基于LabVIEW 的沙地馬鈴薯生長環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

黨學(xué)立，王雯

（榆林學(xué)院，陜西榆林 719000）

各種作物對(duì)土壤酸堿度的適應(yīng)能力都是有一定限度的，只有在土壤呈中性或接近于中性的條件下，農(nóng)作物才能從土壤中獲得全面的營養(yǎng)。文獻(xiàn)[1]闡述了土壤pH 對(duì)土壤養(yǎng)分有效性、土壤微生物含量及茶樹吸收利用的影響及土壤pH 對(duì)茶樹生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。文獻(xiàn)[2]采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn),設(shè)置5 種不同加酸用量處理。研究不同淋洗水量（60 mm、120 mm、180 mm、240 mm）條件下土壤鹽度和酸堿度的時(shí)空變化特征。文獻(xiàn)[3]采用埋設(shè)于地表以下1.2 m的供熱管道給土壤增溫，在土壤增溫期間，距供熱管道0 m、0.5 m、1.0 m 和1.5 m 的平均地溫較無增溫對(duì)照依次增加約8.0 ℃、6.0 ℃、4.0 ℃和2.0 ℃。結(jié)果表明：土壤增溫不低于6.0 ℃可使冬小麥根系下扎至100 cm，土壤增溫小于6.0 ℃最大根系限制在80 cm 以內(nèi)。土壤增溫有利于冬小麥株高和葉面積指數(shù)的增加，越冬期歷時(shí)縮減，并提前進(jìn)入返青拔節(jié)階段，但生長后期卻出現(xiàn)了早衰現(xiàn)象。增溫幅度越大，早衰現(xiàn)象就越提前，直接影響冬小麥的產(chǎn)量形成。文獻(xiàn)[4]描述了植物的生長離不開水、無機(jī)鹽以及適時(shí)適量補(bǔ)充的光照，通過控制執(zhí)行裝置（水泵、紅藍(lán)光源以及營養(yǎng)液槽）將其調(diào)節(jié)為植物生長所需的最優(yōu)值。

由以上分析可知：農(nóng)作物的生長環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等有較大影響，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地檢測(cè)農(nóng)作物的生長環(huán)境（溫度、濕度、pH），并加以合理的控制，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目標(biāo)。為此，該研究設(shè)計(jì)了沙地馬鈴薯生長環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，采用一種遠(yuǎn)程傳輸?shù)碾娮訖z測(cè)方式，探求沙地馬鈴薯生長的最適宜環(huán)境，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的組織管理提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由單片機(jī)控制和上位機(jī)控制兩個(gè)控制部分構(gòu)成。這兩個(gè)控制部分按照預(yù)定的控制時(shí)序，協(xié)同完成測(cè)量控制任務(wù)。單片機(jī)控制部分是由晶振及復(fù)位電路、單片機(jī)、傳感器電路、ADC 采樣電路、GPRS 通信模塊電路構(gòu)成。其中，傳感器電路采集土壤的溫度、濕度和酸堿度。土壤的溫度、濕度和酸堿度數(shù)據(jù)以模擬電壓的形式輸出；ADC 采樣電路將模擬的電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字電平，方便控制器處理；晶振及復(fù)位電路為控制器提供時(shí)鐘，以及上電復(fù)位工作；GPRS 通信模塊電路將采集到土壤的溫度、濕度和酸堿度數(shù)據(jù)，以無線的形式發(fā)送出去，以供上位機(jī)進(jìn)一步處理。上位機(jī)控制部分是由PC 機(jī)和USB 接口的GPRS 通信模塊構(gòu)成。PC 機(jī)上設(shè)有應(yīng)用軟件，采集單片機(jī)控制部分發(fā)送的數(shù)據(jù)，并保存到文件，作進(jìn)一步處理。單片機(jī)和上位機(jī)控制部分結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 單片機(jī)控制部分結(jié)構(gòu)框圖

圖2 上位機(jī)控制部分結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器電路是將要測(cè)量的量轉(zhuǎn)化為具有確定關(guān)系的電信號(hào)。該設(shè)計(jì)需要檢測(cè)的量為土壤的酸堿度、土壤的溫度和土壤的濕度。土壤的酸堿度采用pH 檢測(cè)采集傳感模塊，其型號(hào)為E-201-C，功耗小于0.2 W，響應(yīng)時(shí)間小于3 s，穩(wěn)定時(shí)間小于30 s，工作溫度范圍為0～75 ℃。多種輸出方式，可模擬輸出，可串口輸出。pH 檢測(cè)范圍為0～14。土壤的溫度采用PT100 溫度變送器測(cè)量，它具有高精度，性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。連接簡(jiǎn)單，僅需要一根信號(hào)線等。土壤的濕度采用電容式土壤濕度傳感器，其尺寸小、連線少，工作電壓范圍廣，可在3.3～5.5 V 電源下工作。

傳感器模塊的輸出電壓為0～3 V，便于后續(xù)的模擬采集處理。該設(shè)計(jì)的傳感器電路是由連接器J2、J3、J4 以及集成電路芯片U1 構(gòu)成。其中，U1 型號(hào)為ADC0809，連接器J2 接pH 檢測(cè)采集傳感模塊，連接器J3 接電容式土壤濕度傳感器，連接器J4 接PT100溫度變送器。傳感器電路如圖3 所示。

