畢業(yè)論文一種無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液離子檢測(cè)系統(tǒng)

1、編號(hào)：本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（ 2015 屆）題 目： 一種無(wú)土栽培營(yíng)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(yíng)養(yǎng)液檢測(cè)與控制系統(tǒng)概述42.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)42.1離子檢測(cè)電路的組成42.1.1 離子檢測(cè)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(jì)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(cè)試174.1溫度測(cè)試174.2離子電極測(cè)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(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液離子濃度的監(jiān)控系統(tǒng)農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化: 李 瑤指 導(dǎo) 教 師: 鄒志勇摘要:本文基于離子電極對(duì)無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液中離子濃度(活度)的檢測(cè),設(shè)計(jì)了一種以離子電極為檢測(cè)器,單片機(jī)為核心控制器的無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液的離子濃度檢測(cè)及其控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)首先對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)做了一個(gè)粗略介紹，概述了整個(gè)系統(tǒng)的工作模式及其所達(dá)到的目的。然后對(duì)系統(tǒng)的主要元器件以及所對(duì)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(gè)模塊對(duì)采集到的信號(hào)所進(jìn)行處理，最后對(duì)本設(shè)計(jì)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(cè)；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(wú)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(lái)看還是生產(chǎn)質(zhì)量來(lái)看，近年來(lái)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(wú)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(wú)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(dòng)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(wú)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(duì)于無(wú)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(dòng)力。跟傳統(tǒng)的土壤栽培方式相比，無(wú)土栽培有其無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。1)無(wú)土栽培能夠根據(jù)作物各個(gè)階段對(duì)于生長(zhǎng)發(fā)育的需求來(lái)對(duì)栽培設(shè)施以及作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制都能做到根據(jù)其生長(zhǎng)發(fā)育的需要進(jìn)行監(jiān)控；2)無(wú)土栽培方式能夠?qū)崿F(xiàn)作物早熟、高產(chǎn)。 無(wú)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(wú)土栽培能夠生產(chǎn)清潔無(wú)公害的產(chǎn)品。由于無(wú)土栽培不施用人糞尿、廄肥等農(nóng)家肥料，病蟲(chóng)害相對(duì)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(chóng)、農(nóng)藥等污染，清潔衛(wèi)生；4）無(wú)土栽培能夠節(jié)約土地，提高土地的利用率無(wú)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(wú)土栽培采用密集生產(chǎn)的方式，能夠高效的利用土地。但無(wú)土栽培也有其缺點(diǎn)。比如剛開(kāi)始時(shí)需要投入大量資金，需要專(zhuān)業(yè)的知識(shí)技能培訓(xùn)，受外界影響大，緩沖力小等等。但正因?yàn)闊o(wú)土栽培技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，幾十年來(lái)專(zhuān)家們對(duì)這一技術(shù)褒貶不一。但是在無(wú)土栽培工作者的不懈努力下，無(wú)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(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始對(duì)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)的溫室硬件系統(tǒng)進(jìn)行改善，使其適應(yīng)我國(guó)的具體情形。目前國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)出來(lái)的溫室營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)大致可分為兩類(lèi)。一類(lèi)為A-B箱式系統(tǒng)：主要對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率（EC值）和PH值進(jìn)行測(cè)定，然后根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)控制負(fù)責(zé)配肥的閥門(mén)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(lèi)為具有閉環(huán)控制功能的調(diào)控系統(tǒng)：該類(lèi)系統(tǒng)與第一類(lèi)系統(tǒng)相比新增了對(duì)營(yíng)養(yǎng)液成分的在線檢測(cè)裝置，組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠針對(duì)各種離子的營(yíng)養(yǎng)液濃度進(jìn)行管理，能夠反映出反映各組分相對(duì)活度，即能夠反映出其他因素對(duì)營(yíng)養(yǎng)液組分的相互影響。本文設(shè)計(jì)的

