基于dsPIC30F2010的土壤水分測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)研究

摘要：給出了一種基于dsPIC30F2010控制的土壤水分測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)方法。該儀器利用駐波原理將土壤水分含量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化，并通過(guò)dsPIC30F12010實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。該儀器體積小，成本低，能對(duì)土壤水分進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，而且測(cè)量精度較高，在田間土壤水分測(cè)量中有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：土壤水分；測(cè)量；dsPIC30F2010；駐波；智能監(jiān)測(cè)

0 引言
    土壤水分測(cè)量一般有烘干測(cè)量法、中子擴(kuò)散法、電磁測(cè)量技術(shù)、時(shí)域反射法、頻域反射法、張力測(cè)量法、紅外線(xiàn)遙測(cè)法、駐波率法等。本文提出了一種基于dsPIC30F2010單片機(jī)的土壤水分測(cè)量?jī)x，該儀器采用駐波率原理，可以快速、精確的測(cè)量土壤水分，而其dsPIC30F21310性能先進(jìn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。經(jīng)試驗(yàn)，按照這種測(cè)量原理設(shè)計(jì)的土壤水分測(cè)量?jī)x不但成本低，體積小，便于攜帶，而且測(cè)量精確度較高，能進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，性能穩(wěn)定，同時(shí)能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和實(shí)時(shí)土壤水分測(cè)量的需要，可以達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

1 測(cè)量原理
    本測(cè)量系統(tǒng)由高頻信號(hào)發(fā)生電路、傳輸線(xiàn)、探針、檢波電路、信號(hào)處理電路和顯示電路組成。高頻振蕩器發(fā)出一個(gè)高頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)傳輸線(xiàn)傳遞到探針，由于探針阻抗與土壤阻抗不匹配，故將造成一部分信號(hào)沿傳輸線(xiàn)發(fā)射回去，從而在傳輸線(xiàn)上形成駐波，使傳輸線(xiàn)上各點(diǎn)電壓不相同。而傳輸線(xiàn)兩端的電壓主要是由土壤水分決定的，當(dāng)土壤含水率改變時(shí)，阻抗就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起駐波比的變化，最終使傳輸線(xiàn)兩端的電壓也產(chǎn)生變化。因此，通過(guò)測(cè)量傳輸線(xiàn)兩端的電壓變化就可以測(cè)得土壤水分相應(yīng)的變化。這樣，用檢波電路調(diào)理傳輸線(xiàn)兩端的電壓，再將其電壓信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將結(jié)果顯示在液晶顯示模塊上。

2 硬件結(jié)構(gòu)及功能
    該土壤水分測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的主要功能是完成對(duì)傳感器信號(hào)的采集、處理、顯示和控制。從傳感器得到一個(gè)電壓信
號(hào)，通過(guò)檢波電路得到電壓信號(hào)的峰值，再將其經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將得到的結(jié)果顯示在液晶模塊上。

2．1 傳感器
    本系統(tǒng)中傳感器的等效電路如圖2所示。在圖2中，Eg為高頻信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)；Rg是信號(hào)源的內(nèi)阻；Z1是傳輸線(xiàn)的阻抗；ZL是土壤探針的阻抗：R1、Gl和C1分別表示傳輸線(xiàn)上的分布電阻、電導(dǎo)和電容。這樣，根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，可得到A點(diǎn)的峰值電壓為：Ua=A(1+ρ)；而如果傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度為電磁波波長(zhǎng)的四分之一，則B點(diǎn)的峰值電壓為：Ub=A(1-ρ)，所以，A、B兩點(diǎn)的電壓差為△UAB=2Aρ。其中，ρ為傳輸線(xiàn)在A點(diǎn)的反射系數(shù)，可用表達(dá)式來(lái)表示。
    當(dāng)傳感器的探針插入土壤時(shí)，ZL主要由土壤介電常數(shù)決定，它可隨著土壤水分的變化而變化，從而使傳輸線(xiàn)輸出電壓△UAB產(chǎn)生變化。因
此，通過(guò)測(cè)量傳輸線(xiàn)兩端的電壓差就能間接得到土壤水分的含量。
    本測(cè)量系統(tǒng)的高頻信號(hào)采用100 MHz的正弦波信號(hào)，傳輸線(xiàn)采用同軸電纜，探針采用不銹鋼制成。100 MHz信號(hào)發(fā)生電路如圖3所示。

    圖3采用0X30系列MP3030型集成晶體振蕩器。該振蕩器的頻率范圍為10～160 MHz，電源電壓為+5 V，在引腳5和引腳2之間可連接一個(gè)20
kΩ的可調(diào)電阻，可通過(guò)引腳l來(lái)調(diào)節(jié)阻值，以得到100 MHz的正弦波信號(hào)，并通過(guò)引腳4輸出。
2．2檢波電路
    檢波電路的作用是在傳輸線(xiàn)的兩端檢波出駐波的波峰和波谷，然后通過(guò)差分放大、輸出調(diào)節(jié)，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    由于電壓信號(hào)是由100 MHz正弦波產(chǎn)生的，故若不對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，dsPIC2010將無(wú)法有效處理信號(hào)，因而不能得到精確的結(jié)果。檢波電路采用峰值檢波，當(dāng)檢測(cè)出電壓信號(hào)峰值后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)處理，進(jìn)而得到精確結(jié)果。其檢波電路的電路圖如圖4所示。

