營養(yǎng)液電導(dǎo)率傳感器及測量系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

1、植物工廠是在溫室的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種高度專業(yè)化的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)。在植物工廠里，作物的栽培方式主要是營養(yǎng)液栽培。營養(yǎng)液的電導(dǎo)率(EC)是作物生長的重要因素之一，過濃或過稀的營養(yǎng)液都會影響作物的生長。電導(dǎo)率是電解質(zhì)溶液的一個基本的電化學(xué)參數(shù)，其測量所用的傳感器依據(jù)測量原理的不同一般可分為電極式和電磁感應(yīng)式。目前溶液電導(dǎo)率的測量普遍采用電極電導(dǎo)率測量法，這種測量方法已經(jīng)非常成熟，但電極法采用的電極通常為鉑電極之類的貴金屬，使用成本高，電路結(jié)構(gòu)

2、較復(fù)雜，并且需要定期對其電極進行標(biāo)定及更換，嚴重影響電極的使用壽命和測量精度。電磁感應(yīng)電導(dǎo)率測量法采用的電磁傳感器具有不易極化、耐腐蝕污染、配接電路簡單等優(yōu)點，但也存在輸出信號弱、靈敏度低的不足，而且該傳感器的特點是適于測量較高電導(dǎo)率的溶液，一般應(yīng)用在工業(yè)電導(dǎo)率儀中，若用來測量作物營養(yǎng)液電導(dǎo)率將導(dǎo)致誤差較大，不利于作物的生長。本文結(jié)合電極式和電磁感應(yīng)式兩種電導(dǎo)率測量方式，研制一種基于電磁感應(yīng)原理與電極組合的組合式電導(dǎo)率傳感器及其測量系統(tǒng)

3、，以滿足作物營養(yǎng)液電導(dǎo)率測量的需求。論文完成的主要工作如下:
　　(1)針對作物營養(yǎng)液電導(dǎo)率的特點，設(shè)計了一種基于電磁感應(yīng)原理與電極組合的組合式電導(dǎo)率傳感器。依據(jù)電磁感應(yīng)原理，詳細分析了組合式電導(dǎo)率傳感器的測量原理，并建立了溶液電導(dǎo)率與檢測線圈感應(yīng)電壓的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)教學(xué)模型，探討了激勵源、變壓器相關(guān)參數(shù)以及電導(dǎo)池常數(shù)對組合式電導(dǎo)率傳感器靈敏度的影響。結(jié)合影響該傳感器線性度與靈敏度的相關(guān)因素，對組合式電導(dǎo)率傳感器磁芯材料和電導(dǎo)池結(jié)

4、構(gòu)進行了選擇與設(shè)計;利用Matlab的數(shù)據(jù)擬合功能，得到不同激勵線圈匝數(shù)與頻率下的傳感器輸出電壓與電導(dǎo)率的關(guān)系，對激勵源與線圈匝數(shù)等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，最終選定的正弦激勵源幅值為14V、激勵頻率為10kHz、激勵線圈匝數(shù)為3匝、檢測線圈匝數(shù)為1000匝。根據(jù)國際電子變壓器設(shè)計手冊中激勵線圈匝數(shù)的計算公式，從理論上驗證了所設(shè)計的激勵源參數(shù)及線圈匝數(shù)的合理性。
　　(2)設(shè)計了營養(yǎng)液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)的硬件部分。構(gòu)建了基于STM32F10

5、3VET6單片機的最小系統(tǒng)，實現(xiàn)了營養(yǎng)液溫度和電導(dǎo)率信號的采集、顯示以及與上位機的通訊。設(shè)計了系統(tǒng)電源模塊,采用220V交流電經(jīng)變壓器變壓、橋式整流、穩(wěn)壓后輸出各模塊所需的電壓，給每組電源使用獨立旁路電容，并將模擬電源與數(shù)字電源進行隔離，提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性;對DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)輸出的正弦信號進行了濾波及功率放大，得到了平滑穩(wěn)定的正弦激勵信號，滿足了驅(qū)動激勵線圈的要求;設(shè)計了營養(yǎng)液電導(dǎo)率信號檢測電路，對傳感器輸出信號進行有效值檢

6、測后，采用STM32內(nèi)部A/D對檢測信號進行了轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了系統(tǒng)小型化、低功耗的要求;分析了溫度對電導(dǎo)率測量的影響，設(shè)計了基于單總線數(shù)字化溫度傳感器的溫度補償電路，實現(xiàn)了對營養(yǎng)液溫度的實時檢測。
　　(3)采用模塊化編程思想對營養(yǎng)液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)進行了軟件設(shè)計，主要包括信號采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、溫度補償程序以及液晶顯示程序等。在信號采集和處理程序中，采用了軟件數(shù)字濾波技術(shù)，即在A/D采樣期間采用防脈沖干擾的算術(shù)平均值法進行數(shù)字濾波

7、，降低了因隨機干擾信號而產(chǎn)生的誤差。根據(jù)組合式電導(dǎo)率傳感器在不同溫度下測得的電導(dǎo)率標(biāo)準液的感應(yīng)電壓，說明了進行溫度補償?shù)谋匾?，擬合得到了傳感器輸出電壓隨溫度變化的溫度補償關(guān)系式，采用了基于STM32的軟件自動溫度補償法，即在營養(yǎng)液電導(dǎo)的實際測量過程中，將溫度補償關(guān)系式帶入到營養(yǎng)液電導(dǎo)率與傳感器感應(yīng)電壓的關(guān)系式中一起植入微處理器，實現(xiàn)軟件自動溫度補償及對任意營養(yǎng)液電導(dǎo)率的測量，進一步提高了測量系統(tǒng)的準確性。
　　(4)對組合式電導(dǎo)

8、率傳感器及其測量系統(tǒng)進行了試驗測試:利用電導(dǎo)率標(biāo)準液，采用Matlab曲線擬合的方式對組合式電導(dǎo)率傳感器進行了標(biāo)定校準;采用配置的不同濃度的營養(yǎng)液和電導(dǎo)率標(biāo)準液作為測量對象，同時用所設(shè)計的組合式電導(dǎo)率傳感器和SIN-TDS3031便攜式電導(dǎo)率表筆進行測量，測試組合式電導(dǎo)率傳感器的準確性;以電導(dǎo)率為1.800mS/cm的標(biāo)準液作為測量對象，每隔10分鐘記錄組合式電導(dǎo)率傳感器測量該標(biāo)準液的電導(dǎo)率結(jié)果，測試該傳感器的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明:組合