土壤溫濕度數據采集系統的設計研究

[摘 要] 對于土壤溫濕度數據采集系統的設計一般情況都使用MCS-51系列單片機作為系統的控制核心，結合數字溫濕度傳感器實現對相應數據進行采集工作，整個系統的設計成本相對比較低，本文設計的土壤溫濕度數據采集系統采用AT89C51作為核心控制芯片，選取AD590與濕敏電容實現溫濕度數據的采集測量，大大簡化了系統的硬件尺寸大小，內部總線結構為CAN總線形式從而有利于強化系統的數據通信能力，具有精度高與線性特性好等特點。

[關鍵詞] 土壤 溫濕度 數據采集系統

一、引言

高端科學技術水平的不斷提升發(fā)展，促使實際生產環(huán)境應該進行相應的改進與完善。根據農作物對水的需求度與水源供應情況，對于提供給農作物的各種基礎生長條件進行恰當的控制與調節(jié)從而可以保證水資源的合理使用，然而土壤的溫濕度對于農作物的正常生長有著重要的決定作用，這是作為管理農作物生長的重要考慮因素。因此對于農作物的正常生長規(guī)律需要進行及時的控制與調節(jié)，各種農作物會處于不同時段的發(fā)育期而相應的需水量與合適的生長溫度各有所不同，這些問題在本質上應該是取決于土壤的含水量。土壤中含水量的相應測量方法，由傳統舊式的烘干法到之后的電測法到現在的核技術方法等發(fā)展過程。本文研究的是一種適用于提供灌溉試驗站點和生產單位選用的快速溫濕度數據采集系統[1]，選取AD590與濕敏電容實現對溫濕度數據的測量，相應的采集信號經過A/D處理后進行數據顯示，將單片機作為控制核心與選用滯回比較器進行數據處理可以很大程度地簡化系統的電路機構，降低了功耗與成本，具有較高的實用價值。

二、數據采集系統的設計原理

本文設計的土壤溫濕度數據采集系統選取AT89C51型號的單片機作為主控核心，這型號配置了四節(jié)閃爍可編程可擦除式的只讀存儲器需要的低電壓條件，是一款具有高性能的8位MOS微處理芯片，其相應的可擦除只讀存儲器能夠允許重復擦出100次[2]，使用ATME密度的非易失存儲器技術進行產生制造，符合工業(yè)領域的標準且能夠與MCS-51的指令集與輸出管腳實現兼容。本文系統設計的相應擴展電路選取的是Intel公司生產制造的可編程式輸入輸出接口芯片8255，其配置了三個并行式I/O口，分別是PA口、PB口和PC口，然而PC口可分為高四位口與低四位口，其均是需要經過相應的軟件編程來實現工作方式的改變。

三、土壤溫濕度數據采集系統的模塊化設計

1.溫度采集電路模塊

測量溫度的電子元件采用集成化的溫度傳感器AD590，其具有溫度-輸出電流特性成線性關系的優(yōu)點。此溫度采集電路模塊的電流輸出是1μA/K， R1、R2、R3、R4 與AD590共同構成測溫電橋電路。其中相應的基準電壓是2.73V，當處于零攝氏度時，相應的電位是2.73V，然后由A2、A3和A4構成的數據放大器相應的輸入與輸出都為零[3]。當溫度升高時，放大器相應的輸入電壓是以10mV/°C的變化速率進行變化，其對應的放大倍數是5，當測量溫度的范圍在0-50°C時，其相應輸出電壓是0-2.50V。

2.濕度采集電路模塊

濕度采集電路模塊分別由電容傳感器CX、C0、C1與電阻R3、R4構成的基本電橋式電路，由G1與G2兩個與非門構成了多諧振蕩器從而充當電橋電路的電源，相應的頻率是10kHz[4]。不平衡式的電橋電路相應的輸出電壓變化可以反映出CX的動態(tài)變化，也即是土壤中的含水量變化，通過A進行放大處理后送入至A/D轉換電路處理。溫度補償電路由負溫度特性的熱敏式電阻RX和變容式二極管2CC3構成，變容二極管相應的電容量是跟隨著偏置電壓的幅值而發(fā)生改變，如果溫度上升時電容CX的數值也會相應的增大，此時補償電路的熱敏式電阻值RX反而會減小，這樣會使得變容二極管的偏壓值升高，相應的電容值減小，從而實現對CX的校正處理。

3.數據顯示電路模塊

通過AD590型號的溫度傳感器所測量得到相應的溫度信號之后進行對應的數據顯示[5]。濕度信號時經過對應的濕敏電容進行采集后實現模數轉換而得到的，傳感器相應的輸出電壓用V表示，經過A/D轉換器的作用進行地址碼的編寫，由EPROM的相對應單元可以輸出含水量數據代碼，然后經過DAC0832以電壓形式輸出，最后可以顯示出相應的土壤含水量。

4.系統控制電路模塊

系統的控制信號是通過AT89C51中的P0口進行輸出送到相應的控制電路74HC373中，并且由WR與P25經邏輯門74HC02對74HC373實現控制。如果WR與P25都處于低電平狀態(tài)時，可以允許74HC373輸出相應的控制信號[6]。繼電器J1、J2與J3通過晶體管9013實現驅動，其相應的驅動電流大概是150mA。在繼電器釋放過程中二極管4007和繼電器的線圈構成通路狀態(tài)，用于保護晶體管9013。為達到保護繼電器的目的，在后繼電路接入一級接觸器，通過接觸器對受控制對象進行直接驅動。

四、結束語

在本文設計土壤溫濕度數據采集系統中選取AD590用于測量溫度，只需使用濕敏電容就能夠實現濕度的測量，從而可以把土壤濕度狀況轉換成相對應的電容值以數字形式顯示出來，不但實現電路結構的有效簡化，還可以節(jié)約了系統的硬件搭建成本。傳感器的相應探頭是由一對針形的不銹鋼柱所構成，并且易于插進土壤里，對土壤結構造成的影響相對比較小。系統的控制核心選取AT89C51單片機結合繼電器進行電機的控制，從而達到實現溫濕度調節(jié)的目的，跟同類型的傳統舊式測量系統以及現代化測量系統對比，其具有系統結構簡化、體積尺寸小、硬件成本低與通用性良好等多種特點，有利于系統的升級優(yōu)化。

參考文獻

[1]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]羅淳.模糊自整定PID溫室溫度控制器的設計[D].武漢：武漢科技大學，2009.

作者簡介：王陽，男 籍貫：吉林，出生年月：1988年11月4日，工作單位：大連海洋大學 職務職稱或學歷：研究生， 研究方向：農業(yè)信息化。