    檢波電路由一級(jí)精密二極管電路和一級(jí)電壓跟隨器組成。其中D1、D2和R1、R2、R3組成一級(jí)精密二極管電路，相當(dāng)于一個(gè)理想的整流元件，而運(yùn)放和C3、R4則組成一級(jí)電壓跟隨器，C3作為保持器，可用以鎖存信號(hào)。
    運(yùn)算放大器芯片選用AD829。AD829是一款低噪、高性能高速運(yùn)算放大器，壓擺率230 V／μs，750 MHz的增益帶寬積，±15 V供電，輸出電壓最大幅值可達(dá)28VPP，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電壓信號(hào)峰值檢測(cè)的要求。
2．3 單片機(jī)和液晶顯示
    單片機(jī)和液晶顯示部分的電路圖如圖5所示。圖5中的單片機(jī)芯片采用的dsPIC30F2010芯片是高性能改進(jìn)型RISC CPU，它具有優(yōu)化的C編譯器指令集，83條具備靈活尋址模式的基本指令，24位寬指令，16位寬數(shù)據(jù)總線(xiàn)，12 KB片內(nèi)閃存程序空間，512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM，16×16位工作寄存器陣列，27個(gè)中斷源和3個(gè)外部中斷。該芯片的外設(shè)特性包括3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，4個(gè)16位捕捉輸入功能引腳，2個(gè)16位比較／PWM輸出功能引腳，3線(xiàn)SPI模塊以及帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址模塊。此外，dsPIC30F2010還自帶lO位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。它采用CMOS技術(shù)，具有低功耗以及寬工作電壓范圍(2．5～5．5 V)。

    液晶顯示部分采用HD44780芯片。該芯片是以若干個(gè)點(diǎn)陣塊組成顯示字符群。具有字符發(fā)生器ROM，可顯示192種字符，并具有64個(gè)字節(jié)的
自定義字符ROM以及80個(gè)字節(jié)RAM。HD44780模塊結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，裝配容易，采用單+5 V電源供電，具有低功耗、長(zhǎng)壽命和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
    dsPIC30F2010中自帶的10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。從檢波電路出來(lái)的模擬電壓信號(hào)通過(guò)ANO引
腳進(jìn)入dsPIC30F2010中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，然后在得到數(shù)字信號(hào)后，再在dsPIC30F2010中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后將處理后的結(jié)果通過(guò)HD44780芯片的RXD引腳顯示在HD44780芯片上。由于單片機(jī)內(nèi)部自帶有RAM和ROM?？梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和存儲(chǔ)。而自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則可使電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔，從而提高工作效率。

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
    本系統(tǒng)編程所用的語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言的原因是匯編語(yǔ)言具有運(yùn)行效率高、代碼緊湊、易于訪問(wèn)硬件接口等優(yōu)點(diǎn)。圖6所示是本系統(tǒng)主程序的流程圖。

    設(shè)計(jì)好程序后，就要對(duì)它進(jìn)行調(diào)試以確保程序能成功運(yùn)行。調(diào)試時(shí)，首先接通硬件電路，在確定接線(xiàn)正常之后，利用Keil公司基于Wind-ows的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的uVision2 IDE可進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。uVision2 IDE中包含一個(gè)高效編輯器、一個(gè)項(xiàng)目管理器和一個(gè)MAKE工具，可對(duì)源程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和代碼更改，直到程序調(diào)試成功。

4 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
    制作好的土壤水分測(cè)量?jī)x可以對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，土壤選用在西南地區(qū)廣泛比較分布的紫色土。用該土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)量10組不同含水量的土壤樣品，再將得到的結(jié)果和用烘干法得到的結(jié)相比較，所得到的結(jié)果如表l所列。

    經(jīng)過(guò)上述測(cè)量和比較可見(jiàn)，在土壤水分含量在2．3％～31．5％的范圍內(nèi)，土壤水分測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果與烘干法得到的結(jié)果相比較，其精度誤差在5％以?xún)?nèi)，可見(jiàn)其測(cè)量精度可以滿(mǎn)足使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文論述了一種基于dsPIC30F2010的土壤水分測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了土壤水分測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)方案。該測(cè)量?jī)x體積小，成本低，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)采集方便而且迅速，能獲得土壤水分的動(dòng)態(tài)連續(xù)曲線(xiàn)，適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉，可以對(duì)農(nóng)作物需水量實(shí)施智能監(jiān)測(cè)。但不同類(lèi)型土壤的理化性質(zhì)是不同的，因此，在測(cè)量不同類(lèi)型的土壤水分時(shí)，要對(duì)測(cè)量?jī)x的傳感器部分進(jìn)行重新實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步研究，以使測(cè)量?jī)x能應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。