基于SM2801V的土壤水分測(cè)試儀設(shè)計(jì)

蘇變玲

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南 714000)

隨著世界各地淡水資源的緊缺，根據(jù)實(shí)測(cè)土壤水分狀況對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行節(jié)水灌溉，可以提高水資源的利用率，緩解淡水資源日趨緊張的局勢(shì)。土壤水分的測(cè)量作為農(nóng)業(yè)氣象學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容之一，其方法包括烘干法、熱特性法、中子法、近紅外法、光學(xué)法、射線法、核子法、張力法、時(shí)域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)等［1－2］，其中頻域反射法是利用土壤介電特性進(jìn)行間接測(cè)量的介電法，是目前研究最廣且最具潛力的土壤水分測(cè)量方法［3］。由于土壤本身的復(fù)雜性，對(duì)于不同地區(qū)、類型的土壤，即使土壤含水量相同，其介電特性也可能存在差異。為了提高土壤水分含量的測(cè)量精度，在研制或應(yīng)用土壤水分測(cè)試儀時(shí)，需在考慮環(huán)境溫度對(duì)土壤水分影響的前提下，對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)分析或?qū)嶋H測(cè)試與校正。

1 SM2801V測(cè)量土壤水分的原理

SM2801V是一款基于FDR(Frequency domain reflectometry)原理的傳感器，主要由一對(duì)電極組成。它等效為一個(gè)電容器，電極間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路［4－5］，此時(shí)式(1)成立。隨著土壤水分(θ為土壤體積含水)的改變，傳感器的等效電容值(C)也在改變，振蕩器工作頻率(f)隨土壤電容的改變而變化。SM2801V就是利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定介質(zhì)的介電常數(shù)(ε)，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量傳感器在土壤中因介電常數(shù)的變化而引起的頻率的變化來(lái)測(cè)量土壤的水分含量［6］。通過(guò)聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)，可得到土壤的相對(duì)介電常數(shù)ε，代入Topp的土壤水分與土壤介電常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(4)，可得到土壤的的體積含水量。

式中，L為等效電感;ε0為真空的介電常數(shù);C0為介質(zhì)為空氣時(shí)的電容。

2 系統(tǒng)的組成原理

土壤水分測(cè)試儀原理框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集土壤溫度、濕度信息，并且將土壤溫濕度信息經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入微處理器AT89C52;單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)各模塊的控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳輸;存儲(chǔ)器模塊通過(guò)接口電路將獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中，涉及數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取;藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)每間隔一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)或具有藍(lán)牙功能的設(shè)備之間的通信，以獲取實(shí)時(shí)測(cè)量的土壤水分信息。

2.1 器件的選擇

2.1.1 土壤水分傳感器。SM2801V是一款基于頻域反射(FDR)原理的電壓型土壤水分傳感器，0～5 V直流電壓輸出信號(hào)，12～24 V直流工作電壓，100 MHz測(cè)量頻率。該測(cè)試儀的電源電壓選12 V，測(cè)量范圍為0～100%。為了提高對(duì)土壤含水情況的測(cè)量精度，需對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定［7］，即將土壤水分傳感器的輸出直流電壓與對(duì)每個(gè)土壤樣品采用烘干法測(cè)量獲得的土壤體積含水率進(jìn)行比對(duì)，描繪出相應(yīng)的曲線(圖2)，獲得傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的線性相關(guān)性，就可將土壤體積含水率這一物理量線性轉(zhuǎn)換成電壓量。微處理器就能通過(guò)這一電壓信號(hào)與土壤體積含水率的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的信號(hào)處理與控制操作。

2.1.2 溫度傳感器的選擇。DS18B20是一款數(shù)字化單總線型的智能溫度傳感器，－55～+125℃的溫度測(cè)量范圍，9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，分辨率達(dá)0.062 5℃，具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用單總線協(xié)議，接口僅需占用單片機(jī)一個(gè)I/O端口，無(wú)需其他外接元件，其外圍電路也非常簡(jiǎn)單;DSl8B20將測(cè)得的土壤溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，與單片機(jī)可以直接相連，不需信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，可直接將土壤溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)，提供給微處理器AT89C52處理，達(dá)到土壤溫度采集的目的。DS18B20的供電方式有寄生電源供電和外部電源供電兩種。該測(cè)試儀系統(tǒng)采用外接電源供電方式(圖3)。

DSl8B20讀取轉(zhuǎn)換溫度的步驟是:主機(jī)首先通過(guò)單口線發(fā)送初始化脈沖，然后給DSl8B20發(fā)ROM命令，最后發(fā)6個(gè)存儲(chǔ)器命令中控制DSl8820的工作狀態(tài)的一個(gè)命令，就可以完成對(duì)土壤溫度的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的讀出功能。

2.1.3 藍(lán)牙模塊的選擇。HC－06采用CSR藍(lán)牙芯片，集成BC41713藍(lán)牙芯片、M29W800 Flash存儲(chǔ)芯片及藍(lán)牙天線等，遵循V2.0的藍(lán)牙協(xié)議，只需通過(guò)微處理器的串口TXD、RXD與HC－06模塊建立連接。微處理器AT89C52就可以通過(guò)串口與藍(lán)牙模塊HC－06的連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)手機(jī)或具有藍(lán)牙功能的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)。HC－06模塊與處理器的接口圖見(jiàn)圖4。

