基于STC12C5A16S2土壤水分測量儀的設計

馬曉玲

摘 ? 要：土壤體積分數(shù)是土壤的主要組成部分，對植物的生長過程有十分重要的意義。我國水資源嚴重缺乏，其中大多用水量用于農(nóng)業(yè)灌溉，但是目前我國平的農(nóng)業(yè)用水利用率較低，相對于發(fā)達國家，我國農(nóng)作物產(chǎn)量遠低于發(fā)達國家的水平。因此，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水工作還有很大的空間。農(nóng)田土壤體積分數(shù)的測量是農(nóng)業(yè)發(fā)展中必不可少的一部分，通過對農(nóng)田土壤水分的實時測量，可以掌握農(nóng)田的土壤環(huán)境，這樣就有利于進行節(jié)水灌溉，同時實時的節(jié)水灌溉也對提高產(chǎn)量有很大的幫助。由土壤水分傳感器和核心單片機組成。FDS100土壤水分傳感器主要負責測量植物的土壤體積分數(shù)，并將測量到的模擬信號經(jīng)I/O口傳給單片機STC12C5A16S2進行處理計算。

關鍵詞：土壤水分;FDS100土壤水分傳感器;STC12C5A16S2單片機

傳統(tǒng)灌溉方式落后，農(nóng)田灌溉設施和農(nóng)業(yè)發(fā)展的情況不匹配。主要原因有以下幾點：（1）農(nóng)田由于地勢原因高低錯落，導致不同地段土壤體積分數(shù)不同，因此導致農(nóng)田內(nèi)農(nóng)作物的產(chǎn)量大大的降低。（2）在干旱少雨的季節(jié)里，不能根據(jù)植物的需水量進行灌溉，因此不能保證作物大面積的提高產(chǎn)量。（3）根據(jù)以上情況，應該在現(xiàn)有的節(jié)水灌溉技術的基礎上，研制新的灌溉技術，減少灌溉成本，提高產(chǎn)量。

1 ? ?系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)主要包括：土壤水分傳感器單元、STC12C5A16S2單片機、LCD顯示模組、控制程序、電源。土壤水分測量儀的工作原理是將土壤水分傳感器測量得到的模擬量轉化為電流或電壓信號，再通過STC12C5A16S2單片機里面的A/D轉換器轉換成脈沖信號，單片機計算系統(tǒng)會進行相應的數(shù)據(jù)運算和處理，然后把運算結果通過單片機傳輸?shù)絃CD顯示屏上。

2 ? ?土壤水分測量儀主要工作任務

要實現(xiàn)對該系統(tǒng)所預期的功能，主要解決如下問題：

（1）要設計硬件電路，畫出硬件電路圖。

（2）選擇合適的傳感器、單片機、顯示器。

（3）進行信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示。

（4）進行軟件設計，編寫正確的程序。

（5）軟件和硬件一起進行綜合調(diào)試來實現(xiàn)最后的功能。

3 ? ?系統(tǒng)硬件組成

3.1 ?硬件組成

整個土壤水分測量系統(tǒng)包含單片機模塊、土壤水分傳感器模塊、顯示模塊、AD模塊。各部分模塊能實現(xiàn)以下功能[1-2]：

（1）土壤水分傳感器是能夠測量土壤的容積含水量，也就是單位土壤總容積中水分所占的百分數(shù)并轉化成電信號的傳感器，土壤水分傳感器可以和其他的儀表聯(lián)合使用，成為一套即插即測的便攜式土壤水分測量儀，也可以連接到通用數(shù)據(jù)采集器上，實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)測。

（2）AD模塊，將土壤水分傳感器測得的信號進行轉化成單片機能夠處理的數(shù)據(jù)。

（3）顯示模塊，用來對所測量到的土壤體積分數(shù)進行顯示。MzLH04是一塊點陣LCD顯示模組，其中液晶可以顯示漢字和西文字庫;并且液晶顯示器還可以具有的畫點、直線、矩形、圓形等一些繪圖作用，此外，MzLH04模塊明顯的是可以直接顯示自帶的數(shù)字。接口為串行SPI接口，接口方便簡單易懂，而且操作起來特別方便，可以和其他單片機進行連接。

（4）STC12C5A16S2單片機，STC12C5A16S2/AD/PWM系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是一款具有各種優(yōu)勢，快速方便的單片機，這種單片機的指令代碼和傳統(tǒng)8051單片機相融合，但是速度比傳統(tǒng)的單片機快10倍左右，內(nèi)部有10位A/D轉換，2路PWM，8路高速，用于對電機的控制，適合干擾較強的場合。

（5）報警端口，土壤水分測量儀的系統(tǒng)可以設置不同的土壤體積分數(shù)范圍，當測量的土壤體積分數(shù)值和設定的體積分數(shù)值進行比較時，如果低于標準的土壤體積分數(shù)，則系統(tǒng)會進行報警，警告植物目前土壤體積分數(shù)低，需要進行水分灌溉。P4.6作為報警接口使用。報警時一共發(fā)出5聲報警提示音。

3.2 ?電源模塊

大棚溫室內(nèi)有交流直流電，但是變土壤水分測量儀各個模塊的設備工作電壓均為直流電，土壤水測量儀需要電源適配器，單片機系統(tǒng)工作電壓為DC12 V，土壤水分傳感器電路需要DC5 V電源適配器。

