CN101975800A - 畜禽粪便肥料成分检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及畜禽粪便肥料成分检测方法及其检测装置。本发明的畜禽粪便肥料成分检测方法，包括以下步骤：检测畜禽粪便的电阻率，选择畜禽种类和肥料成分种类；将检测到的电阻率、选择的畜禽种类和肥料成分种类作为输入来选择预测估算模型，所述预测估算模型对输入的数据进行分析；所述预测估算模型根据分析结果计算所述畜禽粪便中的肥料成分含量。本发明能预知畜禽粪便中的肥料成分含量，可以防止肥料施用不当，实现畜禽粪便的合理利用并能减少环境污染。

Description

畜禽粪便肥料成分检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及肥料成分检测方法及其检测装置，具体涉及一种畜禽粪便肥料成分铵态氮或全钾含量的检测方法及其检测装置。

背景技术

各种畜禽、水产品在养殖过程中常常会产生大量的粪尿，这些养殖废料中含有剩余饵料、化学品残留物、以及富含氮、磷、有机质和毒性物质的养殖生物排泄物，如果处理不当就会造成环境污染。而畜禽粪便中还有大量农作物生长所必需的氮、磷、钾等营养成分和大量的有机质，目前，将其还田作为有机肥在农业生产中已得到了广泛的应用。如果不合理使用畜禽粪便或连续过量施用，不仅起不到应有的效果，而且还会导致被施用于农田的土壤硝态氮、磷、重金属等含量过高，污染地下水，排放氨气、硫化氢等有害气体，影响作物生长和人类健康，造成生态环境的二次污染。

目前，国内主要采用实验室化学分析方法测定畜禽粪便中肥料成分含量，虽然精度高，但耗时长、费力且价格较贵，实际生产中不易于普遍推广。国内外研究表明，利用畜禽粪便的理化指标(比重、pH值)预测其肥料成分含量是一种有效的肥料成分含量快速预测方法。在国外，欧美等许多发达国家在快速预测畜禽养殖废料成分含量方面做了相应的研究，并已开发出了一系列类似的仪器装置，如粪污计是根据粪便中氮、磷含量与干物质含量的关系确定其含量。与传统的实验室测量方法相比，快速测定法使用简便、测量快速，并具有一定的使用和推广价值。

由于各国饲养模式，管理方法及畜禽品种、粪便处理工艺等的不同，所建立的模型存在很大差异，不同种类的动物粪便需要使用不同的预测方程，不同国家所建立的预测方程也是不同的，所以国外的研究成果不能直接应用于我国。国内已有学者考察了肉鸡、蛋鸡、肉牛、猪、奶牛等畜禽粪便理化指标快速预测肥料成分含量的可行性，并建立基于理化指标的畜禽粪便肥料成分含量快速预测估算模型，为开发适合我国国情的畜禽肥料成分含量快速检测设备提供了有力理论依据，但相关仪器装置尚未开发投入使用。我国确定畜禽粪便中主要成分含量仍旧采用传统方法即实验室中的物理化学分析法，如用凯氏定氮法测定总氮的含量，虽然其测量精度高，但费时、费力而且无法实现在田间检测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种通过测定液状畜禽粪尿的理化指标来实现分析不同动物粪便中肥料成分铵态氮或全钾含量，适合田间监测和分析液状畜禽粪便肥料成分含量的方法与装置。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种畜禽粪便肥料成分检测方法，其中，包括以下步骤：

1)、检测畜禽粪便的电阻率，选择畜禽种类和肥料成分种类；

2)、将检测到的电阻率、选择的畜禽种类和肥料成分种类作为输入来选择预测估算模型，所述预测估算模型对输入的数据进行分析；

3)、所述预测估算模型根据分析结果计算所述畜禽粪便中的肥料成分含量。

其中，所述步骤1)之后还包括：检测所述畜禽粪便的温度值，将所述温度值输入选择的预测估算模型，所述预测估算模型根据所述温度值对所述电阻率进行补偿。

本发明还提供了一种用于上述检测方法的检测装置，其中，包括传感器和控制器，所述传感器用于检测畜禽粪便的电阻率，对检测的信号进行处理，并发送给控制器；所述控制器与所述传感器相连，用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号选择预测估算模型，并计算出畜禽粪便中的肥料成分含量。

其中，所述传感器包括电极和处理单元，所述电极用于检测畜禽粪便的电阻率，所述处理单元包括信号转换电路和放大电路，所述转换电路用于将电极输出的交流信号转换为直流信号，所述放大电路用于将转换后的信号放大。