10、系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)液濃度采用離子電極進(jìn)行采集，相比與傳統(tǒng)的對(duì)PH值、EC值采集，具有精度高，測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。1.2 營(yíng)養(yǎng)液檢測(cè)與控制系統(tǒng)概述本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為控制核心的水培方式的營(yíng)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(cè)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(duì)溶液的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中特定離子的選擇性濾過(guò)，使其在離子電極與參比電極之間形成電位差，并通過(guò)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(guò)對(duì)接收到的信號(hào)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(dòng)作通斷，同時(shí)對(duì)采集到的信號(hào)送LCD

11、進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(cè)出檢測(cè)池中離子濃度過(guò)高時(shí)，打開(kāi)清水閥門(mén)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行稀釋?zhuān)粩嚢桦姍C(jī)將溶液攪拌均勻后，當(dāng)檢測(cè)出離子濃度過(guò)低時(shí)，打開(kāi)營(yíng)養(yǎng)液閥門(mén)，對(duì)營(yíng)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(jì)2.1 離子檢測(cè)電路的組成2.1.1 離子檢測(cè)模塊營(yíng)養(yǎng)液中的主要營(yíng)養(yǎng)元素為N、P、K。其在營(yíng)養(yǎng)液中主要是以游離的離子形式存在的，本設(shè)計(jì)以測(cè)定鉀離子在營(yíng)養(yǎng)液中的含量為例，其他的離子的測(cè)定方法與鉀離子測(cè)定方法類(lèi)似。本設(shè)計(jì)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(yíng)養(yǎng)液中鉀離子濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大以及AD轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)，過(guò)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(kāi)，在膜的內(nèi)側(cè)填充有一定活度的被測(cè)離子的溶液。此膜通常是無(wú)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(guò)程會(huì)引起一個(gè)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(cè)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(jià)態(tài)，F(xiàn)：法拉第常數(shù) 96487C/mol，為被測(cè)離子在溶液中的活度。常見(jiàn)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(jì)所采用的鉀離子電極為標(biāo)準(zhǔn)Pt電極,通過(guò)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(shuō)來(lái)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(shí)這時(shí)活度就接近于濃度，活度系數(shù)近似于1。常見(jiàn)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(shí)）。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(shí)某些強(qiáng)電解質(zhì)的平均活度系數(shù)（） 在本設(shè)計(jì)中，我們用不同濃度KCL溶液模擬營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)，通過(guò)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(cè)量范圍：110-6M3、 PH范圍：410pH4、 使用溫度：0455、 響應(yīng)時(shí)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(duì)于離子電極檢測(cè)過(guò)程的影響。溫度對(duì)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(cè)；對(duì)于干擾離子來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何一個(gè)電極只是對(duì)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(shí)，表示離子電極對(duì)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(lái)說(shuō)，選擇性系數(shù)低于10-5時(shí)，可以認(rèn)為

17、該離子對(duì)于目標(biāo)離子沒(méi)有干擾。在實(shí)際的營(yíng)養(yǎng)液配方中，由各種肥料組成的營(yíng)養(yǎng)液含有多種干擾離子，影響鉀離子電極的電勢(shì)測(cè)量精度，由選擇系數(shù)表明各干擾離子對(duì)鉀離子電極正常工作影響較小。氯化鉀濃度(mol/L)測(cè)量電勢(shì)(mV)氯化鉀濃度(mol/L)測(cè)量電勢(shì)（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(guò)測(cè)不同濃度下的KCl溶液的測(cè)量電勢(shì)，為盡量避免誤差，采取多次測(cè)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(cè)量電勢(shì)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(guò)上述的圖表可以看出，通過(guò)鉀離子電極檢測(cè)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(cè)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(hào)為mV級(jí)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(duì)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?hào)進(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?cè)O(shè)計(jì)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(gè)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(gè)模擬輸入端口和1個(gè)模擬輸出端口，同時(shí)還有1個(gè)串行I²C總線接口。I²C總線上在能夠同時(shí)接入多個(gè)PCF8591器件，其3個(gè)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(duì)輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)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(cè)出的電壓信號(hào)，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(huì)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(hào)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(shí)鐘控制線OSC：外部時(shí)鐘的輸入端，或者內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部的時(shí)鐘選擇線，當(dāng)EXT接地時(shí)使用內(nèi)部時(shí)

