CN103658000B - 单片机控制的土壤动物分离器 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种单片机控制的土壤动物分离器，该发明采用三层金属筛网组合而成，筛网有网状、孔状不同形状构成、孔眼错位放置，每层筛网有一定间距，外筒的顶部设多个通风孔，该发明采用单片机控制温度系统，通过单片机对实际测得的温度值与设定的温度值比较，控制可控硅导通角实现对白炽灯功率的控制及对分离器土样的温度控制。该发明很好的解决了分离器筛网孔径过大和过小的问题、收集器中的液体溢出的问题、温度过低过高等问题，可以根据土样厚度和湿度的不同，很方便的改变光源的功率，不用更换不同瓦数的白炽灯或调解灯源与土样之间的高度，更准确设定最佳温度，达到最佳效果。

Description

单片机控制的土壤动物分离器

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种单片机控制的土壤动物分离器。

背景技术

土壤中栖息着数以万计的土壤动物，它们是土壤生态系统中重要的组成部分，它们参于生物残体的分解，改变土壤性质，对土壤的形成和发育及生态系统的物质循环和能量流动都具有重要意义。20世纪初意大利学者Berlesc发明了烘虫漏斗，后经Tullgren的改进，得到广泛应用，人们称为Tullgren法或干漏斗法。主要用于体长0.2～2mm的中小型土壤动物的分离提取。目前国内外学者对中小型土壤动物的收集多采用Tullgren法进行分离提取。但Tullgren分离器的大小、结构以及物理参数的变化，都对土壤动物的分离效率产生很大的影响，对于这方面研究很少见报道。2002年我们探讨了不同功率、不同土壤样品厚度、温度和湿度随时间变化的分离效率，揭示了它的分离规律及最佳分离效率的物理条件(2002年东北师大学报，自然科学版，34卷2期)。十几年过去了，国内研究土壤动物的学者越来越多，但目前采用的土壤动物分离器大多还是传统的Tullgren分离方法，在实践中发现这种分离方法还存在很多问题。

1.分离器的分离网筛都沿用单片式筛孔，如筛孔过大容易漏土，筛孔过小易阻塞。对于筛孔大易漏土的问题，申请号为201110333848.2的发明专利，特提出一种将Tullgren法获得的粗品中土壤动物与土样高效分离的方法，即在获得的粗品中加入浓的白糖水使土壤动物漂浮而分离，但这种方法比较麻烦，还需进行第二次分离土壤动物。

2.直接采用白炽灯加热土壤，土壤温度不可控，会一直升高，筒内热气便从土壤上层向下经过分离筛和漏斗排出，这样就有水蒸气凝结在漏斗壁上，分离出的土壤动物会粘贴在漏斗壁上；如果土样的含水量过大(如湿地土样)，凝结的水会使收集器中的液体超出容器而溢出，损失了已分离出的土壤动物。

3.直接采用白炽灯加热土壤，土壤温度不可控，会一直升高，到达一定程度，甚至没等土壤动物分离出来，过高的温度，已经使土壤动物烤死，因此对不同厚度的土样，有的采用换不同瓦数白炽灯进行分离来调控温度，或采用调高土样与白炽灯之间的距离来控制加热温度，如专利200510016504.3就是将热源由套筒连体式变成分离悬挂式，就是通过调节灯具的高度改变控制土壤温度，但这种方法只是凭经验调节温度，不精确。

发明内容

本发明的目的是：

1.解决分离器采用单片式结构，筛孔大易漏土，分离效果不好，甚至可能分离失败的问题；解决筛孔直径小，一是筛孔直径小于土壤动物本身尺度，土壤动物不能通过，二是孔眼直径小，易被沙粒泥土等堵塞，也可能出现土壤动物分离不出来的问题。

2.解决热源加热后，筒内温度、湿度一直升高，热气从漏斗口排出；使水蒸气凝结在漏斗壁上或凝结的水使收集器中的液体溢出所产生的诸多问题。

3.仅凭经验调节土样与白炽灯之间的距离及更换不同瓦数白炽灯的方法，来解决土壤温度的精准控制问题是比较困难的。该发明专利目的是通过采用单片机控制温度系统，来 解决热源(白炽灯)功率可调、加热温度可控及土样内温度能及时显示出来等问题，使得土壤动物的分离效果达到最佳。

