基于FDR型土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的設(shè)計*

王仲夏,楊 坤,朱長成

(河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

基于FDR型土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的設(shè)計*

王仲夏,楊 坤,朱長成

(河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

土壤濕度測量是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展重要的組成部分之一，合理的采集土壤水分含量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，更利于人們合理運(yùn)用農(nóng)業(yè)資源得到更高的效益。本設(shè)計基于STC90C516RD+單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，利用高精度雙路ADC7705進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，保證數(shù)據(jù)的精確性，最后利用CH376U盤模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，完成數(shù)據(jù)的超速存儲，用戶只需要將已經(jīng)采集好數(shù)據(jù)的U盤接上電腦，即可實現(xiàn)上位機(jī)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。利用時鐘芯片DS1302可實時進(jìn)行記錄。

STC90C516；CH376；U盤；FDR土壤濕度傳感器；ADC7705；DS1302

水是生命之源，是社會發(fā)展和人類生存不可或缺的重要條件。水資源短缺、供水不足等問題，已經(jīng)成為全球性問題。當(dāng)今，大多數(shù)國家和地區(qū)，尤其是發(fā)展中國家，供水不足和水源污染的問題十分嚴(yán)重。不僅危害到人們的健康，而且在生產(chǎn)和生活等方面都有影響。合理的利用水資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源保護(hù)就顯得十分重要，因此采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計方案圖如圖1所示，通過單片機(jī)外部引腳將CH376U盤芯片，ADC7705芯片等連接在單片機(jī)I/O口上，F(xiàn)DR型土壤濕度傳感器通接在雙路AD的輸入端口，在經(jīng)過AD芯片的采集轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際需要的物理量進(jìn)行輸出到U盤中進(jìn)行存儲。

1.1 FDR型土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集

在目前土壤濕度測量的領(lǐng)域，主要有烘干法，張力計法，中子法，時域反射儀，頻域反射儀。本設(shè)計采用的是目前比較實用的FDR型傳感器，F(xiàn)DR技術(shù)是通過電磁脈沖原理，依據(jù)電磁波在土壤中傳播的頻率來測試土壤的介電常數(shù)，從而可以得到土壤體積含水量，基于FDR土壤水分傳感器具有價格便宜、快速、方便和對土壤擾動小等優(yōu)點(diǎn)，它是目前土壤體積含水率測量的常用傳感器。

圖1 控制系統(tǒng)方框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 信號采集模塊

本設(shè)計采用的是由某公司生產(chǎn)的一款基于頻域反射原理的水分傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 信號采集模塊主要技術(shù)參數(shù)

此傳感器體積小巧，便于攜帶安裝方便，結(jié)構(gòu)合理，探頭部分采用316不銹鋼針式結(jié)構(gòu)，保證了使用壽命，主要電路用工程塑料進(jìn)行了封裝，可以長時間的插入土壤且不會腐蝕，受土質(zhì)影響較小，可靠性較強(qiáng)。

2.2 A/D處理單元

圖2 AD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過A/D模塊將土壤水分傳感器采集到的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的信號。本設(shè)計采用雙路ADC7705。它具有兩路的全差分輸入通道，增益可放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路包含和緩沖器，Σ-Δ調(diào)制器和可編程數(shù)字濾器等，可以對來自傳感器的微弱電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。另一方面它具有高分辨率，低功耗，寬動態(tài)范圍，自校準(zhǔn)以及良好的抗噪性能。在實際測試過程中個別芯片由于生產(chǎn)等問題可能會存在硬件上的一些問題，所以在使用A/D芯片之前需要對芯片進(jìn)行檢查，保證芯片的兩路輸入之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.3 時鐘電路模塊

DS1302時鐘芯片是一種高性能，低功耗的實時時鐘芯片，帶有31字節(jié)的靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信[1]。

圖3 DS1302引腳圖

引腳5,6,7分別與單片機(jī)的P2.3，P2.4，P2.5口相連，將時鐘的信息通過這3個引腳進(jìn)行讀出和寫入，單片機(jī)讀出日期和時間信息后，將日期和時間數(shù)據(jù)輸出到U盤進(jìn)行存儲。

其中引腳1為主電源，引腳8為備份電源輸入，當(dāng)Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2

圖4 DS1302操作流程圖

2.4 U盤存儲模塊

采用CH376U盤存儲芯片，其支持USB主機(jī)方式和USB設(shè)備方式，同時內(nèi)置了USB通訊協(xié)議基本固件，內(nèi)置了SD卡通訊接口固件，內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備專用通訊協(xié)議的固件，內(nèi)置FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)管理固件，對于一般用的USB存儲設(shè)備(包括U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器)和SD卡(包括標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協(xié)議兼容的MMC卡和TF卡)都支持[2]。圖5為CH376部分電路。

2.5 單片機(jī)處理單元

采用新一代超高速的低功耗的單片機(jī)STC90C516RD+，指令代碼部分完全兼容80C51，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期能任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，工作電壓3.8 V～5.5 V[3]，工作頻率范圍0 MHz～40 MHz，用戶應(yīng)用程序空間61 k字節(jié)，內(nèi)置看門狗，共3個16位計數(shù)器，而且定時器0還可成為2個8位定時器使用，4路外部中斷，低電平觸發(fā)中斷或下降沿中斷，Power Down模式可以通過外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒[4]。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計與提高

