手持式多參數環境檢測記錄儀設計

北方工業大學微電子系 王忠鵬 栗 明 趙治乾 寧可慶

手持式多參數環境檢測記錄儀設計

北方工業大學微電子系 王忠鵬 栗 明 趙治乾 寧可慶

提出了一種基于STM32系列單片機手持式多參數環境檢測記錄儀設計方案。采用STM32F103VCT6為控制芯片，結合溫度傳感器PT100和雙積分土壤含水量傳感器等，實現了環境相關參數的測量，測試數據可實時記錄并通過段式LCD顯示并存儲。通過該系統的開發，可以為地理監測等相關研究人員提供測量方便，更大程度的提高監測的自動化水平及測試范圍。

單片機；傳感器；數字式

1.系統概述

本文提出了基于STM32系列單片機手持式多參數環境檢測記錄儀設計方案。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轉換電路、電源電路、單片機系統電路、LCD顯示屏等組成。系統原理圖如圖1所示。

本系統由+12V蓄電池供電，對PT100溫度傳感器的數據采集方面采用了雙水臂非平衡電橋，通過檢測電橋的輸出電壓就能夠計算出電阻的變化，從而確定溫度。對于土壤含的量采集是采用了電場法來采集土壤水分信號，由于土壤容積內的含水量會影響到土體的介電常數，所以通過測量插入土壤的兩個電極和土壤組成的電容器的等效介電常數的轉換成電信號的變化來達到測量土壤水分的目的。高壓由TL494產生固定頻率的PWM經一定匝數比的變壓器產生，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。單片機檢測比較器的電平變化來確定反向積分的時間。經過計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 測試結果

圖1 系統原理圖

2.溫度傳感器PT100的處理電路實現

PT100溫度傳感器為正溫度系數的熱敏電阻傳感器，本系統對PT100溫度傳感器的數據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橋臂，當傳感器的阻值發生變化，電橋的輸出電壓就會發生變化，通過檢測電橋的輸出電壓就能夠計算出電阻的變化，由于在-30℃至70℃的溫度范圍區間PT100的阻值變化范圍為88.22Ω至127.08Ω，調整輸出電壓的變化范圍為0至82mV。為了能夠便于AD轉換特將輸出電壓經過運放LM358進行放大，在此放大倍數為30倍，為了防止單級放大倍數過高引起的非線性誤差，放大部分采用兩級發大，第一級放大10倍，第二級放大3倍，輸出信號接單片機的AD輸入。電路如圖2所示。

圖2 PT100溫度檢測電路

圖3 號的采集流程

圖4 檢波電路

3.水分傳感器的處理電路實現

對于土壤水分的采集是采用了電場法來采集土壤水分信號，由于土壤容積內的含水量會影響到土體的介電常數，所以通過測量插入土壤的兩個電極和土壤組成的電容器的等效介電常數的轉換成電信號的變化來達到測量土壤水分的目的。整個信號的采集流程如3所示。

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

經過檢波電路檢測后的模擬電壓信號再經過雙積分AD轉換器轉換成數字量接入給處理器，在由處理器經過數據解析得到對應的土壤水分含量值。

圖5 A/D轉換原理圖

圖6 系統流程圖

雙積分式ADC的基本電路如圖5左圖所示，運放A1、R、C組成積分器，運放A2作為比較器。電路先對未知的模擬輸入電壓U1進行固定時間T1的積分，然后轉為對標準電壓U0進行反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時間為T0。如圖5右圖所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時間越長。整個采樣期間，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，因而反向積分時間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期間單片機的內部計數器計數值與信號電壓的大小成正比，此計數值就是U1所對應的數字量。

4.顯示模塊

HT1621是有2.4～5.2V供電的段式液晶屏驅動器，是128點、內存映象和多功能的LCD驅動器，HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合，包括LCD模塊和顯示子系統。段式液晶屏具有4個行(COM)及4個列(SEG)，段式液晶屏驅動HT1621的信號輸出端按一定時序分別發出特定的連續脈沖，供給LCD屏的行列電極做驅動源，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作用下呈顯示狀態(遮光或透光)。段式液晶顯示及其系統流程圖如圖6所示。

5.實驗結果

對不同的樣品進行測試，測試結果如表1。

從表1數據可以看出測量系統在不同的樣品條件下表現出良好的穩定性和重復性。

6.結論

這款手持式多參數環境檢測儀充分利用了STM32系列單片機的低功耗，高集成度和抗干擾的優點；因此具有功耗低，體積小，成本低，利于便攜等特點，適合于多種場合下的多種環境參數的檢測。

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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.