开题-文献综述

1、目录一引言3背景和意义31.11.2 基本概念4二国内外背景6三目标8四课题的基本内容8五采取的技术路线和解决方法8六预期的进展9七参考文献9一引言1.1背景和意义随着我国市场经济的快速发展,农业种植结构大幅度地调整,为了追求最好的经济效益,种植业主越来越强调科学种田,其中很重要的方面就是实行科学施肥。了解农作物主要是为了知道达到一定产量所需的养分(主要是指氮磷钾养分)；了解土壤主要是为了知道土壤在当季所能提供的氮磷钾养分状况。要了解土壤在当季作物能够提供的养分状况,就需要对当地土壤样品进行分析。由于对施肥观念的认识不当，在我国一些经济较为发达的地区，出现了过量施肥的现象。过量施用化肥已经造成

2、了农业生产成本增加，生态环境污染，农产品品质下降和能源资源浪费等一系列影响。要实现土壤、作物、肥料三者有机的结合和, 做到因土施肥、因时施肥、因作物施肥、因肥施用的来实现农业可持续的稳产、高产、高效益、低成本, 需要寻找一种快速、准确的新型分析方法来实现土壤养分、肥料养分和作物养分的快速检测, 这是新世纪人们普遍关心的课题之一。本课题所研制的土壤养分检测仪是微电子学和计算机等现代电子技术迅速发展的必然结果，也是传统农业的种植模式向现代化农业种植模式转变的必然要求。因此，在常规处理方法的基础上，提出一种快速、成本较低、稳定性好、自动化程度较高的土壤样本前处理解决方案具有重要意义。对于土壤养分的检

3、测，常规方法为光学方法，检测精度高，但所需仪器价格昂贵，需要专业操作，检测成本较高。离子选择性电极法因具有响应快速、前处理过程简单、成本低、易于集成等优点，备受的青睐。本课题所开发的土壤养分检测仪就是配合离子选择性电极所使用的。在本课题中，土壤氮素磷素钾素的测试项目分别是铵态氮和硝态氮，速效磷，速效钾。本课题的对测土配方施肥项目在农村推广是有意义的。1.2 基本概念1）传感器传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、显示、和控制等要求。它是实现自动

4、检测和自动控制的首要环节。2）离子选择性电极离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电势。离子选择性电极也称膜电极，这类电极有一层特殊的电极膜，电极膜对特定的离子具有选择性响应，电极膜的点位与待测离子含量之间的关系符合能公式。这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特点，是电位分析法用得最多的指示电极。3）信号调理信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成设备能够识别的标准信号。就是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)来改变输入的信号类型并输出。因为工业信

5、号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整。信号调理将设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助直接连接到广泛的传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。关键的信号调理技术可以将系统的总体性能和精度提高 10 倍。4）模数转换模数转换(ADC)亦称模拟-数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如像元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。5）阻抗匹配阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励

6、源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。匹配条件：负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。6）溶液酸碱度酸碱度是指溶液的酸碱性强弱程度，一般用值来表示。值 7 为碱性。7）流体控制流体控制是利用流体的各种控制元件（各种阀、缸等）及装置，组成控制回路，以进行自动控制。按其工作介质可分为以下两种：控制控制用油液作为工作介质，故能把由于功率的损耗

7、而产生的热量，从发生的地方带到别处，这样在一定的功率情况下，可以大大减小部件的尺寸；从负载的影响看，系统具有机械上的刚性，用在闭环系统中，定位刚度较大，位置误差较小；与机械机构相比，执行器的响应速度较高，能高速启动、制动与反向，同时其力矩惯量比也较大，因而其能力较强；传动易实现无级调速，具有自身润滑等优点。系统的缺点是：由于漏油，因而会影响运动的平稳性，并使效率降低；油液被尘埃或流体截止中其他杂质污损后，会造成液控系统发生故障；油液具有易燃性，有引起的；液体粘度受温度影响，使供油量和执行机构的运动速度不稳定；油液中有空气会引起工作机构的不均匀跳动；就处理小功率信号的数算、误差检测、放大、测试与