由于項目時間緊迫，在軟件部分只定義了數(shù)據(jù)寫完一組就可以拔出U盤，而且在數(shù)據(jù)讀寫的過程中有可能數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一些故障導(dǎo)致這組數(shù)據(jù)全部丟失，再次讀數(shù)據(jù)時需要手動復(fù)位。為了數(shù)據(jù)能夠不停的存儲，在設(shè)計中調(diào)用了單片機(jī)內(nèi)的軟件復(fù)位的特殊功能寄存器ISP_CONTR，只需要簡單的控制其中兩位SWBS/SWRST就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位了[5]。因為數(shù)據(jù)在寫完一組后才會存入U盤，調(diào)用ISP_CONTR寄存器是為了讓數(shù)據(jù)每寫完一組，進(jìn)行軟件復(fù)位將此組數(shù)據(jù)寫入U盤后，再進(jìn)行下一組的讀寫，而不會丟失上一組的數(shù)據(jù)，U盤可以在測量數(shù)據(jù)時隨時可插拔，在測量數(shù)據(jù)時拔掉U盤，只會丟失此組數(shù)據(jù)，而不會丟失之前的數(shù)據(jù)，為了讓數(shù)據(jù)丟失的更少，在函數(shù)中定義了每15個數(shù)據(jù)作為一組進(jìn)行存儲，可以更好的減少有效數(shù)據(jù)的丟失，并且數(shù)據(jù)每存完一組，指示燈會閃爍一次，表明此組數(shù)據(jù)存入U盤。

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試成功后搭建完成，將系統(tǒng)進(jìn)行上電，F(xiàn)DR土壤插入測試土壤中，將U盤插入CH376接口進(jìn)行整體的系統(tǒng)測試，測試了4種U盤主控芯片，分別是金士頓(主控為擎泰SK6211BA和6211BB)、聯(lián)想和清華同方(主控為惠榮SM325X)、清華紫光(SYK6281)等國內(nèi)主流的U盤，均未出現(xiàn)不能存儲或者數(shù)據(jù)存儲丟失的情況，并且經(jīng)過7天12小時的連續(xù)不間斷測量和存儲[6]，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集圖

第一列顯示的數(shù)據(jù)為年月日，第二列顯示的為時分秒，第三列和第四列為測量的水分?jǐn)?shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)表明在數(shù)據(jù)量較大的情況下，數(shù)據(jù)結(jié)果還能保持很好的穩(wěn)定性。說明本設(shè)計可以穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。以幫助相關(guān)專業(yè)的研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，有較好的推廣價值。

圖7 系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)論

本設(shè)計實現(xiàn)了土壤水分含量的快速測量，并且能夠通過U盤模塊實現(xiàn)快速存儲，保存的數(shù)據(jù)可以直接與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過本次的系統(tǒng)設(shè)計，使我對STC單片機(jī)有了更進(jìn)一步的了解，了解了模塊之間是如何通信，提高了自己分析問題和解決實際問題的能力，同時提高了自己的程序編寫能力。

[1] 邵偉，董明，陸藺輝.一種開關(guān)量控制的水浴恒溫控制器設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012(7):81-83.

[2] 孟濤，王?；?單片機(jī)U盤控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船防化，2010(2):20-24.

[3] 王立恒,任勇峰,李圣昆.基于AT89S52單片機(jī)的無線遠(yuǎn)距離遙控設(shè)計[G].中國兵工學(xué)會儀器科學(xué)及測控技術(shù)年會,2008.

[4] 沈杰,李春生,沙春芳，等.彩色LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的設(shè)計[J].電子科技，2014,27(10):178-181.

[5] 宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊[S].2013.

[6] 孟強(qiáng),徐慧,施山菁.低功耗土壤濕度控制儀設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(7):85-88.

Acquisition System Design of Soil Moisture Data Based on FDR

Wang Zhongxia，Yang Kun，Zhu Changcheng

(WentianCollege,HehaiUniversity，MaanshanAnhui，243000,China)

Soil moisture measurement is one of the most important parts of agricultural development in the 21st century, the reasonable collection of soil moisture content plays an vital role in agricultural production and it is more conducive for the rational use of agricultural resources and get higher benefits. This design makes data processing based on the STC90C516RD single-chip computer and the high precision dual ADC7705 is used for data collection to ensure the accuracy of data, finally the data are stored using CH376 U module and the data storage of speeding is fulfilled. Users only need to have the collected data disk connected to the computer; the PC can be realized to analyze the data and processing. The clock chip DS1302 is used for real time recording.

STC90C516; CH376; U disk; FDR soil moisture sensors; ADC7705; DS1302

2017-05-09

2017年度安徽高校自然科學(xué)研究項目(項目編號KJ2017A896)；2016年河海大學(xué)文天學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目

王仲夏(1974- )，男,講師，現(xiàn)任河海大學(xué)文天學(xué)院機(jī)械系教師，主要從事基于微處理器技術(shù)的智能設(shè)備研發(fā)等科研和教學(xué)工作。

1674- 4578(2017)04- 0020- 04

S274.2;TP212

A