一种便携式土壤温湿度数据采集器的研制

日期：2010-10-11  来源：2010  字体大小：大  中  小

土壤水分是农作物生长发育所必需的基本条件之一，是指示土壤墒情、确定农业生产春耕时间、补偿灌溉管理和评价农作物产量高低的重要参数。能够准确及时地测定出土壤水分含量，就可以知道植物的水分供应是否正常，是否发生了干旱、干旱程度如何等情况，对适时适量地进行灌溉和排水有着重要的作用。

土壤水分的测定方法有几十种之多，如烘干法、张力计法、电阻法、中子法、γ射线法、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波比法(swR)、光学测量法(0ptical)等，它们各有优缺点。寻求一种价格低、少标定、准确、稳定、快速的土壤水分测定方法一直是近年来研究的主要方向。
笔者介绍了一种便携式土壤温湿度数据采集器，其具有体积小、质量轻、安装简便、操作简单、采集速度快、便于野外携带的优点，可同时对土壤温度、湿度进行实时测量，快速直读，便于及时掌握土壤墒情和温度状况，另外，由于选用了性价比高的芯片，还具备价格低廉的优点。  数据采集器组成 便携式土壤温湿度数据采集器由测量控制主机和外接的土壤温度传感器、土壤湿度传感器组成。测量控制主机内设置有单片机电路板、电源、传感器接口和充电接口，其结构见图1，单片机电路板由显示模块、模数转换器、电源控制以及单片机组成。测量控制主机的外壳面板如图2所示。 2土壤温度传感器的设计 本便携式土壤温湿度数据采集器采用了中国农业大学传感器研究所研制的SWtl3型土壤湿度传感器(测量土壤体积含水量，精度±2％)，土壤温度传感器则为自主设计研制。 土壤温度传感器的结构示意图见图3。土壤温度传感器包括不锈钢管式封装探针，探针通过螺纹口与同定螺母连接手柄，探针内部的前端设置有机芯，机芯通过导线连接手柄后端的引出线。该土壤温度传感器的探针由于被不锈钢管封装，故可以深入到土壤深层进行温度测量，其探针内部的机芯为DSl8820高精度半导体温度传感芯片，可测量-55—85℃范围的温度变化，在一10～85℃范围内的测量精度为±0．5。C。 3数据采集器电路设计 图4给出了数据采集模块的电路设计示意图，它包括单片机AT89C5 l、模数转换器ADC0809、内存和端口扩展芯片8155H、电源基准芯片LM336和数字触发器芯片74LS74。其中：ADC0809的数据端口与AT89C5l的输入端口相连；ADC0809的地址端口与8155相连，进行端口选择；ADC0809的控制端口与AT89C51的p2口相连，进行信号采集控制；ADC0809时钟端口与741S74相连，提供ADC0809的时钟信号；ADC0809的数据采集端与湿度传感器的输入信号相连；ADC0809的参考电压南LM336电压参考电路提供；AT89C51与8155相连。 图5是便携式土壤温湿度数据采集器电源模块的电路示意图，它包括电压j端稳压7805芯片，其主要功能是为系统提供稳定电压。 图6是便携式土壤温湿度数据采集器数据通信模块的电路示意图，它包括串口通讯芯片MAX232芯片，其主要功能是与PC机通讯。 在该系统中，8155H有两个作用：(1)扩展AT89C5l系统的端口；(2)扩展AT89C5l系统的RAM(可以扩大到250字节)；LM336电路的作用是为ADC0809提供2．5 V的参考电压；MAX232芯片用于系统与计算机或其他RS232接口设备通讯，并与AT89C5l相连；AT89C5I主要用于整个系统的控制；ADC0809负责数据的采集，并把模拟信号转换成数字信号；74LS74为ADC0809提供工作用脉冲。 4数据采集器工作流程 在实际应用中，本实用新型数据采集器通过冈2所示面板上的湿度传感器插口和温度传感器插口外接土壤湿度传感器和土壤温度传感器后，可以同时采集土壤的温、湿度参数。其]：作流程如图7所示：首先接通电源，仪器归零或初始化，土壤温、湿度传感器同时采集土壤数据，通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，单片机分析运算并将它们输出的模拟信号转换为数字信号，进而转换为土壤温度和含水量的读数，通过不同显示窗口显示结果。 5小结 便携式土壤温湿度数据采集器，在设计时兼顾了经济性、耐用性和实用性综合比对的原则。各部分元件的选择如下： 单片机选择了51系列的AT89C5l单片；模数转换器选择了ADC0808或ADC0809芯片，虽然该芯片的采集精度为8位，但通过参考电压端的电压设置(基准电源采用了图4中所示的LM336基准电源芯片，其电压为2．5 V)，可以选择测量范围，并可结合传感器的输出调节，起到16位芯片采集精度的作用。外壳采用金属铝制成，该外壳不仅比塑料外壳更坚固，而且不易生锈，并具备抗低温、抗老化等特性。土壤温度传感器探头，采用不锈钢针管式设计，其主要目的：(1)使探头更容易插入土内；(2)防止探头老化或生锈而影响采集数据的精度。显示元件选用发光二极管，以克服液晶等其他显示材料在光线较强烈的野外作业时不易观测显示数值的缺陷。采用蓄电池来解决供电问题，以便于远离电源的野外作业。蓄电池采用容量为7AH的普通铅酸蓄电池，并可通过面板上的充电插口充电。 本实用新型数据采集器在应用土壤湿度传感器的基础上，进行了以下几方面的改进： (1)采用造价较低的51系列AT89C51作为主机芯片，通过高效集成电路设计来实现数据接收、计算转换以及显示功能；(2)设置连接土壤温度传感器和土壤湿度传感器的插口，以使仪器可以同时采集、计算和显示土壤的温度和湿度数据，达到一次采集获取两项指标的目的，并同时将采集到的模拟信号转换为数字信号，进而转换为土壤温度与湿度的读数，而且传感器接口还具有扩充功能，可根据实际需要连接其它通用型传感器；(3)采用蓄电池供电方式，利用其可反复充电的特点使本实用新型数据采集器的使用脱离电源限制，而且以其通过集成电路的高效计算降低各组件的功耗，使其电池的连续T作时间长达70 h，以满足野外快速采集数据的要求；(4)采用高亮度发光二极管显示数据信息，并在显示面板上设置了双排4位的显示方式，以适合室外光线强烈的作业环境，即使该仪器在野外光照条件下操作时也能清楚的看到其数据显示；(5)采用了金属铝制作外壳，利用其优于一般塑料外壳的坚固性以及不易生锈、抗低温、抗老化等特性，延长本仪器的使用寿命；(6)该设计使整个仪器体积小，质量轻，便于移动，达到了真正便携的目的。 吕雄杰，陆文龙，宋治文，王建春 (天津市农业科学院信息研究所，天津300112) 天津农业科学，2010．16（1)．97一100 马桂莲采集；张琴加工；程彬彬编辑上传；江洪涛审核。