基于LabVIEW 的沙地马铃薯生长环境检测系统

党学立，王雯

（榆林学院，陕西榆林 719000）

各种作物对土壤酸碱度的适应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条件下，农作物才能从土壤中获得全面的营养。文献[1]阐述了土壤pH 对土壤养分有效性、土壤微生物含量及茶树吸收利用的影响及土壤pH 对茶树生长、产量和品质的影响。文献[2]采用室内土柱模拟试验,设置5 种不同加酸用量处理。研究不同淋洗水量（60 mm、120 mm、180 mm、240 mm）条件下土壤盐度和酸碱度的时空变化特征。文献[3]采用埋设于地表以下1.2 m的供热管道给土壤增温，在土壤增温期间，距供热管道0 m、0.5 m、1.0 m 和1.5 m 的平均地温较无增温对照依次增加约8.0 ℃、6.0 ℃、4.0 ℃和2.0 ℃。结果表明：土壤增温不低于6.0 ℃可使冬小麦根系下扎至100 cm，土壤增温小于6.0 ℃最大根系限制在80 cm 以内。土壤增温有利于冬小麦株高和叶面积指数的增加，越冬期历时缩减，并提前进入返青拔节阶段，但生长后期却出现了早衰现象。增温幅度越大，早衰现象就越提前，直接影响冬小麦的产量形成。文献[4]描述了植物的生长离不开水、无机盐以及适时适量补充的光照，通过控制执行装置（水泵、红蓝光源以及营养液槽）将其调节为植物生长所需的最优值。

由以上分析可知：农作物的生长环境对农作物的产量、品质等有较大影响，实时精准地检测农作物的生长环境（温度、湿度、pH），并加以合理的控制，可实现优质、高产的目标。为此，该研究设计了沙地马铃薯生长环境检测系统，采用一种远程传输的电子检测方式，探求沙地马铃薯生长的最适宜环境，为农业生产的组织管理提供一些科学依据。

1 系统结构

系统结构是由单片机控制和上位机控制两个控制部分构成。这两个控制部分按照预定的控制时序，协同完成测量控制任务。单片机控制部分是由晶振及复位电路、单片机、传感器电路、ADC 采样电路、GPRS 通信模块电路构成。其中，传感器电路采集土壤的温度、湿度和酸碱度。土壤的温度、湿度和酸碱度数据以模拟电压的形式输出；ADC 采样电路将模拟的电压转变成数字电平，方便控制器处理；晶振及复位电路为控制器提供时钟，以及上电复位工作；GPRS 通信模块电路将采集到土壤的温度、湿度和酸碱度数据，以无线的形式发送出去，以供上位机进一步处理。上位机控制部分是由PC 机和USB 接口的GPRS 通信模块构成。PC 机上设有应用软件，采集单片机控制部分发送的数据，并保存到文件，作进一步处理。单片机和上位机控制部分结构框图分别如图1、图2 所示。

图1 单片机控制部分结构框图

图2 上位机控制部分结构框图

2 硬件电路设计

2.1 传感器电路设计

传感器电路是将要测量的量转化为具有确定关系的电信号。该设计需要检测的量为土壤的酸碱度、土壤的温度和土壤的湿度。土壤的酸碱度采用pH 检测采集传感模块，其型号为E-201-C，功耗小于0.2 W，响应时间小于3 s，稳定时间小于30 s，工作温度范围为0～75 ℃。多种输出方式，可模拟输出，可串口输出。pH 检测范围为0～14。土壤的温度采用PT100 温度变送器测量，它具有高精度，性能稳定、抗干扰能力强。连接简单，仅需要一根信号线等。土壤的湿度采用电容式土壤湿度传感器，其尺寸小、连线少，工作电压范围广，可在3.3～5.5 V 电源下工作。

传感器模块的输出电压为0～3 V，便于后续的模拟采集处理。该设计的传感器电路是由连接器J2、J3、J4 以及集成电路芯片U1 构成。其中，U1 型号为ADC0809，连接器J2 接pH 检测采集传感模块，连接器J3 接电容式土壤湿度传感器，连接器J4 接PT100温度变送器。传感器电路如图3 所示。

图3 传感器电路

2.2 晶振及复位电路设计

该设计的晶振电路由电容C1、C2和无源晶振Y1连接构成，晶振电路的作用是为单片机提供合适的时钟节拍，所设计晶振的振荡频率为12 MHz；该设计的复位电路可实现上电复位及按键复位，由电容C3、按钮SW1 和电阻R1组成，当系统加电，进行上电复位；当运行中程序跑飞，按下按键进行复位，重新加载运行程序。晶振及复位电路如图4 所示。

