基于LabVIEW 的沙地馬鈴薯生長環境檢測系統

黨學立，王雯

（榆林學院，陜西榆林 719000）

各種作物對土壤酸堿度的適應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，農作物才能從土壤中獲得全面的營養。文獻[1]闡述了土壤pH 對土壤養分有效性、土壤微生物含量及茶樹吸收利用的影響及土壤pH 對茶樹生長、產量和品質的影響。文獻[2]采用室內土柱模擬試驗,設置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空變化特征。文獻[3]采用埋設于地表以下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照依次增加約8.0 ℃、6.0 ℃、4.0 ℃和2.0 ℃。結果表明：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。土壤增溫有利于冬小麥株高和葉面積指數的增加，越冬期歷時縮減，并提前進入返青拔節階段，但生長后期卻出現了早衰現象。增溫幅度越大，早衰現象就越提前，直接影響冬小麥的產量形成。文獻[4]描述了植物的生長離不開水、無機鹽以及適時適量補充的光照，通過控制執行裝置（水泵、紅藍光源以及營養液槽）將其調節為植物生長所需的最優值。

由以上分析可知：農作物的生長環境對農作物的產量、品質等有較大影響，實時精準地檢測農作物的生長環境（溫度、濕度、pH），并加以合理的控制，可實現優質、高產的目標。為此，該研究設計了沙地馬鈴薯生長環境檢測系統，采用一種遠程傳輸的電子檢測方式，探求沙地馬鈴薯生長的最適宜環境，為農業生產的組織管理提供一些科學依據。

1 系統結構

系統結構是由單片機控制和上位機控制兩個控制部分構成。這兩個控制部分按照預定的控制時序，協同完成測量控制任務。單片機控制部分是由晶振及復位電路、單片機、傳感器電路、ADC 采樣電路、GPRS 通信模塊電路構成。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、濕度和酸堿度數據以模擬電壓的形式輸出；ADC 采樣電路將模擬的電壓轉變成數字電平，方便控制器處理；晶振及復位電路為控制器提供時鐘，以及上電復位工作；GPRS 通信模塊電路將采集到土壤的溫度、濕度和酸堿度數據，以無線的形式發送出去，以供上位機進一步處理。上位機控制部分是由PC 機和USB 接口的GPRS 通信模塊構成。PC 機上設有應用軟件，采集單片機控制部分發送的數據，并保存到文件，作進一步處理。單片機和上位機控制部分結構框圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 單片機控制部分結構框圖

圖2 上位機控制部分結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 傳感器電路設計

傳感器電路是將要測量的量轉化為具有確定關系的電信號。該設計需要檢測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 檢測采集傳感模塊，其型號為E-201-C，功耗小于0.2 W，響應時間小于3 s，穩定時間小于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 檢測范圍為0～14。土壤的溫度采用PT100 溫度變送器測量，它具有高精度，性能穩定、抗干擾能力強。連接簡單，僅需要一根信號線等。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，便于后續的模擬采集處理。該設計的傳感器電路是由連接器J2、J3、J4 以及集成電路芯片U1 構成。其中，U1 型號為ADC0809，連接器J2 接pH 檢測采集傳感模塊，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 晶振及復位電路設計

該設計的晶振電路由電容C1、C2和無源晶振Y1連接構成，晶振電路的作用是為單片機提供合適的時鐘節拍，所設計晶振的振蕩頻率為12 MHz；該設計的復位電路可實現上電復位及按鍵復位，由電容C3、按鈕SW1 和電阻R1組成，當系統加電，進行上電復位；當運行中程序跑飛，按下按鍵進行復位，重新加載運行程序。晶振及復位電路如圖4 所示。

圖4 晶振及復位電路

2.3 ADC采樣電路設計

所設計采樣電路使用ADC0809進行模數轉換[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；轉換時間適中，可達到100 μs；具有多通道輸入，可達8 通道；分辨率為8 位；模擬輸入范圍0～+5 V，不需零點和滿刻度校準，使用方便。

設計時根據實際情況，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 構成。其中，集成芯片U2 為ADC0809，集成芯片U1 為AT89C51，有源晶振Y1 產生500 kHz 時鐘信號。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據，通過無線傳輸形式發送到上位機，以供進一步處理。所設計的GPRS通信模塊電路由連接器J1，電阻R3、R4，發光二極管D15、D16，以及集成電路芯片U1 連接構成。其中，連接器J1 接sim900a 模塊[8-10]，它具有功耗低、尺寸小、供電范圍寬等優點；發光二極管D15、D16 用來指示數據正在傳輸的狀態。GPRS 通信模塊可將采集的土壤溫度、濕度、酸堿度數據，通過短信形式發送給上位機，以實現數據的實時采樣。GPRS 通信電路如圖6 所示。

圖6 GPRS通信電路

3 主程序設計

該設計系統不僅需要硬件電路平臺，同時，軟件設計也是必不可少。軟件設計中，主程序的設計尤為重要，它是軟件設計的主線。

3.1 單片機控制程序流程設計

單片機控制程序主要的實現流程如下：第一步，系統進行初始化工作；第二步，采樣土壤pH，在其相應的子程序中，配置相應的采樣通道，啟動采樣，判斷轉換結束標志，采集土壤pH 數據；第三步，采樣土壤溫度值，在其相應樣，判斷轉換結束，采集土壤溫度數據；第四步，采樣土壤濕度值，在其相應的子程序中，配置相應的采樣通道，啟動采樣，判斷轉換結束標志，采集土壤濕度數據；第五步，進行GPRS 模塊初始化，使其處于數據待發送狀態；最后，將采樣的土壤pH、溫度值、濕度值數據打包發送給上位機。此后，進入循環采集和數據循環發送。主程序設計流程如圖7 所示。

圖7 主程序設計流程

3.2 單片機控制主要程序代碼

單片機控制主要程序代碼為：

3.3 上位機控制設計

上位機控制設計時充分利用LabVIEW 軟件[11-13]，在Windows 操作系統下，構建人機交互界面，實現有序的數據測量、數據濾波處理、數據圖形顯示、數據文件存儲等。其中，用戶登錄界面如圖8 所示，數據波形顯示界面如圖9 所示。

圖8 用戶登錄界面

圖9 數據波形顯示界面

4 單片機控制程序驗證

單片機控制程序驗證過程：利用Keil C51 軟件語言生成單片機執行程序[14-15]。利用Proteus軟件[16-17]生成硬件電路系統的原理圖。然后加載單片機的軟件程序，對整個軟硬件系統進行仿真。主要對單片機采樣模擬通道進行配置，單片機采樣的啟動和結束的判斷[18]，單片機串行通信的初始化，單片機串行發送數據，單片機串行接收數據[19]，實現與外設的數據交互和仿真。通過運行情況，來驗證采集系統設計的可行性。

5 結束語

基于LabVIEW 的沙地馬鈴薯生長環境檢測系統的主控制器以單片機AT89C51 為核心，以晶振及復位電路、傳感器電路、ADC 采樣電路、GPRS 通信模塊電路為外圍電路，實現對馬鈴薯生長環境（溫度、濕度及pH）數據的采集[20]。采用pH 檢測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。采集的數據輸入到單片機，經過進一步處理，由GPRS 通信模塊輸出到上位機。上位機LabVIEW 應用軟件接收GPRS 模塊發送的數據，進行數據的濾波處理，并將數據保存到文件中。基于LabVIEW 的沙地馬鈴薯生長環境檢測系統，可方便地采集現場數據，并且可實時地將遠程采集的采樣數據傳輸到上位機，并保存到文件中。該電路簡單，成本低，具有一定的現實價值。