其中，所述控制器包括主控单元、温度传感器以及显示模块，所述主控单元用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号计算出畜禽粪便的肥料成分含量，所述温度传感器温度用于对测量的电阻率进行温度补偿；所述显示模块与控制器相连，用于显示控制器处理的数据信息。

其中，所述控制器还包括U盘存储模块和键盘模块，所述U盘存储模块用于保存主控单元的计算结果，所述键盘模块用于选择畜禽种类肥料种类。

其中，所述电极为铂电极。

其中，所述铂电极的表面镀有一层铂黑。

(三)有益效果

本发明提供了一种测定不同动物粪便中肥料成分铵态氮或全钾含量的方法及预测液状畜禽粪便肥料成分的便携式仪器检测装置，能预知畜禽粪便中的肥料成分含量，可以防止肥料施用不当，实现畜禽粪便的合理利用并能减少环境污染。

附图说明

图1是本发明畜禽粪便肥料成分检测方法流程图；

图2是本发明畜禽粪便肥料成分检测的硬件结构框图；

图3是本发明畜禽粪便肥料成分检测的电极工作原理图；

图4是本发明畜禽粪便肥料成分检测系统软件主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如附图1所示，依照本发明一种实施方式的畜禽粪便肥料成分铵态氮或全钾含量的检测方法流程图，包括以下步骤：选择畜禽种类和肥料成分种类，并检测畜禽粪便的电阻率，其中，根据目前国内的饲养情况，预设的畜禽种类主要有：肉鸡、肉牛、蛋鸡、肥育猪和奶牛，预设的肥料成分种类为，铵态氮和全钾。测试开始，首先选定畜禽种类和肥料成分种类，例如，选择蛋鸡，全钾。在确定了液状畜禽粪便的电阻率以及设定肥料种类后，控制器自动选择预测估算模型，是肉鸡粪便或肉牛粪便或蛋鸡粪便或肥育猪粪便或奶牛粪便的铵态氮和全钾测定。在上述模型设定之后，控制系统通过预测估算模型测出铵态氮或全钾的含量，并进行保存。至此，一次测量工作结束。

图2是根据图1的流程图开发的液状畜禽粪便肥料成分快速分析装置的硬件系统结构框图，主要由传感器和控制器两个部分组成。传感器主要负责电信号的采集、数据转换、放大等工作，控制器则负责将接收到的数据进行处理、显示、存储等。电源部分采用了开关电源芯片LM2596-5V，它具有很高工作效率和较高的输出电压精度，用其来产生供模拟电路工作所需的+5V和-5V电压；数字电路部分供电所需的1.8V和3.3V电压采用效率较高的低压差线性稳压器LM1117-3.3和LM1117-1.8集成电路芯片来实现。供电电池为两节1200mAh的锂电池串联而成，容量大，体积小，便于集成，还能反复充电使用。

本发明的控制器部分主要实现数据处理、对外设的控制和通信的功能。其中外设包括A/D转换、液晶显示模块、键盘模块、U盘存储模块串口、数字温度传感器及串口等。

1)主控芯片

本发明选用PHILIPS的ARM7TDMI-S核单片机LPC2114作为主控制器。它采用ARM公司的16/32位RISC结构，内核是ARM7TDMI-S，超小LQFP64封装，极低的功耗，128位宽度存储器接口和独特的加速器结构使32位代码能够实现高达60MHz的工作频率。片上集成具有ISP和IAP功能的128KB FLASH程序存储器、16KB静态RAM、2个UART接口、1个I2C串行接口、1个SPI串行接口、4路10位ADC、6路PWM输出、2个32位定时器、8路捕获比较通道、9个外部中断、实时时钟及看门狗电路，能够与常用的外围设备实现无缝连接，功能强大。LPC2114强大的处理和控制功能，非常易于构建嵌入式系统，不仅体积小、性价比高，而且还具有稳定可靠、功能强大、开发周期短等特点。LPC2114提供了多达46个GPIO口，但不开放外部总线，也就是说没有外部地址总线和数据总线。

2)数字温度传感器

本发明采用了由数字温度传感器DS18B20封装成的温度传感电极来测量液状畜禽粪便的实时温度值，对仪器的测量结果进行温度补偿，使测量数据及分析结果更加可靠。LPC2114控制器通过一个普通I/O口与其相连，实现通信，达到采集温度数据的目的。

