一種土壤排放氣體采集系統設計

黨學立，王 雯

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

全球氣候變化是當今國際社會普遍關注的熱點環境問題，尤其是當代。由于人類各種活動的影響，溫室氣體二氧化碳、甲烷和氧化亞氮排放急劇增加，其產生的后果相當嚴重，使得海平面上升，全球氣溫升高，對自然環境造成相當大的毀壞[1]。文獻[2]通過研究稻田土壤中經3年陳化后的生物炭(B3)和新施入生物炭(B0)對稻麥輪作系統CH4和N2O綜合溫室效應和溫室氣體強度的影響，明確了生物炭對土壤溫室氣體排放的長期效應。本文研究了一種農田、草地、森林土壤排放氣體采集系統，它可以實時、有效地采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳和氧化亞氮數據，并將采樣的氣體數據以近距離無線傳輸的形式發送出去。該采集系統的設計可作為一種檢測一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮氣體的手段，為農業生產的科學研究、減少溫室氣體和空氣污染提供理論基礎。

1 土壤排放氣體采集系統結構

土壤排放氣體采集系統由單片機STC89C55[3]、時鐘及復位電路、傳感器電路、模數轉換電路、無線傳輸模塊電路構成，其組成框圖如圖1所示。傳感器電路采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據，其中，一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據以模擬電壓的形式輸出。模數轉換電路將模擬的電壓轉變成數字電平，方便單片機處理。時鐘及復位電路為單片機提供時鐘節拍及上電復位工作。無線傳輸模塊電路將采集到的土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據以近距離無線傳輸的形式發送出去，由上位機無線接收設備接收數據，并進一步處理。

圖1 土壤排放氣體采集系統組成框圖

2 硬件電路設計

2.1 傳感器電路設計

本設計使用的氧化亞氮氣體傳感器模組具有體積小巧、方便、價格低、無需標定的特點；采集后的信號可以是模擬電壓信號；其性能優良穩定。使用的二氧化碳變送器具有以下特點：供電電源靈活(10 V～30 V)；測量范圍大、精度高、穩定性好、非線性小；數據更新時間短，僅為2 s；溫度影響小，自帶溫度補償；可在-10 ℃～+50 ℃環境下工作；響應時間短，90%階躍變化時一般小于90 s。使用的一氧化氮氣體檢測模塊具有安全可靠、可實時在線監測氣體濃度、反應速度快、誤差率低；抗干擾能力強、可實現全量程溫濕度補償和數據修正、產品的精確度和穩定性高、可進行現場聲光報警等優點。傳感器電路由連接器J4、J5、J6以及集成電路芯片U2連接構成，如圖2所示。其中，集成電路芯片U2型號為ADC7327;連接器J4接二氧化碳變送器；連接器J5接智能型氧化亞氮氣體傳感器模組；連接器J6接一氧化氮氣體檢測模塊。

圖2 傳感器電路

2.2 模數轉換電路設計

模數轉換電路是將模擬的電壓信號轉變成數字電平信號，便于單片機數字處理。本設計的模數轉換電路采用專用的芯片ADC7327，其特點如下：具有12位SAR ADC帶有符號位；真雙極性輸入范圍；選擇輸入范圍大，可達±10 V；吞吐速率適中，每秒采樣可達500 000次；8個帶通道序列器的模擬輸入通道；支持單端、真差分和偽差分模擬輸入。本設計的模數轉換電路由集成電路U2,電容C2、C3,以及集成電路U1連接構成。其中，集成電路U2的型號為ADC7327,集成電路U1的型號為AT89C55。模數轉換電路如圖3所示。

圖3 模數轉換電路

2.3 無線傳輸模塊電路

無線傳輸模塊是將采集的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據以近距離無線傳輸的形式發送出去。本設計無線傳輸模塊采用YB30，它具有以下特點：通用頻率433 MHz或868 MHz；靈敏度高達-121 dBm；最大輸出功率為20.5 dBm；數據傳輸率可達256 000 byte/s；具有FSK、GFSK調試模式；關機模式超低功耗；定時喚醒功能；環境適應能力強，可在-40 ℃～80 ℃下工作。本設計的無線傳輸模塊電路是由集成電路U1,連接器J1,電阻R3、R4,發光二極管D15、D16連接構成。發光二極管D15、D16用來指示發送或接收數據的狀態；連接器J1接無線傳輸模塊YB30；單片機與無線傳輸模塊YB30采用串口的方式交換數據。無線傳輸模塊電路如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊電路

3 主程序設計

該土壤排放氣體采集系統不僅需要硬件電路系統，同時，軟件系統也必不可少。軟件設計中，主程序的設計相當重要，它是整個軟件系統的主線，所有的子程序設計都圍繞著主程序進行。本系統主程序主要實現的流程如下：首先，進行上電初始化工作，即系統加電，硬件復位，系統內部狀態恢復到初始值；其次，配置ADC采樣通道0，在其相應的子程序中使能ADC采樣通道0,啟動二氧化碳數據的采樣，并讀取二氧化碳數據，在ADC轉換結束后控制器讀取二氧化碳數據，并存儲于變量中；隨后進行配置ADC采樣通道1、通道2工作，在其相應的子程序中分別采樣一氧化氮、氧化亞氮數據，并讀取一氧化氮、氧化亞氮數據，在ADC轉換結束后控制器讀取一氧化氮、氧化亞氮數據，并存儲于變量中。隨后進行數據無線傳輸工作，在其相應的子程序中進行無線傳輸模塊的初始化，數據的整合和數據無線發送；最后，程序進入循環采樣過程。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 仿真驗證

利用Proteus軟件[4]、Keil C51軟件[5]對該土壤排放氣體采集系統整個軟、硬件系統進行仿真。即單片機通過SPI接口協議配置ADC采樣通道；判斷ADC采樣數據是否完成，并進行下一步處理；對采用的數據進行糾錯及修正處理；進行無線模塊配置設置；進行數據處理及打包，并通過SPI接口發送數據，實現與外設的近距離數據交互。通過仿真實驗，驗證了該土壤排放氣體采集系統設計的可行性。

5 結束語

本文設計了一種土壤排放氣體采集系統，主控制器以單片機AT89C55為核心，以傳感器電路、模數轉換電路、無線傳輸模塊電路、時鐘及復位電路為輔助電路，實現了對土壤排放氣體的采集。通過傳感器電路采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據，并以模擬電壓的形式輸入到模數轉換電路。再由模數轉換電路將模擬的電壓信號轉變成數字電平信號，輸入到單片機，由控制器進行數字處理。無線傳輸模塊電路將采集的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數據以近距離無線傳輸的形式發送出去。通過Proteus仿真實驗，驗證了軟硬件系統的可行性。本文研究的土壤排放氣體采集系統，可方便地采集氣體數據；同時，可將采集的氣體數據以近距離無線傳輸的形式發送出去，實現與近距離的無線外設交互。