基于射频技术的植物电信号测量系统设计

摘要

植物电信号是与植物生理过程及体内传送信号密切相关的主要生理信号，是植物对环境变化刺激产生的反应。由于电信号是反映植物生长状况及生理信息的重要信号，因此可以将其作为温室生产调控温度、湿度等环境因子的一个参考依据。最优化调控环境因子，可以使植物生长状况达到最佳，进而可以提高农作物产量。因此，对植物电信号的监测及分析展开研究，将会对设施农业技术、信息化农业技术以及精准农业技术（信息技术、生物技术和工程技术等高新技术的一系列综合）的研究及推广具有重要的推动作用。
　　本文综合运用模拟电子技术、单片机编程技术、串行通信技术、无线射频技术、VB编程、数据库技术、传感器技术等设计了一个对植物电信号的实时测量系统。所设计的系统具有实时性好、抗干扰性强及可实现远程测量、分布式测量等特点。论文主要从课题研究现状及发展趋势、系统整体设计方案、系统硬件设计方案、系统软件设计方案、系统功能仿真及实验、研究总结等六个方面展开论述。
　　首先分析了本课题国际研究现状以及国内研究现状，详细介绍了国际上以及国内对植物电信号的研究历史、研究进展等情况，并分析了植物电信号研究的发展趋势。在分析本课题国内外研究现状和发展趋势的基础上，提出了系统的整体设计方案。然后分别具体分析了系统的硬件设计方案和软件设计方案，并提出了软硬件设计过程中抗干扰的措施。
　　在整体设计方案中，详细介绍了系统的整体功能，并介绍了系统在硬件上的模块组成及各组成模块的功能。系统主要由若干个电子标签、终端阅读器以及PC上位机构成;其中，电子标签和阅读器构成一个无线传感网络。电子标签主要实现对植物电信号的采集及发送，终端阅读器接收各个电子标签传送来的数据信息并将信息通过串口发送至PC上位机，PC上位机上可以观测到各个标签所测得的植物电信号幅值大小及实时曲线。
　　在硬件设计方案中详细介绍了各个模块的工作原理、模块中所用芯片的选型及所选芯片的特点、各个模块的电路原理图。先后介绍了信号采集模块、模数转换模块、控制器模块、射频收发模块、系统供电电源模块、串行通信模块以及液晶显示模块等7个模块的工作原理、芯片选型、电路原理。其中，信号采集模块详细介绍了其中的前置放大电路、陷波电路、低通滤波电路、二级放大电路及末级放大电路中所用集成运放的选型和所选运放的特点及电阻、电容参数选择。
　　在软件设计方案中介绍了电子标签中单片机和阅读器中单片机的主程序流程图、子程序流程图以及PC上位机程序设计方案。首先介绍了电子标签中单片机的主程序设计流程及A/D采样子程序设计流程。接着介绍了阅读器中单片机主程序设计流程及串行通信子程序流程，并详细介绍了射频收发芯片NRF24L01编程设计方案。最后详细介绍了PC上位机程序设计的方案、包括界面窗体设计的方案、界面窗体与数据库关联的设计方案、两个界面窗体间相关联的设计方案，并详细介绍了界面窗体设计中所运用控件的作用及特点。
　　在系统仿真和实验部分利用了电子电路软件对电路系统各模块进行了效果仿真测试，从电路仿真的结果来看，电路各功能模块基本能够符合设计要求。在实验测量中选取了三种植物进行测试，记录了植物电信号数值并描绘出大致的信号波形。
　　最后对本测试系统作了概要的总结，指出了本文研究的不足之处以及今后需要调整和改进的方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究现状

1．2．1 国内研究状况

1．2．2 国际研究状况

1．2．3 发展趋势

1．3 本文研究内容

第二章 系统整体设计方案

2．1 系统整体功能

2．2 硬件电路各组成模块

2．2．1 信号采集模块

2．2．2 主控制器模块

2．2．3 射频收发模块

2．2．4 模数转换电路

2．2．5 液晶显示模块电路

2．3 PC上位机功能概述

2．4 系统设计指标

2．4．1 硬件抗干扰设计

2．4．2 软件抗干扰设计

第三章 系统硬件电路设计

3．1 信号采集模块

3．1．1 前置放大电路

3．1．2 低通滤波电路

3．1．3 中间放大电路

3．1．4 陷波电路

3．1．5 末级放大电路

3．2 主控器模块

3．2．1 AT89S52单片机接口电路

3．2．2 AT89S52单片机资源介绍

3．3 射频收发模块

3．3．1 芯片选型

3．3．2 NRF24L01特性及其应用

3．3．3 NRF24L01及外围电路

3．4 串行通信模块

3．4．1 MAX232特点

3．5 温湿度检测电路模块

3．6 供电电源模块

3．6．1 主要元器件

3．6．2 工作原理及特点

3．7 模数转换电路

3．7．1 TLC2543引脚排列及特点

3．7．2 TLC2543的工作原理

3．8 液晶显示模块

第四章 系统软件设计

4．1 电子标签中单片机主程序

4．2 阅读器中单片机主程序

4．3 阅读器中单片机串行通信子程序

4．4 射频收发芯片信息接收子程序

4．5 射频收发芯片信息发送子程序

4．6 PC上位机程序设计

4．6．1 VB与数据库

4．6．2 VB数据库访问技术

4．6．3 窗体设计中运用到的控件介绍

4．6．4 上位机串行通信子程序

4．6．5 窗体设计

第五章 系统功能仿真及实验

5．1 模数转换电路功能仿真

5．2 信号处理电路功能仿真

5．2．1 低通滤波器软件功能仿真

5．2．2 中间放大级电路功能仿真

5．2．3 陷波电路软件仿真

5．2．4 末级放大电路软件仿真

5．3 电源功能仿真

5．4 实验测量与记录

第六章 总结和展望

6．1 研究总结

6．2 研究中的不足之处

参考文献

附录一 原理图

附录二 源程序

致谢