单片机控制的土壤动物分离器系统结构见图1。分离器是由内外圆筒组成。外筒罩顶部封闭，加热源(白炽灯)固定在外筒顶部，顶部有多个通风孔和测温孔，温度探头由测温孔插入被测土样中。分离器由白炽灯提供热量，加热土样，改变土样的温度和湿度。内筒下部有筛网，筛网与内筒放置在漏斗上，内筒直径应略比漏斗直径小些。土壤动物分离器筛网结构是由多个单层筛网组合而成。

收集器由玻璃漏斗和小烧杯组成，驱赶出的土壤动物由漏斗落入烧杯中。为防止土壤动物逃逸，小烧杯盛75％的酒精。

1.该发明很好的解决了分离器筛网孔径过大和过小的问题。采用的是三层金属筛网组合而成，孔径错位，每层筛网有一定间距。第一层筛网5与土样接触，它是由不锈钢丝做成的金属圆形网，第二层筛网6和第三层筛网7是不锈钢圆形金属片，金属片上设有圆孔，保证小于2mm的中小型土壤动物都能通过。第二层筛网6和第三层筛网7的筛孔错位放置，使得少量漏下来的土不会直接落到收集器烧杯中，而停留在第三层筛网7中。多年来的实验效果非常好。

2.该发明在外筒的顶部设多个通风孔，随着土壤样品被白炽灯加热，土样中蒸发出的热气便通过通气孔排出，解决了没有通气孔，热气从漏斗口向下排出，使水蒸气凝结在漏斗壁上或凝结的水使收集器中的液体溢出所产生的诸多问题。

外筒顶部设通气孔也能解决土壤温度不可控，会一直升高的问题。因为加热与散热是一对矛盾，在外筒顶部设有的多个通气孔，使散热的能力增强。在加热初期，筒内温度上升速率较快，经过加热一定的时间后，散热与加热将趋于平衡，筒内的温度上升速率越来越小。同时，外筒设有通气孔，也能使土温达到的最高温度点比没设通气孔时，所达到的最高温度点要低很多。

3.该发明提出了土壤动物分离器单片机控制温度系统的方案，它解决了只凭经验调节温度，不能准确控制土样加热温度的问题。本系统采用cpu89c52、8255、ADC0809模数转换器等芯片，显示器，键盘组成的最小单片机，加上外围的测温电路和白炽灯功率控制电路等组成一个闭环温度控制系统，图3为土壤动物分离器单片机控制温度系统电路原理图。由AD590温度传感器设计成温度检测电路，将检测到的土样温度值送入ADC0809模数转换器，转换之后数值，经单片机处理，在温度控制系统仪器面板的显示器上显示出温度值。

另外，通过单片机对实际测得的温度值与设定的温度值比较，单片机通过控制可控硅导通角的大小，实现对白炽灯功率的控制及对分离器土样的温度控制。

本系统还设计了手动设置温度值和白炽灯功率设定值输入调节旋钮，可以很方便的与按键开关配合，调节旋钮将其值送入单片机。

这样，可以根据土样厚度和湿度的不同，很方便的改变光源的功率，不用更换不同瓦数的白炽灯或调解灯源与土样之间的高度，更准确设定最高温度，防止土样温度被过度加热。

该发明很好的解决了分离器筛网孔径过大和过小的问题、收集器中的液体溢出的问题、温度过低过高等问题，可以根据土样厚度和湿度的不同，很方便的改变光源的功率，不 用更换不同瓦数的白炽灯或调解灯源与土样之间的高度，更准确设定最佳温度，达到最佳效果。

