黨學(xué)立，王 雯

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

全球氣候變化是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的熱點環(huán)境問題，尤其是當(dāng)代。由于人類各種活動的影響，溫室氣體二氧化碳、甲烷和氧化亞氮排放急劇增加，其產(chǎn)生的后果相當(dāng)嚴(yán)重，使得海平面上升，全球氣溫升高，對自然環(huán)境造成相當(dāng)大的毀壞[1]。文獻(xiàn)[2]通過研究稻田土壤中經(jīng)3年陳化后的生物炭(B3)和新施入生物炭(B0)對稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體強(qiáng)度的影響，明確了生物炭對土壤溫室氣體排放的長期效應(yīng)。本文研究了一種農(nóng)田、草地、森林土壤排放氣體采集系統(tǒng)，它可以實時、有效地采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳和氧化亞氮數(shù)據(jù)，并將采樣的氣體數(shù)據(jù)以近距離無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去。該采集系統(tǒng)的設(shè)計可作為一種檢測一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮氣體的手段，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)研究、減少溫室氣體和空氣污染提供理論基礎(chǔ)。

1 土壤排放氣體采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤排放氣體采集系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C55[3]、時鐘及復(fù)位電路、傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線傳輸模塊電路構(gòu)成，其組成框圖如圖1所示。傳感器電路采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)，其中，一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)以模擬電壓的形式輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬的電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字電平，方便單片機(jī)處理。時鐘及復(fù)位電路為單片機(jī)提供時鐘節(jié)拍及上電復(fù)位工作。無線傳輸模塊電路將采集到的土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)以近距離無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去，由上位機(jī)無線接收設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步處理。

圖1 土壤排放氣體采集系統(tǒng)組成框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器電路設(shè)計

本設(shè)計使用的氧化亞氮氣體傳感器模組具有體積小巧、方便、價格低、無需標(biāo)定的特點；采集后的信號可以是模擬電壓信號；其性能優(yōu)良穩(wěn)定。使用的二氧化碳變送器具有以下特點：供電電源靈活(10 V～30 V)；測量范圍大、精度高、穩(wěn)定性好、非線性小；數(shù)據(jù)更新時間短，僅為2 s；溫度影響小，自帶溫度補償；可在-10 ℃～+50 ℃環(huán)境下工作；響應(yīng)時間短，90%階躍變化時一般小于90 s。使用的一氧化氮氣體檢測模塊具有安全可靠、可實時在線監(jiān)測氣體濃度、反應(yīng)速度快、誤差率低；抗干擾能力強(qiáng)、可實現(xiàn)全量程溫濕度補償和數(shù)據(jù)修正、產(chǎn)品的精確度和穩(wěn)定性高、可進(jìn)行現(xiàn)場聲光報警等優(yōu)點。傳感器電路由連接器J4、J5、J6以及集成電路芯片U2連接構(gòu)成，如圖2所示。其中，集成電路芯片U2型號為ADC7327;連接器J4接二氧化碳變送器；連接器J5接智能型氧化亞氮氣體傳感器模組；連接器J6接一氧化氮氣體檢測模塊。

圖2 傳感器電路

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字電平信號，便于單片機(jī)數(shù)字處理。本設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用專用的芯片ADC7327，其特點如下：具有12位SAR ADC帶有符號位；真雙極性輸入范圍；選擇輸入范圍大，可達(dá)±10 V；吞吐速率適中，每秒采樣可達(dá)500 000次；8個帶通道序列器的模擬輸入通道；支持單端、真差分和偽差分模擬輸入。本設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由集成電路U2,電容C2、C3,以及集成電路U1連接構(gòu)成。其中，集成電路U2的型號為ADC7327,集成電路U1的型號為AT89C55。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.3 無線傳輸模塊電路

無線傳輸模塊是將采集的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)以近距離無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去。本設(shè)計無線傳輸模塊采用YB30，它具有以下特點：通用頻率433 MHz或868 MHz；靈敏度高達(dá)-121 dBm；最大輸出功率為20.5 dBm；數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)256 000 byte/s；具有FSK、GFSK調(diào)試模式；關(guān)機(jī)模式超低功耗；定時喚醒功能；環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在-40 ℃～80 ℃下工作。本設(shè)計的無線傳輸模塊電路是由集成電路U1,連接器J1,電阻R3、R4,發(fā)光二極管D15、D16連接構(gòu)成。發(fā)光二極管D15、D16用來指示發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)；連接器J1接無線傳輸模塊YB30；單片機(jī)與無線傳輸模塊YB30采用串口的方式交換數(shù)據(jù)。無線傳輸模塊電路如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊電路

3 主程序設(shè)計

該土壤排放氣體采集系統(tǒng)不僅需要硬件電路系統(tǒng)，同時，軟件系統(tǒng)也必不可少。軟件設(shè)計中，主程序的設(shè)計相當(dāng)重要，它是整個軟件系統(tǒng)的主線，所有的子程序設(shè)計都圍繞著主程序進(jìn)行。本系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)的流程如下：首先，進(jìn)行上電初始化工作，即系統(tǒng)加電，硬件復(fù)位，系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)恢復(fù)到初始值；其次，配置ADC采樣通道0，在其相應(yīng)的子程序中使能ADC采樣通道0,啟動二氧化碳數(shù)據(jù)的采樣，并讀取二氧化碳數(shù)據(jù)，在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后控制器讀取二氧化碳數(shù)據(jù)，并存儲于變量中；隨后進(jìn)行配置ADC采樣通道1、通道2工作，在其相應(yīng)的子程序中分別采樣一氧化氮、氧化亞氮數(shù)據(jù)，并讀取一氧化氮、氧化亞氮數(shù)據(jù)，在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后控制器讀取一氧化氮、氧化亞氮數(shù)據(jù)，并存儲于變量中。隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸工作，在其相應(yīng)的子程序中進(jìn)行無線傳輸模塊的初始化，數(shù)據(jù)的整合和數(shù)據(jù)無線發(fā)送；最后，程序進(jìn)入循環(huán)采樣過程。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 仿真驗證

利用Proteus軟件[4]、Keil C51軟件[5]對該土壤排放氣體采集系統(tǒng)整個軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真。即單片機(jī)通過SPI接口協(xié)議配置ADC采樣通道；判斷ADC采樣數(shù)據(jù)是否完成，并進(jìn)行下一步處理；對采用的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯及修正處理；進(jìn)行無線模塊配置設(shè)置；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及打包，并通過SPI接口發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與外設(shè)的近距離數(shù)據(jù)交互。通過仿真實驗，驗證了該土壤排放氣體采集系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種土壤排放氣體采集系統(tǒng)，主控制器以單片機(jī)AT89C55為核心，以傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線傳輸模塊電路、時鐘及復(fù)位電路為輔助電路，實現(xiàn)了對土壤排放氣體的采集。通過傳感器電路采集土壤排放的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)，并以模擬電壓的形式輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。再由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字電平信號，輸入到單片機(jī)，由控制器進(jìn)行數(shù)字處理。無線傳輸模塊電路將采集的一氧化氮、二氧化碳、氧化亞氮數(shù)據(jù)以近距離無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去。通過Proteus仿真實驗，驗證了軟硬件系統(tǒng)的可行性。本文研究的土壤排放氣體采集系統(tǒng)，可方便地采集氣體數(shù)據(jù)；同時，可將采集的氣體數(shù)據(jù)以近距離無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去，實現(xiàn)與近距離的無線外設(shè)交互。