农田灌溉水质监测控制系统设计

刘麒,王影

吉林化工学院,吉林吉林132022

农田灌溉水质监测控制系统设计

刘麒,王影

吉林化工学院,吉林吉林132022

针对灌溉农业水质监测仪流路进样控制系统高稳定性与高精度的要求，基于单片机技术设计了流路进样模块驱动控制电路，引入蠕动泵的驱动电路和多位阀的控制电路，并进行电路控制精度测试实验。实验结果表明：基于单片机设计控制电路可提高水质监测仪流路进样电路的稳定性与流路进样的精确度，为灌溉水质监测仪可靠性的提高奠定关键技术基础。

单片机;灌溉水质监测仪;流路控制系统;稳定性;高精度

水资源污染已成为影响农业生产的重要影响因素之一。如果能够对水质进行实时的监测，及发现水质污染并进行治理，这对于农业生产。开发先进的在线水质监测系统具有重要的实用意义和巨大的市场需求[1]。灌溉水质监测仪器多数通过对比目标液与标准液的建标曲线得出检测结果，所以仪器流路进样模块的进样精度直接影响了水质检测结果的准确度，仪器精确稳定的进样显得非常重要[2]。为此，论文展开灌溉农业水质监测仪的进样模块控制电路的研究以提高仪器的稳定性与水质检测的精确度。

1 灌溉水质监测仪的流路系统设计

本文所设计灌溉水质监测仪系统总体结构如图1所示，嵌入式控制系统采用的是Linux操作系统，处理器采用ARM微处理器。嵌入式控制系统通过控制多位阀选择不同的试剂通路，然后控制蠕动泵将一定量的试剂抽入检测室，通过搅拌加快试剂的反应。光源发出的光经过检测室的液体吸收后，经光通路由微型光谱仪接收。然后微型光谱仪通过串口将吸光度数据传送到嵌入式控制系统，嵌入式控制系统通过对比待测溶液吸光度和标准溶液吸光度-浓度标准曲线，确定待测溶液的某一成分浓度，从而实现水质参数的快速实时监测[3]。

1.1电路设计整体框图

水质监测仪的整体电路系统设计框图如图2所示。该电路以ARM微处理器为控制核心，外围电路包括丰富的接口，理论上可以很好的控制系统协调稳定的工作。ARM微处理器外围电路包括复。位电路、LCD液晶显示屏电路、触摸屏电路、用于与上位机通信的串口电路以及其它的一些调试接口[4]。流路器件的驱动与控制电路主要包括多位阀的串口控制电路和蠕动泵的驱动与控制电路。其中多位阀与蠕动泵的驱动控制电路是本次设计的重点内容，也是直接关系到进样模块工作效果的重要内容。

图1 在线灌溉水质监测仪系统总体结构Fig.1 Generalstructure of irrigationagriculture water quality monitor system

图2 水质监测仪的电路系统设计框图Fig.2 Circuit diagram of the system design for water quality monitor

1.2电源电路

论文采用24 V直流电源作为系统供电电源，24 V直流电源可以直接为多位阀供电，也是流路系统中所需要的最高电压。蠕动泵驱动电路需要12V和5V的电压作为供电，同时USB接口电路以及LCD液晶显示屏电路都需要5 V电压作为电源[5]。图3为根据固定输出12 V电压的LM2596开关电压调节器的典型应用电路设计的电源电路。电容C33是220µF的铝电解电容，作为旁路电容，用于防止在输入端出现大的瞬态电压，保持直流输入电压的稳定[6]。肖特基二极管1N5824与电感L1并联作为电路的续流二极管，保证电压稳定以及防止烧坏器件；电容C34采用的是220µF的钽电容，作为输出端的补偿电容，保证输出电压的稳定性。

图3 12 V电源电路原理图Fig.3 Principle diagram of 12V power supply circuit

2 ARM微处理器外围电路

论文采用的ARM微处理器是Samsung公司的S3C2410芯片。对于本次设计，S3C2410具有LCD控制器，提供1通道LCD专用DMA，3通道UART(通用异步收发器)、8通道10比特ADC和触摸屏接口、2端口USB（通用串行总线）主机/1端口USB设备。

2.1复位电路

ARM微处理器的J12引脚为nRESET引脚，若要微处理器复位，则需要在nRESET引脚上加最少四个时钟周期的低电平。电路中采用STC811T芯片作为复位信号的产生芯片，当芯片的MR引脚上有一个从低到高的电平跳变时，RESET引脚将产生一个持续200µS的低电平。如图4所示，当按键SW1没有按下时，MR引脚保持高电平状态。当按键被按下时，MR引脚变为低电平状态，按键被放开后，电平恢复高电平，此时完成了一个从低到高的电平跳变，RESET引脚将产生一个持续200 µS的低电平。RESET引脚与微处理器的J12 nRESET引脚连接，200µS的低电平时间能够保证微处理器复位。

2.2LCD触摸屏电路

触摸屏电路设计如图5所示。电路中采用两个FDC6321芯片，即四个MOS管，用于实现对触摸屏的引脚电平的切换控制；电路图中的电阻R16和电容C24以及R17和C25组成两个低通滤波器，分别用来滤除Y坐标信号与X坐标信号的高频噪声。

