基于STC12C5A16S2土壤水分測(cè)量儀的設(shè)計(jì)

馬曉玲

摘 ? 要：土壤體積分?jǐn)?shù)是土壤的主要組成部分，對(duì)植物的生長過程有十分重要的意義。我國水資源嚴(yán)重缺乏，其中大多用水量用于農(nóng)業(yè)灌溉，但是目前我國平的農(nóng)業(yè)用水利用率較低，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家，我國農(nóng)作物產(chǎn)量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的水平。因此，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水工作還有很大的空間。農(nóng)田土壤體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量是農(nóng)業(yè)發(fā)展中必不可少的一部分，通過對(duì)農(nóng)田土壤水分的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以掌握農(nóng)田的土壤環(huán)境，這樣就有利于進(jìn)行節(jié)水灌溉，同時(shí)實(shí)時(shí)的節(jié)水灌溉也對(duì)提高產(chǎn)量有很大的幫助。由土壤水分傳感器和核心單片機(jī)組成。FDS100土壤水分傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)量植物的土壤體積分?jǐn)?shù)，并將測(cè)量到的模擬信號(hào)經(jīng)I/O口傳給單片機(jī)STC12C5A16S2進(jìn)行處理計(jì)算。

關(guān)鍵詞：土壤水分;FDS100土壤水分傳感器;STC12C5A16S2單片機(jī)

傳統(tǒng)灌溉方式落后，農(nóng)田灌溉設(shè)施和農(nóng)業(yè)發(fā)展的情況不匹配。主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）農(nóng)田由于地勢(shì)原因高低錯(cuò)落，導(dǎo)致不同地段土壤體積分?jǐn)?shù)不同，因此導(dǎo)致農(nóng)田內(nèi)農(nóng)作物的產(chǎn)量大大的降低。（2）在干旱少雨的季節(jié)里，不能根據(jù)植物的需水量進(jìn)行灌溉，因此不能保證作物大面積的提高產(chǎn)量。（3）根據(jù)以上情況，應(yīng)該在現(xiàn)有的節(jié)水灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制新的灌溉技術(shù)，減少灌溉成本，提高產(chǎn)量。

1 ? ?系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)主要包括：土壤水分傳感器單元、STC12C5A16S2單片機(jī)、LCD顯示模組、控制程序、電源。土壤水分測(cè)量儀的工作原理是將土壤水分傳感器測(cè)量得到的模擬量轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào)，再通過STC12C5A16S2單片機(jī)里面的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，然后把運(yùn)算結(jié)果通過單片機(jī)傳輸?shù)絃CD顯示屏上。

2 ? ?土壤水分測(cè)量儀主要工作任務(wù)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)所預(yù)期的功能，主要解決如下問題：

（1）要設(shè)計(jì)硬件電路，畫出硬件電路圖。

（2）選擇合適的傳感器、單片機(jī)、顯示器。

（3）進(jìn)行信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示。

（4）進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫正確的程序。

（5）軟件和硬件一起進(jìn)行綜合調(diào)試來實(shí)現(xiàn)最后的功能。

3 ? ?系統(tǒng)硬件組成

3.1 ?硬件組成

整個(gè)土壤水分測(cè)量系統(tǒng)包含單片機(jī)模塊、土壤水分傳感器模塊、顯示模塊、AD模塊。各部分模塊能實(shí)現(xiàn)以下功能[1-2]：

（1）土壤水分傳感器是能夠測(cè)量土壤的容積含水量，也就是單位土壤總?cè)莘e中水分所占的百分?jǐn)?shù)并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，土壤水分傳感器可以和其他的儀表聯(lián)合使用，成為一套即插即測(cè)的便攜式土壤水分測(cè)量儀，也可以連接到通用數(shù)據(jù)采集器上，實(shí)現(xiàn)長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）AD模塊，將土壤水分傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。

