黨學(xué)立，王 雯，朱閃閃

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)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(shí)，它也是一種溫室氣體，又是破壞臭氧的化學(xué)物質(zhì)之一，大氣氧化亞氮(N2O)的持續(xù)增加是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一。馬鈴薯生長(zhǎng)的土壤可產(chǎn)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(nóng)田NH3揮發(fā)和N2O排放。目前常用的氧化亞氮檢測(cè)方法是氣相色譜測(cè)定方法[3]。本文設(shè)計(jì)一種馬鈴薯生長(zhǎng)土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)有效地做到采集，存儲(chǔ)及傳輸。馬鈴薯生長(zhǎng)土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)可作為一種氧化亞氮檢測(cè)手段，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)組織管理，減少溫室氣體提供理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是由STC89C51單片機(jī)[4]、復(fù)位電路、存儲(chǔ)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(gòu)成。通過傳感器電路采集土壤氧化亞氮的數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)以串口的形式，輸入到單片機(jī)；單片機(jī)檢測(cè)按鍵電路，并根據(jù)按鍵值不同，進(jìn)行不同的處理；當(dāng)存儲(chǔ)電路功能有效時(shí)，單片機(jī)將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器中，并對(duì)外提供一個(gè)訪問接口；當(dāng)SPI通信電路功能有效時(shí)，單片機(jī)將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的SPI接口，通過連接器輸出到外部；當(dāng)并口通信電路功能有效時(shí)，單片機(jī)將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲⑿薪涌?，通過連接器輸出到外部。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(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的傳感器為SGA-400/700系列智能型氧化亞氮?dú)怏w傳感器模組。該模塊具有體積小巧；容易使用；價(jià)格低；性能優(yōu)良穩(wěn)定；采集后的信號(hào)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(biāo)定；即買即用。本模塊高度集成化。傳感器電路是由氧化亞氮?dú)怏w傳感器模組，連接器J1，連接器J2構(gòu)成。系統(tǒng)上電后，氧化亞氮?dú)怏w傳感器模組輸出采集的氧化亞氮?dú)怏w數(shù)據(jù)，并通過傳感器模組內(nèi)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(jìn)而輸入到集成電路U1的引腳11，單片機(jī)接收傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)處理。其中，連接器J2用于調(diào)試，及對(duì)外互連。傳感器電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是由兩部分構(gòu)成，一是上電復(fù)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(jī)的引腳9產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，完成傳統(tǒng)的復(fù)位；二是，針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的程序跑飛而設(shè)置的按鍵復(fù)位，當(dāng)按鈕SW4按下，單片機(jī)的引腳9產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)按鈕SW4彈起，系統(tǒng)開始重新初始化工作。復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

2.3 晶振電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)正常工作時(shí)，需要合適的工作節(jié)拍。單片機(jī)的晶振電路就是單片機(jī)合格的時(shí)鐘信號(hào)，保證單片機(jī)在此時(shí)鐘下有序的工作。本設(shè)計(jì)的晶振電路是由無源晶振Y1,及外接電容C1,C2構(gòu)成，它由Y1的兩端，輸入到單片機(jī)的引腳18,19，其振蕩頻率為11.0592 MHz，為單片機(jī)提供合適的工作時(shí)鐘。晶振電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 晶振電路設(shè)計(jì)

2.4 存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)電路采用AT24LC16芯片來存儲(chǔ)土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)。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(dá)512 K、低功耗、可反復(fù)擦寫、電路簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)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(gòu)成。由單片機(jī)的引腳15,16輸出，通過電阻R2，R3，輸入到存儲(chǔ)芯片AT24LC16；或通過連接器J5，輸出到外部，提供一個(gè)外部交互接口，其中，二極管D15，D16用于提示數(shù)據(jù)處于傳輸狀態(tài)。存儲(chǔ)電路如圖5所示。

