基于STM32的土壤含水量傳感器阻抗測(cè)量?jī)x的研制

伍群芳，賴建英，刁心宏

（華東交通大學(xué)1.電氣與電子工程學(xué)院；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，土的含水量測(cè)試是土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)和土木工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。目前，對(duì)水分測(cè)定方法的探討也多種多樣，由此出現(xiàn)了烘干法，中子儀法，射線透射法，電磁波法，電阻法，電容法，光電法等等，各種方法都有不同程度的應(yīng)用，其中，文獻(xiàn)[1-4]給出的石膏塊土壤含水量傳感器法、電阻式土壤含水量傳感器等方法能實(shí)時(shí)、連續(xù)的給出土壤水分的動(dòng)態(tài)變化過程和空間立體分布情況，且無放射性物質(zhì)的危害，具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，有很好的推廣前景。

然而，不管是石膏塊土壤含水量傳感器法和電阻式土壤含水量傳感器法，還是電容法都需要有傳感器信號(hào)處理電路，需要測(cè)量出傳感器元件隨含水量變化的交流阻抗。本文針對(duì)該問題研制出了一種測(cè)試儀，其實(shí)物如圖1所示。

圖1 交流阻抗測(cè)量?jī)xFig.1 AC impedometer

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由文氏振蕩電路產(chǎn)生一種頻率可選與幅值固定的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸出的正弦波經(jīng)功率放大器放大后加在所測(cè)傳感器元件與基準(zhǔn)電阻兩端，采用分檔測(cè)量的思想，根據(jù)傳感器元件阻抗的大小選擇基準(zhǔn)電阻。為了提高精度的需要，本系統(tǒng)提供了7路的基準(zhǔn)電阻，基準(zhǔn)電阻均為高精度電阻，誤差均小于1%，通過判斷所測(cè)元件阻抗的大小控制7路繼電器的通斷來選擇檔位。測(cè)量時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)兩端的電壓先進(jìn)行精密整流，并將整流后的電壓送入STM32 F103單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，從而得到所測(cè)元件的交流阻抗的大小，最后通過1602液晶顯示電路顯示出所測(cè)的交流阻抗值的大小，再按文獻(xiàn)[1]的標(biāo)定方法，從而得到土壤的含水量。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源電路、正弦波發(fā)生電路、測(cè)量電路、采樣電路及STM32外圍電路和液晶顯示電路。

電源電路采用基于UC3845控制的反激式電路，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，功率密度大，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。電源輸出+12 V，-12 V，+5 V三路直流電壓為其他電路部分供電。采用LM1117MP-3.3電源芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V給單片機(jī)STM32F103供電。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System structure diagram

2.1 正弦波及功率放大電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部由文氏電橋振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，電路如圖3所示。在電路中，運(yùn)算放大器選用LM358，其內(nèi)部含有兩個(gè)運(yùn)算放大器。其中一個(gè)運(yùn)放與外圍電路構(gòu)成正弦波信號(hào)發(fā)生電路，另一個(gè)運(yùn)放作電壓跟隨用。將可調(diào)電阻Rr2、電阻R2與電容C01（或C02或C03或C04）并聯(lián)組成一個(gè)臂，可調(diào)電阻Rr1、電阻R1和電容C01（C02或C03或C04）串聯(lián)組成另一個(gè)臂，可調(diào)電阻Rr3、二極管D01、二D02、電阻R3組成電橋的另外兩個(gè)臂，起穩(wěn)幅的作用，適當(dāng)調(diào)節(jié)Rr3可以得到波形失真小且工作穩(wěn)定的波形。而且可以起調(diào)幅的作用。另外，R3是為了克服二極管死區(qū)而設(shè)置的。由于振蕩器的輸出阻抗較高，直接連接在負(fù)載上工作，因此后級(jí)加上一級(jí)電壓跟隨電路。通過選擇開關(guān)可人為的選擇電容Cn，從而得到不同的正弦波頻率，例如當(dāng)R1=R2=15kΩ，Rr1=Rr2=1 kΩ，Cn=0.01μF時(shí)可得到 f=1kHz的正弦波，其它的依此類推。此處另外三檔分別可產(chǎn)生10，50 kHz和100 kHz的正弦波，幅值均固定不變。在實(shí)際測(cè)量中，據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在不同含水率時(shí)的交流阻抗是一個(gè)寬范圍的阻抗值，約200 Ω～1 MΩ[1-4]。

圖3 正弦波發(fā)生電路Fig.Sine wave occurring circuit

因此，考慮到寬范圍的測(cè)量精度，系統(tǒng)采用平滑的過度分檔測(cè)量，即測(cè)量檔位之間沒有死區(qū)，主要由軟件部分實(shí)現(xiàn)。基于小阻抗下測(cè)量時(shí)，由于基準(zhǔn)正弦波電壓幅值不變，測(cè)量功率相對(duì)較大，因此，必須對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊輸出的正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大，功率放大電路如圖4所示。

圖4 功率放大電路Fig.4 Power amplification circuit

系統(tǒng)采用TDA2030芯片對(duì)前級(jí)產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)Vout1進(jìn)行功率放大，電路以TDA2030為中心組成功率放大器，其特點(diǎn)有：失真小、外圍元件少、裝配簡(jiǎn)單、功率大、保真度高等，最大功率可達(dá)18 W。基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)功率放大后輸出的Vout2相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，恒壓源經(jīng)測(cè)量元件與基準(zhǔn)電阻分壓后，采基準(zhǔn)電壓兩端電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，則可得到被測(cè)量傳感器元件的交流阻抗。

