適時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量周?chē)h(huán)境的濕度和土壤含水量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的許多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，如在農(nóng)業(yè)上為了科學(xué)地對(duì)土壤進(jìn)行管理，需要經(jīng)常測(cè)試土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤壩上也需經(jīng)常測(cè)試土壤含水量，此外，土壤濕度測(cè)量在環(huán)保、氣象、國(guó)防施工中更是不可缺少的測(cè)量項(xiàng)目。如何使這種繁瑣的測(cè)量以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成為人們急需解決的重要課題。
　　本文介紹一種高性能、便攜式、可編程的由PIC16C74單片機(jī)為主構(gòu)成的濕度測(cè)試儀，詳細(xì)闡明了該儀器的工作原理、基本功能框圖、關(guān)鍵技術(shù)以及相應(yīng)的工作軟件流程。

1 儀器基本原理及功能框圖
　　本儀器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，芯片選用價(jià)格低廉，性能優(yōu)良的PIC16C74單片機(jī)，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應(yīng)的外圍電路完成土壤含水量檢測(cè)。主要組成部分包括：濕度傳感器，PIC單片機(jī)，外存儲(chǔ)器(E²PROM)，觸摸式鍵盤(pán)，液晶顯示屏(LCD)，電池電源通斷控制電路，以及向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等部分。
　　傳感器選用的是一種專(zhuān)利產(chǎn)品，其作用是直接將探測(cè)頭插入待測(cè)土壤中，將土壤濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)模擬電壓，電壓范圍在0～1.2V，該模擬電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大到0～5V范圍內(nèi)的電壓后，送到PIC16C74的I/O口，單片機(jī)內(nèi)有8個(gè)通道的A/D變換器，選一個(gè)口作為模擬電壓輸入通道，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值，按電壓－含水量公式，經(jīng)過(guò)單片機(jī)運(yùn)算，得出實(shí)際的土壤含水量值，送入外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器儲(chǔ)存，以備傳輸和處理之用，同時(shí)送入液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。
　　本儀器設(shè)定每批數(shù)據(jù)由16字節(jié)組成，外存儲(chǔ)器容量為64K字節(jié)，所以外加存儲(chǔ)器最大存儲(chǔ)容量可達(dá)512批。為了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，需要把各測(cè)試點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)，為完成數(shù)據(jù)傳輸，我們選用RS232標(biāo)準(zhǔn)接口方式，器件選用MAX202作為接口器件，數(shù)據(jù)通過(guò)I/O接口送入計(jì)算機(jī)，再由它進(jìn)行進(jìn)一步處理，繪出測(cè)試曲線、圖表，然后進(jìn)行分析、打印和存檔。
　　由于儀器體積小，按鍵選用觸摸開(kāi)關(guān)，能夠完成電源控制(ON)，測(cè)量(MEASURE)，前翻頁(yè)(UP)，后翻頁(yè)(DN)，清除(CLEAR)，認(rèn)可(ACK)等功能，可使用戶靈活操作。電源采用9V標(biāo)準(zhǔn)電池供電，并由專(zhuān)門(mén)的電源控制電路控制電源通斷，由PIC64C74單片機(jī)監(jiān)測(cè)電池供電情況，電壓在正常工作范圍時(shí)，液晶屏顯示“H”，低于所定標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，顯示“L”，表明需要換電池。
　　由于我們研制的測(cè)試儀采用了高性能單片機(jī)芯片，可利用的軟硬件資源豐富，需要的外圍器件較少，具有很強(qiáng)的功能，并且功耗低，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。
2 關(guān)鍵器件和關(guān)鍵技術(shù)
2.1 PIC16C74單片機(jī)
　　本儀器芯片選用美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C74單片機(jī)，這種芯片是一種低功耗、高性能，價(jià)格適中的CMOS全靜態(tài)8位E²PROM單片微型處理器，為40DIP，其中I/O口就有33腳，適于加裝較多外圍器件和設(shè)備。
　　PIC16C74芯片包含192字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)和4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器(ROM)容量，33個(gè)輸出/輸入口，三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，三個(gè)捕捉/比較/PWM模數(shù)和兩個(gè)串行口，同步串行口可配置成三線SPI或二線I²O工作方式，串行口可設(shè)置成同步或異步，以及八通道高速A/D變換器部分。軟件結(jié)構(gòu)上，采用RISC指令結(jié)構(gòu)，具有8級(jí)堆棧，多個(gè)內(nèi)部和外部中斷位，指令35條，易于編程。
　　與其它單片機(jī)(如8031芯片)相比，PIC16C74具有如下幾個(gè)其它芯片無(wú)法比擬的特點(diǎn)：
　　·內(nèi)部帶有8個(gè)A/D變換通道，僅此一點(diǎn)，在需要進(jìn)行A/D變換時(shí)，就省去了附加的A/D轉(zhuǎn)換外圍芯片；
　　·軟件指令僅35條，利用編程實(shí)現(xiàn)；
　　·低功耗，高速CMOS EPROM技術(shù)，在5V 4MHz時(shí)僅耗電2mA，在3V 32kHz時(shí)，僅耗電15mA；
　　·更為重要的是，該芯片具有休眠功能，即執(zhí)行Sleep工作方式，此方式下，芯片耗電極小(小于1mA)，當(dāng)需芯片重新工作時(shí)，可通過(guò)內(nèi)部或外圍中斷方式喚醒芯片轉(zhuǎn)入正常工作方式；
　　·具有保密功能。
2.2 A/D變換
　　PIC16C74單片機(jī)有8路模擬輸入口，共用一個(gè)采樣/保持器，采樣/保持逐次比較，最后把模擬量變成數(shù)字量，對(duì)于本測(cè)試儀來(lái)說(shuō)，輸入是傳感器送來(lái)的模擬電壓，其值在0～1.2V范圍內(nèi)變化，經(jīng)放大后的電壓進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行A/D變換和運(yùn)算處理，A/D變換電路如圖2所示。

