[摘 要] 對于土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計一般情況都使用MCS-51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，結(jié)合數(shù)字溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集工作，整個系統(tǒng)的設(shè)計成本相對比較低，本文設(shè)計的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AT89C51作為核心控制芯片，選取AD590與濕敏電容實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集測量，大大簡化了系統(tǒng)的硬件尺寸大小，內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)為CAN總線形式從而有利于強(qiáng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力，具有精度高與線性特性好等特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 土壤 溫濕度 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

一、引言

高端科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升發(fā)展，促使實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與完善。根據(jù)農(nóng)作物對水的需求度與水源供應(yīng)情況，對于提供給農(nóng)作物的各種基礎(chǔ)生長條件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂婆c調(diào)節(jié)從而可以保證水資源的合理使用，然而土壤的溫濕度對于農(nóng)作物的正常生長有著重要的決定作用，這是作為管理農(nóng)作物生長的重要考慮因素。因此對于農(nóng)作物的正常生長規(guī)律需要進(jìn)行及時的控制與調(diào)節(jié)，各種農(nóng)作物會處于不同時段的發(fā)育期而相應(yīng)的需水量與合適的生長溫度各有所不同，這些問題在本質(zhì)上應(yīng)該是取決于土壤的含水量。土壤中含水量的相應(yīng)測量方法，由傳統(tǒng)舊式的烘干法到之后的電測法到現(xiàn)在的核技術(shù)方法等發(fā)展過程。本文研究的是一種適用于提供灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)和生產(chǎn)單位選用的快速溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]，選取AD590與濕敏電容實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的測量，相應(yīng)的采集信號經(jīng)過A/D處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，將單片機(jī)作為控制核心與選用滯回比較器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以很大程度地簡化系統(tǒng)的電路機(jī)構(gòu)，降低了功耗與成本，具有較高的實(shí)用價值。

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計原理

本文設(shè)計的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選取AT89C51型號的單片機(jī)作為主控核心，這型號配置了四節(jié)閃爍可編程可擦除式的只讀存儲器需要的低電壓條件，是一款具有高性能的8位MOS微處理芯片，其相應(yīng)的可擦除只讀存儲器能夠允許重復(fù)擦出100次[2]，使用ATME密度的非易失存儲器技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)生制造，符合工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)且能夠與MCS-51的指令集與輸出管腳實(shí)現(xiàn)兼容。本文系統(tǒng)設(shè)計的相應(yīng)擴(kuò)展電路選取的是Intel公司生產(chǎn)制造的可編程式輸入輸出接口芯片8255，其配置了三個并行式I/O口，分別是PA口、PB口和PC口，然而PC口可分為高四位口與低四位口，其均是需要經(jīng)過相應(yīng)的軟件編程來實(shí)現(xiàn)工作方式的改變。

三、土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

1.溫度采集電路模塊

測量溫度的電子元件采用集成化的溫度傳感器AD590，其具有溫度-輸出電流特性成線性關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。此溫度采集電路模塊的電流輸出是1μA/K， R1、R2、R3、R4 與AD590共同構(gòu)成測溫電橋電路。其中相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓是2.73V，當(dāng)處于零攝氏度時，相應(yīng)的電位是2.73V，然后由A2、A3和A4構(gòu)成的數(shù)據(jù)放大器相應(yīng)的輸入與輸出都為零[3]。當(dāng)溫度升高時，放大器相應(yīng)的輸入電壓是以10mV/°C的變化速率進(jìn)行變化，其對應(yīng)的放大倍數(shù)是5，當(dāng)測量溫度的范圍在0-50°C時，其相應(yīng)輸出電壓是0-2.50V。

2.濕度采集電路模塊

濕度采集電路模塊分別由電容傳感器CX、C0、C1與電阻R3、R4構(gòu)成的基本電橋式電路，由G1與G2兩個與非門構(gòu)成了多諧振蕩器從而充當(dāng)電橋電路的電源，相應(yīng)的頻率是10kHz[4]。不平衡式的電橋電路相應(yīng)的輸出電壓變化可以反映出CX的動態(tài)變化，也即是土壤中的含水量變化，通過A進(jìn)行放大處理后送入至A/D轉(zhuǎn)換電路處理。溫度補(bǔ)償電路由負(fù)溫度特性的熱敏式電阻RX和變?nèi)菔蕉O管2CC3構(gòu)成，變?nèi)荻O管相應(yīng)的電容量是跟隨著偏置電壓的幅值而發(fā)生改變，如果溫度上升時電容CX的數(shù)值也會相應(yīng)的增大，此時補(bǔ)償電路的熱敏式電阻值RX反而會減小，這樣會使得變?nèi)荻O管的偏壓值升高，相應(yīng)的電容值減小，從而實(shí)現(xiàn)對CX的校正處理。

3.數(shù)據(jù)顯示電路模塊

通過AD590型號的溫度傳感器所測量得到相應(yīng)的溫度信號之后進(jìn)行對應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示[5]。濕度信號時經(jīng)過對應(yīng)的濕敏電容進(jìn)行采集后實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換而得到的，傳感器相應(yīng)的輸出電壓用V表示，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的作用進(jìn)行地址碼的編寫，由EPROM的相對應(yīng)單元可以輸出含水量數(shù)據(jù)代碼，然后經(jīng)過DAC0832以電壓形式輸出，最后可以顯示出相應(yīng)的土壤含水量。

4.系統(tǒng)控制電路模塊

系統(tǒng)的控制信號是通過AT89C51中的P0口進(jìn)行輸出送到相應(yīng)的控制電路74HC373中，并且由WR與P25經(jīng)邏輯門74HC02對74HC373實(shí)現(xiàn)控制。如果WR與P25都處于低電平狀態(tài)時，可以允許74HC373輸出相應(yīng)的控制信號[6]。繼電器J1、J2與J3通過晶體管9013實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，其相應(yīng)的驅(qū)動電流大概是150mA。在繼電器釋放過程中二極管4007和繼電器的線圈構(gòu)成通路狀態(tài)，用于保護(hù)晶體管9013。為達(dá)到保護(hù)繼電器的目的，在后繼電路接入一級接觸器，通過接觸器對受控制對象進(jìn)行直接驅(qū)動。

四、結(jié)束語

在本文設(shè)計土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中選取AD590用于測量溫度，只需使用濕敏電容就能夠?qū)崿F(xiàn)濕度的測量，從而可以把土壤濕度狀況轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電容值以數(shù)字形式顯示出來，不但實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的有效簡化，還可以節(jié)約了系統(tǒng)的硬件搭建成本。傳感器的相應(yīng)探頭是由一對針形的不銹鋼柱所構(gòu)成，并且易于插進(jìn)土壤里，對土壤結(jié)構(gòu)造成的影響相對比較小。系統(tǒng)的控制核心選取AT89C51單片機(jī)結(jié)合繼電器進(jìn)行電機(jī)的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)的目的，跟同類型的傳統(tǒng)舊式測量系統(tǒng)以及現(xiàn)代化測量系統(tǒng)對比，其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、體積尺寸小、硬件成本低與通用性良好等多種特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的升級優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]羅淳.模糊自整定PID溫室溫度控制器的設(shè)計[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

作者簡介：王陽，男 籍貫：吉林，出生年月：1988年11月4日，工作單位：大連海洋大學(xué) 職務(wù)職稱或?qū)W歷：研究生， 研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。