基于STC90C51單片機的土壤水分檢測系統設計與開發

(塔里木大學信息工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

隨著現代科學技術在農業生產中的應用不斷深入發展，實時獲取農田土壤的相關信息(如土壤的含水率)對實施精準農業變得越來越重要。土壤含水率是農業生產中一項重要參數，土壤水分的細微變化對農作物的生長產生極大的影響[1]。因此，根據實測土壤水分含量的動態變化狀況進行墑情監測和節水灌溉，對實施精準農業、節水灌溉以及提高農業生產效益具有重要的經濟和社會價值。

目前，土壤水分含量的檢測方法很有多種，如烘干法、中子法、γ射線法、時域反射儀法、頻域發射儀法、張力儀法、干濕計法等[2]。烘干法雖然是最普遍的方法,也是目前國際上的標準方法[3]，但在取樣的時候會破壞土壤，費時、費力，無法實現實時連續監測。γ射線法是由Bernhard等人(1950年)提出，它是利用γ射線透射土壤后的衰減程度并加以校正，從而計算得到土壤水分含量。該方法雖然可以在不破壞土壤結構的情況下快速、準確的檢測，但是放射性物質存在安全問題[2]。時域反射法TDR(Time Domain reflectometry)是通過測定土壤的介電常數(ε)，從而反演得到土壤含水量(θv)。但是,TDR電路復雜，價格昂貴，不適宜鹽堿土土壤測量。頻域反射法FDR(Frequency Domain Reflectometry)通過測得振蕩電路的頻率，從而建立土壤的介電常數和土壤含水率之間的對應關系來計算得到土壤含水量。FDR能自動、連續地監測土壤含水量，具有更廣的工作頻率范圍；同時具有快速、準確、精度高等優點。因此被廣泛應用在農田土壤水分的檢測上。

通過對上述土壤含水量檢測方法的分析，為了實現土壤水分的快速檢測，結合新疆南疆地區鹽堿性土壤的特殊性，采用STC90C51單片機作為主控芯片，選用基于FDR法的傳感器作為土壤水分的采集端，以RS485作為總線通信，可以實現對土壤水分含量的快速測量。

1 總體方案設計

水分檢測系統由硬件和軟件兩部分組成，主要包括傳感器模塊、單片機處理模塊、顯示模塊、總線通信模塊、上位機程序模塊和電源6部分。其中，傳感器模塊負責土壤水分含量的測定；單片機負責數據處理和傳輸；總線通信模塊負責實現單片機和計算機之間的通信；上位機程序每間隔一定時間接受單片機發送的數據并存儲在計算機中；系統電源采用8～12 VDC電壓電源供電。

系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件系統設計與實現

2.1 FDR型溫濕度傳感器

Trop等人在1980年提出土壤含水率與土壤介電常數之間存在著確定性的單值多項式關系[4]，即振蕩頻率和土壤含水量之間存在如下的指數關系式：

θv=a(SF)b

(1)

其中，θv 為土壤體積含水率；SF (scaled frequency)為振蕩頻率；a、b為待定參數，其值與土壤屬性有關。

公式(1)中，SF可定義為:

(2)

其中，Fa為探針在空氣中所測得的頻率；Fs為在土壤中所量測得到的頻率；Fw為在水中所測得的頻率。

因此，輸出頻率SF與土壤體積含水率的關系可用如下公式表示：

SF=a×(θv)b+c

(3)

其中，a、b為經過回歸所確定的回歸系數；c為常數項，由c可確定相關系數r。相關系數是測量值之間相關程度的定量表示。當|r|=0 時, 表示兩個測量值之間毫無關系；反之，當|r|=1時，表示兩個測量值之間有密切關系[5]。

檢測系統中，土壤水分的采集選用基于FDR頻域反射法的DSF-T2型溫濕度傳感器。該傳感器具有高靈敏度、高精度的特點。測量時，傳感器產生的高頻電磁波沿傳輸線進行傳播，在末端經過周圍有土壤介質的反射，從而在傳輸線上形成駐波。駐波的電壓隨著探針和周圍土壤介質阻抗的變化而變化，通過測量傳輸線兩端的電壓差即可測出土壤的介電常數，從而測出土壤的含水量[6]。

根據公式(2)、(3)中θv和SF的對應關系，并測量電流和電壓值，可得標定公式：

θv=0.0685×(0.125×I-0.5)3-0.0666×(0.125×I-0.5)2+(0.125×I-0.5)-0.0041(0≤θv≤50%

(4)

θv=3.37×V3-4.26×V2+20.08×V-0.41(0≤θv≤50%)

(5)

其中，I為采集器采集到的電流值；V為采集器采集到的電壓值；θv為土壤體積含水率。

該傳感器采用ABS工程塑料封裝，探頭為長度為78mm的探針，響應時間小于1秒，測量范圍是以探針為中心直徑3cm、高7cm的圓柱體，且在0～50% m3/m3范圍內精度誤差為±3% m3/m3。

2.2 單片機

為實現對傳感器數據的處理與輸出，需要把濕度和溫度數據經過放大電路和A/D轉換電路送入MCU，通過預先編程好的程序解析出來。為此，本設計選用STC系列的STC90C516RD單片機。MCU把傳感器輸出的電壓信號轉換成對應的土壤體積含水量，并將測量土壤的濕度百分比和溫度百分比顯示在液晶屏，通過RS485總線送入計算機以便及時觀察土壤水分的變化情況。