圖5 存儲(chǔ)電路

2.5 SPI通信電路

SPI通信電路是一種串行外設(shè)接口。它可以使單片機(jī)方便地與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI通信具有雙工通信、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、連接線少、功耗低、通信速率高、電路簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。SPI通信分為主控制器與從控制器。本設(shè)計(jì)中，使用的主控制器，即單片機(jī)將接收到的土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)，以SPI通信協(xié)議方式，主動(dòng)分發(fā)給外圍設(shè)備。本設(shè)計(jì)中，SPI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用軟件模擬的SPI形式。本設(shè)計(jì)的SPI通信電路是由發(fā)光二極管D11，D12，D13，D14，連接器J4構(gòu)成。其中，發(fā)光二極管D11，D12，D13，D14燈的亮滅用于指示數(shù)據(jù)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(jù)的位數(shù)較寬，速度快，相比于串口通信通信數(shù)據(jù)量大，通信協(xié)議較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而被設(shè)計(jì)者廣泛使用，用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方式。本設(shè)計(jì)的并口通信電路是由發(fā)光二極管D1～D10，連接器J3構(gòu)成。發(fā)光二極管D1～D10用來指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，連接器J3用來與外圍設(shè)備交互，傳輸土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)信息。本設(shè)計(jì)采用2根控制線，一根用來指示傳輸數(shù)據(jù)開始，另一根用來指示傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束。采用8位數(shù)據(jù)寬度用來交換數(shù)據(jù)。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(guān)SW1,SW2,SW3構(gòu)成。其中，三個(gè)開關(guān)的一端接地，另一端分別接單片機(jī)的引腳36,33,37；單片機(jī)的引腳檢測(cè)按鍵電路輸出的電平值，當(dāng)無按鍵按下時(shí)，單片機(jī)的相應(yīng)引腳高電平，單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)的相應(yīng)引腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿，單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)跳變，則單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)想要實(shí)現(xiàn)的，一方面需要硬件電路的設(shè)計(jì)，另一方面，軟件設(shè)計(jì)也必不可少。主程序的設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的一部分，是整個(gè)系統(tǒng)不可分割的部分，它主要的實(shí)現(xiàn)流程如下：系統(tǒng)上電，進(jìn)行復(fù)位操作，以及指向主程序的工作；其次，進(jìn)行系統(tǒng)程序初始化；讀取按鍵值的信號(hào)電平值；對(duì)按鍵進(jìn)行處理；當(dāng)按鍵為1時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，單片機(jī)將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器芯片中，在傳輸?shù)倪^程中，發(fā)光二極管用來指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)；當(dāng)按鍵為2時(shí)，進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)傳輸功能，單片機(jī)將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)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(shè)備，在傳輸?shù)倪^程中，發(fā)光二極管的D11～D14用來指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)；當(dāng)按鍵為3時(shí)，進(jìn)行并口數(shù)據(jù)傳輸功能，單片機(jī)將接收的土壤氧化亞氮數(shù)據(jù)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(shè)備，在傳輸?shù)倪^程中，發(fā)光二極管D1～D10用來指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)；最后，程序再次進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)。主程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 主程序設(shè)計(jì)流程

4 仿真驗(yàn)證

利用軟件語言生成單片機(jī)執(zhí)行程序[5]；利用Proteus軟件[6]，對(duì)整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作。主要仿真的是：?jiǎn)纹瑱C(jī)檢測(cè)時(shí)刻按鍵值的信號(hào)電平值；對(duì)不同的按鍵進(jìn)行不同的按鍵功能，進(jìn)行不同的處理；將采集到土壤氧化亞氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器中；將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的SPI接口，通過連接器輸出到外設(shè)；將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲⑿薪涌?，與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過仿真結(jié)果，驗(yàn)證了馬鈴薯生長(zhǎng)土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是一款馬鈴薯生長(zhǎng)土壤氧化亞氮排放采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主控制器以單片AT89C51為核心，以復(fù)位電路、存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤氧化亞氮排放采集。通過傳感器電路采集數(shù)據(jù)信號(hào)，通過串口輸入到單片機(jī)；單片機(jī)檢測(cè)按鍵電路，并根據(jù)按鍵值不同，進(jìn)行不同的處理；或?qū)⒉杉酵寥姥趸瘉喌臄?shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器中；或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的SPI接口，通過連接器輸出到外設(shè)；或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)讲⑿薪涌?，與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

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