郝迎吉，張　坤

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安　710054)

0　引言

作物的蒸散蒸騰量是農(nóng)田水分消耗的主要形式，也是農(nóng)田上制定合理灌溉的重要依據(jù)，研究土壤水分的蒸發(fā)對研究作物的生長、節(jié)水灌溉等具有重要意義。目前常見的研究土壤蒸發(fā)量的方法有空氣動(dòng)力學(xué)法、土壤水量平衡法、蒸滲儀法、波文比能量平衡發(fā)、遙感法、渦度相關(guān)法等[1]，其中蒸滲儀法因?qū)Νh(huán)境要求不高，且測量結(jié)果精確，誤差較小，具有其他方法無可比擬的優(yōu)越性，得到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可，在農(nóng)業(yè)上得以廣泛應(yīng)用。目前國外技術(shù)較先進(jìn)，但價(jià)格昂貴，維修困難；而國內(nèi)的蒸滲儀測量法精度不高，穩(wěn)定性不好，誤差較大，在應(yīng)用上不是很理想。

據(jù)此設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式C8051F單片機(jī)的新型蒸滲儀測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F單片機(jī)為主控芯片，利用高精度A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)按照一定的精度將測量的模擬量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的數(shù)字量，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，研究蒸發(fā)量對作物生長所帶來的影響。

該系統(tǒng)主要從硬件電路電源設(shè)計(jì)、高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片等獨(dú)立模塊的選擇使用以及軟件濾波方式的選取方面來降低各模塊之間的相互干擾、提高轉(zhuǎn)換精度，減小誤差，提高系統(tǒng)的測量精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)達(dá)到了提高系統(tǒng)精度的目的。

1　蒸滲儀系統(tǒng)

1．1系統(tǒng)組成

蒸滲儀系統(tǒng)是一種裝有土壤，置于田間地下，模擬農(nóng)田生長環(huán)境(表面裸露或種植植物)，用來確定作物的蒸發(fā)蒸騰量或裸土的蒸發(fā)量的大型容器，通過壓力或溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤中的水分的重量或溫濕度，進(jìn)而測量出土壤中水分的變化量，可將測量出來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)初步轉(zhuǎn)換處理，及時(shí)準(zhǔn)確的傳送到PC機(jī)，PC機(jī)接收到后，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波等處理，然后以曲線或表格等方式顯示到界面上，供使用者分析和研究[2]。

該新型蒸滲儀測控系統(tǒng)主要由蒸滲箱、壓力傳感器、稱重系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和終端顯示部分等組成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由工控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和通訊模塊等組成[3]。終端顯示部分由蒸滲儀主機(jī)、計(jì)算機(jī)、配套軟件及備用電源組成。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)為一種新型測量土壤蒸散量的測控系統(tǒng)，以8051F410單片機(jī)為主控芯片，其主要功能為：利用串行數(shù)據(jù)總線，RS232，CAN總線，高精度A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和傳感器技術(shù)等一方面能實(shí)時(shí)在線測量傳感器所測量的重量值，另一方面能通過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對測試對象進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄保存，并將數(shù)據(jù)快速讀取到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

1．2基本原理

系統(tǒng)的基本原理是在農(nóng)田中制作一個(gè)植物種植箱，在植物種植箱下面等距離互相成120°處安裝3個(gè)高精度的壓力傳感器(基于三角形穩(wěn)定原理，以緩解傳感器長期受壓疲勞)，利用壓力傳感器將土壤重量信號轉(zhuǎn)換為電信號，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理儲(chǔ)存，并轉(zhuǎn)換為蒸騰量，前后2次的測量值之差即就是當(dāng)前時(shí)間段的蒸發(fā)量。

1．3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可由人工控制或自動(dòng)采集系統(tǒng)獲得，自動(dòng)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成。通過一組稱重傳感器測得土壤水分的變化，然后通過放大電路放大，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將這些數(shù)字信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器用單片機(jī)作為CPU控制板，最后將數(shù)據(jù)采集器里的數(shù)據(jù)通過RS232方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后進(jìn)行處理、記錄、顯示和保存等。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要由電源模塊、主控芯片、傳感器電路、A/D采集芯片、通訊模塊等組成。軟件部分主要由主控模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊等組成，完成各參數(shù)的初始化設(shè)定、動(dòng)態(tài)信息顯示、實(shí)時(shí)傳輸、保存等功能。

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1．1系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對傳感器采用12 V直流穩(wěn)壓源單獨(dú)供電，對系統(tǒng)單片機(jī)、FS511采用獨(dú)立供電，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)如圖2所示，12 V電源通過限流電阻和LM324集成運(yùn)放分壓給FS511和單片機(jī)供電。其中，數(shù)字電源GND 為系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)電源的負(fù)端，與對應(yīng)輸入電源地GNDb的電位差為3．5 V，它是通過調(diào)節(jié)R41電位器使得為單片機(jī)供電的VCC與GND的5 V電源處在12 V電源的中間。電阻Rp1～Rp4為了消除運(yùn)放輸入端失調(diào)電壓對輸出的影響。采用獨(dú)立供電會(huì)減少各模塊之間的相互干擾，可以有效地提高系統(tǒng)精度。

圖2　系統(tǒng)電源電路圖

2．1．2A/D的選擇使用

在A/D量程范圍內(nèi)，用的數(shù)字量越多，精度會(huì)越高，所以要提高系統(tǒng)的精度，就要充分利用A/D的量程。在FS511的電源設(shè)計(jì)上，要考慮放大倍數(shù)、基準(zhǔn)電壓等參數(shù)的選取。

