毕业论文一种无土栽培营养液离子检测系统

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：1005×10-6M2、 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&#

16、215; 钠离子 5.0× 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

17、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×-103.5201×92.9721×-69.3481×145.4221×-18.4060.5178.5841×40.0881192.936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-

18、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，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1×mol/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

19、：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、单独供电、低功耗、8-位的CMOS数据获取器件。该芯片采用典型的I²C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I²C总线接口。I²C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

20、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：I²C 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

21、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

22、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位地址总线以及8位数据总线复用。这个时候，P0口内部的上拉电阻有效。P1端口：包括P1.0P1.7。P1口也能够作为标准8位双向I/O口。除此之外，当定时器/计数器2的外部输入端口需要用到时，需用到P1.0引脚作为其输入端子；定时器1/计数器2的触发输入端口（P1.1/T2EX）用到时。P1.1端口作为其输入。P2端口：包括P2.0P2.7，第2128引脚。P2口也是一个标准的8位双向I/

23、O端口。除开P1口的第二功能外，其他功能与P1口基本相同。P3端口：包括P3.0P3.7，第1017引脚。P3口也是标准的8位双向I/O端口。其功能与P0口亦类似。但是P3口除作为一般I/O口之外，还有其他的一些复用功能，其他功能，如下表2-4所示：引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD(串行输出口)P3.2(外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4TO（定时器0的外部输入端口）P3.5T1(定时器1的外部输入端口)P3.6(外部数据存储器写选通端)P3.7（外部数据存储器读选通端）表2-4 P3口引脚复用功能表RST：第9管脚。复位输入端。当连续两个机器周期以上的高电平时

24、，单片机即完成复位操作，使其回到初始化的状态ALE/：30引脚地址。访问外部程序存储器时，锁存控制信号（ALE）用来锁存低8位地址输出脉冲。引脚（）用作编程输入脉冲时用于Flash编程。: 29引脚。是外部程序存储器选通信号。当在每个机器周期被激活两次时，AT89C51RC从外部程序存储器读取数据并执行该代码，不出现时，将对外部数据存储器进行访问。/VPP：31引脚。片内外程序存储器使能端。该引脚为低电平时，表示只访问外部程序存储器，否则将会访问片内程序存储器。XTAL1：19引脚。构成片内振荡器时，为单片机内部一反向放大器的输入端子。XTAL2：18引脚。在单片机内部，是一个反向放大器的输出

25、端子。他也能接收外部振荡器的震荡信号。2.1.5 LCD显示模块1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行），在本设计中，由该液晶对待测溶液的温度以及电压进行显示，其引脚图如下所示： 图6 LCD1602引脚图其各引脚功能介绍如下：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表2-5 1602各引脚功能介绍通过对溶液温度以及浓度的实时显示，我们

26、可以清晰的从液晶上面读出数据，并供给我们分析。当液晶显示溶液中离子浓度过高时，打开清水池的控制阀，对溶液浓度进行稀释；当显示离子浓度过低时，打开原液控制阀，对溶液中离子进行补充。值得注意的是，液晶是对所检测到的离子浓度进行实时的显示，不论是离子浓度过低时打开清水阀还是浓度过高时打开原液阀，此时离子电极检测到的离子浓度都将会是一个变化的值，需要我们在程序设计时，只有当液晶显示的浓度为一个相对比较稳定的值时才能进行下一步的操作。2.1.6 执行器模块 执行器由电磁阀、继电器以及电磁阀驱动电路组成，由继电器控制电磁阀的通断来控制不同的溶液罐进而对营养液的成分进行控制。在本设计中，我们用LED小灯对控

27、制电路进行模拟。当检测到的电压值在实验要求范围内时，我们设置L4为常亮状态，当高于设定阈值时，表示电压值过高，即营养液中营养离子浓度过高，此时应该打开清水阀一段时间；当低于设定的阈值时，表示电压过低，相反地，此时应该打开原液阀一段时间。等到搅拌电机对溶液搅拌均匀后，再对溶液进行检测，如果检测到的电压依然不在设定阈值范围内，那么执行器件将会一直动作下去，直到将溶液离子浓度调节至设定的阈值附近。3. 系统的软件设计与系统硬件相对应，系统的软件是整个系统的实际控制者。系统在软件的驱动下才能够正常运行。系统软件通过对采集到的各种传感器数据进行运算、加工以及处理，最终转换成命令信号，发送至系统的各个执行

