马铃薯农田土壤氧化亚氮排放采集系统设计*

党学立，王 雯，朱闪闪

(榆林学院能源工程学院，陕西 榆林 719000)

0 引言

氧化亚氮是一种不燃烧、无色、无刺激性、微甜味的气体。同时，它也是一种温室气体，又是破坏臭氧的化学物质之一，大气氧化亚氮(N2O)的持续增加是导致全球气候变暖的主要原因之一。马铃薯生长的土壤可产生氧化亚氮,是氧化亚氮的重要排放源。影响NH3挥发及N2O排放的因素众多，如外部环境土壤水热状况、肥料用量、肥料类型、土壤、气候条件和管理措施等[1,2]。因此采用合理的施肥措施可有效减少农田NH3挥发和N2O排放。目前常用的氧化亚氮检测方法是气相色谱测定方法[3]。本文设计一种马铃薯生长土壤氧化亚氮排放采集系统，可以实时有效地做到采集，存储及传输。马铃薯生长土壤氧化亚氮排放采集系统可作为一种氧化亚氮检测手段，为农业生产的科学组织管理，减少温室气体提供理论基础。

1 系统结构

本设计是由STC89C51单片机[4]、复位电路、存储电路、晶振电路、传感器电路、SPI通信电路、并口通信电路、按键电路构成。通过传感器电路采集土壤氧化亚氮的数据信号，数据以串口的形式，输入到单片机；单片机检测按键电路，并根据按键值不同，进行不同的处理；当存储电路功能有效时，单片机将采集到土壤氧化亚氮的数据传输到存储器中，并对外提供一个访问接口；当SPI通信电路功能有效时，单片机将采集到土壤氧化亚氮的数据传输到标准的SPI接口，通过连接器输出到外部；当并口通信电路功能有效时，单片机将采集到土壤氧化亚氮的数据传输到并行接口，通过连接器输出到外部。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2 硬件电路设计

2.1 传感器电路设计

本设计使用的传感器为SGA-400/700系列智能型氧化亚氮气体传感器模组。该模块具有体积小巧；容易使用；价格低；性能优良稳定；采集后的信号可以是模拟和数字TTL电平，易于传输及数字处理；无需标定；即买即用。本模块高度集成化。传感器电路是由氧化亚氮气体传感器模组，连接器J1，连接器J2构成。系统上电后，氧化亚氮气体传感器模组输出采集的氧化亚氮气体数据，并通过传感器模组内部的串口通信协议，输出到连接器J1的引脚6，以及连接器J2的引脚1，进而输入到集成电路U1的引脚11，单片机接收传感器数据，并进行后续处理。其中，连接器J2用于调试，及对外互连。传感器电路如图2所示。

图2 传感器电路

2.2 复位电路设计

本设计的复位电路是由两部分构成，一是上电复位，由电容C3,电阻R1组成，系统加电，由RC充放电电路，在单片机的引脚9产生一个高电平脉冲，完成传统的复位；二是，针对系统运行中的程序跑飞而设置的按键复位，当按钮SW4按下，单片机的引脚9产生一个高电平脉冲，系统复位，当按钮SW4弹起，系统开始重新初始化工作。复位电路如图3所示。

图3 复位电路

2.3 晶振电路设计

单片机正常工作时，需要合适的工作节拍。单片机的晶振电路就是单片机合格的时钟信号，保证单片机在此时钟下有序的工作。本设计的晶振电路是由无源晶振Y1,及外接电容C1,C2构成，它由Y1的两端，输入到单片机的引脚18,19，其振荡频率为11.0592 MHz，为单片机提供合适的工作时钟。晶振电路设计如图4所示。

图4 晶振电路设计

2.4 存储电路

存储电路采用AT24LC16芯片来存储土壤氧化亚氮数据。AT24LC16采用单电源供电，供电范围广泛、采用IIC总线接口、容量可达512 K、低功耗、可反复擦写、电路简单。本设计的存储电路由电阻R2，R3，芯片AT24LC16，发光二极管D15，D16，以及连接器J5构成。由单片机的引脚15,16输出，通过电阻R2，R3，输入到存储芯片AT24LC16；或通过连接器J5，输出到外部，提供一个外部交互接口，其中，二极管D15，D16用于提示数据处于传输状态。存储电路如图5所示。