2.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

采用分檔測(cè)量，電路原理圖如圖5所示。在圖5中，采用繼電器作為選擇開關(guān)，型號(hào)為HRS1H-SCOIL-5VDC。用Zx表示傳感器元件交流阻抗的大小，R01～R07為基準(zhǔn)電阻，采樣時(shí)采R01～R07兩端的電壓送入單片機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)電壓分壓關(guān)系可得：

圖5 傳感器元件測(cè)量圖Fig.5 Measuring diagram of transducer part

式中：Rn為R01～R07基準(zhǔn)電阻，Vn為采樣電壓，它們之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，Zx對(duì)應(yīng)于所測(cè)交流阻抗，實(shí)際系統(tǒng)中，Cx為傳感器元件等效電容，為微法級(jí)電容，所以頻率越大，容抗值越小，可近似認(rèn)為Zx≈Rx，當(dāng) f很大時(shí)，可近似為

對(duì)單片機(jī)來說，采樣處理信號(hào)的幅值條件要求為0～3.3 V，所以Vn取值范圍為

在實(shí)際系統(tǒng)中，為了得到高保真的正弦波，Vout2取10 V，根據(jù)式（4）可得對(duì)不同的基準(zhǔn)電阻，可測(cè)量傳感器元件不同范圍的阻抗值。表1給出了實(shí)際系統(tǒng)基準(zhǔn)電阻與測(cè)量阻抗范圍間的關(guān)系。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可設(shè)定基準(zhǔn)電阻和設(shè)定每個(gè)檔位的測(cè)量范圍。

表1 系統(tǒng)測(cè)量關(guān)系對(duì)照表Tab.1 System measurement comparison table

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件電路設(shè)計(jì)

STM32F103x為增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128 kbitFLASH和20 kbit的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)[5-8]。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN，工作電壓為3.3 V。

本設(shè)計(jì)采用STM32F103為主控芯片，因此處理器電路實(shí)際上就是基于STM32F103芯片的最小系統(tǒng)。主要包括復(fù)位電路、晶振電路和調(diào)試測(cè)試接口等。復(fù)位電路采用了簡(jiǎn)單的RC電路延時(shí)特性，利用一個(gè)10 kΩ電阻和10 μF的電容，時(shí)間延時(shí)大約為3.6 ms。晶振選用8 MHz無源晶振，晶振兩端分別通過22 pF的電容接地。芯片啟動(dòng)時(shí)從內(nèi)部FLASH開始讀取啟動(dòng)代碼。

3.2 控制流程圖

在此次設(shè)計(jì)中，STM32需要完成傳感器電壓的采樣、計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)處理、繼電器的驅(qū)動(dòng)及液晶的顯示驅(qū)動(dòng)等。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的初始化，電壓采樣，數(shù)據(jù)處理與算法及液晶1602的驅(qū)動(dòng)等。具體如系統(tǒng)流程圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig.6 Systerm flow chart

4 實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)通過硬件電路與軟件程序結(jié)合，研制出了樣機(jī)，如圖1所示。采用精確電阻與高精度電容串聯(lián)方式等效傳感器元件，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試，得到了很好的效果，測(cè)量誤差均小于4.6%，如表2所示。

5 傳感器交流阻抗測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述，利用石膏能吸水的性質(zhì)，制作石膏水分傳感器。傳感器的外形設(shè)計(jì)為圓柱形，內(nèi)部為平板式電容器，感濕材料選用建筑石膏。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先制作傳感器成型模具，再將石膏加水均勻攪拌后澆筑至模具內(nèi)，搗固密實(shí)后再插入電極。石膏與水的質(zhì)量比為10：3。建筑石膏的凝固速度快，電極插入的時(shí)間點(diǎn)須在石膏初凝前進(jìn)行。在常溫下干燥3 d后可脫模。石膏水分傳感器如右圖7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The experiment results

為探究傳感器交流阻抗測(cè)量?jī)x能否在土含水量測(cè)試中發(fā)揮作用，需進(jìn)行試驗(yàn)證明。試驗(yàn)步驟：將土樣干燥后分成若干份，將其配制成含水率約為40%的試樣，浸潤(rùn)12 h；將制作好的石膏水分傳感器埋入試樣中，1 h后測(cè)量傳感器的阻值及土壤的含水量；重復(fù)步驟2，共測(cè)試11次。將記錄的數(shù)據(jù)（含水量和電阻值）整理好填入表中，本次選取了3個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)定，傳感器分別命名為A號(hào)傳感器、B號(hào)傳感器和C號(hào)傳感器，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖8 土壤水分傳感器Fig.8 Soil moisture sensor

表3 土壤含水量與實(shí)測(cè)阻抗的數(shù)值關(guān)系Tab.3 Numerical relationship between soil moisture content and the measured impedance value

從表3中可以看出，輸出電阻值隨著含水量的降低而增大。含水量的變化值在10%～40%之間，而電阻值的變化值在800～106Ω。同樣的含水量因傳感器不一樣而測(cè)得的阻值也不一樣，這是因?yàn)樽柚档拇笮∫环矫媸芎康挠绊懀硪环矫媸苁鄠鞲衅鞔绯叽笮　⒅谱鞴に嚨扔绊憽Ｌ幱谕桓吆繝顟B(tài)下的阻值高時(shí)，對(duì)應(yīng)同一低含水率狀態(tài)下的阻值也高。

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)以及表3的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出STM32對(duì)石膏濕度傳感器的有很好的適用性。

6 結(jié)論

基于STM32的土壤含水量傳感器交流阻測(cè)量?jī)x精度高，具有頻率選擇功能，可靠性好，用于測(cè)量土含水量傳感器阻抗時(shí)，能適應(yīng)阻抗的寬范圍變化，阻抗值與含水量有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為含水量的實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)試提供了一種可靠手段。

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