28、器件，使其动作。从而达到对系统的硬件进行控制的目的。系统软件设计的质量，直接对整个系统运行的速度、精确性以及稳定性产生决定性的影响。本系统的软件设计以单片机STC89C52RC为核心控制器，用C语言为开发环境。其整体结构图如下3-1所示。本系统软件设计采用分模块设计的方法进行设计，对各个功能实行分模块设计。整个软件设计系统包括离子电极电压采集模块、温度采集模块、LCD显示模块以及电磁阀控制模块四个模块组成。图3-1 系统整体机构图3.1 温度采集子程序 本系统使用DS18B20作为温度传感器检测营养液中温度，该传感器具有检测温度范围较宽，价格便宜等特点，而且精度也能够基本满足本设计的要求。其温

29、度数据关系如下表3-1所示。温度采集子程序的读取流程如下：先对LCD的显示模块进行初始化，读一个字节，写一个字节，读取温度。当需要读取营养液温度时，首先向温度传感器载入数据信息，完成初始化，再次载入数据，使其开始转换温度信息，最后发出命令，完成温度读取。由于温度传感器是置于溶液中的，当传感器不能够正常工作时，会导致其他装置误操作，为避免这种情况，当没有正常检测到温度传感器时，则不会进行读写操作，而是显示错误。其程序流程图如下，子程序见附录。3.2 离子浓度采集子程序 离子浓度采集子程序流程如下：初始化LCD，I2C初始化设置，分别显示离子浓度对应的电压值的个位以及小数点后一位、后两位。由于离子

30、浓度信号只能够转换成电压信号，本设计采用PCF8591作为AD转换芯片，将模拟电压量转换成数字量并最终在LCD上进行实时显示。先初始化LCD，将显示起始位置设置为第一行的第一个字符并进行显示，然后对PCF8591专用变量进行定义，对I2C总线初始化，设置显示通道之后，对显示位置进行选择，然后读取整数位的数值，此方法依次对小数后一位与后两位进行显示，如果有错误则重新来，重新对I2C总线初始化，重新设置显示位置并读取数据。最后将数字输出传入单片机控制由LCD对营养液离子浓度转换而来的电压信号进行显示。程序流程图如下，子程序见附录。3.3 电磁阀控制子程序在本设计中，我们仅设计两个溶液罐，一个为浓度

31、较高的营养液罐，另一个为清水罐。当电压值高于设定的阈值时，则说明营养液中的离子浓度过高，则清水罐的阀门打开一段时间，搅拌均匀后再次测量，若依然高于设定阈值，继续加入清水对营养液进行稀释；若低于阈值，则打开营养液罐，对营养液进行补充，直到营养离子保持在设定的阈值范围内。LCD显示模块程序与离子浓度采集和温度采集互相交叉，在这里就不再赘述。4. 系统测试在本系统中,由两路传感器组成的信号采集系统分别对溶液中的温度以及钾离子浓度进行检测。为验证所检测信号的准确性，作者设计了两个实验分别对溶液温度以及钾离子浓度进行测试。经过测试，发现该系统准确性、稳定性都表现得很好。4.1温度测试因为不同温度下营养液

32、钾离子的活度不同，故在实际应用中营养液的温度应根据具体蔬菜品种在不同生长阶段的需求进行实时调节，由于无土栽培下的蔬菜缓冲能力远低于传统土壤栽培方式下的缓冲能力，温度测量的准确性对于温度调节系统的重要性显而易见。本系统采用DS18b20进行温度采集，将程序中的温度控制子程序烧写进单片机内，通过测量不同环境下的温度，观察其稳定性并与标准温度计示数相比较，通过测量多组数据取平均值并得到如下表所示数据：标准温度计示数（/）检测温度（T/）1818.212020.112222.012424.312625.892828.223030.34表4-1 温度检测情况表通过上述数据，可以看出检测到的温度与标准温度

33、计检测的温度误差较小,基本能够满足无土栽培情形下各种蔬菜对温度的要求。4.2离子电极测试在保持温度稳定的情况下，通过对不同浓度的标准KCl溶液进行检测，得到对应的电势,再带入能特斯方程中进行验证。通过表2-1以及2-2，可查得标准KCl溶液的活度系数以及钾离子电极的标准电极电位。将钾离子电极与参比电极同时放入0.1mol/L的标准液中时，测量电压E为136.34mV，将各个参数代入能特斯方程中，可由计算得理论的计算电势=140.52mV。图4-1 0.1mol/L溶液测量电势 图4-2 0.5mol/L溶液测量电势分别将钾离子电极放入标准的0.5mol/L到1×mol/L的KCl溶液中，可类似的计算出各标准浓度下的计算电势，得到如下表所示数据：标准液浓度（mol/L）测量电势(E/mV)计算电势(/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 各浓度溶液下的测量电势与计算电势由于温度以及标准液配制误差等原因，测量电势与计算数据之间存在一定的误差， 但误差在能够接受的范围内。可以做出结论认为钾离子电极在对0.5mol/L到1×mol/L的范围内进行测量时是十分可靠的。5.