3)液晶模块

液晶模块使用的是青云创新科技的LMC128645ZK，带汉字字库，3.3V供电。它与LPC2114通过3根通用I/O口连接，采用串行通信方式(1根数据线、1根时钟线、1根片选信号线)。本发明采用菜单驱动的显示方式，方便与用户交互操作。

4)键盘模块

采用的是9个独立键的键盘输入模块，共有9个功能键，分别是复位、测量采集数据、保存数据、标定传感电极、确认本次操作、取消操作、上移菜单选项、下移菜单选项及休眠系统等功能。其中除复位键与复位芯片MAX708相连、标定按键和休眠系统按键采用外部中断方式外，其他按键都采用GPIO方式与LPC2114实现输入方式通过软件查询方式进行识别。

5)U盘存储模块

本发明采用了串口版U盘文件读写模块，其型号为CH375HM，它是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式，上面集成了一个单片机和USB控制器芯片和少量的外部元件。LPC2114控制器通过串口与U盘模块连接。U盘模块的参数配置通过配置线与计算机通过USB口完成。该模块可以存储测量数据及液状畜禽粪便分析仪分析结果等内容，方便将数据导出进行更进一步分析和对比。

本发明的检测装置，包括传感器和控制器，所述传感器用于检测畜禽粪便的电阻率，对检测的信号进行处理，并发送给控制器；所述控制器与所述传感器相连，用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号选择预测估算模型，并计算出畜禽粪便中的肥料成分含量。所述传感器包括电极和处理单元，所述电极用于检测畜禽粪便的电阻率，所述处理单元包括信号转换电路和放大电路，所述转换电路用于将电极输出的交流信号转换为直流信号，所述放大电路用于将转换后的信号放大。所述控制器包括主控单元、温度传感器以及显示模块，所述主控单元用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号计算出畜禽粪便的肥料成分含量，所述温度传感器温度用于对测量的电阻率进行温度补偿；所述显示模块与控制器相连，用于显示控制器处理的数据信息。优选地，所述检测装置还包括与控制器相连的用于显示控制器所处理数据信息的显示模块、键盘模块以及U盘模块。本发明的电极，选用在铂电极上镀一层铂黑的铂黑电极DJS-10D。

本发明的传感器的电信号采集采用了两极法，即在传感器端和控制器端均连接了电极，分别用于检测粪便的电阻率以及温度。其电极工作原理如图3所示，测量时两极电极上流经一定的电流，在电极两端产生了交流电压降，该电压降与液状畜禽粪便的电阻率相关，而液状畜禽粪便的电阻率又与肥料成分含量有关，因此可以根据电极的电压降估算液状畜禽粪便的肥料成分含量。

本发明使用交流稳压器作为激励源，使电极表面的氧化还原反应交替进行，减少极化效应，并将频率固定在某一个值上约100Hz。电极的极板电容、引线电容以及液状畜禽粪便的电容特性相当于在被测物质上并联了一个电容(统称为分布电容)，会使电阻测量受到影响。因此，为了消除电容效应对电阻率测量的影响，对于测量液状畜禽粪便这种较高阻的溶液，选用在铂电极上镀一层铂黑的铂黑电极DJS-10D，使极化效应产生的电容增大，以减少测量误差，同时加大了电极的有效面积，降低电流密度，减少了极化作用所带来的测量误差。其中100Hz的交流激励源采用集成电路芯片MAX038配合恒流源电路产生。

信号调理电路能够将从传感器输出的交流小信号转换成合适大小的直流信号。信号调理电路包括两部分：有效值转换电路、放大电路。传感电极输出的信号为交流信号，在交流信号测量中常通过测量交流信号的有效值来测量交流信号，所以采集到信号需要经过一级有效值转换电路，转换为与其有效值等效的直流信号。由于转换出来的信号还比较小，为了减小测量误差，必须对转换后的信号进行放大，以满足A/D转换的需要。

软件设计基于硬件设计来调度整个系统的工作。液状畜禽粪便肥料成分检测装置软件部分主要功能是主控芯片LPC2114控制各外设，完成液状畜禽粪便电阻率信号的测量，温度信号的采集并实现温度补偿修正电阻率数据，畜禽种类、肥料成分类别和模型类别的选择并最终将分析结果显示、分析结果存储到U盘等功能。本发明的软件设计的主程序为循环工作，传感电极标定和系统休眠模式都采用外部中断方式来实现，即它们可以随时打断系统的正常工作进入自己相应的处理子程序，其主程序流程图如图4所示。