8、补偿等功能而言，装置不如电子或机电装置那样灵活、线性、准确和方便，因而在控制系统的小功率部分，一般不宜采用，主要应用于系统的动力部分。气动控制气动控制与控制相比，动作迅速、方便，使用的元件和工作介质成本低，便于现有机器设备的自动化改装，近年在国际上得到很大发展，成为热点之一。气动控制的缺点，是运动不平稳，有噪音，控制元件的体积较大。二国内外背景我国对多功能土壤测试仪的是从开放初期进行的。二十多年来，随着农业种植模式的逐步调整和农民种植观念的改变，对土壤养分测试仪器的市场需求也不断扩大，因此土壤养分测试仪的研制和开发也越来越多。到目前为止，各种功能不同使用范围不等的土壤养分测试仪有十多种。随着科

9、学技术的发展，土壤养分直接测量技术是土测仪发展的必然方向。目前，关于这一方向的国内尚未过。从国外土壤养分测试仪的情况来看，农业环境技术研制的土壤养分动态分析仪，利用它可以非破坏性地连续测量土壤中肥料的成分和含量，这种仪器是由连续全息光纤束的微型离子提取组件与液膜式离子的，同时采用微机控制与数字显示，使用这种装置可以随时显示出土壤溶液中的离子浓度变化情况，且可以迅速离子活动情况。(1)国外概况及已有产品Ruzicka等(1977)，Hongbo等(1985)和Ferreira等(1996)结合离子选择性电-注射分析（FIA）技术，进行了连续自动检测土壤浸提溶液中NO3。极（ISE）和和K+含量的

10、A.U.Ramsing等（1980）将离子敏场效应管（ISFET）应用于FIA系统中，对溶液的值和钾离子活度进量，取得较好的结果。Adsett等(1999年)开发了一个用于土壤硝酸盐检测的原型样机。该系统由土壤采样器、测定单元和控制单元组成。通过不同土壤类型的响应曲线分析，采用NO3 离子选择性电极在10秒内可以土壤中硝酸盐含量。Hummel J.W.(1995)和Birrell S.J.(2001)应用离子敏场效应管（ISFET）和注射分析(FIA)用于测定土壤浸提溶液中的硝酸根离子浓度。Kim等(2004)将硝酸根和钾离子选择性电极应用于流体控制系统中，通过上位机编程控制，实现对浸提溶液的

11、机械搅拌、自动传输和离子选择性电极电势信号的。Nebraska-Lincoln大学等(2004,2005)选用商品化的、钾和硝酸盐电极，开发了土壤养分自动检测系统进行土壤养分快速测定。国外产品：RQflex reflectometer(MERCK，Germany),基于分光光度法，可以测定硝酸盐、磷酸盐和钾，分辨率：0.1%；C-131 Compact PotassiumMeter & C-141 Compact Nitric AcidMeter(HORIBA，Kyoto，Japan)，基于离子选择性电极，可以测定钾离子和硝酸根离子，分辨率：1，检测范围：103101 mol/l。(2)国内概

12、况及已有产品国内有许多基于比色法的土壤养分快速测试仪方面的，没有流体控制环节，仍需人工完成加液和，并且其检测精度受到一定程度的质疑。中国农科院测土施肥中心了数据自动与处理系统，土壤浸提溶液在紫外-可见分光光度计、酸度计、原子吸收分光光度计等仪器上进试，测试仪器的数据接口采用Java语言编程直接读出数值，实现数据自动化、和自动分析，然后给出施肥。在基层，集流体控制、和分析功能为一体的检测系统研究目前不是很多。集美大学信息等（2005）基于虚拟仪器技术，利用PC微机和ICL7135-A/D接口板，并结合Visual Basic 6.0编程语言编写的上位机软件，实现了智能离子计的设计。接口板的输入阻

