土壤环境污染测试仪的硬件设计(附件)
在我们的农业生产活动中，对于某些农作物而言，它们的生长对所对应的环境至关重要，比如说对土壤环境的温度、湿度、酸碱度、硬度以及重金属含有量等都有着严格的要求，因此环境的改变会随之影响农作物的产量，从而间接影响人们的日常生活。所以，为了提高农作物的产量，我们很有必要对农作物的生长所需的土壤环境做出一系列的参数检测，即土壤的温湿度、酸碱度包括重金属含有量等做出实时的检测。传感器能采集相应的各种参数信号，它的功能将各种信号比如物理信号、化学信号以及生物信号转换成人类方便采集的电信号，从而通过对电信号进行处理最终检测出相应的参数，并对其数据分析。本测试仪的主要功能就是能实时检测并显示土壤的各项参数，系统主要由STM32、温度传感器、湿度传感器、PH电极，A/D转换，显示和数据存储等结构组成。关键词 土壤，STM32，传感器，PH电极
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 课题的发展现状 1
2 硬件设计的研究方案 2
3 硬件设计模块 3
3.1 STM32 3
3.2 温度参数检测 7
3.3 湿度参数检测 9
3.4 PH值检测及原理 11
3.5 重金属参数检测 14
3.6 ADC0832芯片 16
3.7 触摸屏模块 18
4 系统调试 20
4.1 硬件调试 20
4.2 软件调试 21
5 误差分析与数据处理 21
5.1 DS18B20的误差分析 21
5.2 土壤湿度的数据分析 23
5.3 PH值的数据处理与误差分析 25
6 设计中遇到的问题及解决 28
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附录A 系统设计原理图 33
附录B 电路PCB图 34
1 绪论
1.1 课题背景和意义
近些年来，随着我国的综合国力和创新科技的不断提高，对某些资源的需求也在不断的扩大，在发展过程中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
有些企业未来获得更大的利益不惜开始破坏环境，不断的开采土壤，随便排放工业所生产的污水，不合理处理固体废物等等，都造成环境的直接破坏。土壤作为对人类非常依赖的资源因此也正在遭受着破坏，要知道土壤不仅为各种植物提供了生长的环境，也是自然均衡中重要的环节，但是由于全国人口不断地增长，经济发展的不断需求，越来越多的土壤正在遭受破坏，比如一些农业化肥、化工企业排放的污水、一些固体废物以及生活垃圾等等，造成了土壤中的酸碱度过高，重金属的含量过高。这些都能够间接威胁到生物以及人类的健康生长，因此要想有效的防止土壤污染，对土壤的各项参数检测是必要的。
对土壤的检测在土壤环境保护、污染控制和维护土壤安全健康方面都具有重要的作用。对种植在土壤中的植物来说，若土壤中含有有害的重金属，酸碱度超标，硬度过高等便会引起疾病，影响植物的生长，在一定情况甚至引发灾害。当上述物质存在于土壤并严重超标时，会对土壤的物理性质产生很大的影响。因此监测土壤是否符合土壤环境质量的标准对保证人民生活安全具有重要意义。
农业方面，土壤环境的好坏直接影响农作物的产量。例如重金属对某些农作的影响，在食品安全中有一定的限制，再如，某些农作物对土壤的PH值有很苛刻的要求否则会严重影响农作物的质量。因此，监测土壤环境污染对预防农业产品质量或食品安全健康有重要意义。
1.2 课题的发展现状
在农业生产中，要知道土壤环境的好坏会直接影响农作物的质量，因此为了保证农作物的质量，在其生长环境中，对土壤的各项参数的检测是非常重要的，以便后续如何改善土壤环境。而前面已经提到因为传感器可以将所采集到的各种信号量转变成以电信号的方式输出，所以可以通过利用计算机从而可以直观的对其电信号进行控制与分析。本设计主要检测的是土壤的温湿度以及酸碱度，其主要有以下部分组成：STM32、温度传感器、湿度传感器、PH值电极测量模块，模数转换，数据显示等。最终可以实现实时显示其各项参数。