图4 复位电路Fig.4 Reset circuit

图5 触摸屏控制电路Fig.5 Control circuit of the touch screen

3 流路进样控制电路

3.1微型步进电机蠕动泵驱动电路

微型步进电机蠕动泵是由两相微步进电机驱动电路驱动的，蠕动泵驱动电路图见图6所示，电路上半部分为控制信号的处理电路，下半部分为步进电机的驱动电路。其中EN为使能信号，控制驱动电路是否工作；DIR信号控制步进电机的旋转方向；STEP信号是步进电机工作所需要的脉冲信号。由于ARM芯片引脚输出电压为3.3V且驱动能力有限，电路中接入了3.3 V电源，采用三极管9013作为开关，控制信号通过控制三极管的基极电压控制后续电路的导通与否。

为减小控制电路与驱动电路的相互干扰，电路中采用可控制光电耦合器件TLP521将电路的前后端进行隔离。为保证信号质量，将光耦输出接入4HC14D六位反向施密特触发器，经过74HC14D整形以后，电路的仿真结果如图8所示，图中实线是经过反相施密特触发器之后的信号波形，虚线是经过光耦之后的输出信号，由图可知信号波形将得到很大的改善。

图7 蠕动泵驱动电路Fig.7 Drive circuit of the peristaltic pump

图8 控制信号处理电路仿真结果Fig.8 Simulation results of control signal processing circuit

3.2多位阀控制电路

流路进样模块采用的多位阀自带控制模块，可以通过串口与上位机进行通信，其串口通讯电平为5 V，而ARM微处理器的串口通讯电平为3.3 V，所以需要通过串口转换芯片MAX3232使微处理器S3C2410的串口与多位阀模块的串口相匹配，完成通讯。ARM芯片通过串口向多位阀的控制模块发送对应的指令就可以完成对多位阀的控制。多位阀串口通信电路如图9所示。

图9 多位阀串口通信电路Fig.9 Communication circuit of multiposition valve ports

5 实验结果分析

对硬件电路分模块进行调试，调试无误后，搭建流路进样精度实验平台，进行精度实验以验证电路的稳定性与精确度。根据灌溉水质监测仪监测对象以及检测项目的需求，实验所需确定的进样体积包括：0.2 mL、0.8 mL、1.0 mL、1.2 mL、2.0 mL和2.5 mL。为确保进样精度并且便于实验，实验采用密度为0.9999 g/mL的蒸馏水作为目标试剂。利用高精度电子天平称取蠕动泵抽取的试剂的质量，然后求得其体积。试验中所记录的结果均为将步进电机步数调整完成后的最佳进样结果。进样精确度测试实验数据如表1所示。从表1的测试数据可以计算得出各次测量值与理论值的相对误差的绝对值小于2%，流路进样精度很高，符合设计要求。相对于均值的误差呈现出标准的随机性，方差小于0.0001，测量精密度很高。相对标准偏差为1%左右，流路控制系统具有很好的重现性。

表1 进样精确度测试实验数据（单位:mL）Table 1 Test data of sampling precision

6 结论

开发先进的灌溉水质监测系统对于现代农业的发展具有重要的实用意义。本文利用单片机控制系统设计了灌溉水质监测仪流路进样控制电路，同时增加了蠕动泵的驱动电路和多位阀的控制电路以提高进样模块稳定性与精确度，并完成了电路的测试实验。实验结果表明：测量值与理论值的相对误差的绝对值小于2%，方差小于0.0001，流路进样精度和测量精密度很高，流路控制系统具有很好的重现性。

[1]郭建,温志渝,魏康林.多参数水质监测仪流路系统设计[J].自动化仪表,2012,33(2):80-82

[2]陈松柏,温志渝,魏康林.水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究[J].实验科学与技术,2012,10(6):14-17

[3]曹学飞,尹少平,印江.嵌入式触摸屏接口电路及驱动设计[J].电力学报,2009,24(5):399-401

[4]武新,温志渝,魏康林.新型多参数水质分析仪流路控制系统的设计[J].化工自动化及仪表,2011,4:20-24

[5]张营.ARM嵌入式系统的LCD驱动设计[[J].电子技术,2008,45(7):23-25

[6]Michael V Storey,Bram vander Gaag,Brendan P.Burns.Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems[J].Water Research,2011,45:741-747

Design of Control System for Water Quality Monitor in Irrigating Farmland

LIU Qi,WANG Ying
Jilin University of Chemical Technology,Jilin1320022,China

This paper designed the driving control circuit of flow injection module basedon single chip microcomputer technology,for agricultural irrigation water quality monitor flow sampling control system with high stability and high precision requirements,introducted the driving circuit of peristaltic pump and a number of valve control circuit,and performed a test for the circuit control accuracy.The experimental results showed that the design based on single chip microcomputer control circuit could improve the water quality monitor flow sampling circuit stability and the accuracy of the flow injection,laid the key technical basis for irrigation water quality monitor to improve the reliability.

Single-chip computer;irrigation agriculture water quality;flow control system;stability;high precision

X853

A

1000-2324(2014)05-0698-04

2013-03-11

2013-03-22

刘麒(1980-),男,汉族,吉林省延吉人,硕士,讲师,研究方向:自动控制及仪器仪表.