图4 晶振及复位电路

2.3 ADC采样电路设计

所设计采样电路使用ADC0809进行模数转换[5-7]。ADC0809 具有较宽的温度范围，适用于-40～+85 ℃；功耗低，大约15 mW；单电源供电，可采用5 V 供电；转换时间适中，可达到100 μs；具有多通道输入，可达8 通道；分辨率为8 位；模拟输入范围0～+5 V，不需零点和满刻度校准，使用方便。

设计时根据实际情况，采用低成本、使用方便的ADC0809 芯片足以满足需要。ADC 采样电路由有源晶振Y1、集成芯片U2 以及集成芯片U1 构成。其中，集成芯片U2 为ADC0809，集成芯片U1 为AT89C51，有源晶振Y1 产生500 kHz 时钟信号。ADC 采样电路如图5 所示。

图5 ADC采样电路

2.4 GPRS通信模块电路

GPRS 通信模块将采集的数据，通过无线传输形式发送到上位机，以供进一步处理。所设计的GPRS通信模块电路由连接器J1，电阻R3、R4，发光二极管D15、D16，以及集成电路芯片U1 连接构成。其中，连接器J1 接sim900a 模块[8-10]，它具有功耗低、尺寸小、供电范围宽等优点；发光二极管D15、D16 用来指示数据正在传输的状态。GPRS 通信模块可将采集的土壤温度、湿度、酸碱度数据，通过短信形式发送给上位机，以实现数据的实时采样。GPRS 通信电路如图6 所示。

图6 GPRS通信电路

3 主程序设计

该设计系统不仅需要硬件电路平台，同时，软件设计也是必不可少。软件设计中，主程序的设计尤为重要，它是软件设计的主线。

3.1 单片机控制程序流程设计

单片机控制程序主要的实现流程如下：第一步，系统进行初始化工作；第二步，采样土壤pH，在其相应的子程序中，配置相应的采样通道，启动采样，判断转换结束标志，采集土壤pH 数据；第三步，采样土壤温度值，在其相应样，判断转换结束，采集土壤温度数据；第四步，采样土壤湿度值，在其相应的子程序中，配置相应的采样通道，启动采样，判断转换结束标志，采集土壤湿度数据；第五步，进行GPRS 模块初始化，使其处于数据待发送状态；最后，将采样的土壤pH、温度值、湿度值数据打包发送给上位机。此后，进入循环采集和数据循环发送。主程序设计流程如图7 所示。

图7 主程序设计流程

3.2 单片机控制主要程序代码

单片机控制主要程序代码为：

3.3 上位机控制设计

上位机控制设计时充分利用LabVIEW 软件[11-13]，在Windows 操作系统下，构建人机交互界面，实现有序的数据测量、数据滤波处理、数据图形显示、数据文件存储等。其中，用户登录界面如图8 所示，数据波形显示界面如图9 所示。

图8 用户登录界面

图9 数据波形显示界面

4 单片机控制程序验证

单片机控制程序验证过程：利用Keil C51 软件语言生成单片机执行程序[14-15]。利用Proteus软件[16-17]生成硬件电路系统的原理图。然后加载单片机的软件程序，对整个软硬件系统进行仿真。主要对单片机采样模拟通道进行配置，单片机采样的启动和结束的判断[18]，单片机串行通信的初始化，单片机串行发送数据，单片机串行接收数据[19]，实现与外设的数据交互和仿真。通过运行情况，来验证采集系统设计的可行性。

5 结束语

基于LabVIEW 的沙地马铃薯生长环境检测系统的主控制器以单片机AT89C51 为核心，以晶振及复位电路、传感器电路、ADC 采样电路、GPRS 通信模块电路为外围电路，实现对马铃薯生长环境（温度、湿度及pH）数据的采集[20]。采用pH 检测模块采样土壤酸碱度，采用PT100 温度变送器采样土壤温度，采用电容式土壤湿度传感器采样土壤湿度。采集的数据输入到单片机，经过进一步处理，由GPRS 通信模块输出到上位机。上位机LabVIEW 应用软件接收GPRS 模块发送的数据，进行数据的滤波处理，并将数据保存到文件中。基于LabVIEW 的沙地马铃薯生长环境检测系统，可方便地采集现场数据，并且可实时地将远程采集的采样数据传输到上位机，并保存到文件中。该电路简单，成本低，具有一定的现实价值。