基于STM8微處理器的太陽能土壤水分測量儀設(shè)計

吳 奇，浦紹選

(云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南昆明 650500)

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基于STM8微處理器的太陽能土壤水分測量儀設(shè)計

吳 奇，浦紹選*

(云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南昆明 650500)

摘要土壤的水分含量對植物的生長非常重要 ，檢測土壤含水量也是自動灌溉系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)。為了能夠連續(xù)檢測土壤的含水量，基于STM8微處理器，采用頻域反射(FDR)原理，利用太陽能供電，實現(xiàn)硬、軟件的組合，設(shè)計制作了一款便攜式土壤水分測量儀。選用不同的土壤對該設(shè)計進行多組實驗，對比可知，測量儀的測試結(jié)果與烘干法測出的含水量較為接近，誤差在3%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞土壤水分檢測；STM8；太陽能；頻域反射原理

了解土壤水分含量對農(nóng)作物的培育有著至關(guān)重要的作用。土壤水分含量過高或者過低都會影響土壤微生物活動和農(nóng)作物的生長發(fā)育。測量土壤水分含量傳統(tǒng)的方法是烘干稱重法，這種方法原理簡單且結(jié)果可靠，大多數(shù)情況下還可用來作為校準數(shù)據(jù)，但在實際操作中過程繁瑣、工作量大。為了實現(xiàn)快速、準確地測量實時的土壤含水量情況，市面上已有多種依據(jù)不同原理制作的土壤水分測量儀，最常見的是基于介電法測量的頻域反射(Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)型和時域反射(TimeDomain Reflectometry，TDR)型2種。由于TDR型電路較為復(fù)雜，設(shè)備造價昂貴，而FDR型幾乎具備了TDR型所有的優(yōu)點且價格合理，所以更為常用的是FDR型。筆者基于STM8微處理器和FDR原理，利用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲存在鋰電池中作為電源，設(shè)計制作了一種操作簡單、測量精度高、性能可靠、低成本的便攜式土壤水分測量儀。該測量儀可用于較為準確地檢測土壤的含水量，測得了土壤的水分含量，就可對作物進行合理灌溉、精細化控制，既可提高植物的成活率，保證植物的健康生長，同時也能節(jié)約灌溉用水，合理利用水資源，適合廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、花卉培育、園林維護等領(lǐng)域。

1理論依據(jù)

土壤是氣相、液相、固相共同組成的物質(zhì)，成分和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所有物質(zhì)在一種很微弱的平衡之中[1]。若要得到較為準確的測量值，在測量過程中，使用的傳感器要有很好的穩(wěn)定性和精確度，盡量保證被測土壤的平衡不被打破。該設(shè)計主要采用了頻域反射技術(shù)原理來設(shè)計土壤水分傳感器，傳感器的等效電路圖如圖1所示。

圖1　傳感器的等效電路Fig.1　The equivalent circuit diagram of the transducer

FDR技術(shù)是通過向被測對象發(fā)射一定頻帶的信號，依據(jù)反射回的信號來計算出所需要的參數(shù)。FDR技術(shù)應(yīng)用在土壤水分測量上，通常有2種方法，一是通過使用固定的發(fā)射頻率來測量土壤的阻抗得到介電常數(shù)后推算土壤水分，另外一種是讓傳感器與土壤構(gòu)成RLC諧振電路，找出諧振頻率來推算土壤水分。該設(shè)計就是利用后一種方法，其中振蕩器設(shè)計的掃頻范圍為80～160 MHz，利用微控制器控制振蕩芯片MC1648不斷輸出不同頻率的信號，當振蕩電路的諧振條件成立，傳輸線上則會出現(xiàn)頻率相同、傳播方向相反的2列相干波疊加，形成行駐波狀態(tài)，此時電路的諧振幅值U0出現(xiàn)最大值。由于產(chǎn)生諧振時電路滿足的條件為：

(1)

已知電容與介電常數(shù)的關(guān)系式：

ε=C/C0

(2)

式中，C0為介質(zhì)為空氣時的電容。由于已被證實土壤相對介電常數(shù)ε與土壤水分含量ω間具有以下關(guān)系[2-4]：

(3)