（3）顯示模塊，用來對(duì)所測(cè)量到的土壤體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行顯示。MzLH04是一塊點(diǎn)陣LCD顯示模組，其中液晶可以顯示漢字和西文字庫;并且液晶顯示器還可以具有的畫點(diǎn)、直線、矩形、圓形等一些繪圖作用，此外，MzLH04模塊明顯的是可以直接顯示自帶的數(shù)字。接口為串行SPI接口，接口方便簡(jiǎn)單易懂，而且操作起來特別方便，可以和其他單片機(jī)進(jìn)行連接。

（4）STC12C5A16S2單片機(jī)，STC12C5A16S2/AD/PWM系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是一款具有各種優(yōu)勢(shì)，快速方便的單片機(jī)，這種單片機(jī)的指令代碼和傳統(tǒng)8051單片機(jī)相融合，但是速度比傳統(tǒng)的單片機(jī)快10倍左右，內(nèi)部有10位A/D轉(zhuǎn)換，2路PWM，8路高速，用于對(duì)電機(jī)的控制，適合干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合。

（5）報(bào)警端口，土壤水分測(cè)量儀的系統(tǒng)可以設(shè)置不同的土壤體積分?jǐn)?shù)范圍，當(dāng)測(cè)量的土壤體積分?jǐn)?shù)值和設(shè)定的體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行比較時(shí)，如果低于標(biāo)準(zhǔn)的土壤體積分?jǐn)?shù)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，警告植物目前土壤體積分?jǐn)?shù)低，需要進(jìn)行水分灌溉。P4.6作為報(bào)警接口使用。報(bào)警時(shí)一共發(fā)出5聲報(bào)警提示音。

3.2 ?電源模塊

大棚溫室內(nèi)有交流直流電，但是變土壤水分測(cè)量儀各個(gè)模塊的設(shè)備工作電壓均為直流電，土壤水測(cè)量儀需要電源適配器，單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓為DC12 V，土壤水分傳感器電路需要DC5 V電源適配器。

3.3 ?土壤水分采集模塊

采集模塊主要是用土壤水分傳感器FDS100將測(cè)量得到的土壤水分模擬信號(hào)傳送至單片機(jī)中進(jìn)行處理，傳感器探針由不銹鋼制成，提高了使用壽命，土壤水分傳感器外部用膠體包裝，有很強(qiáng)的密封性，插入土壤中耐腐蝕性好。測(cè)量土壤水分時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，數(shù)據(jù)傳輸速度快，工作性能高，使用的地區(qū)非常廣泛。

3.4 ?電磁閥模塊

驅(qū)動(dòng)電磁閥需要大功率，但是單片機(jī)功率很小，無法驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，因此，通過單片機(jī)控制繼電器的動(dòng)作，繼電器控制電磁閥的接通和斷開，單片機(jī)間接地控制電磁閥工作。根據(jù)是否達(dá)到預(yù)期的土壤體積分?jǐn)?shù)來進(jìn)行開啟或關(guān)閉電磁閥灌溉，設(shè)置單片機(jī)輸出引腳為高電平，通過單片機(jī)輸出引腳電平的高低變化來控制繼電器吸合和斷開，繼電器觸點(diǎn)閉合，電磁閥線圈通電，通電后閥門打開，水流經(jīng)過閥門，進(jìn)行灌溉。

4 ? ?系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 ?系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

硬件電路完成以后，要根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)軟件。首先，根據(jù)軟件對(duì)系統(tǒng)的作用，對(duì)軟件進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)和對(duì)程序的模塊化設(shè)計(jì)。按不同的功能設(shè)計(jì)多個(gè)不同的軟件程序，包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序和土壤體積分?jǐn)?shù)顯示程序，這些程序單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試。其次，將各個(gè)模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。土壤水分測(cè)量儀系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)各個(gè)變量，整個(gè)系統(tǒng)還未進(jìn)行工作，當(dāng)按下土壤水分測(cè)量健之后，土壤水分測(cè)量儀系統(tǒng)開始運(yùn)行。

4.2 ?數(shù)據(jù)采集的主要程序設(shè)計(jì)

