宿曉鋒+++劉映杰++張浩晨

摘 要：研究設(shè)計(jì)了一種測(cè)量土壤酸堿度（PH）和濕度的測(cè)量?jī)x器，設(shè)計(jì)使用了低功耗的PIC18F系列單片機(jī)、PH傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器。討論了復(fù)合電極法測(cè)量PH和電阻分壓法測(cè)量濕度的原理，以及電路的設(shè)計(jì)。介紹了PH曲線和濕度曲線擬合的過(guò)程，并且對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，基于PIC18F系列單片機(jī)的酸堿度（PH）和溫度測(cè)量?jī)x具有測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高、可靠性好、使用快捷方便等優(yōu)勢(shì)，目前該酸堿度（PH）和溫度測(cè)量?jī)x已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：土壤；PH值；濕度；單片機(jī)

引言

土壤的酸堿度（PH）、溫度和濕度是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，特別是土壤的酸堿性將直接影響植物是否可以生長(zhǎng)。獲取土壤酸堿度是植物種植前重要的環(huán)節(jié)，土壤濕度是植物生長(zhǎng)期間指示作物正常生長(zhǎng)的重要因素之一，因此酸堿度（PH）和溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)有非常重要的實(shí)際意義。

本文對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上常見土壤測(cè)量?jī)x器進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前使用的土壤測(cè)量?jī)x器存在的問(wèn)題，比如測(cè)量誤差大、操作麻煩、測(cè)量信息單一等不足。為此，提出改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制系統(tǒng)的低功耗硬件電路和軟件流程，最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，得到了較好的結(jié)果。本測(cè)量設(shè)備可以改進(jìn)市場(chǎng)上土壤測(cè)量?jī)x器存在的一些不足，取得更高的測(cè)量精度、更好的穩(wěn)定性和簡(jiǎn)便的校準(zhǔn)。

1 測(cè)量原理

1.1 復(fù)合電極測(cè)量PH值

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)

基于PIC18F系列單片機(jī)的土壤酸堿度和濕度測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)土壤酸堿度、濕度、溫度的測(cè)量，通過(guò)LCD顯示屏將采集的信息顯示到屏幕。按鍵及其電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的操作，可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、保存、查看和刪除、校準(zhǔn)操作，也可以通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上位機(jī)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中管理。土壤酸堿度（PH）和溫度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖如圖1。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 酸堿度信號(hào)采集電路

PH信號(hào)采集電路如圖所示，圖中字母PH代表PH傳感器返回的電壓信號(hào)，先經(jīng)過(guò)了一個(gè)電壓跟隨器，電路的第二級(jí)是一個(gè)減法運(yùn)算電路，將一個(gè)1V左右的信號(hào)與PH傳感器的電壓信號(hào)相減，通過(guò)表1可知PH傳感器的電壓變化可正可負(fù)，而PIC18F單片機(jī)的AD采樣只能采集大于零的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)二級(jí)電路時(shí)，當(dāng)PH為0時(shí)PHout為0.6V左右，當(dāng)PH為14時(shí)PHout為1.4V左右，傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)圖電路后信號(hào)整體被抬高到大于零，且PH與電壓成正向關(guān)系，PHout輸出范圍為，AD可以正常采集此信號(hào)。電容C2用于消除輸入端的干擾。電路如圖2所示。

2.2.2 濕度信號(hào)采集電路

濕度信號(hào)采集電路采用了分壓的方式，單片機(jī)的AD直接采集電壓變化。電路R1和R3起分壓作用，R4和R5分壓，C4起濾波作用，防止干擾信號(hào)的影響。電路如圖3。

3 PH和濕度標(biāo)定

3.1 PH標(biāo)定

從表1可知PH與電壓呈線性關(guān)系，在理想狀態(tài)下線性方程符合公式（2），在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需要通過(guò)二點(diǎn)標(biāo)定法算出斜率和零點(diǎn)：