其中，a、b均為常數(shù)，由土壤的性質(zhì)決定[5-6]。

綜合上述公式可推導(dǎo)出諧振頻率F與土壤水分含量ω有以下反比關(guān)系：

(4)

2硬件設(shè)計

土壤水分測試儀主要由太陽能供電模塊、傳感器模塊、微處理器、LCD液晶顯示屏模塊和RS232接口5個部分組成。

太陽能供電模塊主要由光伏電池、充放電控制器、鋰聚合物電池構(gòu)成。光伏電池利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，既可直接在太陽照射下由太陽能電池板供電，也可以利用鋰聚合物電池將多余的電能儲存起來，在沒有太陽光的情況下使用。充放電控制器可保護鋰聚合物電池，避免出現(xiàn)過充或過放，延長使用壽命。電路原理圖如圖2所示。

傳感器模塊由不銹鋼探針、掃頻電路、峰值檢測電路組成。將不銹鋼探針插入土壤中，與土壤構(gòu)成一個可變電容器，在不同水分含量下呈現(xiàn)的電容值不同。當峰值檢測電路檢測到最大峰值電壓時，對應(yīng)掃頻電路發(fā)出的頻率即為傳感器的諧振頻率F。電路原理圖如圖3所示。

圖2　太陽能充放電控制電路Fig.2　Solar charge and discharge control circuit

圖3　傳感器模塊電路原理Fig.3　Diagram of the circuit principle of sensor module

微處理器采用的控制芯片為STM8S208系列，該芯片內(nèi)核為8位STM8 CPU，最高工作頻率可達24 MHz，片上集成64 kB的Flash存儲器、6 kB的SRAM存儲器和1.5 k的EEPROM。具有變頻功能的超低功耗模式，其內(nèi)部自帶2個串口，9通道的10位ADC轉(zhuǎn)換器。通過程序可控制掃頻電路輸出特定頻率的正弦波，將峰值檢測電路輸出的電壓值進行A/D轉(zhuǎn)換，并把得到的諧振頻率按公式換算成土壤水分含量。

3軟件設(shè)計

該設(shè)計在集成開發(fā)平臺IAR使用C語言對測量儀的軟件進行編程開發(fā)，軟件總體依照模塊化架構(gòu)設(shè)計，軟件結(jié)構(gòu)可分為7個部分，分別是：初始化程序模塊、系統(tǒng)自檢程序模塊、掃頻控制程序模塊、諧振峰值檢測程序模塊、土壤水分計算程序模塊、顯示刷新程序模塊、低功耗休眠與自動喚醒程序模塊。程序核心部分流程圖如圖4所示，其中F為掃頻電路輸出的頻率，U為峰值電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

圖4　程序核心部分流程Fig.4　Flow chart of core program

軟件初始化程序部分主要對微控制器內(nèi)部寄存器和外部端口進行初始化設(shè)置，對LCD液晶顯示屏的各項參數(shù)和工作模式進行設(shè)置。初始化完成立即進行系統(tǒng)自檢，目的是確保測量前儀器系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，如土壤水分傳感器是否連接良好，鋰電池電量是否足夠等，如若異常則進行異常處理并在顯示屏上顯示檢測結(jié)果提示用戶處理，從而確保了后續(xù)的測量過程正確進行。通過自檢后儀器開始輸出掃頻信號，設(shè)計的壓控振蕩器掃頻范圍為80～160 MHz。同時，峰值檢測程序也配合運行采集峰值電壓，并利用STM8S206微控制器內(nèi)的10位ADC將此電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對此數(shù)字量進行滑動中值濾波，用來降低干擾和偶然出現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)。當一輪掃頻完成后，程序?qū)⒌玫降闹C振頻率F帶入預(yù)先設(shè)計的公式計算出對應(yīng)的土壤水分含量，然后顯示該數(shù)據(jù)和誤差范圍。由于儀器是采用太陽能供電，所以應(yīng)當盡可能地降低系統(tǒng)功耗，考慮到土壤水分的變化十分緩慢，從而設(shè)計了間歇式測量方案，在不測量時微控制器關(guān)閉掃頻電路和顯示屏部分，進入低功耗休眠狀態(tài)。

