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        基于AT89S52的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

        2018-11-10 09:45:44江濤劉峰李暉常碩舒懷
        農(nóng)家科技下旬刊 2018年9期

        江濤 劉峰 李暉 常碩 舒懷

        摘 要:為分析土壤濕度與土壤溫度相關(guān)性。該文設(shè)計了一種以單片機(jī)AT89S52為主控核心,采用MS10AAA土壤水分傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊,設(shè)計了一種采集土壤溫濕度裝置。

        關(guān)鍵詞:土壤溫濕度;AT89S52;MS10AAA傳感器

        湖南省是農(nóng)業(yè)大省,地質(zhì)以山地、丘陵為主,土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2010至2011年,為做好新增千億斤糧食氣象保障工程,湖南省氣象局在糧食主產(chǎn)區(qū)建設(shè)60個基于FDR原理的自動土壤水分觀測站,實時監(jiān)測土壤濕度。在運(yùn)行的三年時間里,土壤水分觀測存在著觀測數(shù)據(jù)不能反應(yīng)真實土壤墑情的問題,給相關(guān)業(yè)務(wù)、科研工作造成了很大的困惑。經(jīng)比較分析自動土壤水分觀測站觀測數(shù)據(jù)和人工取土測量數(shù)據(jù),分析自動土壤水分觀測原理與標(biāo)定方法,并與設(shè)備研制廠商溝通,發(fā)現(xiàn)存在的問題主要是由于湖南省土壤結(jié)構(gòu)差異性較大,導(dǎo)致通用性土壤濕度算法不能很好的反映真實土壤濕度變化。為合理調(diào)整土壤濕度測量算法提供依據(jù),做好自動土壤水分觀測站的技術(shù)保障,湖南省氣象技術(shù)裝備中心開展了傳感器實驗室標(biāo)定參數(shù)研究、自動土壤水分觀測田間標(biāo)定方法研究、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究等一系列科學(xué)研究。

        依據(jù)FDR測量原理,溫度的不同也對土壤數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,為做好溫度對土壤濕度影響的研究,并提供一套簡易采集土壤墑情的觀測設(shè)備。該文設(shè)計并研制了一套觀測土壤溫濕度裝置,為相關(guān)研究工作開展提供測量手段。

        一、MS10AAA傳感器

        MS10AAA傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤介電常數(shù)來反演真實的土壤水分含量。MS10AAA直接測量土壤容積含水率,適合于土壤墑情監(jiān)測、科學(xué)實驗、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、精細(xì)農(nóng)業(yè)等。

        MS10AAA傳感器利用FDR測量原理,將土壤容積含水率經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為0-2V可測電壓,作用區(qū)域為以中央探針為中心,直徑、高分別為7CM的圓柱體。換算方法為:容積含水率=0.5×電壓值×100%。

        二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,以AT89S52單片機(jī)為核心,由MS10AAA土壤濕度傳感器、電源、LCD顯示、UART串口等模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)通電后,土壤濕度傳感器將表征土壤濕度的電壓信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)處理后通過LCD顯示,實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量。通過UART端口將溫濕度信息發(fā)送到終端計算機(jī),實現(xiàn)信息的收集與存儲。

        三、硬件系統(tǒng)主要部件設(shè)計

        1.AT89S52最小系統(tǒng)設(shè)計

        AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時器,2個數(shù)據(jù)指針,3個16位定時器/計數(shù)器,8個中斷源,全雙工UART串行通道,雙數(shù)據(jù)指針,片內(nèi)晶振及時鐘電路。

        AT89S52單片機(jī)要正常工作,必須配置其外圍電路,單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖2所示。

        2.MS10AAA數(shù)據(jù)采集通道電路設(shè)計

        MS10AAA輸出的模擬電壓信號送到MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,MAX197的D0-D7將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到AT89S52的P0.0-P0.7口,MS10AAA數(shù)據(jù)采集電路如下圖2所示。P0.0-P0.7既可輸入MAX197的初始化控制字,也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。SHDN腳接高電平,設(shè)置MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式。REFDJ接高電平,設(shè)置ADC參考電壓為外部輸入。AT89S52的P1.0腳用于判斷高、低位數(shù)據(jù)的選擇,直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與AT89S52的P3.2腳(INT0)相連,以便實現(xiàn)中斷,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX197有8個通道,如果要采集8層土壤溫濕度,可用2片2選1模擬開關(guān)實現(xiàn)。

        在電路設(shè)計過程中,為減小信號干擾,AGND和DGND相互獨(dú)立,各種電源與地之間都用0.1uF電容消除電源的紋波。

        3.LCD顯示電路設(shè)計

        該電路設(shè)計采用帶中文字庫的128×64點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊,可完成圖形顯示和8×4漢字(16×16點(diǎn)陣)顯示。本電路采用間接控制方式,利用AT89S52的I/O口實現(xiàn)與顯示模塊的通信,即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P2口連接作為數(shù)據(jù)總線,另外3根時序控制信號線利用P1口未利用的I/O口來控制。LCD12864與AT89S52的接線原理如圖4所示。

        4.UART串口設(shè)計

        AT89S52內(nèi)置串口電路(TTL電平,+5V為高電平,0V為低電平)。計算機(jī)串口為RS-232C電平,高電平為+12V,低電平為-12V。為實現(xiàn)單片機(jī)與PC通信,需要完成以上兩種電平的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片。電路如下圖5所示。

        5.存儲電路設(shè)計

        AT89S52單片機(jī)具有8KFlash,為增大數(shù)據(jù)存儲容量,該電路采用CAT24WC16存儲芯片設(shè)計了一個16K的外置存儲器。CAT24WC16是位串行CMOSE2ROM,可通過I2C總線接口進(jìn)行讀寫。CAT24WC16外圍配置電路如下圖6所示。

        四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)C語言,包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋嶋H應(yīng)用時,系統(tǒng)把采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為土壤溫濕度并進(jìn)行實時顯示,軟件部分包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出通信等子程序。系統(tǒng)主程序按照業(yè)務(wù)操作流程調(diào)度各子程序模塊,實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的整體管理。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

        五、結(jié)語

        該系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)、功耗低的AT89S52單片機(jī),配合高度集成的土壤濕度傳感器和應(yīng)用系統(tǒng)軟件,可實時獲取土壤表寸以下2M范圍內(nèi)的溫、濕度數(shù)據(jù),價格適中,比較適合需要監(jiān)測土壤墑情的地方,具有很好的應(yīng)用前景。

        參考文獻(xiàn):

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        作者簡介:江濤(1983-8-),湖南省氣象技術(shù)裝備中心,工程師,研究方向:綜合氣象觀測。

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