（1）在25攝氏度的室溫下準(zhǔn)備兩種常用標(biāo)定溶液混合磷酸鹽

pH 值為6.86PH、硼砂pH值為9.18PH。

（2）通過(guò)功能鍵將土壤PH和濕度測(cè)量?jī)x調(diào)到校準(zhǔn)功能，當(dāng)

LCD上讀取到CAL和6.86PH字樣時(shí)，將測(cè)量?jī)x在磷酸鹽標(biāo)定液中測(cè)量數(shù)次，繼續(xù)按功能鍵從LCD上讀取到CAL和9.18PH字樣時(shí)，將測(cè)量?jī)x在硼砂標(biāo)定液中測(cè)量數(shù)次。

（3）按確認(rèn)鍵單片機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)算兩種溶液中讀取到的電壓平均值，算出斜率和零點(diǎn)保存在單片機(jī)中。

長(zhǎng)時(shí)間使用該土壤PH和濕度測(cè)量?jī)x時(shí)會(huì)造成PH傳感器信號(hào)返回值漂移，所以需要定期對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行重新標(biāo)定。

3.2 濕度標(biāo)定

從室外田地取土若干，用烘干機(jī)烘烤6小時(shí)，然后用烘干的土配置含水量不同的土壤標(biāo)本，使用單片機(jī)讀取含水量不同時(shí)傳感器返回的電壓值，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)表明土壤含水量低于與18%時(shí)含水量越大AD采樣電壓值也越大，有較好的線性關(guān)系；含水量超過(guò)18%隨含水量的增加AD采樣電壓值下降；當(dāng)含水量超過(guò)25%時(shí)土壤稀釋度就比較大，在實(shí)際土壤灌溉中沒(méi)有意義。

通過(guò)上面結(jié)論具體研究了土壤含水量低于18%時(shí)與電壓的關(guān)系：

（1）取10組土壤樣本，放入烘干箱中烘烤6小時(shí)。

（2）將10組烘干的土壤稱重記錄，然后分別加入不同含量的

水，配制含水量不同的土壤。

（3）分別測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系，每組土壤隔2min記錄一次，共記錄4次，算出平均值，記錄如表1。

對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸可得擬合曲線如圖4。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本土壤酸堿度和濕度測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在溫度為25℃的實(shí)驗(yàn)室中配制了10組酸堿度和濕度不同的土壤樣本，PH以PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)量數(shù)值為準(zhǔn)確值，本土壤酸堿度和濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量的PH值為測(cè)量值，濕度百分比以10組土壤樣本烘干前后計(jì)算值為準(zhǔn)確值，本土壤酸堿度和濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量的濕度值為測(cè)量值，將PHS-3C型酸度計(jì)和本土壤酸堿度和濕度測(cè)量?jī)x分別插入10組樣本中測(cè)量記錄，然后將10組土壤樣本烘干、天平稱重，計(jì)算濕度并記錄，記錄如表2。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的土壤PH主要集中在4-10，濕度集中在3%-18%，在實(shí)際的農(nóng)田中，土壤的酸堿度和濕度在上述區(qū)間內(nèi)有實(shí)際的意義，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以得出，土壤的PH誤差小于0.1PH，濕度誤差小于0.5%，符合產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于單片機(jī)的酸堿度（PH）和濕度測(cè)量?jī)x，硬件上采用了運(yùn)放電路和AD采樣實(shí)現(xiàn)，分別通過(guò)二點(diǎn)標(biāo)定法和線性回歸獲得PH和濕度相關(guān)曲線，軟件上采用了溫度補(bǔ)償和兩點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該酸堿度（PH）和濕度測(cè)量?jī)x的PH測(cè)量誤差小于0.1PH，濕度的測(cè)量誤差小于0.5%，指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述該測(cè)量?jī)x具有性能優(yōu)良、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足農(nóng)田土壤酸堿度和濕度的測(cè)量，具有一定的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：宿曉鋒（1991-），男，漢族，山東濰坊，碩士研究生，蘭州大學(xué)，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

*通訊作者：劉映杰（1964-），男，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與模式識(shí)別。