业电气化与自动化: 李 瑶指 导 教 师: 邹志勇摘要:本文基于离子电极对无土栽培营养液中离子浓度(活度)的检测,设计了一种以离子电极为检测器,单片机为核心控制器的无土栽培营养液的离子浓度检测及其控制系统。设计首先对系统的整体设计做了一个粗略介绍,概述了整个系统的工作模式及其所达到的目的。然后对系统的主要元器件以及所对应的模块做了详细的介绍。硬件方面,重点研究了温度采集模块,离子浓度采集模块,LCD显示模块。软件方面详细介绍了各个模块对采集到的信号所进行处理,最后对本设计的不足以及发展前景做了总结。关键字:钾离子电极;温度检测;PCF859
3、1;1602液晶显示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. 绪论1.1 课题背景及意义无土栽培作为一种新兴的生产方式,不论是从生产规模来看还是生产质量来看,近年来得到了迅猛的发展,是果蔬生产技术上的一次飞跃性的革新。无土栽培不仅一项仅与土壤、根系有关的单方面的技术措施,而且已形成为一种在技术上高度密集配套、管理上达到科学优化、生产上实现高产、低耗要求的农业生产技术新
7、体系,其所具有的优越性是不言而喻的。无土栽培作为一种新型的栽培方式,能够使得蔬菜的生产向着自动化、智能化、工厂化的方向发展。它彻底的改变了传统农业日出而作,日落而息的方式。由于无土栽培方式的实现,也改善了生产产品的质量以及效率。随着对于无土栽培技术的进一步研究,该技术也将逐步成为我们生产生活中的主要生产方式,从而大大解放人的劳动力。跟传统的土壤栽培方式相比,无土栽培有其无法比拟的优点。1)无土栽培能够根据作物各个阶段对于生长发育的需求来对栽培设施以及作物生长环境进行控制都能做到根据其生长发育的需要进行监控;2)无土栽培方式能够实现作物早熟、高产。 无土栽培的番茄与普通栽培番茄相比可提早710天
8、成熟,而且产量可提高0.51.0倍;3)无土栽培能够生产清洁无公害的产品。由于无土栽培不施用人粪尿、厩肥等农家肥料,病虫害相对较少,也不用大量施用农药,因此,其产品减少了肥料、寄生虫、农药等污染,清洁卫生;4)无土栽培能够节约土地,提高土地的利用率无土栽培能够在某些不适合室外种植的地区进行种植,而且由于无土栽培采用密集生产的方式,能够高效的利用土地。但无土栽培也有其缺点。比如刚开始时需要投入大量资金,需要专业的知识技能培训,受外界影响大,缓冲力小等等。但正因为无土栽培技术有其优点也有缺点,几十年来专家们对这一技术褒贬不一。但是在无土栽培工作者的不懈努力下,无土栽培技术已然成为当下蔬菜栽培技术研
9、究的重点研究方向之一,其发展应用前景也是十分广阔。从上世纪80年代开始,我国开始对国外发达国家引进的温室硬件系统进行改善,使其适应我国的具体情形。目前国内自主开发出来的温室营养液调控系统大致可分为两类。一类为A-B箱式系统:主要对营养液的电导率(EC值)和PH值进行测定,然后根据这两个指标来控制负责配肥的阀门以及清水阀,并最终将EC值和PH值保持在稳定的范围内。另一类为具有闭环控制功能的调控系统:该类系统与第一类系统相比新增了对营养液成分的在线检测装置,组成了闭环控制系统,能够针对各种离子的营养液浓度进行管理,能够反映出反映各组分相对活度,即能够反映出其他因素对营养液组分的相互影响。本文设计的
10、系统营养液浓度采用离子电极进行采集,相比与传统的对PH值、EC值采集,具有精度高,测量范围广等特点。1.2 营养液检测与控制系统概述本文设计了一种以单片机为控制核心的水培方式的营养液循环控制系统。本系统由三部分组成:一是离子检测系统,主要以离子选择电极和温度传感器为核心。温度传感器对溶液的温度进行实时的监测与显示。离子选择电极与参比电极组成二电极体系,离子电极通过对营养液中特定离子的选择性滤过,使其在离子电极与参比电极之间形成电位差,并通过放大和AD转换之后传送到单片机控制器;二是单片机控制器,通过对接收到的信号进行处理,并给执行器件即电磁阀发送指令,控制其动作通断,同时对采集到的信号送LCD