附图说明

图1为单片机控制的土壤动物分离器系统结构图；

其中：1.外筒；2.白炽灯；3.温度探头；4.内筒；5.第一层筛网；6.第二层筛网；7.第三层筛网；8.分离架；9.漏斗；10.烧杯；11.温度控制系统

图2为土壤动物分离器筛网结构示意图；

其中：12.定位螺钉；5.第一层筛网；6.第二层筛网；7.第三层筛网；13.垫片

图3为土壤动物分离器单片机控制温度系统电路原理图；

具体实施方式

土壤动物分离器见图1。主要由外筒1、内筒4、白炽灯2、温度探头3、第一层筛网5、第二层筛网6、第三层筛网7、分离架8、漏斗9、烧杯10及温度控制系统11组成。

外筒1、内筒4均为1.5～2mm厚的金属板制成，外筒高18cm、直径16cm，内筒高16.5cm、直径14cm。外筒1顶部封闭，加热源(白炽灯)2固定在外筒1顶部，白炽灯2电线接温度控制系统11，外筒顶部除了一个白炽灯2的灯座外，还有4个￠1cm通风孔和一个￠1cm的测温孔，温度探头3由测温孔插入被测土样中，温度探头3的另一端接温度控制系统11。分离器由白炽灯2提供热量，内筒4下部有第一层筛网5、第二层筛网6、第三层筛网7，筛网直径13.5cm，第一层筛网5、第二层筛网6、第三层筛网7与内筒4放置在漏斗9上，内筒4的直径应略比漏斗9的直径小些。

筛网的具体结构见图2。筛网采用的是三层结构(第一层筛网5、第二层筛网6、第三层筛网7)，筛网直径13.5cm，筛网由3个定位螺钉12固定，每层之间有3个6mm高的垫片13，保证了每层筛网间距5～6mm，第一层筛网5与土样接触，它是由￠1mm不锈钢丝做成的金属圆形网，孔眼边长为3mm；第二层筛网6和第三层筛网7是2mm厚的不锈钢圆形金属片，上面钻有￠4mm的圆孔，保证小于2mm的中小型土壤动物都能通过。第二层筛网6和第三层筛网7的筛孔错位放置，使得少量漏下来的土不会直接落到收集器烧杯10中，而是停留在第三层筛网7的上面。

收集器为直径14～15cm的玻璃漏斗9和10～15ml小烧杯10组成，驱赶出的土壤动物由漏斗9落入烧杯10中。为防止土壤动物逃逸，小烧杯10盛75％的酒精。

土壤动物分离器单片机控制温度系统电路，它包括cpu89c52、8255、ADC0809模数转换器等芯片、显示LED、键盘、测温电路和白炽灯功率控制电路等组成，见图3。图3的电路原理图被制成电路板安装在温度控制系统11的仪器箱内。数码管3个、键盘(K1、K2、K3、K4)、旋钮(电位器W1、电位器W2)固定在温度控制系统11仪器的前面板上，后面板有连接温度探头3和白炽灯2的接线端子。

下面就主要电路加以说明：

键盘与显示(见图3部分)：4个按键K1、K2、K3、K4，3个数码管和8255组成3位温度显示和行列式键盘K1、K2、K3、K4，按键结构是当某一按键按下时其他按键弹起。不同按键按下，cpu89c52将执行不同程序，K1按下，3个数码管上显示土样温度值；K2 按下，旋转电位器W2输入温度设定值；K3按下，旋转电位器W1输入调节白炽灯2的功率设定值，K4按下，将进行监控土样温度，并不断显示其温度值。这样，可以根据不同的土样，很方便地通过按键和旋钮电位器改变光源(白炽灯2)的功率、准确设定土样被加热的最高温度，防止土壤温度被过度加热。

测温测量电路：由AD590温度传感器、放大器LM324U4、LM324U5、稳压二极管和电阻等组成。AD590温度传感器被封装在金属管中，插入土壤动物分离器土样中，土壤动物分离器中的土样温度，经测温电路检测后，送入ADC0809模数转换器IN-7(第5管脚)，经转换后，结果存在内存50H中，cpu89c52根据温度(0～100℃)对应的电压(0～5V)关系，计算出土壤温度值，经二进制转成十进制，再转化成显示代码，送至显示缓冲区，通过8255与数码管组成的显示电路，显示在面板上。

温度控制值的设定；12V电压接10K金属膜电阻R5和4.22K可变电位器W2组成的串联电路上，通过分压，可变电位器W2可得到0～5V可变电压值。按K2键，程序进入温度控制值设定程序，要求输入设定值，转动可变电位器W2，将电压值送入ADC0809模数转换器IN-1(27脚)，其值被cpu89c52存入内存40H中，作为温度的设定最高值，它和测量的温度值一样，经过cpu89c52处理，并且也可显示在面板的数码管上。