主控制器采集到的输入输出信号，通过软件设计，首先系统初始化，进入循环后，先键盘扫描等待按键输入信号，即系统以任意键开始，出现“请选择畜禽种类”提示界面，按确认键确认操作；接着就进入了畜禽种类菜单选项列表，通过上移和下移菜单选项选择相应的畜禽种类，确认操作；接着出现了下一个提示界面“请选择肥料成分种类”，确认操作，下一界面显示所要选择的肥料成分种类菜单“铵态氮”和“全钾”两个菜单项，通过上移和下移菜单选项选择相应的养分种类，确认操作；接着出现下一个提示界面“请选择模型类型”，确认操作，下一界面显示所要选择的模型类型菜单，通过上移和下移菜单选项选择相应的预测估算模型类型，确认操作；接着出现下移提示界面“按测量键开始”，随着出现另一界面为测量结果显示界面，包含以上操作所选取的各个选项参数有动物种类、模型种类、液状畜禽粪便电阻率值、液状畜禽粪便温度值、肥料成分种类及其最终的测定值等信息，可确认操作，然后系统会根据经验值给出施肥的参考建议信息；最后系统会提示是否保存本次采样结果，按“保存”键时将本次采样数据存入数据缓冲区，并显示当前采样数和组序数，其中组序数为判断数据缓冲区存满的标识，当组序数达到8时，说明本次“保存”操作会将数据缓冲区待保存的采样数据存入U盘中。这样系统的一次采样测量过程就结束了，然后系统界面进入等待操作的画面。在整个操作流程中，每一步操作中的进入提示界面时可选择按取消键进而取消上次操作，重新选择。

以下为本发明的预测估算模型的计算实例：

铵态氮(AN)    肉鸡   AN＝0.0861/ρ-0.0015

              肥育猪 AN＝0.0779/ρ+0.0346

              奶牛   AN＝0.182/ρ+0.0336

全钾(TK)      肉鸡   TK＝0.0793/ρ+0.5873

              肥育猪 TK＝0.121/ρ+0.0189

        奶牛  TK＝0.479/ρ+0.437

模型中ρ即为电阻率。

本实施例的优点在于，能实现液状畜禽粪便中肥料成分铵态氮或全钾含量的快速测定。本发明采用低功耗高速微控制器，并使用容量较大、可充电的锂电池和开关电源设计，体积较小、供电时间长且经济环保适合于便携式仪器，使用方便快捷。本发明带有U盘存储功能，液状畜禽粪便肥料成分含量测定过程中，插入U盘，选择相应保存功能键可以将测量结果以一定的数据格式文本文件存入U盘中。本发明开发了一种预测液状畜禽粪便肥料成分便携式仪器，预知畜禽粪便中的肥料成分含量，这样可以防止其施用不当，实现畜禽粪便的合理利用并能减少环境污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种畜禽粪便肥料成分检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、检测畜禽粪便的电阻率，选择畜禽种类和肥料成分种类；

2)、将检测到的电阻率、选择的畜禽种类和肥料成分种类作为输入来选择预测估算模型，所述预测估算模型对输入的数据进行分析；

3)、所述预测估算模型根据分析结果计算所述畜禽粪便中的肥料成分含量。

2.如权利要求1所述的畜禽粪便肥料成分检测方法，其特征在于，所述步骤1)之后还包括：检测所述畜禽粪便的温度值，将所述温度值输入选择的预测估算模型，所述预测估算模型根据所述温度值对所述电阻率进行补偿。

3.一种用于如权利要求1或2所述检测方法的检测装置，其特征在于，包括传感器和控制器，所述传感器用于检测畜禽粪便的电阻率，对检测的信号进行处理，并发送给控制器；所述控制器与所述传感器相连，用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号选择预测估算模型，并计算出畜禽粪便中的肥料成分含量。

4.如权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述传感器包括电极和处理单元，所述电极用于检测畜禽粪便的电阻率，所述处理单元包括信号转换电路和放大电路，所述转换电路用于将电极输出的交流信号转换为直流信号，所述放大电路用于将转换后的信号放大。

5.如权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述控制器包括主控单元、温度传感器以及显示模块，所述主控单元用于根据选择的畜禽种类、肥料成分种类以及处理后的信号计算出畜禽粪便的肥料成分含量，所述温度传感器温度用于对测量的电阻率进行温度补偿；所述显示模块与控制器相连，用于显示控制器处理的数据信息。

6.如权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述控制器还包括U盘存储模块和键盘模块，所述U盘存储模块用于保存主控单元的计算结果，所述键盘模块用于选择畜禽种类肥料种类。

7.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述电极为铂电极。

8.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述铂电极的表面镀有一层铂黑。

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