一種土壤酸堿度和濕度測量儀的設計

宿曉鋒+++劉映杰++張浩晨

摘 要：研究設計了一種測量土壤酸堿度（PH）和濕度的測量儀器，設計使用了低功耗的PIC18F系列單片機、PH傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器。討論了復合電極法測量PH和電阻分壓法測量濕度的原理，以及電路的設計。介紹了PH曲線和濕度曲線擬合的過程，并且對總體設計進行了系統(tǒng)實現(xiàn)和測試。測試結(jié)果表明，基于PIC18F系列單片機的酸堿度（PH）和溫度測量儀具有測量準確、穩(wěn)定性高、可靠性好、使用快捷方便等優(yōu)勢，目前該酸堿度（PH）和溫度測量儀已經(jīng)投入實際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：土壤；PH值；濕度；單片機

引言

土壤的酸堿度（PH）、溫度和濕度是影響植物生長的重要因素，特別是土壤的酸堿性將直接影響植物是否可以生長。獲取土壤酸堿度是植物種植前重要的環(huán)節(jié)，土壤濕度是植物生長期間指示作物正常生長的重要因素之一，因此酸堿度（PH）和溫度測量儀的設計有非常重要的實際意義。

本文對當前市場上常見土壤測量儀器進行分析，發(fā)現(xiàn)目前使用的土壤測量儀器存在的問題，比如測量誤差大、操作麻煩、測量信息單一等不足。為此，提出改進的設計方案，并設計了相應控制系統(tǒng)的低功耗硬件電路和軟件流程，最后對產(chǎn)品進行了測試驗證，得到了較好的結(jié)果。本測量設備可以改進市場上土壤測量儀器存在的一些不足，取得更高的測量精度、更好的穩(wěn)定性和簡便的校準。

1 測量原理

1.1 復合電極測量PH值

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體機構(gòu)

基于PIC18F系列單片機的土壤酸堿度和濕度測量儀可以實現(xiàn)土壤酸堿度、濕度、溫度的測量，通過LCD顯示屏將采集的信息顯示到屏幕。按鍵及其電路可以實現(xiàn)對單片機的操作，可以通過按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、保存、查看和刪除、校準操作，也可以通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上位機，對采集的數(shù)據(jù)信息進行集中管理。土壤酸堿度（PH）和溫度測量儀系統(tǒng)框圖如圖1。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 酸堿度信號采集電路

PH信號采集電路如圖所示，圖中字母PH代表PH傳感器返回的電壓信號，先經(jīng)過了一個電壓跟隨器，電路的第二級是一個減法運算電路，將一個1V左右的信號與PH傳感器的電壓信號相減，通過表1可知PH傳感器的電壓變化可正可負，而PIC18F單片機的AD采樣只能采集大于零的電壓信號，經(jīng)過二級電路時，當PH為0時PHout為0.6V左右，當PH為14時PHout為1.4V左右，傳感器的信號經(jīng)過圖電路后信號整體被抬高到大于零，且PH與電壓成正向關(guān)系，PHout輸出范圍為，AD可以正常采集此信號。電容C2用于消除輸入端的干擾。電路如圖2所示。

2.2.2 濕度信號采集電路

濕度信號采集電路采用了分壓的方式，單片機的AD直接采集電壓變化。電路R1和R3起分壓作用，R4和R5分壓，C4起濾波作用，防止干擾信號的影響。電路如圖3。

3 PH和濕度標定

3.1 PH標定

從表1可知PH與電壓呈線性關(guān)系，在理想狀態(tài)下線性方程符合公式（2），在實際測量過程中需要通過二點標定法算出斜率和零點：

（1）在25攝氏度的室溫下準備兩種常用標定溶液混合磷酸鹽

pH 值為6.86PH、硼砂pH值為9.18PH。

（2）通過功能鍵將土壤PH和濕度測量儀調(diào)到校準功能，當

LCD上讀取到CAL和6.86PH字樣時，將測量儀在磷酸鹽標定液中測量數(shù)次，繼續(xù)按功能鍵從LCD上讀取到CAL和9.18PH字樣時，將測量儀在硼砂標定液中測量數(shù)次。

（3）按確認鍵單片機會自動計算兩種溶液中讀取到的電壓平均值，算出斜率和零點保存在單片機中。

長時間使用該土壤PH和濕度測量儀時會造成PH傳感器信號返回值漂移，所以需要定期對該產(chǎn)品進行重新標定。

3.2 濕度標定

從室外田地取土若干，用烘干機烘烤6小時，然后用烘干的土配置含水量不同的土壤標本，使用單片機讀取含水量不同時傳感器返回的電壓值，經(jīng)過大量測試數(shù)據(jù)表明土壤含水量低于與18%時含水量越大AD采樣電壓值也越大，有較好的線性關(guān)系；含水量超過18%隨含水量的增加AD采樣電壓值下降；當含水量超過25%時土壤稀釋度就比較大，在實際土壤灌溉中沒有意義。

通過上面結(jié)論具體研究了土壤含水量低于18%時與電壓的關(guān)系：

（1）取10組土壤樣本，放入烘干箱中烘烤6小時。

（2）將10組烘干的土壤稱重記錄，然后分別加入不同含量的

水，配制含水量不同的土壤。

（3）分別測量對應的電壓關(guān)系，每組土壤隔2min記錄一次，共記錄4次，算出平均值，記錄如表1。

對表中的數(shù)據(jù)進行一元線性回歸可得擬合曲線如圖4。

4 實驗測試

為了測試本土壤酸堿度和濕度測量儀的準確性，進行了以下實驗測量。在溫度為25℃的實驗室中配制了10組酸堿度和濕度不同的土壤樣本，PH以PHS-3C型酸度計測量數(shù)值為準確值，本土壤酸堿度和濕度測量儀測量的PH值為測量值，濕度百分比以10組土壤樣本烘干前后計算值為準確值，本土壤酸堿度和濕度測量儀測量的濕度值為測量值，將PHS-3C型酸度計和本土壤酸堿度和濕度測量儀分別插入10組樣本中測量記錄，然后將10組土壤樣本烘干、天平稱重，計算濕度并記錄，記錄如表2。

本次實驗測量的土壤PH主要集中在4-10，濕度集中在3%-18%，在實際的農(nóng)田中，土壤的酸堿度和濕度在上述區(qū)間內(nèi)有實際的意義，通過實驗測量結(jié)果可以得出，土壤的PH誤差小于0.1PH，濕度誤差小于0.5%，符合產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于單片機的酸堿度（PH）和濕度測量儀，硬件上采用了運放電路和AD采樣實現(xiàn)，分別通過二點標定法和線性回歸獲得PH和濕度相關(guān)曲線，軟件上采用了溫度補償和兩點校準來保證測量的準確性，通過實驗測試該酸堿度（PH）和濕度測量儀的PH測量誤差小于0.1PH，濕度的測量誤差小于0.5%，指標滿足設計要求。綜上所述該測量儀具有性能優(yōu)良、可靠性高、操作簡單、節(jié)約成本等優(yōu)點，可以滿足農(nóng)田土壤酸堿度和濕度的測量，具有一定的應用前景。

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作者簡介：宿曉鋒（1991-），男，漢族，山東濰坊，碩士研究生，蘭州大學，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

*通訊作者：劉映杰（1964-），男，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與模式識別。