圖3 傳感器電路

2.2 晶振及復(fù)位電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的晶振電路由電容C1、C2和無源晶振Y1連接構(gòu)成，晶振電路的作用是為單片機(jī)提供合適的時(shí)鐘節(jié)拍，所設(shè)計(jì)晶振的振蕩頻率為12 MHz；該設(shè)計(jì)的復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位及按鍵復(fù)位，由電容C3、按鈕SW1 和電阻R1組成，當(dāng)系統(tǒng)加電，進(jìn)行上電復(fù)位；當(dāng)運(yùn)行中程序跑飛，按下按鍵進(jìn)行復(fù)位，重新加載運(yùn)行程序。晶振及復(fù)位電路如圖4 所示。

圖4 晶振及復(fù)位電路

2.3 ADC采樣電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)采樣電路使用ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[5-7]。ADC0809 具有較寬的溫度范圍，適用于-40～+85 ℃；功耗低，大約15 mW；單電源供電，可采用5 V 供電；轉(zhuǎn)換時(shí)間適中，可達(dá)到100 μs；具有多通道輸入，可達(dá)8 通道；分辨率為8 位；模擬輸入范圍0～+5 V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，使用方便。

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，采用低成本、使用方便的ADC0809 芯片足以滿足需要。ADC 采樣電路由有源晶振Y1、集成芯片U2 以及集成芯片U1 構(gòu)成。其中，集成芯片U2 為ADC0809，集成芯片U1 為AT89C51，有源晶振Y1 產(chǎn)生500 kHz 時(shí)鐘信號(hào)。ADC 采樣電路如圖5 所示。

圖5 ADC采樣電路

2.4 GPRS通信模塊電路

GPRS 通信模塊將采集的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸形式發(fā)送到上位機(jī)，以供進(jìn)一步處理。所設(shè)計(jì)的GPRS通信模塊電路由連接器J1，電阻R3、R4，發(fā)光二極管D15、D16，以及集成電路芯片U1 連接構(gòu)成。其中，連接器J1 接sim900a 模塊[8-10]，它具有功耗低、尺寸小、供電范圍寬等優(yōu)點(diǎn)；發(fā)光二極管D15、D16 用來指示數(shù)據(jù)正在傳輸?shù)臓顟B(tài)。GPRS 通信模塊可將采集的土壤溫度、濕度、酸堿度數(shù)據(jù)，通過短信形式發(fā)送給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣。GPRS 通信電路如圖6 所示。

圖6 GPRS通信電路

3 主程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅需要硬件電路平臺(tái)，同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)也是必不可少。軟件設(shè)計(jì)中，主程序的設(shè)計(jì)尤為重要，它是軟件設(shè)計(jì)的主線。

3.1 單片機(jī)控制程序流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制程序主要的實(shí)現(xiàn)流程如下：第一步，系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作；第二步，采樣土壤pH，在其相應(yīng)的子程序中，配置相應(yīng)的采樣通道，啟動(dòng)采樣，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，采集土壤pH 數(shù)據(jù)；第三步，采樣土壤溫度值，在其相應(yīng)樣，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束，采集土壤溫度數(shù)據(jù)；第四步，采樣土壤濕度值，在其相應(yīng)的子程序中，配置相應(yīng)的采樣通道，啟動(dòng)采樣，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，采集土壤濕度數(shù)據(jù)；第五步，進(jìn)行GPRS 模塊初始化，使其處于數(shù)據(jù)待發(fā)送狀態(tài)；最后，將采樣的土壤pH、溫度值、濕度值數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機(jī)。此后，進(jìn)入循環(huán)采集和數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送。主程序設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。

圖7 主程序設(shè)計(jì)流程

3.2 單片機(jī)控制主要程序代碼

單片機(jī)控制主要程序代碼為：

3.3 上位機(jī)控制設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)充分利用LabVIEW 軟件[11-13]，在Windows 操作系統(tǒng)下，構(gòu)建人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)有序的數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)濾波處理、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)等。其中，用戶登錄界面如圖8 所示，數(shù)據(jù)波形顯示界面如圖9 所示。

圖8 用戶登錄界面

圖9 數(shù)據(jù)波形顯示界面

4 單片機(jī)控制程序驗(yàn)證

單片機(jī)控制程序驗(yàn)證過程：利用Keil C51 軟件語言生成單片機(jī)執(zhí)行程序[14-15]。利用Proteus軟件[16-17]生成硬件電路系統(tǒng)的原理圖。然后加載單片機(jī)的軟件程序，對(duì)整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真。主要對(duì)單片機(jī)采樣模擬通道進(jìn)行配置，單片機(jī)采樣的啟動(dòng)和結(jié)束的判斷[18]，單片機(jī)串行通信的初始化，單片機(jī)串行發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)串行接收數(shù)據(jù)[19]，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交互和仿真。通過運(yùn)行情況，來驗(yàn)證采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)束語

基于LabVIEW 的沙地馬鈴薯生長環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的主控制器以單片機(jī)AT89C51 為核心，以晶振及復(fù)位電路、傳感器電路、ADC 采樣電路、GPRS 通信模塊電路為外圍電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯生長環(huán)境（溫度、濕度及pH）數(shù)據(jù)的采集[20]。采用pH 檢測(cè)模塊采樣土壤酸堿度，采用PT100 溫度變送器采樣土壤溫度，采用電容式土壤濕度傳感器采樣土壤濕度。采集的數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)，經(jīng)過進(jìn)一步處理，由GPRS 通信模塊輸出到上位機(jī)。上位機(jī)LabVIEW 應(yīng)用軟件接收GPRS 模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波處理，并將數(shù)據(jù)保存到文件中?；贚abVIEW 的沙地馬鈴薯生長環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，可方便地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且可實(shí)時(shí)地將遠(yuǎn)程采集的采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并保存到文件中。該電路簡(jiǎn)單，成本低，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。