采集模塊主要是用土壤水分傳感器FDS100將測(cè)量得到的土壤體積分?jǐn)?shù)傳送至單片機(jī)中進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集選用的FDS100土壤水分傳感器具有測(cè)量精度高、準(zhǔn)確率高、數(shù)據(jù)傳輸效率高。FDS100土壤水分傳感器與單片機(jī)的接線簡(jiǎn)單，便于操作。FDS100土壤水分傳感器測(cè)量得到的濕度信號(hào)最終以電壓信號(hào)的方式傳送到AD轉(zhuǎn)換器中，由于STC12C5A60S2單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器接在P1口，所以將黃線即電壓信號(hào)線接在P1.4口。這樣，土壤水分傳感器每測(cè)一次，電壓信號(hào)都將通過P1.4口送到AD轉(zhuǎn)換器中，單片機(jī)再將處理后得到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至顯示器[3-4]。

4.2.1 ?定時(shí)器及中斷程序的設(shè)計(jì)

程序的總體設(shè)計(jì)要滿足系統(tǒng)對(duì)軟件的要求，單片機(jī)的任務(wù)是定時(shí)和計(jì)數(shù)，并且計(jì)算出土壤體積分?jǐn)?shù)后輸出測(cè)量值，時(shí)間到之后申請(qǐng)中斷，采集數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)值加1，在主程序中涉及定時(shí)器的初始化和中斷的允許控制。

4.2.2 ?單片機(jī)控制水泵程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制水泵的與單片機(jī)控制電磁閥工作原理相同，單片機(jī)通過控制繼電器的開啟來控制水泵的啟停。單片機(jī)輸出I/O口置低電平，則繼電器通電，水泵開啟。反之，單片機(jī)輸出I/O口置高電平，繼電器斷開，水泵關(guān)閉。

4.3 ?液晶顯示程序設(shè)計(jì)

顯示程序要實(shí)現(xiàn)的功能是把計(jì)算出的速度值傳到液晶顯示器上。液晶顯示模塊選用MzLH04，它是北京銘正同創(chuàng)科技公司提供的一款功能強(qiáng)大的字庫液晶模塊，自帶漢字庫，可以顯示數(shù)字、基本圖形等，內(nèi)置顯示RAM，是串行SPI接口，接口簡(jiǎn)單，便于操作，接3.3 V供電，具有低功耗、穩(wěn)定可靠、編程簡(jiǎn)單和體積小等特點(diǎn)，非常適合用于野外便于攜帶式儀表。MzLH04與單片機(jī)的接口很簡(jiǎn)單，只要把MzLH04的片選信號(hào)CS，數(shù)據(jù)傳輸線SDA，SPI始終引口以及復(fù)位RST與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口分別相連即可。MzLH04也可以接一個(gè)電阻，通過電阻值的改變可以調(diào)節(jié)MzLH04的顯示亮度。

4.4 ?系統(tǒng)檢測(cè)

電路檢測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，將整個(gè)檢測(cè)過程分為3大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。

（1）軟件調(diào)試：整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個(gè)程序都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以，在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子程序模塊進(jìn)行分別調(diào)試。軟件調(diào)試時(shí)，首先，要使程序在keil軟件里編譯通過。其次，把軟件以hex格式燒錄在單片機(jī)開發(fā)板里。軟件調(diào)試時(shí)，不僅程序要編譯通過，而且顯示要正確。

（2）硬件調(diào)試：硬件調(diào)試要先把單片機(jī)開發(fā)板按照所畫的電路圖接在水分傳感器和液晶顯示器上，上電后，打開液晶顯示器，將土壤水分傳感器的探針插入土壤中，看能否成功地測(cè)出土壤體積分?jǐn)?shù)并且顯示在液晶顯示器上。

5 ? ?實(shí)際應(yīng)用

在對(duì)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定測(cè)量土壤水分后，將土壤水分測(cè)量儀應(yīng)用在各種植物土壤水分測(cè)量的試驗(yàn)中，使用土壤水分測(cè)量儀系統(tǒng)對(duì)植物進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制試驗(yàn)，觀察該土壤水分測(cè)量儀系統(tǒng)是否能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)，即能順利地測(cè)量植物土壤體積分?jǐn)?shù)并顯示出來。

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