　　此外A/D變換器的模擬參考電壓選用RA3/ref，引腳電壓為+5V，在設(shè)計(jì)這種電路時(shí)，需要進(jìn)行如下工作：
　　·A/D變換的精度計(jì)算及誤差
　　　把模擬電壓0～1.25V轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)數(shù)碼，其1LSB＝1.25/256＝4.9mV≈5mV，在V_DD＝5V±10%時(shí)，且V_ref＝5V情況下，A/D轉(zhuǎn)換的全范圍精度小于1 LSB，其中包括偏置誤差、滿量程誤差和整數(shù)誤差，并且A/D轉(zhuǎn)換是單調(diào)的。
　　　由于V_DD小于5V或V_ref小于V_DD時(shí)，分辨率和精度會(huì)降低，所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用如下兩條措施，一是選用V_DD＝5V，且V_ref＝5V；二是通過(guò)運(yùn)算放大器放大，使輸入模擬電壓在0～5V范圍內(nèi)變化。
　　·對(duì)輸入模擬信號(hào)量的要求
　　　模擬輸入要進(jìn)行ESD保護(hù)，所以在V_DD和V_CS之間加有反向偏置二極管以保護(hù)器件不會(huì)被損壞，同時(shí)要求接到模擬輸入腳的外部器件應(yīng)具有極低的漏電流。
　　·A/D采樣要求
　　　對(duì)于要達(dá)到特定精度的A/D轉(zhuǎn)換，輸入通道電壓需充滿充電保持電容，其公式為：采樣時(shí)間＝放大器穩(wěn)定時(shí)間+保持電容充電時(shí)間+溫度系數(shù)，即可得出。
　　·A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘選擇時(shí)鐘選用4MHz。
2.3 鍵盤(pán)控制
　　PIC16C74有五個(gè)I/O口PORTA～PORTE，其中PORTB是個(gè)雙向口，B口的四個(gè)引腳RB(4～7)，在引腳被設(shè)置成輸入方式時(shí)，這四個(gè)引腳的狀態(tài)變化會(huì)引起中斷。利用B口的特性，很容易和外部控制鍵盤(pán)接口。本儀器中設(shè)計(jì)了一個(gè)2×4的鍵盤(pán)，一共有8個(gè)控制鍵，鍵盤(pán)控制電路如圖3所示。為了對(duì)鍵盤(pán)采樣，首先禁止數(shù)字吸入電流，然后用軟件設(shè)置口B，使RB4～RB7為輸入端，RB2～RB3為輸出端至高電平。允許RB4～RB7的上拉，依次使RB2～RB3為低電平，同時(shí)檢測(cè)RB4至RB7，看是否有擊鍵(低電平)，每次掃描會(huì)發(fā)現(xiàn)有多次擊鍵，一旦檢測(cè)到擊鍵，在重新開(kāi)始鍵盤(pán)采樣之前，經(jīng)過(guò)40ms的去抖動(dòng)時(shí)間，直至當(dāng)前鍵被釋放之前，不再檢測(cè)別的擊鍵。

