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基于dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設(shè)計研究

   2012年02月29日 14:16  
  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(jìn)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。
  
  引言
  
  土壤水分測量一般有烘干測量法、中子擴(kuò)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(jī)的土壤水分測量儀,該儀器采用駐波率原理,可以快速、的測量土壤水分,而其dsPIC30F21310性能*,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,而且測量度較高,能進(jìn)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(xì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和實時土壤水分測量的需要,可以達(dá)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(dāng)土壤含水率改變時,阻抗就會發(fā)生變化,進(jìn)而引起駐波比的變化,zui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(jī)進(jìn)行處理,zui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(jī)進(jìn)行處理,zui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(dá)式來表示。
  
  當(dāng)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100MHz的正弦波信號,傳輸線采用同軸電纜,探針采用不銹鋼制成。100MHz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10~160MHz,電源電壓為+5V,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100MHz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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
  
  由于電壓信號是由100MHz正弦波產(chǎn)生的,故若不對信號進(jìn)行預(yù)處理,dsPIC2010將無法有效處理信號,因而不能得到的結(jié)果。檢波電路采用峰值檢波,當(dāng)檢測出電壓信號峰值后,再對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)處理,進(jìn)而得到結(jié)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(dāng)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230V/μs,750MHz的增益帶寬積,±15V供電,輸出電壓zui大幅值可達(dá)28VPP,滿足系統(tǒng)對電壓信號峰值檢測的要求。
  
  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RISCCPU,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,12KB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(2.5~5.5V)。
  
  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+5V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(jìn)行處理。從檢波電路出來的模擬電壓信號通過ANO引
  
  腳進(jìn)入dsPIC30F2010中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,然后在得到數(shù)字信號后,再在dsPIC30F2010中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。zui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??梢詫?shù)據(jù)進(jìn)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。

        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(jìn)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uVision2IDE可進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。uVision2IDE中包含一個編輯器、一個項目管理器和一個MAKE工具,可對源程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和代碼更改,直到程序調(diào)試成功。
  
  4、試驗測量結(jié)果
  
  制作好的土壤水分測量儀可以對其進(jìn)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(jìn)行重新實驗和進(jìn)一步研究,以使測量儀能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

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