化肥厂氮含量检测智能仪表的硬件设计

刘红艳，麦艳红

（1.南宁职业技术学院机电工程系，广西南宁 530028；2.南宁职业技术学院，广西 530028；）

化肥厂氮含量检测智能仪表的硬件设计

刘红艳1，麦艳红2

（1.南宁职业技术学院机电工程系，广西南宁 530028；2.南宁职业技术学院，广西 530028；）

氮肥是主要的化肥原料，氮的含量直接影响到氮肥的使用效率。化肥生产过程中液态氮含量在管道运行过程中进行在线监测遇到的问题。本文借鉴其它已有的先进检测手段，通过现场数据采集、处理和理论分析，探讨出可行的解决方法。论文主要从氮含量的特征、检测方案选择，智能仪表的硬件设计，核心传感器的选型等方面进行研究。对于化肥生产过程中氮含量在线检测智能检测的研发，是基于单片机进行开发，并采用TCS3200颜色传感器做为核心检测元件；并通过试验室检测的结果来验证该仪表检测的可行性，为工程应用提供可行的方法。

控制科学与技术，智能仪表；氮含量；颜色传感器；TCS3200

0 引言

随着化肥市场的迅速发展，科学种田的观念不断深入，按需施肥的观念不断深入人心，化肥监测工作也日益受到重视。

国外学者通过数字图像对其相关植物进行了氮素营养指标相关性分析[1]。我国近年来也有相关报道，但是目前此类研究主要集中在水稻、小麦、棉花、玉米、黄瓜、马铃薯、草莓等粮食、蔬菜及少数水果作物上[2]，通过采用不同手段将数字图像参数与不同作物的氮素进行相关分析，均表明应用数字图像技术可用来评价田间作物氮素含量，为计算机视觉图像处理技术的农作物氮素检测奠定了基础。

现在光谱测量仪器是光学仪器的重要种类之一，它是一种基于光学光谱的色散原理、衍射原理或光学调制原理设计而成[3]，用于研究和测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律，以及对物质的结构和成分等特性进行测量、分析和处理的基本光学仪器。

传统的光谱分析检测技术是基于光的发射和吸收原理，近年来各个科技领域的飞速发展已经推动了光谱分析检测技术和光谱仪器的突破性发展[4]，而使之成为高科技知识密集化的典型。现在光谱测量仪器具有分析精度高、测量范围大、速度快等有段。光谱技术的应用几乎涵盖了所有的科学领域，怎样将光谱仪器更有效的运用到更多的领域中去，成为了新的研究课题。

1 化肥厂总氮含量检测方法

现今化肥生产过程中总氮含量主要以实验室的检测为主，。常用的化肥中氮含量的测试方法有几种，其中一种是凯式定氮法，这种方法的检测步骤主要对样品进行消化、蒸馏、滴定等步骤来测定，费时较长，有时甚至需要将样品过夜静置[5]。还有一种采用在取样管中取样，然后再实验室中进行滴定，由于NH4

+为弱酸（ka=5.6×10-10），因此不能采用NaOH标准溶液直接滴定。通常含氮量的测定主要采用强碱蒸氨再用酸吸收后返滴定及加入甲醛后使NH4+酸性强化后直接用NaOH标准溶液滴定的方法，实验室滴定方法每检测一组参数所需4个小时左右。所以这两种传统的检测方法检验周期比较长。大大影响了化肥生产的效率，增加了耗能。

化肥生产过程中氮含量的检测手段，需要根据不同的化肥工艺来确定最佳检测方案，并且根据产品的特性进行深入细致研究，探索出行之有效的检测仪表。内外色度学的相关理论发展很快，颜色识别技术在许多行业中得到了广泛推广[6]，在化肥厂氮含量的测定中，由于加入试剂后，氮的颜色会从无色变成淡蓝色。可以检测色值突变的点计算氮的含量。

颜色测量应用最多的有四个领域：一个是工业应用，包括印染、造纸、油漆、印刷和纺织等；一个是农业生产，包括水果色度、面粉白度、棉花等级、葡萄干分选和油脂颜色等；一个是环境检测，包括草皮颜色、海水颜色等。一个是医学，包括B超、血糖计和血胆固醇计等。

基于光谱对颜色的测量研究有很多，但是基于颜色对光谱的测量的研究却很少，本次研发的仪表是以颜色传感器为核心，通过团队设计的电路板来通过检测不同的颜色得出总氮含量。颜色传感器的测量原理是，通过测定待测物质的颜色，然后不同颜色对应不同的氮含量值。由于颜色传感器所测量的颜色有三个色值（红色、黄色和绿色），三个颜色对不同颜色溶液的感光度不同。最终只能用一种测试过程非常稳定的颜色值作为主要的颜色参考值，来计算总氮含量。本文主要介绍氮含量在线监测传感器的硬件设计。

2 颜色传感器的设计及测量原理

市场上目前颜色的测量手段有很多种，大多采用光谱测量方法[7]，并且光谱学仪器庞大，价格较贵。本项目采用的是TCS230颜色传感器，基于单片机系统开发的智能传感器检测设备。现在对智能传感器的硬件部分做详细介绍。

2.1 氮含量检测设备的整体设计

智能仪表的硬件设计主要包含四部分：供电系统设计、CPU核心系统的选型、显示单元设计、检测单元的设计。在这四部分中，检测单元的设计和CPU的选择是核心。检测系统的主电路图如图1。

2.2 CPU的选型

在系统调试阶段选择STC89C52，调试结束后可以选择其他型号的单片机芯片。因为STC89C52支持在线编程、调试和下载[8]，所以在程序调试阶段选择这个系列的单片机，有利于不断更新和完善程序。

