劉紅艷，麥艷紅

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西南寧 530028；2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 530028；）

化肥廠氮含量檢測智能儀表的硬件設(shè)計

劉紅艷1，麥艷紅2

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西南寧 530028；2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 530028；）

氮肥是主要的化肥原料，氮的含量直接影響到氮肥的使用效率。化肥生產(chǎn)過程中液態(tài)氮含量在管道運(yùn)行過程中進(jìn)行在線監(jiān)測遇到的問題。本文借鑒其它已有的先進(jìn)檢測手段，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理和理論分析，探討出可行的解決方法。論文主要從氮含量的特征、檢測方案選擇，智能儀表的硬件設(shè)計，核心傳感器的選型等方面進(jìn)行研究。對于化肥生產(chǎn)過程中氮含量在線檢測智能檢測的研發(fā)，是基于單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，并采用TCS3200顏色傳感器做為核心檢測元件；并通過試驗室檢測的結(jié)果來驗證該儀表檢測的可行性，為工程應(yīng)用提供可行的方法。

控制科學(xué)與技術(shù)，智能儀表；氮含量；顏色傳感器；TCS3200

0 引言

隨著化肥市場的迅速發(fā)展，科學(xué)種田的觀念不斷深入，按需施肥的觀念不斷深入人心，化肥監(jiān)測工作也日益受到重視。

國外學(xué)者通過數(shù)字圖像對其相關(guān)植物進(jìn)行了氮素營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析[1]。我國近年來也有相關(guān)報道，但是目前此類研究主要集中在水稻、小麥、棉花、玉米、黃瓜、馬鈴薯、草莓等糧食、蔬菜及少數(shù)水果作物上[2]，通過采用不同手段將數(shù)字圖像參數(shù)與不同作物的氮素進(jìn)行相關(guān)分析，均表明應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)可用來評價田間作物氮素含量，為計算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)的農(nóng)作物氮素檢測奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)在光譜測量儀器是光學(xué)儀器的重要種類之一，它是一種基于光學(xué)光譜的色散原理、衍射原理或光學(xué)調(diào)制原理設(shè)計而成[3]，用于研究和測定光輻射的頻率、強(qiáng)度特性及其變化規(guī)律，以及對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等特性進(jìn)行測量、分析和處理的基本光學(xué)儀器。

傳統(tǒng)的光譜分析檢測技術(shù)是基于光的發(fā)射和吸收原理，近年來各個科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展已經(jīng)推動了光譜分析檢測技術(shù)和光譜儀器的突破性發(fā)展[4]，而使之成為高科技知識密集化的典型?，F(xiàn)在光譜測量儀器具有分析精度高、測量范圍大、速度快等有段。光譜技術(shù)的應(yīng)用幾乎涵蓋了所有的科學(xué)領(lǐng)域，怎樣將光譜儀器更有效的運(yùn)用到更多的領(lǐng)域中去，成為了新的研究課題。

1 化肥廠總氮含量檢測方法

現(xiàn)今化肥生產(chǎn)過程中總氮含量主要以實驗室的檢測為主，。常用的化肥中氮含量的測試方法有幾種，其中一種是凱式定氮法，這種方法的檢測步驟主要對樣品進(jìn)行消化、蒸餾、滴定等步驟來測定，費(fèi)時較長，有時甚至需要將樣品過夜靜置[5]。還有一種采用在取樣管中取樣，然后再實驗室中進(jìn)行滴定，由于NH4

+為弱酸（ka=5.6×10-10），因此不能采用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液直接滴定。通常含氮量的測定主要采用強(qiáng)堿蒸氨再用酸吸收后返滴定及加入甲醛后使NH4+酸性強(qiáng)化后直接用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定的方法，實驗室滴定方法每檢測一組參數(shù)所需4個小時左右。所以這兩種傳統(tǒng)的檢測方法檢驗周期比較長。大大影響了化肥生產(chǎn)的效率，增加了耗能。

化肥生產(chǎn)過程中氮含量的檢測手段，需要根據(jù)不同的化肥工藝來確定最佳檢測方案，并且根據(jù)產(chǎn)品的特性進(jìn)行深入細(xì)致研究，探索出行之有效的檢測儀表。內(nèi)外色度學(xué)的相關(guān)理論發(fā)展很快，顏色識別技術(shù)在許多行業(yè)中得到了廣泛推廣[6]，在化肥廠氮含量的測定中，由于加入試劑后，氮的顏色會從無色變成淡藍(lán)色?？梢詸z測色值突變的點計算氮的含量。