硬件設計電路圖如圖2所示。

圖2 硬件設計電路圖

在圖2中，首先由傳感器獲取的所測土壤的濕度和溫度傳感數據；然后把數據傳送至STC90C516RD單片機，并通過下位機程序判斷測量數據是濕度還是溫度，在不超時的情況下，讀取高位字節(代表濕度)和低位字節(代表溫度)的數據，并形成校驗位；最后把解析后的測量數據顯示在LCD1602液晶上。同時，通過MAX232芯片實現TTL電平轉換，保障數據通過RS485串口傳輸到計算機。硬件系統工作原理如圖3所示。

圖3 硬件系統工作原理圖

3 軟件系統設計與實現

軟件系統設計包括: 溫濕度傳感器的檢測程序、單片機與上位機數據通信程序、時鐘測量程序、數據存儲芯片讀寫程序、液晶顯示程序。軟件程序實現了對傳感器信號的實時采集和土壤水分轉換進行計算、數據存儲和瀏覽。終端計算機通過上位機程序可對溫濕度傳感器進行參數的設定、指令傳送、數據讀取等操作。其中上位機程序由VC++語言開發完成。圖4給出了上位機程序軟件流程圖。

上位機程序接收由通信總線傳送的溫濕度數據，并生成對應的溫濕度曲線圖；同時，土壤的溫濕度檢測值自動保存在excel中，能通過調用歷史數據對土壤溫濕度進行分析。終端計算機通過上位機程序實現了對檢測土壤溫濕度的實時監測、顯示和存儲，以及對傳感器工作狀態及主要參數指標的設定。上位機程序效果圖如圖5所示。

圖5中，紅色曲線代表溫度，綠色曲線代表濕度。上位機通信采用波特率為9600，數據校驗采用8位奇偶校驗來實現；采樣周期以秒為單位；硬件系統的串口與計算機連接時，需要根據計算機連接的串口號在上位機程序中選擇對應的串口，保證通信正常；同時，用戶可以通過上位機程序來設定待檢測土壤濕度和溫度的上/下限，當測量值超過設定的上/下限范圍，程序狀態顯示為報警。系統經過調試運行，能快速檢測出土壤的溫濕度。本例中，設定采樣周期為10秒，記錄數據如表1所示。

圖4 上位機程序軟件流程圖

4 實驗過程與結果分析

實驗選用南疆地區常見的堿性土壤，對8組不同含水量的土壤樣品進行水分檢測，檢測結果與烘干法進行對比。

首先，選取8個相同的玻璃容器，每個容器加入等量的土和不等量的水；然后，把土壤和水進行攪拌，密封后在陰涼處放置一段時間，確保樣品土壤和水分充分融合；最后，使用傳感器對每組樣品進行3次測定，取3次測定結果的平均值與烘干法得到的測量值進行比較，所得的實驗結果如表2所示。

表1 測量歷史數據

圖5 上位機效果圖

實驗中，烘干法的測定值為實際土壤含水量，為驗證測量儀測定的準確性，用均方根誤差(RMSE)來反映。RMSE定義為：

(6)

其中，θv為測量儀測定的土壤體積含水率；θi為烘干法測定的土壤體積含水率；n為測量次數。實驗對8組樣品測量的RMSE如表3所示。

根據表2測量值可知，測量儀測得的土壤體積含水率相對于烘干法的誤差在-1. 3%～+1. 9% m3/m3，該誤差在傳感器精度允許的±3%( m3/m3) 范圍內。表3中，實驗測量結果的RMSE為0. 01097～0. 007506 m3/m3，平均值為0. 006567 m3/m3。如圖6所示，以測量儀測量的土壤體積含水率為y軸，以烘干法測量值為x軸，建立水分變化對應關系圖。

表2 測量儀和烘干法比較結果

表3 實驗數據的RMSE

圖6 測量儀與烘干法測量結果的水分變化

圖6中，測量儀的校正值=測量儀平均值-RMSE平均值。經過校正后的測量值準確性有較大提高，說明設計的土壤水分檢測系統具有良好的精度和線性度，能滿足實際使用的需要。

5 結束語

本文介紹一種基于STC90C516RD單片機的土壤水分檢測系統的軟硬件設計方法，實現了對土壤水分數據的采集、處理和顯示。通過計算機直接觀察土壤水分含量的變化進行節水灌溉，提高了植物水分的利用效率，降低了灌溉成本，對實施精致農業具有重要的意義。該系統設計具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優點，可運用在園藝、植物學、農業等領域的研究。

[1] 徐萌,山侖.不同土壤水分條件下無機營養對小麥物質生產和水分利用的影響[J]．西北植物學報,1991,11(4):299-308.

[2] 陳家宙, 陳明亮,何圓球. 各具特色的當代土壤水分測量技術[J]．湖北農業科學, 2001(3):25-26.

[3] 張曉虎,李新平. 幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展[J].陜西農業科學.2008(06):114-117.

[4] Topp G C,Davis J L， AnnanA P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurement in coaxial transmission lines.Wate Resour. Res. 1980,16:574-582.

[5] 張 憲,姜 晶,王勁松.基于 FDR 技術的土壤水分傳感器設計[J].自動化技術與應用,2011, 30 (11):61-65.

[6] 趙燕東,王一鳴.基于駐波率原理的土壤水分傳感器的測量敏感度分析[J].農業工程學報,2002,18(2):5-8.