營養(yǎng)液電導率傳感器及測量系統(tǒng)的設計.pdf

1、植物工廠是在溫室的基礎上發(fā)展而成的一種高度專業(yè)化的現(xiàn)代設施農(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。電導率是電解質溶液的一個基本的電化學參數(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式。目前溶液電導率的測量普遍采用電極電導率測量法，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，電路結構

2、較復雜，并且需要定期對其電極進行標定及更換，嚴重影響電極的使用壽命和測量精度。電磁感應電導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率的溶液，一般應用在工業(yè)電導率儀中，若用來測量作物營養(yǎng)液電導率將導致誤差較大，不利于作物的生長。本文結合電極式和電磁感應式兩種電導率測量方式，研制一種基于電磁感應原理與電極組合的組合式電導率傳感器及其測量系統(tǒng)

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

4、構進行了選擇與設計;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率的關系，對激勵源與線圈匝數(shù)等參數(shù)進行了優(yōu)化設計，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計的激勵源參數(shù)及線圈匝數(shù)的合理性。
　　(2)設計了營養(yǎng)液電導率測量系統(tǒng)的硬件部分。構建了基于STM32F10

5、3VET6單片機的最小系統(tǒng)，實現(xiàn)了營養(yǎng)液溫度和電導率信號的采集、顯示以及與上位機的通訊。設計了系統(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，滿足了驅動激勵線圈的要求;設計了營養(yǎng)液電導率信號檢測電路，對傳感器輸出信號進行有效值檢

6、測后，采用STM32內部A/D對檢測信號進行了轉換，實現(xiàn)了系統(tǒng)小型化、低功耗的要求;分析了溫度對電導率測量的影響，設計了基于單總線數(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)液電導率測量系統(tǒng)進行了軟件設計，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，即在A/D采樣期間采用防脈沖干擾的算術平均值法進行數(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)組合式電導率傳感器在不同溫度下測得的電導率標準液的感應電壓，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)液電導的實際測量過程中，將溫度補償關系式帶入到營養(yǎng)液電導率與傳感器感應電壓的關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

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