一種便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器的研制

摘要:介紹了一種便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器，說明了其工作原理及主要特點，并給出了電路設計圖，該儀器可用于田間土壤溫度、濕度數(shù)據(jù)快速實時采集，已獲得國家實用新型專利授權(專利號:ZL200620026085.1)。

關鍵詞:便攜式;土壤溫度;土壤濕度;數(shù)據(jù)采集器

中圖分類號:S126文獻標識碼:B DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.01.030

Development of a Portable Data Logger for Soil Moisture and Temperature

LV Xiong-jie， LU Wen-long， SONG Zhi-wen， WANG Jian-chun

(Institute of Information， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China)

Abstract: A portable data logger for soil moisture and temperature， which was awarded a certificate of utility model patent， was introduced in this paper. Its working principle and distinctive features were explained. Its designs for electrocircuit were presented also. It could be used to collect soil moisture and temperature data quickly. And it gained utility model patent awarded.

Key words: portable; soil moisture; soil temperature; data logger

土壤水分是農(nóng)作物生長發(fā)育所必需的基本條件之一，是指示土壤墑情、確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)春耕時間、補償灌溉管理和評價農(nóng)作物產(chǎn)量高低的重要參數(shù)。能夠準確及時地測定出土壤水分含量，就可以知道植物的水分供應是否正常，是否發(fā)生了干旱、干旱程度如何等情況，對適時適量地進行灌溉和排水有著重要的作用。

土壤水分的測定方法有幾十種之多，如烘干法、張力計法、電阻法、中子法、γ射線法、時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)、駐波比法(SWR)、光學測量法(Optical)等[1-9]，它們各有優(yōu)缺點。尋求一種價格低、少標定、準確、穩(wěn)定、快速的土壤水分測定方法一直是近年來研究的主要方向。

筆者介紹了一種便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器，其具有體積小、質(zhì)量輕、安裝簡便、操作簡單、采集速度快、便于野外攜帶的優(yōu)點，可同時對土壤溫度、濕度進行實時測量，快速直讀，便于及時掌握土壤墑情和溫度狀況，另外，由于選用了性價比高的芯片，還具備價格低廉的優(yōu)點。

1數(shù)據(jù)采集器組成

便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器由測量控制主機和外接的土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器組成。測量控制主機內(nèi)設置有單片機電路板、電源、傳感器接口和充電接口，其結構見圖1，單片機電路板由顯示模塊、模數(shù)轉換器、電源控制以及單片機組成。測量控制主機的外殼面板如圖2所示。

2土壤溫度傳感器的設計

本便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器采用了中國農(nóng)業(yè)大學傳感器研究所研制的SWR3型土壤濕度傳感器(測量土壤體積含水量，精度±2%)，土壤溫度傳感器則為自主設計研制。

土壤溫度傳感器的結構示意圖見圖3。土壤溫度傳感器包括不銹鋼管式封裝探針，探針通過螺紋口與固定螺母連接手柄，探針內(nèi)部的前端設置有機芯，機芯通過導線連接手柄后端的引出線。該土壤溫度傳感器的探針由于被不銹鋼管封裝，故可以深入到土壤深層進行溫度測量，其探針內(nèi)部的機芯為DS18B20高精度半導體溫度傳感芯片[10]，可測量-55～85 ℃范圍的溫度變化，在-10～85 ℃范圍內(nèi)的測量精度為±0.5 ℃。

3數(shù)據(jù)采集器電路設計

圖4給出了數(shù)據(jù)采集模塊的電路設計示意圖，它包括單片機AT89C51、模數(shù)轉換器ADC0809、內(nèi)存和端口擴展芯片8155H、電源基準芯片LM336和數(shù)字觸發(fā)器芯片74LS74。其中:ADC0809的數(shù)據(jù)端口與AT89C51的輸入端口相連;ADC0809的地址端口與8155相連，進行端口選擇;ADC0809的控制端口與AT89C51的p2口相連，進行信號采集控制;ADC0809時鐘端口與74lS74相連，提供ADC0809的時鐘信號;ADC0809的數(shù)據(jù)采集端與濕度傳感器的輸入信號相連;ADC0809的參考電壓由LM336電壓參考電路提供;AT89C51與8155相連。