系統(tǒng)采用24位(AD[23：0])的A/D，理論量程為00 00 00～FF FF FF，輸入為-1～+1 V之間。由于第23位為符號位，所以有效位為23位，量程減少一半，為C0 00 00～FF FF FF和00 00 00～3F FF FF，當(dāng)輸入-1 V，對應(yīng)數(shù)字量為C0 00 00，當(dāng)輸入+1 V，對應(yīng)數(shù)字量為3F FF FF．由FS511的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可知，包含1個(gè)和運(yùn)算放大器，傳感器可提供12 V電壓(滿量程時(shí)信號靈敏度為2 mV/V)，則傳感器輸出信號(SENA-AENB)范圍為0～24 mV，此信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 的參考電壓，為獲得高精度轉(zhuǎn)換，則應(yīng)通過放大器放大傳感器輸出信號，使其接近參考電壓。傳感器輸出信號以差分形式輸入FS511，經(jīng)運(yùn)算放大器放大100倍后再從運(yùn)放輸出。其中A/D轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示：

(1)

式中：Dx為A/D的轉(zhuǎn)換電壓；OPO為運(yùn)放輸出電壓；SGND為信號地；VRL為低參考電壓；Vref為參考電壓；Tx為傳感器的差分信號輸出電壓；N為放大倍數(shù)。

當(dāng)Tx=0 mV時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓為-1 V，即

(2)

可推出：

SGND=VRH

(3)

當(dāng)Tx=24 mV，N=100時(shí)，對應(yīng)轉(zhuǎn)換電壓為+1 V，即

(4)

從而推出，Vref=VRH-VRL=1.2 V，因此需將FS511的參考電壓設(shè)置為1．2 V，充分使用A/D的量程，才能高精度轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的測量精度。

2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理

2．2．1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩大類，完成各參數(shù)的初始化設(shè)定、動(dòng)態(tài)信息的顯示、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)傳輸、顯示、保存和輸出等功能。下位機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，包括實(shí)時(shí)采集和間隔采集，可根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的指令，來選擇采集方式，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中，并傳送給上位機(jī)處理。

系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主程序和串口中斷服務(wù)子程序。主程序完成系統(tǒng)初始化任務(wù)和FS511初始化，隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集的數(shù)緩存到XRAM，保存到存儲(chǔ)模塊中，通過RS232從存儲(chǔ)模塊中以實(shí)時(shí)或歷史方式獲得數(shù)據(jù)，傳送給上位機(jī)，并由上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，以表格或曲線形式顯示，并保存為TXT文檔，便于分析和存檔。串口中斷服務(wù)子程序完成接收上位機(jī)的命令并進(jìn)行識別判斷，將采集到的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)卡中，并按通信協(xié)議格式發(fā)送給上位機(jī)。主程序流程圖和串口中斷服務(wù)子程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　主控程序流程圖

圖4　中斷服務(wù)子程序流程圖

2．2．2數(shù)據(jù)處理

要提高系統(tǒng)的測量精度，除了硬件上的改善外，還需要從軟件方面來考慮，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試，論文提出了一種改進(jìn)型的遞推平均濾波方法，經(jīng)該方法處理后數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，干擾減少，提高了系統(tǒng)的測量精度。

該方法是把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉前N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，然后對隊(duì)列中新的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，即可獲得新的濾波結(jié)果，具體算法如下所示。

取N個(gè)數(shù)據(jù)為一組采樣值時(shí)(如N取5，即每次總將最近的5次數(shù)據(jù)拿來進(jìn)行算術(shù)平均處理)，計(jì)算公式如下：

S1=x1+x2+…+x5

(5)

(6)

(7)

經(jīng)試驗(yàn)，采用改進(jìn)型的遞推平均濾波法可以充分抑制外界干擾，測量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，采樣率適中，分辨率高，該方法提高了系統(tǒng)的測量精度，可以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)思路，在27 ℃實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，壓力傳感器量程選用200 kg，電源選用220 V交流輸入，12 V直流輸出，紋波為0．5%的開關(guān)電源，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和線性分別進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

實(shí)驗(yàn)一：對已標(biāo)定的0．622 kg、1．51 kg和2．132 kg的砝碼進(jìn)行重量測試，每2 h記錄一次，連續(xù)測試24 h，記錄的實(shí)測重量值如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)二：取不同重量的砝碼(0～200 kg)，對其所使用的數(shù)字量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。從圖可知，實(shí)測值和理論值很接近，誤差較小。

圖5　系統(tǒng)穩(wěn)定性測試曲線

圖6　系統(tǒng)線性測試曲線

從以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)測量穩(wěn)定性和線性度都較好，能滿足系統(tǒng)要求。

4　結(jié)束語

系統(tǒng)基于C8051F單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型蒸滲儀測控系統(tǒng)。硬件方面，系統(tǒng)以C8051F單片機(jī)為主控芯片，通過對電源的設(shè)計(jì)以及高精度AD轉(zhuǎn)換芯片的選用來提高系統(tǒng)測量精度。軟件濾波方面采用了改進(jìn)型遞推平均濾波法，該方法可以有效地濾除干擾，并很好地保證有效數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場應(yīng)用測試，結(jié)果表明，該蒸滲儀測量系統(tǒng)能較好地測量出土壤水分重量的變化量，測量結(jié)果準(zhǔn)確，穩(wěn)定性好，能滿足系統(tǒng)要求。

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