馬鈴薯農田土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)設計*

黨學立，王 雯，朱閃閃

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

氧化亞氮是一種不燃燒、無色、無刺激性、微甜味的氣體。同時，它也是一種溫室氣體，又是破壞臭氧的化學物質之一，大氣氧化亞氮(N2O)的持續(xù)增加是導致全球氣候變暖的主要原因之一。馬鈴薯生長的土壤可產生氧化亞氮,是氧化亞氮的重要排放源。影響NH3揮發(fā)及N2O排放的因素眾多，如外部環(huán)境土壤水熱狀況、肥料用量、肥料類型、土壤、氣候條件和管理措施等[1,2]。因此采用合理的施肥措施可有效減少農田NH3揮發(fā)和N2O排放。目前常用的氧化亞氮檢測方法是氣相色譜測定方法[3]。本文設計一種馬鈴薯生長土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)，可以實時有效地做到采集，存儲及傳輸。馬鈴薯生長土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)可作為一種氧化亞氮檢測手段，為農業(yè)生產的科學組織管理，減少溫室氣體提供理論基礎。

1 系統(tǒng)結構

本設計是由STC89C51單片機[4]、復位電路、存儲電路、晶振電路、傳感器電路、SPI通信電路、并口通信電路、按鍵電路構成。通過傳感器電路采集土壤氧化亞氮的數(shù)據信號，數(shù)據以串口的形式，輸入到單片機；單片機檢測按鍵電路，并根據按鍵值不同，進行不同的處理；當存儲電路功能有效時，單片機將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據傳輸?shù)酱鎯ζ髦?，并對外提供一個訪問接口；當SPI通信電路功能有效時，單片機將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據傳輸?shù)綐藴实腟PI接口，通過連接器輸出到外部；當并口通信電路功能有效時，單片機將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據傳輸?shù)讲⑿薪涌冢ㄟ^連接器輸出到外部。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件電路設計

2.1 傳感器電路設計

本設計使用的傳感器為SGA-400/700系列智能型氧化亞氮氣體傳感器模組。該模塊具有體積小巧；容易使用；價格低；性能優(yōu)良穩(wěn)定；采集后的信號可以是模擬和數(shù)字TTL電平，易于傳輸及數(shù)字處理；無需標定；即買即用。本模塊高度集成化。傳感器電路是由氧化亞氮氣體傳感器模組，連接器J1，連接器J2構成。系統(tǒng)上電后，氧化亞氮氣體傳感器模組輸出采集的氧化亞氮氣體數(shù)據，并通過傳感器模組內部的串口通信協(xié)議，輸出到連接器J1的引腳6，以及連接器J2的引腳1，進而輸入到集成電路U1的引腳11，單片機接收傳感器數(shù)據，并進行后續(xù)處理。其中，連接器J2用于調試，及對外互連。傳感器電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

2.2 復位電路設計

本設計的復位電路是由兩部分構成，一是上電復位，由電容C3,電阻R1組成，系統(tǒng)加電，由RC充放電電路，在單片機的引腳9產生一個高電平脈沖，完成傳統(tǒng)的復位；二是，針對系統(tǒng)運行中的程序跑飛而設置的按鍵復位，當按鈕SW4按下，單片機的引腳9產生一個高電平脈沖，系統(tǒng)復位，當按鈕SW4彈起，系統(tǒng)開始重新初始化工作。復位電路如圖3所示。

圖3 復位電路

2.3 晶振電路設計

單片機正常工作時，需要合適的工作節(jié)拍。單片機的晶振電路就是單片機合格的時鐘信號，保證單片機在此時鐘下有序的工作。本設計的晶振電路是由無源晶振Y1,及外接電容C1,C2構成，它由Y1的兩端，輸入到單片機的引腳18,19，其振蕩頻率為11.0592 MHz，為單片機提供合適的工作時鐘。晶振電路設計如圖4所示。

圖4 晶振電路設計

2.4 存儲電路

存儲電路采用AT24LC16芯片來存儲土壤氧化亞氮數(shù)據。AT24LC16采用單電源供電，供電范圍廣泛、采用IIC總線接口、容量可達512 K、低功耗、可反復擦寫、電路簡單。本設計的存儲電路由電阻R2，R3，芯片AT24LC16，發(fā)光二極管D15，D16，以及連接器J5構成。由單片機的引腳15,16輸出，通過電阻R2，R3，輸入到存儲芯片AT24LC16；或通過連接器J5，輸出到外部，提供一個外部交互接口，其中，二極管D15，D16用于提示數(shù)據處于傳輸狀態(tài)。存儲電路如圖5所示。

