基于AT89S52的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

江濤 劉峰 李暉 常碩 舒懷

摘 要：為分析土壤濕度與土壤溫度相關(guān)性。該文設(shè)計了一種以單片機AT89S52為主控核心，采用MS10AAA土壤水分傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計了一種采集土壤溫濕度裝置。

關(guān)鍵詞：土壤溫濕度；AT89S52；MS10AAA傳感器

湖南省是農(nóng)業(yè)大省，地質(zhì)以山地、丘陵為主，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2010至2011年，為做好新增千億斤糧食氣象保障工程，湖南省氣象局在糧食主產(chǎn)區(qū)建設(shè)60個基于FDR原理的自動土壤水分觀測站，實時監(jiān)測土壤濕度。在運行的三年時間里，土壤水分觀測存在著觀測數(shù)據(jù)不能反應(yīng)真實土壤墑情的問題，給相關(guān)業(yè)務(wù)、科研工作造成了很大的困惑。經(jīng)比較分析自動土壤水分觀測站觀測數(shù)據(jù)和人工取土測量數(shù)據(jù)，分析自動土壤水分觀測原理與標(biāo)定方法，并與設(shè)備研制廠商溝通，發(fā)現(xiàn)存在的問題主要是由于湖南省土壤結(jié)構(gòu)差異性較大，導(dǎo)致通用性土壤濕度算法不能很好的反映真實土壤濕度變化。為合理調(diào)整土壤濕度測量算法提供依據(jù)，做好自動土壤水分觀測站的技術(shù)保障，湖南省氣象技術(shù)裝備中心開展了傳感器實驗室標(biāo)定參數(shù)研究、自動土壤水分觀測田間標(biāo)定方法研究、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究等一系列科學(xué)研究。

依據(jù)FDR測量原理，溫度的不同也對土壤數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，為做好溫度對土壤濕度影響的研究，并提供一套簡易采集土壤墑情的觀測設(shè)備。該文設(shè)計并研制了一套觀測土壤溫濕度裝置，為相關(guān)研究工作開展提供測量手段。

一、MS10AAA傳感器

MS10AAA傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤介電常數(shù)來反演真實的土壤水分含量。MS10AAA直接測量土壤容積含水率，適合于土壤墑情監(jiān)測、科學(xué)實驗、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、精細(xì)農(nóng)業(yè)等。

MS10AAA傳感器利用FDR測量原理，將土壤容積含水率經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為0-2V可測電壓，作用區(qū)域為以中央探針為中心，直徑、高分別為7CM的圓柱體。換算方法為：容積含水率=0.5×電壓值×100%。

二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以AT89S52單片機為核心，由MS10AAA土壤濕度傳感器、電源、LCD顯示、UART串口等模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)通電后，土壤濕度傳感器將表征土壤濕度的電壓信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機處理后通過LCD顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量。通過UART端口將溫濕度信息發(fā)送到終端計算機，實現(xiàn)信息的收集與存儲。

三、硬件系統(tǒng)主要部件設(shè)計

1.AT89S52最小系統(tǒng)設(shè)計

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，8個中斷源，全雙工UART串行通道，雙數(shù)據(jù)指針，片內(nèi)晶振及時鐘電路。

AT89S52單片機要正常工作，必須配置其外圍電路，單片機最小系統(tǒng)如下圖2所示。

2.MS10AAA數(shù)據(jù)采集通道電路設(shè)計

MS10AAA輸出的模擬電壓信號送到MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，MAX197的D0-D7將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到AT89S52的P0.0-P0.7口，MS10AAA數(shù)據(jù)采集電路如下圖2所示。P0.0-P0.7既可輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。SHDN腳接高電平，設(shè)置MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式。REFDJ接高電平，設(shè)置ADC參考電壓為外部輸入。AT89S52的P1.0腳用于判斷高、低位數(shù)據(jù)的選擇，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與AT89S52的P3.2腳（INT0）相連，以便實現(xiàn)中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX197有8個通道，如果要采集8層土壤溫濕度，可用2片2選1模擬開關(guān)實現(xiàn)。

在電路設(shè)計過程中，為減小信號干擾，AGND和DGND相互獨立，各種電源與地之間都用0.1uF電容消除電源的紋波。

3.LCD顯示電路設(shè)計

該電路設(shè)計采用帶中文字庫的128×64點陣圖形液晶顯示模塊，可完成圖形顯示和8×4漢字（16×16點陣）顯示。本電路采用間接控制方式，利用AT89S52的I/O口實現(xiàn)與顯示模塊的通信，即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與單片機的P2口連接作為數(shù)據(jù)總線，另外3根時序控制信號線利用P1口未利用的I/O口來控制。LCD12864與AT89S52的接線原理如圖4所示。

4.UART串口設(shè)計

AT89S52內(nèi)置串口電路（TTL電平，+5V為高電平，0V為低電平）。計算機串口為RS-232C電平，高電平為+12V，低電平為-12V。為實現(xiàn)單片機與PC通信，需要完成以上兩種電平的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片。電路如下圖5所示。

5.存儲電路設(shè)計

AT89S52單片機具有8KFlash，為增大數(shù)據(jù)存儲容量，該電路采用CAT24WC16存儲芯片設(shè)計了一個16K的外置存儲器。CAT24WC16是位串行CMOSE2ROM，可通過I2C總線接口進(jìn)行讀寫。CAT24WC16外圍配置電路如下圖6所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)C語言，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。實際應(yīng)用時，系統(tǒng)把采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為土壤溫濕度并進(jìn)行實時顯示，軟件部分包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出通信等子程序。系統(tǒng)主程序按照業(yè)務(wù)操作流程調(diào)度各子程序模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的整體管理。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

五、結(jié)語

該系統(tǒng)采用抗干擾能力強、功耗低的AT89S52單片機，配合高度集成的土壤濕度傳感器和應(yīng)用系統(tǒng)軟件，可實時獲取土壤表寸以下2M范圍內(nèi)的溫、濕度數(shù)據(jù)，價格適中，比較適合需要監(jiān)測土壤墑情的地方，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李光弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎(chǔ)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2001.

[2]沙占友，孟志永，王彥朋等.單片機外圍電路設(shè)計（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]張家偉，劉成忠.基于STC89C52RC的養(yǎng)殖區(qū)溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，（1）：161-165.

[4]蘭羽，盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛監(jiān)測儀設(shè)計[J].機械與電子，2014，（1）：67-70.

[5]倪仁品，湯輝.基于AT89C52的柴油放電機運行參數(shù)監(jiān)視儀[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，32（3）：86-88.

作者簡介：江濤（1983-8-），湖南省氣象技術(shù)裝備中心，工程師，研究方向：綜合氣象觀測。