11、进行实时显示,方便操作人员对数据进行采集,同时在适当的时候进行人为操作;三是执行器件,主要包括电磁阀、搅拌电机以及LCD显示模块组成。当检测出检测池中离子浓度过高时,打开清水阀门,对营养液进行稀释;搅拌电机将溶液搅拌均匀后,当检测出离子浓度过低时,打开营养液阀门,对营养液进行适当的补充,使营养液中离子浓度总保持在合适的范围。2. 系统硬件电路的设计2.1 离子检测电路的组成2.1.1 离子检测模块营养液中的主要营养元素为N、P、K。其在营养液中主要是以游离的离子形式存在的,本设计以测定钾离子在营养液中的含量为例,其他的离子的测定方法与钾离子测定方法类似。本设计中,离子传感器采用泰州雷磁仪器设备
12、有限公司的401型钾离子电极,参比电极采用配套的801型双液接饱和甘汞电极,离子电极将营养液中钾离子浓度信号转换成为电信号,经过电压放大以及AD转换后传入单片机,过程如下图所示。离子选择性电极关键是膜基装置,由选择性渗透的离子导体材料组成的膜将样品与电极内部溶液分开,在膜的内侧填充有一定活度的被测离子的溶液。此膜通常是无孔的、非水溶性的、力学上性能稳定的膜。膜能够对感兴趣的离子进行选择性键合,即发生在膜-溶液界面上的离子交换,而将其他共存离子留在膜材料的原侧。而且此键合过程会引起一个相界电位,该电位满足能特斯方程: (1)式中, :标准电极电位(mv),由测定系数所决定的电位差,R为气体常数8
13、.314J/Kmol,T为热力学温度;z:离子价态,F:法拉第常数 96487C/mol,为被测离子在溶液中的活度。常见标准电极电位如下表2-1所示:电极组成电极反应式氧化型+还原型/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 标准电极电位(298K)本设计所采用的钾离子电极为标准Pt电极,通过上表可查得其标准电极电位。我们把电解质溶液中离子实际发挥作用的浓度称作有效浓度,即为活度(activity)。通常用表示,它和离子的浓度有
14、如下关系: (2)上式中,叫做活度系数(activity coefficient)。一般说来活度总是小于浓度,故 1。溶液越稀,活度与浓度的相差就越小。特别的,当溶液的离子浓度很稀,离子所带的电荷也很少时这时活度就接近于浓度,活度系数近似于1。常见的电解质离子平均活度系数如表2-2所示(温度为298K时)。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时某些强电解质的平均活度系数() 在本设计中,我们用不同浓度KCL溶液模拟营养液系统,通过上述表格,我们可以查得其平均活度系数。钾离子电极401的其他一些参数如下:1、 线性范围:100510-6M2、 测量范围:110-6M3、 PH范围:410pH4、 使用温度:0455、 响应时间:1分钟6、 电极内阻:12兆欧 (298K)7、 主要干扰离子: 干扰离子 选择系数 锂离子 1.0 钠离子 5.0
16、 铵离子 2.0 钙离子 5.0 镁离子 5.0 钡离子 8.0在这里特别需要提出的是溶液的温度和干扰离子对于离子电极检测过程的影响。温度对于离子的活度有一定的影响,在这里我们只讨论常温(298K)下的溶液的离子检测;对于干扰离子来说,没有任何一个电极只是对某一种特殊离子有响应,而在在含有主要和干扰的两种离子的混合物中(分别为i和j),电极响应满足以下方程: (3)其中,为选择性系数,当1时,表示离子电极对于干扰离子的响应远大于目标离子,值越低,表示电极的选择性越高。一般来说,选择性系数低于10-5时,可以认为该离子对于目标离子没有干扰。在实际的营养液配方中,由各种肥料组成的营养液含有多种干扰