4實驗及結(jié)果分析

4.1實驗方案該實驗采用烘干稱重法[7]進行對比驗證，選擇壤土和沙土2種不同的土壤對其進行土壤含水量[8]測定，并通過計算得出每種土壤的實際含水量，最后與測試儀測出的土壤水分含量進行比較分析，驗證該測試儀是否能達到預(yù)期的測量精度。

4.2實驗步驟首先，將2種不同的土壤烘干備用。稱量并記錄空燒杯的凈重m，加入適量沙土后稱量此時燒杯的質(zhì)量M，往燒杯中加入質(zhì)量為mi的水并攪拌均勻，依據(jù)公式即可計算出沙土的實際含水量θi。其計算公式為：

(5)

最后用設(shè)計的土壤水分含量測試儀進行測量并記錄下液晶顯示屏上顯示的數(shù)字。依據(jù)上述方法同理可計算出壤土的實際含水量θj。

4.3實驗結(jié)果實驗得出,壤土和沙土的實際含水量與土壤水分測量儀顯示的測量值結(jié)果對照如表1、表2所示。

表1200g壤土實際含水量和傳感器對土壤濕度的測量值對照

Table1Theactualmoisturecontentandthemeasuredvalueofsoilmoisturebytransducerin200gsoilsample

實驗編號Testcode加水的質(zhì)量Weightofaddedwater∥g壤土實際含水量Actualmoisturecontentofsoil∥%測試結(jié)果Measuredresults∥%152.501.232105.002.763157.507.5342010.008.9152512.5013.7463015.0016.9773517.5018.1484020.0020.13

表2200 g沙土實際含水量和傳感器對土壤濕度的測量值對照

Table 2The actual moisture content and the measured value of soil moisture by transducer in 200 g sandy soil

實驗編號Testcode加水的質(zhì)量Weightofaddedwater∥g沙土實際含水量Actualmoisturecontentofsandysoil∥%測試結(jié)果Measuredresults∥%152.54.212105.06.433157.59.7842010.011.2552512.59.8663015.013.6773517.518.1484020.022.96

通過對壤土和沙土2種土壤的水分含量測試實驗可以看出，土壤水分測試儀所測結(jié)果與稱重法得出的土壤實際含水量相比，誤差均在±3%以內(nèi)，精度和線性度均滿足設(shè)計目標與使用要求。

比較壤土和沙土的實驗數(shù)據(jù)，在加入相同水量的情況下，壤土的測量值波動幅度較小，證明壤土的保水性比沙土好，能為植物的生長提供充足的水分和有機質(zhì)，更適合植物的生長。

5結(jié)語

該研究介紹了基于STM8微處理器的太陽能土壤水分測量儀的設(shè)計原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件實現(xiàn)，并進行了實驗論證，充分證明了該測量儀具有可靠性高、操作簡單、方便快捷

等特點。與傳統(tǒng)烘干稱量法相比，平均誤差僅在±3%以內(nèi)，且由于采用的是太陽能提供電源，克服了因地理因素、天氣因素而導(dǎo)致的電源提供受局限的困難，能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的實際需求，對節(jié)省水資源和人力、物力成本等起著很大的作用，具有良好的發(fā)展前景。

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Design of Solar Soil Moisture Measuring Instrument Based on STM8 Microprocessor

WU Qi，PU Shao-xuan*

(Solar Energy Research Institute, Yunnan Provincial Key Laboratory of Rural Energy Engineering, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

AbstractThe moisture content of the soil is very important for the growth of plants. Detecting soil moisture is a key in automatic irrigation system. In order to continuously measure the soil moisture content, STM8 microprocessor and FDR (frequency domain reflectometry) principle were adopted. With solar energy power supply, a portable soil moisture measuring instrument was designed and made with hardware and software. Multigroup experiment was carried by different soils. Comparative results showed that detection result of this device was relatively close to those by the drying method, with less than 3% of error.

Key wordsSoil moisture content detecting; STM8; Solar energy; FDR

作者簡介吳奇(1990- )，男，湖北漢川人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程。*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事太陽能利用研究。

收稿日期2016-03-16

中圖分類號S 214

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-254-03