在該系統(tǒng)中，8155H有兩個作用:(1)擴展AT89C51系統(tǒng)的端口;(2)擴展AT89C51系統(tǒng)的RAM(可以擴大到250字節(jié));LM336電路的作用是為ADC0809提供2.5 V的參考電壓;MAX232芯片用于系統(tǒng)與計算機或其他RS232接口設備通訊，并與AT89C51相連;AT89C51主要用于整個系統(tǒng)的控制;ADC0809負責數(shù)據(jù)的采集，并把模擬信號轉換成數(shù)字信號;74LS74為ADC0809提供工作用脈沖。

4數(shù)據(jù)采集器工作流程

在實際應用中，本實用新型數(shù)據(jù)采集器通過圖2所示面板上的濕度傳感器插口和溫度傳感器插口外接土壤濕度傳感器和土壤溫度傳感器后，可以同時采集土壤的溫、濕度參數(shù)。其工作流程如圖7所示:首先接通電源，儀器歸零或初始化，土壤溫、濕度傳感器同時采集土壤數(shù)據(jù)，通過模數(shù)轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，單片機分析運算并將它們輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，進而轉換為土壤溫度和含水量的讀數(shù)，通過不同顯示窗口顯示結果。

5小結

便攜式土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器，在設計時兼顧了經(jīng)濟性、耐用性和實用性綜合比對的原則。各部分元件的選擇如下:

單片機選擇了51系列的AT89C51單片;模數(shù)轉換器選擇了ADC0808或ADC0809芯片，雖然該芯片的采集精度為8位，但通過參考電壓端的電壓設置(基準電源采用了圖4中所示的LM336基準電源芯片，其電壓為2.5 V)，可以選擇測量范圍，并可結合傳感器的輸出調(diào)節(jié)，起到16位芯片采集精度的作用。外殼采用金屬鋁制成，該外殼不僅比塑料外殼更堅固，而且不易生銹，并具備抗低溫、抗老化等特性。土壤溫度傳感器探頭，采用不銹鋼針管式設計，其主要目的:(1)使探頭更容易插入土內(nèi);(2)防止探頭老化或生銹而影響采集數(shù)據(jù)的精度。顯示元件選用發(fā)光二極管，以克服液晶等其他顯示材料在光線較強烈的野外作業(yè)時不易觀測顯示數(shù)值的缺陷。采用蓄電池來解決供電問題，以便于遠離電源的野外作業(yè)。蓄電池采用容量為7AH的普通鉛酸蓄電池，并可通過面板上的充電插口充電。

本實用新型數(shù)據(jù)采集器在應用土壤濕度傳感器的基礎上，進行了以下幾方面的改進:

(1)采用造價較低的51系列AT89C51作為主機芯片[11]，通過高效集成電路設計來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、計算轉換以及顯示功能;(2)設置連接土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器的插口，以使儀器可以同時采集、計算和顯示土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，達到一次采集獲取兩項指標的目的，并同時將采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號，進而轉換為土壤溫度與濕度的讀數(shù)，而且傳感器接口還具有擴充功能，可根據(jù)實際需要連接其它通用型傳感器;(3)采用蓄電池供電方式，利用其可反復充電的特點使本實用新型數(shù)據(jù)采集器的使用脫離電源限制，而且以其通過集成電路的高效計算降低各組件的功耗，使其電池的連續(xù)工作時間長達70 h，以滿足野外快速采集數(shù)據(jù)的要求;(4)采用高亮度發(fā)光二極管顯示數(shù)據(jù)信息，并在顯示面板上設置了雙排4位的顯示方式，以適合室外光線強烈的作業(yè)環(huán)境，即使該儀器在野外光照條件下操作時也能清楚的看到其數(shù)據(jù)顯示;(5)采用了金屬鋁制作外殼，利用其優(yōu)于一般塑料外殼的堅固性以及不易生銹、抗低溫、抗老化等特性，延長本儀器的使用壽命;(6)該設計使整個儀器體積小，質(zhì)量輕，便于移動，達到了真正便攜的目的。

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