圖5 存儲電路

2.5 SPI通信電路

SPI通信電路是一種串行外設接口。它可以使單片機方便地與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。SPI通信具有雙工通信、實現(xiàn)簡單、連接線少、功耗低、通信速率高、電路簡單而被廣泛應用。SPI通信分為主控制器與從控制器。本設計中，使用的主控制器，即單片機將接收到的土壤氧化亞氮數(shù)據，以SPI通信協(xié)議方式，主動分發(fā)給外圍設備。本設計中，SPI協(xié)議的實現(xiàn)采用軟件模擬的SPI形式。本設計的SPI通信電路是由發(fā)光二極管D11，D12，D13，D14，連接器J4構成。其中，發(fā)光二極管D11，D12，D13，D14燈的亮滅用于指示數(shù)據傳輸?shù)臓顟B(tài)。SPI通信電路圖如圖6所示。

圖6 SPI通信電路

2.6 并口通信電路

并行通信傳輸一次數(shù)據的位數(shù)較寬，速度快，相比于串口通信通信數(shù)據量大，通信協(xié)議較簡單等優(yōu)點，而被設計者廣泛使用，用作數(shù)據傳輸?shù)囊环N方式。本設計的并口通信電路是由發(fā)光二極管D1～D10，連接器J3構成。發(fā)光二極管D1～D10用來指示數(shù)據傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，連接器J3用來與外圍設備交互，傳輸土壤氧化亞氮數(shù)據信息。本設計采用2根控制線，一根用來指示傳輸數(shù)據開始，另一根用來指示傳輸數(shù)據結束。采用8位數(shù)據寬度用來交換數(shù)據。并口通信電路如圖7所示。

圖7 并口通信電路

2.7 按鍵電路

按鍵電路是由按鈕開關SW1,SW2,SW3構成。其中，三個開關的一端接地，另一端分別接單片機的引腳36,33,37；單片機的引腳檢測按鍵電路輸出的電平值，當無按鍵按下時，單片機的相應引腳高電平，單片機處于待機狀態(tài)；當按鍵按下時，單片機的相應引腳產生一個下降沿，單片機檢測到信號跳變，則單片機進行相應的功能處理。 按鍵電路如圖8所示。

圖8 按鍵電路

3 主程序設計

本設計的系統(tǒng)想要實現(xiàn)的，一方面需要硬件電路的設計，另一方面，軟件設計也必不可少。主程序的設計是軟件設計的一部分，是整個系統(tǒng)不可分割的部分，它主要的實現(xiàn)流程如下：系統(tǒng)上電，進行復位操作，以及指向主程序的工作；其次，進行系統(tǒng)程序初始化；讀取按鍵值的信號電平值；對按鍵進行處理；當按鍵為1時，進行數(shù)據存儲功能，單片機將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據依次傳輸?shù)酱鎯ζ餍酒校趥鬏數(shù)倪^程中，發(fā)光二極管用來指示數(shù)據傳輸?shù)臓顟B(tài)；當按鍵為2時，進行SPI數(shù)據傳輸功能，單片機將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據依次傳輸?shù)絊PI通信電路中，通過連接器J4，發(fā)送給外圍設備，在傳輸?shù)倪^程中，發(fā)光二極管的D11～D14用來指示數(shù)據傳輸?shù)臓顟B(tài)；當按鍵為3時，進行并口數(shù)據傳輸功能，單片機將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據依次傳輸?shù)讲⒖谕ㄐ烹娐分?，通過連接器J3，發(fā)送給外圍并口設備，在傳輸?shù)倪^程中，發(fā)光二極管D1～D10用來指示數(shù)據傳輸?shù)臓顟B(tài)；最后，程序再次進入循環(huán)檢測。主程序設計流程如圖9所示。

圖9 主程序設計流程

4 仿真驗證

利用軟件語言生成單片機執(zhí)行程序[5]；利用Proteus軟件[6]，對整個軟硬件系統(tǒng)進行仿真工作。主要仿真的是：單片機檢測時刻按鍵值的信號電平值；對不同的按鍵進行不同的按鍵功能，進行不同的處理；將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據傳輸?shù)酱鎯ζ髦?；將?shù)據傳輸?shù)綐藴实腟PI接口，通過連接器輸出到外設；將數(shù)據傳輸?shù)讲⑿薪涌?，與外設進行數(shù)據交互。通過仿真結果，驗證了馬鈴薯生長土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)設計的可行性。

5 結論

本設計是一款馬鈴薯生長土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)設計，主控制器以單片AT89C51為核心，以復位電路、存儲電路、晶振電路、傳感器電路、SPI通信電路、并口通信電路、按鍵電路為輔助電路，實現(xiàn)了對土壤氧化亞氮排放采集。通過傳感器電路采集數(shù)據信號，通過串口輸入到單片機；單片機檢測按鍵電路，并根據按鍵值不同，進行不同的處理；或將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據傳輸?shù)酱鎯ζ髦?；或將?shù)據傳輸?shù)綐藴实腟PI接口，通過連接器輸出到外設；或將數(shù)據傳輸?shù)讲⑿薪涌冢c外設進行數(shù)據交互。

通過proteus仿真實驗證明軟硬件系統(tǒng)的可行性。本文研究的馬鈴薯生長土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)，可方便地采集數(shù)據，并且可靈活地與外設多種接口協(xié)議交互。