2 硬件设计的研究方案
在本设计中，主要是以ARM系列中的STM32系统为核心的一套检测系统，利用其对一些信号的敏感性，对温湿度采集的信号的转换处理与分析。系统中主要包括土壤的温湿度信号采集模块，PH值电位采集、A/D转换、ARM处理器、显示模块、系统硬件和软件等部分的设计。在设计中，核心部件为STM32F103C8T6，用DS18B20传感器对土壤的温度信号进行数据采集以及分析处理，土壤湿度信号进行采集与处理的模块用YL69湿度传感器来实现。PH信号的测试则是采用物理上电化学的原理完成对土壤溶液中氢离子浓度的测定从而检测出PH值，最终从而可以实现实时对土壤参数的检测与显示。
图2.1 系统结构框图
3 硬件设计模块
3.1 STM32
现如今，嵌入式系统应用在各个领域，无论是在工业、家用电器、通信技术以及电子研究开发等各大领域都是通过利用嵌入式系统技术从而获得了更好的使用性能，而且有时候相比于其他类似技术则是表现的更加容易，而且更快更便宜。不可否认的是，嵌入式系统的开发必将会为我国的信息技术、军工国防等自动信息控制领域都会扮演着重要的角色。
在本设计中，选取的是STM32系列单片机，其是属于嵌入式系统的一种，对于一些想性能功耗比就高的嵌入式应用设计，大部分采用的都是STM32系列，在日常生活中也是有着广泛的应用，技术相当成熟，我也从一些资料中特意了解了这种系列的单片机，按照内核的结构来分，可以分成多种内型，由于本系统采用的是STM32系列，因此着重对此介绍。
STM32F1系列里有三种类型，分别是 “增强型”系列、“基本型”的系列和“互联型”的系列。在这其中，相对其他类型来说性能最好的就是增强型系列，它的时钟频率是72MHZ，而作为普通型的时钟频率则只有36HZM，但是作为普通型系列而言，已经能够大部分满足一些产品的设计需求，所以普遍使用的。内存方面，这两种产品是一样的。当然，在某种特殊情况下，内存还是可以调用某些程序。
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图3.1 STM32F103C8T6实物引脚图
内核：MCU的处理长度为32位，它的工作频率为72MHZ，由于受外部的环境因素较小，所以稳定性较好。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 课题的发展现状 1
2 硬件设计的研究方案 2
3 硬件设计模块 3
3.1 STM32 3
3.2 温度参数检测 7
3.3 湿度参数检测 9
3.4 PH值检测及原理 11
3.5 重金属参数检测 14
3.6 ADC0832芯片 16
3.7 触摸屏模块 18
4 系统调试 20
4.1 硬件调试 20
4.2 软件调试 21
5 误差分析与数据处理 21
5.1 DS18B20的误差分析 21
5.2 土壤湿度的数据分析 23
5.3 PH值的数据处理与误差分析 25
6 设计中遇到的问题及解决 28
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附录A 系统设计原理图 33
附录B 电路PCB图 34
1 绪论
1.1 课题背景和意义
近些年来，随着我国的综合国力和创新科技的不断提高，对某些资源的需求也在不断的扩大，在发展过程中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
有些企业未来获得更大的利益不惜开始破坏环境，不断的开采土壤，随便排放工业所生产的污水，不合理处理固体废物等等，都造成环境的直接破坏。土壤作为对人类非常依赖的资源因此也正在遭受着破坏，要知道土壤不仅为各种植物提供了生长的环境，也是自然均衡中重要的环节，但是由于全国人口不断地增长，经济发展的不断需求，越来越多的土壤正在遭受破坏，比如一些农业化肥、化工企业排放的污水、一些固体废物以及生活垃圾等等，造成了土壤中的酸碱度过高，重金属的含量过高。这些都能够间接威胁到生物以及人类的健康生长，因此要想有效的防止土壤污染，对土壤的各项参数检测是必要的。
