北方工業(yè)大學(xué)微電子系 王忠鵬 栗 明 趙治乾 寧可慶

手持式多參數(shù)環(huán)境檢測(cè)記錄儀設(shè)計(jì)

北方工業(yè)大學(xué)微電子系 王忠鵬 栗 明 趙治乾 寧可慶

提出了一種基于STM32系列單片機(jī)手持式多參數(shù)環(huán)境檢測(cè)記錄儀設(shè)計(jì)方案。采用STM32F103VCT6為控制芯片，結(jié)合溫度傳感器PT100和雙積分土壤含水量傳感器等，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)記錄并通過段式LCD顯示并存儲(chǔ)。通過該系統(tǒng)的開發(fā)，可以為地理監(jiān)測(cè)等相關(guān)研究人員提供測(cè)量方便，更大程度的提高監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平及測(cè)試范圍。

單片機(jī)；傳感器；數(shù)字式

1.系統(tǒng)概述

本文提出了基于STM32系列單片機(jī)手持式多參數(shù)環(huán)境檢測(cè)記錄儀設(shè)計(jì)方案。該儀表主要由溫度傳感器處理模塊、土壤含水量水分傳感器處理模塊、鹽分傳感器處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、LCD顯示屏等組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

本系統(tǒng)由+12V蓄電池供電，對(duì)PT100溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集方面采用了雙水臂非平衡電橋，通過檢測(cè)電橋的輸出電壓就能夠計(jì)算出電阻的變化，從而確定溫度。對(duì)于土壤含的量采集是采用了電場(chǎng)法來采集土壤水分信號(hào)，由于土壤容積內(nèi)的含水量會(huì)影響到土體的介電常數(shù)，所以通過測(cè)量插入土壤的兩個(gè)電極和土壤組成的電容器的等效介電常數(shù)的轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來達(dá)到測(cè)量土壤水分的目的。高壓由TL494產(chǎn)生固定頻率的PWM經(jīng)一定匝數(shù)比的變壓器產(chǎn)生，高壓部分給土壤水分傳感部分提供電壓。土壤水分含量采樣由雙積分電路完成。單片機(jī)檢測(cè)比較器的電平變化來確定反向積分的時(shí)間。經(jīng)過計(jì)算得到土壤水分含量值，然后送入由HT1621控制的段式液晶屏顯示。

表1 測(cè)試結(jié)果

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.溫度傳感器PT100的處理電路實(shí)現(xiàn)

PT100溫度傳感器為正溫度系數(shù)的熱敏電阻傳感器，本系統(tǒng)對(duì)PT100溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集方面采用了雙臂非平衡電橋，將傳感器接入電橋的一個(gè)橋臂，當(dāng)傳感器的阻值發(fā)生變化，電橋的輸出電壓就會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)電橋的輸出電壓就能夠計(jì)算出電阻的變化，由于在-30℃至70℃的溫度范圍區(qū)間PT100的阻值變化范圍為88.22Ω至127.08Ω，調(diào)整輸出電壓的變化范圍為0至82mV。為了能夠便于AD轉(zhuǎn)換特將輸出電壓經(jīng)過運(yùn)放LM358進(jìn)行放大，在此放大倍數(shù)為30倍，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高引起的非線性誤差，放大部分采用兩級(jí)發(fā)大，第一級(jí)放大10倍，第二級(jí)放大3倍，輸出信號(hào)接單片機(jī)的AD輸入。電路如圖2所示。

圖2 PT100溫度檢測(cè)電路

圖3 號(hào)的采集流程

圖4 檢波電路

3.水分傳感器的處理電路實(shí)現(xiàn)

對(duì)于土壤水分的采集是采用了電場(chǎng)法來采集土壤水分信號(hào)，由于土壤容積內(nèi)的含水量會(huì)影響到土體的介電常數(shù)，所以通過測(cè)量插入土壤的兩個(gè)電極和土壤組成的電容器的等效介電常數(shù)的轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來達(dá)到測(cè)量土壤水分的目的。整個(gè)信號(hào)的采集流程如3所示。

