一種無土栽培營養(yǎng)液離子檢測系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-08-24 18:37 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 PH 值、 EC 值采集，具有精度高，測量范圍廣等特點。 營養(yǎng)液檢測與控制系統(tǒng)概述 本文設(shè)計了一種以單片機為控制核心的水培方式的營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由三部分組成：一是離子檢測系統(tǒng)，主要以離子選擇電極和溫度傳感器為核心。溫度傳感器對溶液的溫度進行實時的監(jiān)測與顯示。離子選擇電極與參比電極組成二電極體系 ，離子電極通過對營養(yǎng)液中特定離子的選擇性濾過，使其在離子電極與參比電極之間形成電位差，并通過放大和 AD 轉(zhuǎn)換之后傳送到單片機控制器；二是單片機控制器，通過對接收到的信號進行處理，并給執(zhí)行器件即電磁閥發(fā)送指令，控制其動作通斷，同時對采集到的信號送 LCD 進行實時顯示，方便操作人員對數(shù)據(jù)進行采集，同時在適當?shù)臅r候進行人為操作；三是執(zhí)行器件，主要包括電磁閥、攪拌電機以及 LCD 顯示模塊組成。當檢測出檢測池中離子濃度過高時，打開清水閥門，對營養(yǎng)液進行稀釋；攪拌電機將溶液攪拌均勻后，當檢測出離子濃度過低時，打開營養(yǎng)液閥門， 對營養(yǎng)液進行適當?shù)难a充，使營養(yǎng)液中離子濃度總保持在合適的范圍。 2. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 離子檢測電路的組成 離子檢測模塊 營養(yǎng)液中的主要營養(yǎng)元素為 N、 P、 K。其在營養(yǎng)液中主要是以游離的離子形式存在的，本設(shè)計以測定鉀離子在營養(yǎng)液中的含量為例，其他的離子的測定方法與鉀離子測定方法類似。本設(shè)計中，離子傳感器采用泰州雷磁儀器設(shè)備有限公司的 401 型鉀離子電極，參比電極采用配套的 801 型雙液接飽和甘汞電極 ,離子電極將營養(yǎng)液中鉀離子濃度信號轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過電壓放大以及 AD 轉(zhuǎn)換后傳入單片機，過程如下圖所示。 8 離子選擇性電極關(guān)鍵是膜基裝置，由選擇性滲透的離子導體材料組成的膜將樣品與電極內(nèi)部溶液分開，在膜的內(nèi)側(cè)填充有一定活度的被測離子的溶液。此膜通常是無孔的、非水溶性的、力學上性能穩(wěn)定的膜。膜能夠?qū)Ω信d趣的離子進行選擇性鍵合，即發(fā)生在膜 溶液界面上的離子交換，而將其他共存離子留在膜材料的原側(cè)。而且此鍵合過程會引起一個相界電位，該電位滿足能特斯方程： (1) 式中， ：標準電極電位 (mv)，由測定系數(shù)所決定的電位差， R 為氣體常數(shù) ?mol， T 為熱力學溫度； z：離子價態(tài)， F：法拉第常數(shù) 96487C/mol，為被測離子在溶液中的活度。常見標準電極電位如下表 21 所示 : 電極組成 電極反應式 氧化型 +?還原型 /V ∣K + ?K ∣Ca +2 ?Ca 9 ∣ +?Zn ∣Pt + ? ∣Cd +2 ?Cd ∣Ni +2 ?Ni ∣Pb +2 ?Pb ∣Ag AgBr+ ?Ag+ + ∣Pt +2 ? + 表 21 標準電極電位 （ 298K） 本設(shè)計所采用的鉀離子電極為標準 Pt 電極 ,通 過上表可查得其標準電極電位。 我們把電解質(zhì)溶液中離子實際發(fā)揮作用的濃度稱作有效濃度，即為活度（ activity）。