对土壤的检测在土壤环境保护、污染控制和维护土壤安全健康方面都具有重要的作用。对种植在土壤中的植物来说，若土壤中含有有害的重金属，酸碱度超标，硬度过高等便会引起疾病，影响植物的生长，在一定情况甚至引发灾害。当上述物质存在于土壤并严重超标时，会对土壤的物理性质产生很大的影响。因此监测土壤是否符合土壤环境质量的标准对保证人民生活安全具有重要意义。
农业方面，土壤环境的好坏直接影响农作物的产量。例如重金属对某些农作的影响，在食品安全中有一定的限制，再如，某些农作物对土壤的PH值有很苛刻的要求否则会严重影响农作物的质量。因此，监测土壤环境污染对预防农业产品质量或食品安全健康有重要意义。
1.2 课题的发展现状
在农业生产中，要知道土壤环境的好坏会直接影响农作物的质量，因此为了保证农作物的质量，在其生长环境中，对土壤的各项参数的检测是非常重要的，以便后续如何改善土壤环境。而前面已经提到因为传感器可以将所采集到的各种信号量转变成以电信号的方式输出，所以可以通过利用计算机从而可以直观的对其电信号进行控制与分析。本设计主要检测的是土壤的温湿度以及酸碱度，其主要有以下部分组成：STM32、温度传感器、湿度传感器、PH值电极测量模块，模数转换，数据显示等。最终可以实现实时显示其各项参数。
2 硬件设计的研究方案
在本设计中，主要是以ARM系列中的STM32系统为核心的一套检测系统，利用其对一些信号的敏感性，对温湿度采集的信号的转换处理与分析。系统中主要包括土壤的温湿度信号采集模块，PH值电位采集、A/D转换、ARM处理器、显示模块、系统硬件和软件等部分的设计。在设计中，核心部件为STM32F103C8T6，用DS18B20传感器对土壤的温度信号进行数据采集以及分析处理，土壤湿度信号进行采集与处理的模块用YL69湿度传感器来实现。PH信号的测试则是采用物理上电化学的原理完成对土壤溶液中氢离子浓度的测定从而检测出PH值，最终从而可以实现实时对土壤参数的检测与显示。
图2.1 系统结构框图
3 硬件设计模块
3.1 STM32
现如今，嵌入式系统应用在各个领域，无论是在工业、家用电器、通信技术以及电子研究开发等各大领域都是通过利用嵌入式系统技术从而获得了更好的使用性能，而且有时候相比于其他类似技术则是表现的更加容易，而且更快更便宜。不可否认的是，嵌入式系统的开发必将会为我国的信息技术、军工国防等自动信息控制领域都会扮演着重要的角色。
在本设计中，选取的是STM32系列单片机，其是属于嵌入式系统的一种，对于一些想性能功耗比就高的嵌入式应用设计，大部分采用的都是STM32系列，在日常生活中也是有着广泛的应用，技术相当成熟，我也从一些资料中特意了解了这种系列的单片机，按照内核的结构来分，可以分成多种内型，由于本系统采用的是STM32系列，因此着重对此介绍。
STM32F1系列里有三种类型，分别是 “增强型”系列、“基本型”的系列和“互联型”的系列。在这其中，相对其他类型来说性能最好的就是增强型系列，它的时钟频率是72MHZ，而作为普通型的时钟频率则只有36HZM，但是作为普通型系列而言，已经能够大部分满足一些产品的设计需求，所以普遍使用的。内存方面，这两种产品是一样的。当然，在某种特殊情况下，内存还是可以调用某些程序。
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图3.1 STM32F103C8T6实物引脚图
内核：MCU的处理长度为32位，它的工作频率为72MHZ，由于受外部的环境因素较小，所以稳定性较好。
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