信號(hào)源方面采用高頻正弦信號(hào)源（頻率50MHz），解決方案采用了集成集體振蕩器，將信號(hào)源發(fā)生的信號(hào)接入傳感器探針，并利用峰值檢波電路檢測(cè)輸出電壓，檢波電路如圖4所示。

經(jīng)過檢波電路檢測(cè)后的模擬電壓信號(hào)再經(jīng)過雙積分AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量接入給處理器，在由處理器經(jīng)過數(shù)據(jù)解析得到對(duì)應(yīng)的土壤水分含量值。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換原理圖

圖6 系統(tǒng)流程圖

雙積分式ADC的基本電路如圖5左圖所示，運(yùn)放A1、R、C組成積分器，運(yùn)放A2作為比較器。電路先對(duì)未知的模擬輸入電壓U1進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時(shí)間為T0。如圖5右圖所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時(shí)間越長(zhǎng)。整個(gè)采樣期間，積分電容C上的充電電荷等于放電電荷，因而有：

由于U0及T1均為常數(shù)，因而反向積分時(shí)間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期間單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與信號(hào)電壓的大小成正比，此計(jì)數(shù)值就是U1所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

4.顯示模塊

HT1621是有2.4～5.2V供電的段式液晶屏驅(qū)動(dòng)器，是128點(diǎn)、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器，HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場(chǎng)合，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)。段式液晶屏具有4個(gè)行(COM)及4個(gè)列(SEG)，段式液晶屏驅(qū)動(dòng)HT1621的信號(hào)輸出端按一定時(shí)序分別發(fā)出特定的連續(xù)脈沖，供給LCD屏的行列電極做驅(qū)動(dòng)源，從而使被選行與被選列交叉位置上的液晶像素或筆段在電場(chǎng)作用下呈顯示狀態(tài)(遮光或透光)。段式液晶顯示及其系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出測(cè)量系統(tǒng)在不同的樣品條件下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

6.結(jié)論

這款手持式多參數(shù)環(huán)境檢測(cè)儀充分利用了STM32系列單片機(jī)的低功耗，高集成度和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)；因此具有功耗低，體積小，成本低，利于便攜等特點(diǎn)，適合于多種場(chǎng)合下的多種環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)。

[1]卞金洪.基于AT89C52的智能濕度控制器的設(shè)計(jì)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(9):24-26.

[2]甘露萍,謝守勇,楊艷.一種土壤濕度傳感器的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(10):91-94.

[3]田思慶,史慶武,程佳生.基于單片機(jī)的土壤濕度測(cè)試儀的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(9)75-77.

[4]沈峘,李舜酩,周華鵬,李芳培,柏芳超,李忠.高精度鉑電阻溫度測(cè)量新方法[J].壓電與聲光,2010(10):889-893.

[5]韓晨燕,封維忠,施山菁,申斌.基于FDR原理的土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控灌溉系統(tǒng)[J].節(jié)水灌溉,2012(2):75-77.

[6]余松.莊擬儀器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科技綜述,2008(12):68-71.

[7]陳禎.土壤容重變化與土壤水分狀況和土壤水分檢測(cè)的關(guān)系研究[J].節(jié)水灌溉,2010(12):47-50.

[8]黃震宇.溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].糧食與食品工業(yè),2008(1)42-44.

It provides a designing project that the handheld equipment can test the parameters of environment as to the STM32 of microcontrollers.The chip model is STM32F103VCT6.Combing temperature sensor of PT100 and double integral soil moisture sensor，it can measures environment-related parameter.what is more，the test data can be saved and it will show in the LCD.All in all，by studyding the system，it is convenient for the related researchers to monitor the geographical situation and improve the range of monitoring.