光源(白炽灯)控制电路：由光源2(白炽灯25w)、MOC3021光电耦合器U1、74LS07驱动器U2、双向可控硅等组成。光电耦合器MOC3021的1脚通过电阻R1接5V电压，74LS07输出端接MOC3021的2脚，74LS07的输入脚和cpu89c52的P1.0(1脚)相连，白炽灯2的一个电极和可控硅的1脚接交流220V，白炽灯2的另一电极和可控硅的2脚连接，当cpu89c52的p1.0输出低电平时，控制MOC3021光电耦合器使可控硅导通，白炽灯2点亮。p1.0输出高电平时，光电耦合器MOC3021关闭可控硅，白炽灯2不亮。所以当cpu89c52将设定的温度值(40H)和实际测定的温度值(50H)进行比较，当实测温度值大于设定值，控制p1.0脚的输出高电平，关闭白炽灯2，停止对土样的加热。当实测温度低于设定的温度，可通过单片机控制cpu89c52的P1.0输出低电平，对土样加热。这样，能非常好的控制土样温度不会超过设定的最高温度值。

光源2(白炽灯)功率的调控：光源2(白炽灯)功率的调控是通过单片机控制双向可控硅的导通角实现的。交流电的周期是20ms，所以，不管是正半周期10ms内，还是负半周期10ms内，都各需要触发一次，两次触发的时间间隔为10ms，这10ms由cpu89c52内的定时器T1完成。每隔10ms定时器T1就发出中断申请，cpu89c52响应后，由p1.0引脚送出一个50μs低电平触发脉冲，通过光电耦合器MOC3021使可控硅导通，控制白炽灯2发光的强度对土样加热。

同步信号：为了控制好导通角的准时触发时刻，因此必须取出交流电信号的过零点，作同步信号。交流5V信号由电源变压器取出，经二极管取出正半波信号，送入LM339电压比较器的5管脚，然后与4管脚(接地)比较，产生和交流电同步的方波信号，LM339输出端(2管脚)接cpu89c52的12管脚，每隔20ms申请INT0产生中断。这样就形成了同步信号。

导通角的形成与输入：12V电压接在10K金属膜电阻R6和3.9K可变电位器W1组成的串联电路上，电位器W1电压可变范围设计成0～4.5V，可变电位器W1滑动端接 ADC0809的26管脚IN-0输入端。经过ADC0809转换后的数值，被作为导通角延时程序中,外嵌套程序的时间常数。又由于交流电的半周期时间是0～10ms，所以，把半周期的时间10ms分成256份，其中一份作为最小的基本的时间单位，作为导通角的延时程序中,内嵌套程序的循环时间常数。同步信号产生中断后，立即启动导通角的延时程序，结束后，由p1.0发出触发脉冲。控制了白炽灯2的功率。同步信号和导通角延时程序中的循环时间常数，共同决定了对可控硅触发的准确性和导通角的大小。这样，当K3按下，可以很方便地通过面板上的电位器W1改变导通角的设置和输入。

Claims (2)

1.单片机控制的土壤动物分离器，其特征是主要由外筒、内筒、白炽灯、温度探头、三层筛网、分离架、漏斗、烧杯及单片机温度控制系统组成，外筒顶部半封闭，加热源即白炽灯固定在外筒顶部，白炽灯电线接单片机温度控制系统，外筒顶部还设置若干个通风孔和一个测温孔，温度探头由测温孔插入被测土样中，温度探头的另一端接单片机温度控制系统，分离器由白炽灯提供热量，内筒下部放置三层筛网，第一层由不锈钢丝做成的金属圆形网，与土样接触，第二、三层筛网为不锈钢圆形金属片，上面钻有圆孔，第二、三层筛网筛孔错位放置，收集器由玻璃漏斗及小烧杯组成，小烧杯内盛有75％的酒精，由单片机温度控制系统控制分离器的温度，单片机温度控制系统主要由键盘与显示部分、温度测量电路及光源即白炽灯控制电路组成，键盘与显示部分主要由行列式键盘K1、K2、K3、K4及由3个数码管和8255芯片组成的3位温度显示组成，温度测量电路主要由AD590温度传感器、放大器LM324U4、LM324U5、稳压二极管和电阻组成，光源即白炽灯控制电路主要由25W白炽灯、MOC3021光电耦合器U1、74LS07驱动器U2、双向可控硅组成。

2.按权利要求1所述的单片机控制的土壤动物分离器，其特征是外筒顶部通风孔直径为1cm，第一层筛网孔眼边长为3mm；第二、三层筛网筛孔为直径为4mm的圆孔，每层筛网间距为5～6mm。