2.2 溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 由于SM2801V土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應(yīng)，為了提高土壤水分測(cè)試儀的測(cè)量精度，降低溫度對(duì)土壤水分傳感器的影響，系統(tǒng)需增加溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｑ芯勘砻?，隨著溫度的逐漸升高，測(cè)量值也會(huì)逐漸變大［8］，表明土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應(yīng)。為了得出溫度t(℃)對(duì)測(cè)量值影響的補(bǔ)償函數(shù)式，利用不同溫度下實(shí)測(cè)值減去樣品室溫下測(cè)得的含水量，得出誤差值△y，對(duì)△y進(jìn)行曲線擬合，得到誤差擬合函數(shù)式(5)，將其作為溫度補(bǔ)償項(xiàng)加入到土壤水分傳感器得到的標(biāo)定函數(shù)式中，將其固化到微處理器程序代碼中即可實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償功能。

2.3 電源模塊 系統(tǒng)中AT89S52微處理器、DS18B20溫度傳感器、HC－06藍(lán)牙、SM2801V土壤水分傳感器和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器件等器件都需要供電，且需要5、12 V兩種供電電壓，因此依據(jù)系統(tǒng)正常工作的需求，應(yīng)設(shè)計(jì)5、12 V兩種電源電壓。該系統(tǒng)采用7805、7812產(chǎn)生所需的供電電源電壓。

3 控制單元電路的設(shè)計(jì)

土壤水分測(cè)試儀的工作過(guò)程為:首先測(cè)量土壤的溫度，然后測(cè)量土壤水分傳感器SM2801V的輸出直流電壓信號(hào)，微處理器AT89S52根據(jù)測(cè)得的土壤溫度及其與土壤水分線性相關(guān)的不同電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償處理，然后通過(guò)數(shù)碼管顯示所測(cè)的土壤水分值，并且送存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。在接收到具有藍(lán)牙功能設(shè)備發(fā)出的控制信號(hào)的情況下，可實(shí)現(xiàn)與外部具有藍(lán)牙功能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。控制單元電路如圖5所示。

ADC0809的引腳26與土壤水分傳感器的輸出端連接，獲得反映土壤水分的直流電壓輸入，引腳6與微處理器的P3.7連接，通過(guò)ˉRD的讀操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC0809的清零與啟動(dòng)，引腳7反相后接AT89S52的INT1端，每當(dāng)此端為有效電平時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，軟件編程可通過(guò)對(duì)此端的監(jiān)測(cè)，控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。顯示模塊采用共陰極接法LED管，4只LED 管的段位分別由字母 a、b、c、d、e、f、g、dp 表示，與單片機(jī)AT89S52的P1口的8個(gè)引腳相連;位選引腳1－4與AT89C52單片機(jī)的P2.0－P2.3相連。AT89S52單片機(jī)的引腳P2.6、P2.7 接開(kāi)關(guān) K1、K2，通過(guò)開(kāi)關(guān) K1、K2使得引腳P2.6、P2.7的高低電平變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)是溫度還是水分含量的控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Keiluvision軟件的編程環(huán)境下，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤數(shù)據(jù)信息的讀取、轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償、顯示以及與藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸。完成實(shí)現(xiàn)上述功能的程序編寫(xiě)后，進(jìn)行編譯，調(diào)試無(wú)誤后，使用USB ISP下載線，將其下載到單片機(jī)里。

4.1 主程序 主程序流程如圖6所示。在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行微處理器AT89C52單片機(jī)的初始化，然后單片機(jī)向傳感器發(fā)送測(cè)量命令，并且讀取開(kāi)關(guān)K1、K2的狀態(tài)，根據(jù)開(kāi)關(guān)K1、K2的狀態(tài)，判斷讀取的數(shù)據(jù)是溫度還是土壤水分信息，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束后，液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的土壤溫度或水分含量，并且根據(jù)需要確定是否要將測(cè)量信息傳輸給藍(lán)牙設(shè)備。

4.2 USB驅(qū)動(dòng)安裝與程序下載 將USB ISP下載線與電腦USB接口連接，先進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的安裝，然后將下載線與AT89S52單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳的連接，完成以上工作后再用AVR－fighter軟件，將編寫(xiě)的程序下載到單片機(jī)中，并且將整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行組裝，供電，在實(shí)驗(yàn)室完成系統(tǒng)的初步調(diào)試。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了檢測(cè)儀器的使用性能，在臨渭區(qū)的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行室外驗(yàn)證測(cè)試，并且采集土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，采用烘干法進(jìn)行測(cè)量。表1表明，土壤水分測(cè)試儀可實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、顯示及與藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)量的精度有了明顯的提高。

表1 實(shí)地測(cè)試的土壤水分含量數(shù)據(jù) %

6 結(jié)論

基于FDR原理傳感器SM2801V，設(shè)計(jì)了一款便攜式土壤水分測(cè)試儀。通過(guò)溫度補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度;通過(guò)藍(lán)牙的應(yīng)用，方便了測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。野外實(shí)驗(yàn)證明，儀器采用溫度補(bǔ)償提高了測(cè)量精度，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、性價(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到墑情測(cè)量?jī)x器的要求，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，在農(nóng)業(yè)氣象和水利部門具有廣闊的應(yīng)用前景。

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