图1 智能检测仪表的电路板设计图Fig. 1 Schematic diagram design of the intelligent instrument

2.3 颜色传感器的选择

TCS3200 是 Taos 公司最新推出继TCS230之后的新一代RGB 彩色光频率转换器。它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流到频率转换器，TCS3200的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS 逻辑输入[9]，因此可直接与单片机的STC89C51进行电路连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道 10 位以上的转换精度，因而不再需要 A/D 转换电路，使电路更简单。

TCS3200识别颜色的原理：

根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。 由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS3200来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过[10]。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同时，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS3200传感器上的光的颜色。

2.4 采用STC89C52与TCS3200连接装置实现智能仪表的检测

本次STC89C52和TCS3200设计一个颜色识别装置。该智能仪表设计价格低廉，灵敏度高、识别精度高，并且可以通过设计外部电路使得输出4～20mA信号与上位机通信，从而可以将检测信号在上位机上进行显示。TCS3200的引脚和功能如下：

下面仅给出其中的TCS230识别电路，如图2所示。图2中用STC89C52的P1口的几个引脚来控制TCS3200的各个控制引脚，而TCS3200的输出引脚与STC89C52的定时器/计数器1的输入端（P35）。设置STC89C52定时器/计数器为相应的工作方式，初始化STC89C52定时器为一个定值，再选择TCS3200的输出比例因子。实际使用中，通过读取单片机中计数器的值，就可以计算出TCS3200的3种输出频率，进而确定R、G、B值及颜色。相应的软件流程如图2所示。

当TCS3200识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。这里有两种方法来计算调整参数：1、依次选通三颜色的滤波器，然后对TCS3200 的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，这些时间对应于实际测试时TCS3200每种滤波器所采用的时间基准，在这 段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。2、设置定时器为一固定时 间（例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS3200的输出 脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。 在实际测试时，室外同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因 子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。

图2 TCS3200引脚图Fig 2 The pin diagram of TCS3200

颜色传感器与STC3200模块的连接

2.5 显示单元与STC89C52的连接

显示单元采用最常用的LCD1602与STC89C52

LCD1602接口连接方法

3 检测仪表的测试结果

分别将浓度为1/100的试管放在颜色传感器能检测的范围内。连续对同一个参数在半个月内随机测量得出的参数如下，

表1 智能仪表测试结果Tab.1 Test results of intelligent instruments

从以上对含氮量1/100的检测结果，红颜色输出频率的变化幅度在2111～2124之间，绿色的变化幅度在1990～2002之间，黄色的输出频率在1818～1832之间，每种频率的范围是0～6000，将每种颜色的频率转化成标准信号后，红色的范围为（0.352～0.354），绿色的变化范围为（0.332～0.334），黄色的变化范围（0.303～0.305）。不管使用哪种颜色作为参考值，得出的误差范围在1%以内，这对于肥料的总氮含量检测结果是可行的。随后又对氮含量1/10，1/20，1/50这几组数据的测量结果，误差均在1%以内，说明这种检测手段是可行的。

4 结论

本次设计主要是通过颜色传感器在氮肥滴定过程中颜色改变那一瞬间，通过颜色传感器的变化读出氮的含量是可行的。对于化肥生产过程中氮含量在线检测智能检测的研发，是基于单片机进行开发，并建立检测的优化模型；采用实验室与现场相结合的方法，并与传统测量方法进行对比实验；根据不断实验来完善相关的产品，为工程应用提供可行的方法。本篇设计针对检测单元进行，对于外部管道的设计需要配合已使用的颜色传感器进行。一体化检测手段需要进一步深入的研究，并且通过采集多种数据进行验证进行确定。今后会继续从事这方面的研究，以使智能检测仪表设计更加的成熟。

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Hardware Design of Intelligent Instrument for Measuring Nitrogen Content in Chemical Fertilizer Plant

LIU Hong-yan1, MAI Yan-hong2
(1.Nanning College for Vocational Technology, GuangXi, 530028;2.Nanning College for Vocational Technology, GuangXi, 530028;)

Nitrogen fertilizer is the main raw material of the effciency of the use of nitrogen fertilizer. Liquid nitrogen fertilizer encounter some problems of online monitoring during transports in the pipeline operation process. In this paper the feasible solutions is proposed on the basis of advanced detection means of other ones, through collecting on-site data collection, dealing with these data and analysis. This paper mainly studies the hardware design of the intelligent instrument, from the characteristics of nitrogen content, the choice of detection scheme and the selection of the core sensor and so on. This intelligent instrument is based on the development of singlechip, and the core detecting element is TCS3200 which is a kind of color sensor. In the fnal using the laboratory test results verify the feasibility of this instrument, and provide a feasible method to practical engineering application.

Control science and technology;Nitrogen content; Intelligent instrument; Color sensor;TCS3200

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.004

:LIU Hong-yan, MAI Yan-hong. Hardware Design of Intelligent Instrument for Measuring Nitrogen Content in Chemical Fertilizer Plant[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 20-24.

2015广西高校科学技术研究项目（KY2015YB391）

刘红艳（1977-），女，副教授，南宁职业技术学院机电工程学院机电群专业带头人，主要从事智能仪表研发，控制系统设计，机电一体化专业教学工作

麦艳红（1967-），教授，南宁职业技术学院机电工程学院机电群专业带头人，主要从事智能仪器仪表创新项目设计研发，机电一体化专业教学工作

本文引用格式：刘红艳，麦艳红. 化肥厂氮含量检测智能仪表的硬件设计[J]. 新型工业化，2016，6（12）：20-24.