17、离子,影响钾离子电极的电势测量精度,由选择系数表明各干扰离子对钾离子电极正常工作影响较小。氯化钾浓度(mol/L)测量电势(mV)氯化钾浓度(mol/L)测量电势(mV)1-103.520192.9721-69.3481145.4221-18.4060.5178.584140.0881192.936在实验中,我们通过测不同浓度下的KCl溶液的测量电势,为尽量避免误差,采取多次测量取平均值的方法,得出如下表的数据,并绘制出如下图2曲线:表2-3 钾离子电极测量电势与钾离子浓度的关系(室温下)图2 离子浓度与电压关系通过上述的图表可以看出,通过钾离子电极检测到的电压与溶液中离子的浓度近似为线性关系
18、,基本满足能特斯方程。去除两头的失真部分,其有效检测范围为1mol/L到1mol/L。2.1.2 电压放大模块 由于从离子电极采集到的电压信号为mV级别的电压,不能够直接接到AD转换芯片直接进行AD转换,故需要对电压进行放大操作才可以。而电压放大模块能够对输入的信号进行放大操作,其放大倍数在1-100倍是连续可调的 ,这就能够满足我们设计的要求。该模块其他一些技术参数如下:1、输入电压:DC5-24V 单双电源均可;2、功耗特点:低功耗;3、增益线性度:线性;4、是否有温漂:有;5、工作温度范围:-25+65; 图3 电压放大模块 2.1.3 A/D转换模块PCF8591是一个单片集成、单独供
19、电、低功耗、8-位的CMOS数据获取器件。该芯片采用典型的IC总线接口进行器件寻址。含有4个模拟输入端口和1个模拟输出端口,同时还有1个串行IC总线接口。IC总线上在能够同时接入多个PCF8591器件,其3个地址引脚AIN0, AIN1和AIN2可用于硬件的地址编程。在PCF8591芯片由双向C总线以串行的方式对输入输出的地址、控制和数据信号进行输送。PCF8591的功能十分丰富,包括进行多路模拟输入、跟踪保持以及8位模数转换和8位数模转换。PCF8591的操作电压范围为2.5V-6V,根据我们检测出的电压信号,我们将电压放大到合适的倍数,使其输出电压值在2.5V-5V范围内。值得注意的是放大
20、倍数一旦确定,就不能够轻易更改,否则可能会影响AD转换芯片的使用寿命。其外形图与引脚图如下:图4 PCF8591外形图及引脚图 其中,AIN0AIN3为模拟信号输入端。A0A3:引脚地址端V DD 、V SS :电源端。(2.56V)SDA、SCL:IC 总线的数据线以及时钟控制线OSC:外部时钟的输入端,或者内部时钟输出端。EXT:内部、外部的时钟选择线,当EXT接地时使用内部时钟AGND:模拟信号地端口。AOUT:D/A 转换的输出端口:基准电源端口。特别值得注意的是,当进行精密测量时,该引脚需连接稳压电路2.1.4 单片机模块系统采用STC89C52RC单片机为核心控制器。该单片机是一款
21、高速、低功耗、抗干扰能力超强的单片机,片内含有8k 字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器(ROM),且片内集成了512字节RAM,该单片机的主要特性如下:1. 用户应用程序空间为8K字节2. 具有4个8位的I/O口(P0,P1,P2,P3)。3. 具有掉电保存功能4. 具有3个定时器/计数器。分别为定时器T0、T1和T2单片机管脚如下图5所示:主要引脚介绍如下:VCC:第40引脚。接+5 V电源正端口VSS:第20引脚。接+5 V电源地端口P0端口:第3932引脚。包括P0.0P0.7八个端口。当不与外部存储器相连时,作为标准的双向I/O口。当进行外部存储器扩展时,P0口能够低8位地址总
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