21、鐘AGND：模擬信號(hào)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(cè)量時(shí)，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(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)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(gè)8位的I/O口(P0,P1,P2,P3)。3. 具有掉電保存功能4. 具有3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。分別為定時(shí)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(gè)端口。當(dāng)不與外部存儲(chǔ)器相連時(shí)，作為標(biāo)準(zhǔn)的雙向I/O口。當(dāng)進(jìn)行外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，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(gè)時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部輸入端口需要用到時(shí)，需用到P1.0引腳作為其輸入端子；定時(shí)器1/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入端口（P1.1/T2EX）用到時(shí)。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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8位雙向I/

23、O端口。除開(kāi)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(lèi)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(hào)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(shí)器0的外部輸入端口）P3.5T1(定時(shí)器1的外部輸入端口)P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通端)P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)

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(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存控制信號(hào)（ALE）用來(lái)鎖存低8位地址輸出脈沖。引腳（）用作編程輸入脈沖時(shí)用于Flash編程。: 29引腳。是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次時(shí)，AT89C51RC從外部程序存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)并執(zhí)行該代碼，不出現(xiàn)時(shí)，將對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。/VPP：31引腳。片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器使能端。該引腳為低電平時(shí)，表示只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，否則將會(huì)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。XTAL1：19引腳。構(gòu)成片內(nèi)振蕩器時(shí)，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(gè)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(hào)。2.1.5 LCD顯示模塊1602A是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行），在本設(shè)計(jì)中，由該液晶對(duì)待測(cè)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(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)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(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)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(guò)對(duì)溶液溫度以及濃度的實(shí)時(shí)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(guò)高時(shí)，打開(kāi)清水池的控制閥，對(duì)溶液濃度進(jìn)行稀釋?zhuān)划?dāng)顯示離子濃度過(guò)低時(shí)，打開(kāi)原液控制閥，對(duì)溶液中離子進(jìn)行補(bǔ)充。值得注意的是，液晶是對(duì)所檢測(cè)到的離子濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，不論是離子濃度過(guò)低時(shí)打開(kāi)清水閥還是濃度過(guò)高時(shí)打開(kāi)原液閥，此時(shí)離子電極檢測(cè)到的離子濃度都將會(huì)是一個(gè)變化的值，需要我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)時(shí)，只有當(dāng)液晶顯示的濃度為一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的值時(shí)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(dòng)電路組成，由繼電器控制電磁閥的通斷來(lái)控制不同的溶液罐進(jìn)而對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的成分進(jìn)行控制。在本設(shè)計(jì)中，我們用LED小燈對(duì)控

27、制電路進(jìn)行模擬。當(dāng)檢測(cè)到的電壓值在實(shí)驗(yàn)要求范圍內(nèi)時(shí)，我們?cè)O(shè)置L4為常亮狀態(tài)，當(dāng)高于設(shè)定閾值時(shí)，表示電壓值過(guò)高，即營(yíng)養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)離子濃度過(guò)高，此時(shí)應(yīng)該打開(kāi)清水閥一段時(shí)間；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的閾值時(shí)，表示電壓過(guò)低，相反地，此時(shí)應(yīng)該打開(kāi)原液閥一段時(shí)間。等到攪拌電機(jī)對(duì)溶液攪拌均勻后，再對(duì)溶液進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)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(huì)一直動(dòng)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(jì)與系統(tǒng)硬件相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)的軟件是整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際控制者。系統(tǒng)在軟件的驅(qū)動(dòng)下才能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件通過(guò)對(duì)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(hào)，發(fā)送至系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行

28、器件，使其動(dòng)作。從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行控制的目的。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，直接對(duì)整個(gè)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(jì)以單片機(jī)STC89C52RC為核心控制器，用C語(yǔ)言為開(kāi)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(jì)采用分模塊設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)功能實(shí)行分模塊設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)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(gè)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(cè)營(yíng)養(yǎng)液中溫度，該傳感器具有檢測(cè)溫度范圍較寬，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，而且精度也能夠基本滿足本設(shè)計(jì)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(duì)LCD的顯示模塊進(jìn)行初始化，讀一個(gè)字節(jié)，寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，讀取溫度。當(dāng)需要讀取營(yíng)養(yǎng)液溫度時(shí)，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(kāi)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致其他裝置誤操作，為避免這種情況，當(dāng)沒(méi)有正常檢測(cè)到溫度傳感器時(shí)，則不會(huì)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而是顯示錯(cuò)誤。其程序流程圖如下，子程序見(jiàn)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(duì)應(yīng)的電壓值的個(gè)位以及小數(shù)點(diǎn)后一位、后兩位。由于離子