顏色測量應(yīng)用最多的有四個領(lǐng)域：一個是工業(yè)應(yīng)用，包括印染、造紙、油漆、印刷和紡織等；一個是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，包括水果色度、面粉白度、棉花等級、葡萄干分選和油脂顏色等；一個是環(huán)境檢測，包括草皮顏色、海水顏色等。一個是醫(yī)學(xué)，包括B超、血糖計和血膽固醇計等。

基于光譜對顏色的測量研究有很多，但是基于顏色對光譜的測量的研究卻很少，本次研發(fā)的儀表是以顏色傳感器為核心，通過團(tuán)隊設(shè)計的電路板來通過檢測不同的顏色得出總氮含量。顏色傳感器的測量原理是，通過測定待測物質(zhì)的顏色，然后不同顏色對應(yīng)不同的氮含量值。由于顏色傳感器所測量的顏色有三個色值（紅色、黃色和綠色），三個顏色對不同顏色溶液的感光度不同。最終只能用一種測試過程非常穩(wěn)定的顏色值作為主要的顏色參考值，來計算總氮含量。本文主要介紹氮含量在線監(jiān)測傳感器的硬件設(shè)計。

2 顏色傳感器的設(shè)計及測量原理

市場上目前顏色的測量手段有很多種，大多采用光譜測量方法[7]，并且光譜學(xué)儀器龐大，價格較貴。本項目采用的是TCS230顏色傳感器，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的智能傳感器檢測設(shè)備?，F(xiàn)在對智能傳感器的硬件部分做詳細(xì)介紹。

2.1 氮含量檢測設(shè)備的整體設(shè)計

智能儀表的硬件設(shè)計主要包含四部分：供電系統(tǒng)設(shè)計、CPU核心系統(tǒng)的選型、顯示單元設(shè)計、檢測單元的設(shè)計。在這四部分中，檢測單元的設(shè)計和CPU的選擇是核心。檢測系統(tǒng)的主電路圖如圖1。

2.2 CPU的選型

在系統(tǒng)調(diào)試階段選擇STC89C52，調(diào)試結(jié)束后可以選擇其他型號的單片機(jī)芯片。因為STC89C52支持在線編程、調(diào)試和下載[8]，所以在程序調(diào)試階段選擇這個系列的單片機(jī)，有利于不斷更新和完善程序。

圖1 智能檢測儀表的電路板設(shè)計圖Fig. 1 Schematic diagram design of the intelligent instrument

2.3 顏色傳感器的選擇

TCS3200 是 Taos 公司最新推出繼TCS230之后的新一代RGB 彩色光頻率轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流到頻率轉(zhuǎn)換器，TCS3200的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS 邏輯輸入[9]，因此可直接與單片機(jī)的STC89C51進(jìn)行電路連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道 10 位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路，使電路更簡單。

TCS3200識別顏色的原理：

根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲（Helinholtz）的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色（紅、綠、藍(lán)）混合而成的。 由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS3200來說，當(dāng)選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過[10]。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同時，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個值，就可以分析投射到TCS3200傳感器上的光的顏色。

2.4 采用STC89C52與TCS3200連接裝置實現(xiàn)智能儀表的檢測

本次STC89C52和TCS3200設(shè)計一個顏色識別裝置。該智能儀表設(shè)計價格低廉，靈敏度高、識別精度高，并且可以通過設(shè)計外部電路使得輸出4～20mA信號與上位機(jī)通信，從而可以將檢測信號在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。TCS3200的引腳和功能如下：

下面僅給出其中的TCS230識別電路，如圖2所示。圖2中用STC89C52的P1口的幾個引腳來控制TCS3200的各個控制引腳，而TCS3200的輸出引腳與STC89C52的定時器/計數(shù)器1的輸入端（P35）。設(shè)置STC89C52定時器/計數(shù)器為相應(yīng)的工作方式，初始化STC89C52定時器為一個定值，再選擇TCS3200的輸出比例因子。實際使用中，通過讀取單片機(jī)中計數(shù)器的值，就可以計算出TCS3200的3種輸出頻率，進(jìn)而確定R、G、B值及顏色。相應(yīng)的軟件流程如圖2所示。

