《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于dsPIC30F2010的土壤水分測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)研究
摘要: 在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中,土壤測(cè)量對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)非常重要,目前關(guān)于土壤各成分的測(cè)量已經(jīng)很成熟,而土壤水分測(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dsPIC30F2010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。
Abstract:
Key words :

        在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中,土壤測(cè)量對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)非常重要,目前關(guān)于土壤各成分的測(cè)量已經(jīng)很成熟,而土壤水分測(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dsPIC30F2010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、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(hào)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(diǎn)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(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,最終使傳輸線兩端的電壓也產(chǎn)生變化。因此,通過測(cè)量傳輸線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)理傳輸線兩端的電壓,再將其電壓信號(hào)通過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),通過檢波電路得到電壓信號(hào)的峰值,再將其經(jīng)過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(dǎo)和電容。這樣,根據(jù)傳輸線理論,可得到A點(diǎn)的峰值電壓為:Ua=A(1+ρ);而如果傳輸線長(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為傳輸線在A點(diǎn)的反射系數(shù),可用表達(dá)式來表示。

        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,從而使傳輸線輸出電壓△UAB產(chǎn)生變化。因此,通過測(cè)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(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)20kΩ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(hào),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(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,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SPI模塊以及帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址模塊。此外,dsPIC30F2010還自帶10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。從檢波電路出來的模擬電壓信號(hào)通過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,可以對(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,在確定接線正常之后.利用Keil公司基于Windows的集成開發(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)果相比較,所得到的結(jié)果如表1所列。

 

         經(jīng)過上述測(cè)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(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%以內(nèi),可見其測(cè)量精度可以滿足使用要求。

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,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)。但不同類型土壤的理化性質(zhì)是不同的。因此,在測(cè)量不同類型的土壤水分時(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。

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