基于dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設(shè)計研究

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

0 引言
    土壤水分測量一般有烘干測量法、中子擴散法、電磁測量技術(shù)、時域反射法、頻域反射法、張力測量法、紅外線遙測法、駐波率法等。本文提出了一種基于dsPIC30F2010單片機的土壤水分測量儀，該儀器采用駐波率原理，可以快速、精確的測量土壤水分，而其dsPIC30F21310性能先進，電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。經(jīng)試驗，按照這種測量原理設(shè)計的土壤水分測量儀不但成本低，體積小，便于攜帶，而且測量精確度較高，能進行多組數(shù)據(jù)的采集、存儲，性能穩(wěn)定，同時能夠滿足現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和實時土壤水分測量的需要，可以達到節(jié)水灌溉的目的。

1 測量原理
    本測量系統(tǒng)由高頻信號發(fā)生電路、傳輸線、探針、檢波電路、信號處理電路和顯示電路組成。高頻振蕩器發(fā)出一個高頻信號，然后經(jīng)過傳輸線傳遞到探針，由于探針阻抗與土壤阻抗不匹配，故將造成一部分信號沿傳輸線發(fā)射回去，從而在傳輸線上形成駐波，使傳輸線上各點電壓不相同。而傳輸線兩端的電壓主要是由土壤水分決定的，當土壤含水率改變時，阻抗就會發(fā)生變化，進而引起駐波比的變化，最終使傳輸線兩端的電壓也產(chǎn)生變化。因此，通過測量傳輸線兩端的電壓變化就可以測得土壤水分相應(yīng)的變化。這樣，用檢波電路調(diào)理傳輸線兩端的電壓，再將其電壓信號通過A／D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理，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
    該土壤水分測量儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的主要功能是完成對傳感器信號的采集、處理、顯示和控制。從傳感器得到一個電壓信
號，通過檢波電路得到電壓信號的峰值，再將其經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理，最后將得到的結(jié)果顯示在液晶模塊上。

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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為高頻信號源電動勢；Rg是信號源的內(nèi)阻；Z1是傳輸線的阻抗；ZL是土壤探針的阻抗：R1、Gl和C1分別表示傳輸線上的分布電阻、電導(dǎo)和電容。這樣，根據(jù)傳輸線理論，可得到A點的峰值電壓為：Ua=A(1+ρ)；而如果傳輸線長度為電磁波波長的四分之一，則B點的峰值電壓為：Ub=A(1-ρ)，所以，A、B兩點的電壓差為△UAB=2Aρ。其中，ρ為傳輸線在A點的反射系數(shù)，可用表達式來表示。
    當傳感器的探針插入土壤時，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，從而使傳輸線輸出電壓△UAB產(chǎn)生變化。因
此，通過測量傳輸線兩端的電壓差就能間接得到土壤水分的含量。
    本測量系統(tǒng)的高頻信號采用100 MHz的正弦波信號，傳輸線采用同軸電纜，探針采用不銹鋼制成。100 MHz信號發(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20
kΩ的可調(diào)電阻，可通過引腳l來調(diào)節(jié)阻值，以得到100 MHz的正弦波信號，并通過引腳4輸出。
2．2檢波電路
    檢波電路的作用是在傳輸線的兩端檢波出駐波的波峰和波谷，然后通過差分放大、輸出調(diào)節(jié)，再進行A／D轉(zhuǎn)換。
    由于電壓信號是由100 MHz正弦波產(chǎn)生的，故若不對信號進行預(yù)處理，dsPIC2010將無法有效處理信號，因而不能得到精確的結(jié)果。檢波電路采用峰值檢波，當檢測出電壓信號峰值后，再對信號進行A／D轉(zhuǎn)換并送入單片機處理，進而得到精確結(jié)果。其檢波電路的電路圖如圖4所示。

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    檢波電路由一級精密二極管電路和一級電壓跟隨器組成。其中D1、D2和R1、R2、R3組成一級精密二極管電路，相當于一個理想的整流元件，而運放和C3、R4則組成一級電壓跟隨器，C3作為保持器，可用以鎖存信號。
    運算放大器芯片選用AD829。AD829是一款低噪、高性能高速運算放大器，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28VPP，滿足系統(tǒng)對電壓信號峰值檢測的要求。
2．3 單片機和液晶顯示
    單片機和液晶顯示部分的電路圖如圖5所示。圖5中的單片機芯片采用的dsPIC30F2010芯片是高性能改進型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，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個中斷源和3個外部中斷。該芯片的外設(shè)特性包括3個16位定時器／計數(shù)器，4個16位捕捉輸入功能引腳，2個16位比較／PWM輸出功能引腳，3線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。該芯片是以若干個點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個字節(jié)的
自定義字符ROM以及80個字節(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、長壽命和高可靠性等優(yōu)點。
    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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行處理。從檢波電路出來的模擬電壓信號通過ANO引
腳進入dsPIC30F2010中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，然后在得到數(shù)字信號后，再在dsPIC30F2010中進行數(shù)據(jù)處理。最后將處理后的結(jié)果通過HD44780芯片的RXD引腳顯示在HD44780芯片上。由于單片機內(nèi)部自帶有RAM和ROM?？梢詫?shù)據(jù)進行連續(xù)采集和存儲。而自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則可使電路設(shè)計更簡潔，從而提高工作效率。[!--empirenews.page--]

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

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

4 試驗測量結(jié)果
    制作好的土壤水分測量儀可以對其進行試驗測量，土壤選用在西南地區(qū)廣泛比較分布的紫色土。用該土壤水分測量儀測量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)過上述測量和比較可見，在土壤水分含量在2．3％～31．5％的范圍內(nèi)，土壤水分測量儀的測量結(jié)果與烘干法得到的結(jié)果相比較，其精度誤差在5％以內(nèi)，可見其測量精度可以滿足使用要求。

5 結(jié)束語
    本文論述了一種基于dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設(shè)計方法，同時給出了土壤水分測量儀的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方案。該測量儀體積小，成本低，測量精度高，數(shù)據(jù)采集方便而且迅速，能獲得土壤水分的動態(tài)連續(xù)曲線，適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉，可以對農(nóng)作物需水量實施智能監(jiān)測。但不同類型土壤的理化性質(zhì)是不同的，因此，在測量不同類型的土壤水分時，要對測量儀的傳感器部分進行重新實驗和進一步研究，以使測量儀能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。