3.3 ?土壤水分采集模塊

采集模塊主要是用土壤水分傳感器FDS100將測量得到的土壤水分模擬信號傳送至單片機中進行處理，傳感器探針由不銹鋼制成，提高了使用壽命，土壤水分傳感器外部用膠體包裝，有很強的密封性，插入土壤中耐腐蝕性好。測量土壤水分時系統(tǒng)響應靈敏，數(shù)據(jù)傳輸速度快，工作性能高，使用的地區(qū)非常廣泛。

3.4 ?電磁閥模塊

驅動電磁閥需要大功率，但是單片機功率很小，無法驅動電磁閥工作，因此，通過單片機控制繼電器的動作，繼電器控制電磁閥的接通和斷開，單片機間接地控制電磁閥工作。根據(jù)是否達到預期的土壤體積分數(shù)來進行開啟或關閉電磁閥灌溉，設置單片機輸出引腳為高電平，通過單片機輸出引腳電平的高低變化來控制繼電器吸合和斷開，繼電器觸點閉合，電磁閥線圈通電，通電后閥門打開，水流經(jīng)過閥門，進行灌溉。

4 ? ?系統(tǒng)軟件程序設計

4.1 ?系統(tǒng)主程序設計

硬件電路完成以后，要根據(jù)硬件電路設計軟件。首先，根據(jù)軟件對系統(tǒng)的作用，對軟件進行模塊化的設計，包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按不同的功能設計多個不同的軟件程序，包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序和土壤體積分數(shù)顯示程序，這些程序單獨設計、編程、調(diào)試。其次，將各個模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。土壤水分測量儀系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)各個變量，整個系統(tǒng)還未進行工作，當按下土壤水分測量健之后，土壤水分測量儀系統(tǒng)開始運行。

4.2 ?數(shù)據(jù)采集的主要程序設計

采集模塊主要是用土壤水分傳感器FDS100將測量得到的土壤體積分數(shù)傳送至單片機中進行處理，數(shù)據(jù)采集選用的FDS100土壤水分傳感器具有測量精度高、準確率高、數(shù)據(jù)傳輸效率高。FDS100土壤水分傳感器與單片機的接線簡單，便于操作。FDS100土壤水分傳感器測量得到的濕度信號最終以電壓信號的方式傳送到AD轉換器中，由于STC12C5A60S2單片機的AD轉換器接在P1口，所以將黃線即電壓信號線接在P1.4口。這樣，土壤水分傳感器每測一次，電壓信號都將通過P1.4口送到AD轉換器中，單片機再將處理后得到的數(shù)字信號發(fā)送至顯示器[3-4]。

4.2.1 ?定時器及中斷程序的設計

程序的總體設計要滿足系統(tǒng)對軟件的要求，單片機的任務是定時和計數(shù)，并且計算出土壤體積分數(shù)后輸出測量值，時間到之后申請中斷，采集數(shù)據(jù)，計數(shù)值加1，在主程序中涉及定時器的初始化和中斷的允許控制。

4.2.2 ?單片機控制水泵程序設計

單片機控制水泵的與單片機控制電磁閥工作原理相同，單片機通過控制繼電器的開啟來控制水泵的啟停。單片機輸出I/O口置低電平，則繼電器通電，水泵開啟。反之，單片機輸出I/O口置高電平，繼電器斷開，水泵關閉。

4.3 ?液晶顯示程序設計

顯示程序要實現(xiàn)的功能是把計算出的速度值傳到液晶顯示器上。液晶顯示模塊選用MzLH04，它是北京銘正同創(chuàng)科技公司提供的一款功能強大的字庫液晶模塊，自帶漢字庫，可以顯示數(shù)字、基本圖形等，內(nèi)置顯示RAM，是串行SPI接口，接口簡單，便于操作，接3.3 V供電，具有低功耗、穩(wěn)定可靠、編程簡單和體積小等特點，非常適合用于野外便于攜帶式儀表。MzLH04與單片機的接口很簡單，只要把MzLH04的片選信號CS，數(shù)據(jù)傳輸線SDA，SPI始終引口以及復位RST與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口分別相連即可。MzLH04也可以接一個電阻，通過電阻值的改變可以調(diào)節(jié)MzLH04的顯示亮度。

4.4 ?系統(tǒng)檢測

電路檢測是整個系統(tǒng)功能能否實現(xiàn)的關鍵步驟，將整個檢測過程分為3大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。

（1）軟件調(diào)試：整個程序是一個主程序調(diào)用各個子程序實現(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩(wěn)運行，各個模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運行必不可少，所以，在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個子程序模塊進行分別調(diào)試。軟件調(diào)試時，首先，要使程序在keil軟件里編譯通過。其次，把軟件以hex格式燒錄在單片機開發(fā)板里。軟件調(diào)試時，不僅程序要編譯通過，而且顯示要正確。

（2）硬件調(diào)試：硬件調(diào)試要先把單片機開發(fā)板按照所畫的電路圖接在水分傳感器和液晶顯示器上，上電后，打開液晶顯示器，將土壤水分傳感器的探針插入土壤中，看能否成功地測出土壤體積分數(shù)并且顯示在液晶顯示器上。

5 ? ?實際應用

在對系統(tǒng)能夠穩(wěn)定測量土壤水分后，將土壤水分測量儀應用在各種植物土壤水分測量的試驗中，使用土壤水分測量儀系統(tǒng)對植物進行自動監(jiān)測控制試驗，觀察該土壤水分測量儀系統(tǒng)是否能達到設定的目標，即能順利地測量植物土壤體積分數(shù)并顯示出來。

[參考文獻]

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