30、濃度信號(hào)只能夠轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)字符并進(jìn)行顯示，然后對(duì)PCF8591專(zhuān)用變量進(jìn)行定義，對(duì)I2C總線初始化，設(shè)置顯示通道之后，對(duì)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(duì)小數(shù)后一位與后兩位進(jìn)行顯示，如果有錯(cuò)誤則重新來(lái)，重新對(duì)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(duì)營(yíng)養(yǎng)液離子濃度轉(zhuǎn)換而來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行顯示。程序流程圖如下，子程序見(jiàn)附錄。3.3 電磁閥控制子程序在本設(shè)計(jì)中，我們僅設(shè)計(jì)兩個(gè)溶液罐，一個(gè)為濃度

31、較高的營(yíng)養(yǎng)液罐，另一個(gè)為清水罐。當(dāng)電壓值高于設(shè)定的閾值時(shí)，則說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液中的離子濃度過(guò)高，則清水罐的閥門(mén)打開(kāi)一段時(shí)間，攪拌均勻后再次測(cè)量，若依然高于設(shè)定閾值，繼續(xù)加入清水對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行稀釋?zhuān)蝗舻陀陂撝?，則打開(kāi)營(yíng)養(yǎng)液罐，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行補(bǔ)充，直到營(yíng)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(cè)試在本系統(tǒng)中,由兩路傳感器組成的信號(hào)采集系統(tǒng)分別對(duì)溶液中的溫度以及鉀離子濃度進(jìn)行檢測(cè)。為驗(yàn)證所檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性，作者設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)溶液溫度以及鉀離子濃度進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)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(cè)試因?yàn)椴煌瑴囟认聽(tīng)I(yíng)養(yǎng)液

32、鉀離子的活度不同，故在實(shí)際應(yīng)用中營(yíng)養(yǎng)液的溫度應(yīng)根據(jù)具體蔬菜品種在不同生長(zhǎng)階段的需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，由于無(wú)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(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要性顯而易見(jiàn)。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(xiě)進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)測(cè)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(jì)示數(shù)相比較，通過(guò)測(cè)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(jì)示數(shù)（/）檢測(cè)溫度（T/）1818.212020.112222.012424.312625.892828.223030.34表4-1 溫度檢測(cè)情況表通過(guò)上述數(shù)據(jù)，可以看出檢測(cè)到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度

33、計(jì)檢測(cè)的溫度誤差較小,基本能夠滿足無(wú)土栽培情形下各種蔬菜對(duì)溫度的要求。4.2離子電極測(cè)試在保持溫度穩(wěn)定的情況下，通過(guò)對(duì)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液進(jìn)行檢測(cè)，得到對(duì)應(yīng)的電勢(shì),再帶入能特斯方程中進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)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(shí)放入0.1mol/L的標(biāo)準(zhǔn)液中時(shí)，測(cè)量電壓E為136.34mV，將各個(gè)參數(shù)代入能特斯方程中，可由計(jì)算得理論的計(jì)算電勢(shì)=140.52mV。圖4-1 0.1mol/L溶液測(cè)量電勢(shì) 圖4-2 0.5mol/L溶液測(cè)量電勢(shì)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(lèi)似的計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)濃度下的計(jì)算電勢(shì)，得到如下表所示數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)液濃度（mol/L）測(cè)量電勢(shì)(E/mV)計(jì)算電勢(shì)(/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(cè)量電勢(shì)與計(jì)算電勢(shì)由于溫度以及標(biāo)準(zhǔn)液配制誤差等原因，測(cè)量電勢(shì)與計(jì)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)。可以做出結(jié)論認(rèn)為鉀離子電極在對(duì)0.5mol/L到1×mol/L的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)是十分可靠的。5.