13、抗大于1012，参考电压为1.000V时的电位量程为-1999.91999.9mV，测量精度为0.1mV，且仪器在数据采集和处理方面具有标准曲线粗差点自动剔除和平衡电位自动辨别的优点。东学苹（2008）以MSP430F149单片机为处理器研制了一个离子浓度计，该仪器可实现mV值和值的测量的测量有多点校正和单点校正两种形式，氟、氯离子浓度的测量有温度补偿和非温度补偿测量两种形式，其结果可以mV、mg/L和mol/L三种形式显示，mg/L的显示范围为0100mg/L，适用温度范围为545。中国精细农业中心也开发了基于离子选择电极的多通道土壤养分检测设备，但仪器仅能显示mV值，在进行溶液酸碱度测定的

14、时候，无法直接进行显示；另外整个检测过程中的加液和环节需要人工完成，自动化水平较低。三目标以离子选择性电极作为前端土壤养分浸提溶液检测传感器：设计信号调理模块和模数转换模块分别解决检测仪输入阻抗与电极内阻之间的阻抗匹配问题和高精度数据转换问题；为便于溶液酸碱度的直接检测，在仪器的每个检测通道均设计 mV 和两种显示方式，并通过拨动开关/按键实现显示方式的选择；基于流体控制技术，加入流体控制模块以实现检测过程中的自动加液和检测功能，提高仪器的自动化水平；集成前面的成果，设计以离子选择性电极为前端传感器的土壤主要养分检测仪。四课题的基本内容本课题的主要内容包括以下两个部分:一、以 MSP430F1

15、49 单片机为主处理器，设计土壤主要养分检测仪：主要包括信号调理模块、模数转换模块、流体控制模块的硬件电路设计及数据和控制程序编写；二、设计并完成与国口电极检测仪器的性能对比实验，评估设计的土壤主要养分检测仪的性能。五采取的技术路线和解决方法提出问题后对相关文献进行调研，在总结前人经验的基础上提出系统的整体设计方案，并按照从局部到整体的方法对检测仪的硬件电路进行调试，之后设计对比实验对仪器性能进行评估。按照任务书，逐步完成如下工作：六预期的进展2013 年 1 月：学习基础知识，查阅相关文献，了解离子选择性电极、离子计和注射分析仪的工作原理，撰写文献综述，并提出基于电化学原理和流体控制技术的土

16、壤主要养分参数快速检测仪器的设计方案；2013 年 2 月：设计检测仪原理图，用 Pro画出 PCB 电路板；2013 年 3 月 4 月：布设 PCB 电路板，焊接电路，调试硬件设备；2013 年 5 月：检测仪器性能，完成与国内外商品化仪器的性能对比试验，对结果进行分析；2013 年 6 月：撰写，准备答辩。七参考文献1.TYZ-3 型智能型综合土壤测试仪的研制与开发:. 山西农业大学.2001.2.基于电化学原理的土壤养分快速检测方法与系统集成博士.:中国,2007.3.基于电化学原理的土壤硝态氮快速检测技术博士.:中国,2009.4,.一种便携式土壤氮素光谱检测仪设计.CSAE 201

17、1.5,.基于单片机的四通道器设计.计算机测量与控制,2011.19.6.土壤中养分的快速测定方法及仪器的.西学.20057Adamchuk, V.I.,d, E., Dobermann, A., Man, M.T.,2003. On-the-gomapof soil properties using-selective electrodes. In:Stafford, J.V.,Werner,A.(Ed.), Preciagriculture. Wageningen Academic Publishers, Wageningen.8Kim H.J., J.W. Hummel, S.J. Bi

18、rrell. Evaluatof-selective membranesfor realtime soil macronutrients sensing. Tranof ASAE2004,2004.9V.I.Adamchuk, E.D.d, B.Sethuramasamyraj,M.T.Man, A.Dobermann,D.B.Marx. Direct measurement of soil chemical properties on-the-go using-selective electrodes. Computers and Electronics in Agriculture,2005.10Loreto, A.B., Man, M.T., 1996. Development of an Automated System forField Measurement of Soil Nitrate. Pr No. 96-1087, ASAE, St. Jose, Michigan.11Birrell, S.J., Hummel, J.W., 2001. Real-time multi-ISFET/FIA soilys