dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設計研究

0? 概述

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、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dsPIC30F2010性能先進，電路結構簡單，系統比較穩定。經試驗，按照這種測量原理設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，能進行多組數據的采集、存儲，性能穩定，同時能夠滿足現代化精細農業節水灌溉和實時土壤水分測量的需要，可以達到節水灌溉的目的。

1? 測量原理

本測量系統由高頻信號發生電路、傳輸線、探針、檢波電路、信號處理電路和顯示電路組成。高頻振蕩器發出一個高頻信號，然后經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的變化。這樣，用檢波電路調理傳輸線兩端的電壓，再將其電壓信號通過A／D轉換送入單片機進行處理，最后將結果顯示在液晶顯示模塊上。

2 硬件結構及功能

該土壤水分測量儀的結構框圖如圖1所示。該系統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，再將其經過A／D轉換送入單片機進行處理，最后將得到的結果顯示在液晶模塊上。



2.1? 傳感器

本系統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是信號源的內阻；Z1是傳輸線的阻抗；ZL是土壤探針的阻抗；R1、G1和C1分別表示傳輸線上的分布電阻、電導和電容。這樣，根據傳輸線理論，可得到A點的峰值電壓為：U_a=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：


U_b=A(1-ρ)，所以，A、B兩點的電壓差為△U_AB=2Aρ。其中，ρ為傳輸線在A點的反射系數，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△U_AB產生變化。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20kΩ的可調電阻，可通過引腳l來調節阻值，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、輸出調節，再進行A／D轉換。

由于電壓信號是由100 MHz正弦波產生的，故若不對信號進行預處理，dsPIC2010將無法有效處理信號，因而不能得到精確的結果。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轉換并送入單片機處理，進而得到精確結果。其檢波電路的電路圖如圖4所示。


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位寬數據總線，12 KB片內閃存程序空間，512字節片內數據RAM，16×16位工作寄存器陣列，27個中斷源和3個外部中斷。該芯片的外設特性包括3個16位定時器／計數器，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緩沖區的可尋址模塊。此外，dsPIC30F2010還自帶10位模數轉換模塊。它采用CMOS技術，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，具有字符發生器ROM，可顯示192種字符，并具有64個字節的自定義字符ROM以及80個字節RAM。HD44780模塊結構緊湊輕巧，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點。

dsPIC30F2010中自帶的10位高速模數轉換模塊可將模擬輸入信號轉換成數字信號再進行處理。從檢波電路出來的模擬電壓信號通過ANO引腳進入dsPIC30F2010中的模數轉換模塊，然后在得到數字信號后，再在dsPIC30F2010中進行數據處理，最后將處理后的結果通過HD44780芯片的RXD引腳顯示在HD44780芯片上。由于單片機內部自帶有RAM和ROM，可以對數據進行連續采集和存儲。而自帶的模數轉換模塊則可使電路設計更簡潔，從而提高工作效率。

3 軟件設計與調試

本系統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點。圖6所示是本系統主程序的流程圖。



設計好程序后，就要對它進行調試以確保程序能成功運行。調試時，首先接通硬件電路，在確定接線正常之后．利用Keil公司基于Windows的集成開發環境的uVision2 IDE可進行系統軟件調試。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調試和代碼更改，直到程序調試成功。

4 試驗測量結果

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，再將得到的結果和用烘干法得到的結果相比較，所得到的結果如表1所列。



經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，土壤水分測量儀的測量結果與烘干法得到的結果相比較，其精度誤差在5％以內，可見其測量精度可以滿足使用要求。

5? 結束語

本文論述了一種基于dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設計方法，同時給出了土壤水分測量儀的硬件結構及軟件設計方案。該測量儀體積小，成本低，測量精度高，數據采集方便而且迅速，能獲得土壤水分的動態連續曲線，適用于現代農業的節水灌溉，可以對農作物需水量實施智能監測。但不同類型土壤的理化性質是不同的。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，以使測量儀能應用于生產實踐。