通常用 表示，它和離子的濃度 有如下關(guān)系： （ 2） 上式中， 叫做活度系數(shù)（ activity coefficient）。一般說來活度總是小于濃度，故 ＜ 1。溶液越稀，活度與濃度的相差就越小。特別的，當溶液的 10 離子濃度很稀，離子所帶的電荷也很少時這時活度就接近于濃度，活度系數(shù) 近似于 1。常見的電解質(zhì)離子平均活度系數(shù)如表 22 所示（溫度為 298K 時）。 m/mol﹒ HCl NaOH NaCl KCl Ca La 表 22 298K 時某些強電解質(zhì)的平均活度系數(shù)（ ） 在本設(shè)計中，我們用不同濃度 KCL 溶液模擬營養(yǎng)液系統(tǒng)，通過上述表格，我們可以查得其平均活度系數(shù)。 鉀離子電極 401 的其他一些參數(shù)如下： 線性范圍： 100～ 5 106M 測量范圍： 1～ 106M PH范圍： 4～ 10pH 使用溫度： 0～ 45℃ 響應時間： 1 分鐘 電極內(nèi)阻：＜ 12兆歐 （ 298K） 主要干擾離子： 干擾離子 選擇系數(shù) 鋰離子 鈉離子 銨離子 鈣離子 鎂離子 鋇離子 在這里特別需要提出的是溶液的溫度和干擾離子對于離子電極檢測過程的影響。溫度對于離子的活度有一定的影響，在這里我們只討論常溫（ 298K）下的溶液的離子檢測；對于干擾離子來說，沒有任何一個電極只是對某一種特殊離子有響應，而在在含有主要和干擾的兩種離子的混合物中（分別為 i 和 j） ,電極響應滿足以下方程： (3) 11 其中， 為選擇性系數(shù)，當 1時，表示離子電極對于干擾離子的響應遠大于目標離子， 值越低，表示電極的選擇性越高。一般來說，選擇性系數(shù)低于 105 時，可以認為該離子對于目標離子沒有干擾。 在實際的營 養(yǎng)液配方中，由各種肥料組成的營養(yǎng)液含有多種干擾離子，影響鉀離子電極的電勢測量 精度，由選擇系數(shù)表明各干擾離子對鉀離子電極正常工作影響較小。 在實驗中，我們通過測不同濃度下的 KCl 溶液的測量電勢，為盡量避免誤差，采取多次測量取平均值的方法，得出如下表的數(shù)據(jù)，并繪制出如下圖 2曲線： 表 23 鉀離子電極測量電勢與鉀離子濃度的關(guān)系（室溫下） 氯化鉀濃度 (mol/L) 測量電勢 (mV) 氯化鉀濃度 (mol/L) 測量電勢（ mV） 1 1 1 1 1 1 1 12 圖 2 離子濃度與電壓關(guān)系 通過上述的圖表可以看出，通過鉀離子電極檢測到的電壓與溶液中離子的濃度近似為線性關(guān)系，基本滿足能特斯方程。去除兩頭的失真部分 ,其有效檢測范圍為 1 mol/L 到 1mol/L。 電壓放大模塊 由于從離子電極采集到的電壓信號為 mV 級別的電壓，不能夠直接接到 AD轉(zhuǎn)換芯片直接進行 AD 轉(zhuǎn)換，故需要對電壓進行放大操作才可以。而電壓放大模塊能夠?qū)斎氲男盘栠M行放大操作，其放大倍數(shù)在 1100 倍是連續(xù)可調(diào)的 ，這就能夠滿足我們設(shè)計的要求。該模塊其他一些技術(shù)參數(shù)如下： 輸入電壓： DC524V [單雙電源均可 ]； 功耗特點：低功耗； 增益線性度：線性； 是否有溫漂：有； 13 工作溫度范圍： 25℃ ~+65℃； 圖 3 電壓放大模塊 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 PCF8591 是一個單片集成、單獨供電、低功耗、 8位的 CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。該芯片采用典型的 I178。C總線接口 進行器件尋址。含有 4 個模擬輸入端口和 1個模擬輸出端口，同時還有 1個串行 I178。C總線接口 。 I178。C總線上在能夠同時接入
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