當(dāng)TCS3200識別顏色時，就用這3個參數(shù)對所測顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù)：1、依次選通三顏色的濾波器，然后對TCS3200 的輸出脈沖依次進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用的時間，這些時間對應(yīng)于實際測試時TCS3200每種濾波器所采用的時間基準(zhǔn)，在這 段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值。2、設(shè)置定時器為一固定時 間（例如10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi)TCS3200的輸出 脈沖數(shù)，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。 在實際測試時，室外同樣的時間進(jìn)行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因 子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G和B的值。

圖2 TCS3200引腳圖Fig 2 The pin diagram of TCS3200

顏色傳感器與STC3200模塊的連接

2.5 顯示單元與STC89C52的連接

顯示單元采用最常用的LCD1602與STC89C52

LCD1602接口連接方法

3 檢測儀表的測試結(jié)果

分別將濃度為1/100的試管放在顏色傳感器能檢測的范圍內(nèi)。連續(xù)對同一個參數(shù)在半個月內(nèi)隨機(jī)測量得出的參數(shù)如下，

表1 智能儀表測試結(jié)果Tab.1 Test results of intelligent instruments

從以上對含氮量1/100的檢測結(jié)果，紅顏色輸出頻率的變化幅度在2111～2124之間，綠色的變化幅度在1990～2002之間，黃色的輸出頻率在1818～1832之間，每種頻率的范圍是0～6000，將每種顏色的頻率轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號后，紅色的范圍為（0.352～0.354），綠色的變化范圍為（0.332～0.334），黃色的變化范圍（0.303～0.305）。不管使用哪種顏色作為參考值，得出的誤差范圍在1%以內(nèi)，這對于肥料的總氮含量檢測結(jié)果是可行的。隨后又對氮含量1/10，1/20，1/50這幾組數(shù)據(jù)的測量結(jié)果，誤差均在1%以內(nèi)，說明這種檢測手段是可行的。

4 結(jié)論

本次設(shè)計主要是通過顏色傳感器在氮肥滴定過程中顏色改變那一瞬間，通過顏色傳感器的變化讀出氮的含量是可行的。對于化肥生產(chǎn)過程中氮含量在線檢測智能檢測的研發(fā)，是基于單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，并建立檢測的優(yōu)化模型；采用實驗室與現(xiàn)場相結(jié)合的方法，并與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比實驗；根據(jù)不斷實驗來完善相關(guān)的產(chǎn)品，為工程應(yīng)用提供可行的方法。本篇設(shè)計針對檢測單元進(jìn)行，對于外部管道的設(shè)計需要配合已使用的顏色傳感器進(jìn)行。一體化檢測手段需要進(jìn)一步深入的研究，并且通過采集多種數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證進(jìn)行確定。今后會繼續(xù)從事這方面的研究，以使智能檢測儀表設(shè)計更加的成熟。

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Hardware Design of Intelligent Instrument for Measuring Nitrogen Content in Chemical Fertilizer Plant

LIU Hong-yan1, MAI Yan-hong2
(1.Nanning College for Vocational Technology, GuangXi, 530028;2.Nanning College for Vocational Technology, GuangXi, 530028;)

Nitrogen fertilizer is the main raw material of the effciency of the use of nitrogen fertilizer. Liquid nitrogen fertilizer encounter some problems of online monitoring during transports in the pipeline operation process. In this paper the feasible solutions is proposed on the basis of advanced detection means of other ones, through collecting on-site data collection, dealing with these data and analysis. This paper mainly studies the hardware design of the intelligent instrument, from the characteristics of nitrogen content, the choice of detection scheme and the selection of the core sensor and so on. This intelligent instrument is based on the development of singlechip, and the core detecting element is TCS3200 which is a kind of color sensor. In the fnal using the laboratory test results verify the feasibility of this instrument, and provide a feasible method to practical engineering application.

Control science and technology;Nitrogen content; Intelligent instrument; Color sensor;TCS3200

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.004

:LIU Hong-yan, MAI Yan-hong. Hardware Design of Intelligent Instrument for Measuring Nitrogen Content in Chemical Fertilizer Plant[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 20-24.

2015廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（KY2015YB391）

劉紅艷（1977-），女，副教授，南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電群專業(yè)帶頭人，主要從事智能儀表研發(fā)，控制系統(tǒng)設(shè)計，機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)工作

麥艷紅（1967-），教授，南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電群專業(yè)帶頭人，主要從事智能儀器儀表創(chuàng)新項目設(shè)計研發(fā)，機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)工作

本文引用格式：劉紅艷，麥艷紅. 化肥廠氮含量檢測智能儀表的硬件設(shè)計[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：20-24.