图5 存储电路

2.5 SPI通信电路

SPI通信电路是一种串行外设接口。它可以使单片机方便地与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI通信具有双工通信、实现简单、连接线少、功耗低、通信速率高、电路简单而被广泛应用。SPI通信分为主控制器与从控制器。本设计中，使用的主控制器，即单片机将接收到的土壤氧化亚氮数据，以SPI通信协议方式，主动分发给外围设备。本设计中，SPI协议的实现采用软件模拟的SPI形式。本设计的SPI通信电路是由发光二极管D11，D12，D13，D14，连接器J4构成。其中，发光二极管D11，D12，D13，D14灯的亮灭用于指示数据传输的状态。SPI通信电路图如图6所示。

图6 SPI通信电路

2.6 并口通信电路

并行通信传输一次数据的位数较宽，速度快，相比于串口通信通信数据量大，通信协议较简单等优点，而被设计者广泛使用，用作数据传输的一种方式。本设计的并口通信电路是由发光二极管D1～D10，连接器J3构成。发光二极管D1～D10用来指示数据传输的工作状态，连接器J3用来与外围设备交互，传输土壤氧化亚氮数据信息。本设计采用2根控制线，一根用来指示传输数据开始，另一根用来指示传输数据结束。采用8位数据宽度用来交换数据。并口通信电路如图7所示。

图7 并口通信电路

2.7 按键电路

按键电路是由按钮开关SW1,SW2,SW3构成。其中，三个开关的一端接地，另一端分别接单片机的引脚36,33,37；单片机的引脚检测按键电路输出的电平值，当无按键按下时，单片机的相应引脚高电平，单片机处于待机状态；当按键按下时，单片机的相应引脚产生一个下降沿，单片机检测到信号跳变，则单片机进行相应的功能处理。 按键电路如图8所示。

图8 按键电路

3 主程序设计

本设计的系统想要实现的，一方面需要硬件电路的设计，另一方面，软件设计也必不可少。主程序的设计是软件设计的一部分，是整个系统不可分割的部分，它主要的实现流程如下：系统上电，进行复位操作，以及指向主程序的工作；其次，进行系统程序初始化；读取按键值的信号电平值；对按键进行处理；当按键为1时，进行数据存储功能，单片机将接收的土壤氧化亚氮数据依次传输到存储器芯片中，在传输的过程中，发光二极管用来指示数据传输的状态；当按键为2时，进行SPI数据传输功能，单片机将接收的土壤氧化亚氮数据依次传输到SPI通信电路中，通过连接器J4，发送给外围设备，在传输的过程中，发光二极管的D11～D14用来指示数据传输的状态；当按键为3时，进行并口数据传输功能，单片机将接收的土壤氧化亚氮数据依次传输到并口通信电路中，通过连接器J3，发送给外围并口设备，在传输的过程中，发光二极管D1～D10用来指示数据传输的状态；最后，程序再次进入循环检测。主程序设计流程如图9所示。

图9 主程序设计流程

4 仿真验证

利用软件语言生成单片机执行程序[5]；利用Proteus软件[6]，对整个软硬件系统进行仿真工作。主要仿真的是：单片机检测时刻按键值的信号电平值；对不同的按键进行不同的按键功能，进行不同的处理；将采集到土壤氧化亚氮的数据传输到存储器中；将数据传输到标准的SPI接口，通过连接器输出到外设；将数据传输到并行接口，与外设进行数据交互。通过仿真结果，验证了马铃薯生长土壤氧化亚氮排放采集系统设计的可行性。

5 结论

本设计是一款马铃薯生长土壤氧化亚氮排放采集系统设计，主控制器以单片AT89C51为核心，以复位电路、存储电路、晶振电路、传感器电路、SPI通信电路、并口通信电路、按键电路为辅助电路，实现了对土壤氧化亚氮排放采集。通过传感器电路采集数据信号，通过串口输入到单片机；单片机检测按键电路，并根据按键值不同，进行不同的处理；或将采集到土壤氧化亚氮的数据传输到存储器中；或将数据传输到标准的SPI接口，通过连接器输出到外设；或将数据传输到并行接口，与外设进行数据交互。

通过proteus仿真实验证明软硬件系统的可行性。本文研究的马铃薯生长土壤氧化亚氮排放采集系统，可方便地采集数据，并且可灵活地与外设多种接口协议交互。