2.4 液晶顯示
　　測(cè)試儀顯示選用液晶顯示片EDM－1601A，它可同時(shí)顯示16個(gè)ASCII碼字符，每個(gè)字符由5×7點(diǎn)陣組成，這種器件內(nèi)部控制電路主要由指令寄存器，數(shù)據(jù)寄存器，地址寄存器，顯示數(shù)據(jù)寄存器，字符發(fā)生和時(shí)序發(fā)生器等組成。本儀器顯示畫(huà)面顯示如圖4所示。

　　0號(hào)位顯示電池電壓狀態(tài)，當(dāng)電池電壓＞7.5V時(shí)，顯示“H”表示電池電壓正常，當(dāng)電池電壓＜＝7.5V時(shí)，顯示“L”，表示電壓過(guò)低，需更換電池。1～3號(hào)位數(shù)碼，顯示測(cè)試批數(shù)，本測(cè)試儀最多可測(cè)試512批數(shù)據(jù)。4號(hào)位為空格。5～10位顯示所測(cè)點(diǎn)電壓數(shù)值，以毫伏(mV)為單位。11～15號(hào)位數(shù)碼顯示此測(cè)試點(diǎn)的含水量百分?jǐn)?shù)。
　　每按一次測(cè)量鍵，則顯示出測(cè)試點(diǎn)的相關(guān)電壓數(shù)值和換算出的含水量值，這些值同時(shí)送入外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來(lái)。
2.5 串口通訊
　　為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地分析，需要將數(shù)據(jù)從測(cè)試儀的外存儲(chǔ)器傳送至計(jì)算機(jī)，PIC16C74具有串行通訊接口(SCI)，SCI是為能與CRT終端及計(jì)算機(jī)等外設(shè)通訊的全雙工異步系統(tǒng)，本儀器采用RS－232－C接口方式，傳送波特率為9600比特。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖5所示，在這種方式下，SCI采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零(NRZ)格式，開(kāi)始是一位起始位，以邏輯“0”表示，接著是8位數(shù)據(jù)位，最后是一位停止位，以邏輯“1”表示，本儀器不設(shè)奇偶校驗(yàn)位，故一次傳送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10比特。接口芯片選用MAX232，接收端(計(jì)算機(jī))采用C語(yǔ)言編輯的接收軟件，顯示接收到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如匯總成數(shù)據(jù)表格，畫(huà)出分析曲線以及打印結(jié)果等等，以供工作人員參考。

2.6 電源控制
　　本儀器采用標(biāo)準(zhǔn)9V干電池供電，為了能保證正常供電，需要對(duì)電源進(jìn)行下面三個(gè)方面的控制。
　　·電源的通斷控制，按鍵盤(pán)ON鍵，則9V電壓通過(guò)MAX667(MAX公司)輸出，提供儀器所需的5V電壓；
　　·電池電壓測(cè)試電路，假定標(biāo)準(zhǔn)9V干電池在加載情況下低于規(guī)定的某一電壓時(shí)，則儀器不能正常工作，需要更換電池，為達(dá)到此目的，需要對(duì)電池電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；
　　·自動(dòng)關(guān)機(jī)功能：當(dāng)測(cè)試完成后，如果不對(duì)儀器操作，一分鐘后電源電路自動(dòng)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。
　　上述三種控制都由MAX667器件完成，具體電路如圖6所示。