基于AT89S52的土壤溫濕度采集系統設計

江濤 劉峰 李暉 常碩 舒懷

摘 要：為分析土壤濕度與土壤溫度相關性。該文設計了一種以單片機AT89S52為主控核心，采用MS10AAA土壤水分傳感器為數據采集模塊，設計了一種采集土壤溫濕度裝置。

關鍵詞：土壤溫濕度；AT89S52；MS10AAA傳感器

湖南省是農業大省，地質以山地、丘陵為主，土壤結構復雜。2010至2011年，為做好新增千億斤糧食氣象保障工程，湖南省氣象局在糧食主產區建設60個基于FDR原理的自動土壤水分觀測站，實時監測土壤濕度。在運行的三年時間里，土壤水分觀測存在著觀測數據不能反應真實土壤墑情的問題，給相關業務、科研工作造成了很大的困惑。經比較分析自動土壤水分觀測站觀測數據和人工取土測量數據，分析自動土壤水分觀測原理與標定方法，并與設備研制廠商溝通，發現存在的問題主要是由于湖南省土壤結構差異性較大，導致通用性土壤濕度算法不能很好的反映真實土壤濕度變化。為合理調整土壤濕度測量算法提供依據，做好自動土壤水分觀測站的技術保障，湖南省氣象技術裝備中心開展了傳感器實驗室標定參數研究、自動土壤水分觀測田間標定方法研究、數據質量控制研究等一系列科學研究。

依據FDR測量原理，溫度的不同也對土壤數據產生影響，為做好溫度對土壤濕度影響的研究，并提供一套簡易采集土壤墑情的觀測設備。該文設計并研制了一套觀測土壤溫濕度裝置，為相關研究工作開展提供測量手段。

一、MS10AAA傳感器

MS10AAA傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤介電常數來反演真實的土壤水分含量。MS10AAA直接測量土壤容積含水率，適合于土壤墑情監測、科學實驗、節水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、精細農業等。

MS10AAA傳感器利用FDR測量原理，將土壤容積含水率經過信號調理電路轉換為0-2V可測電壓，作用區域為以中央探針為中心，直徑、高分別為7CM的圓柱體。換算方法為：容積含水率=0.5×電壓值×100%。

二、系統總體結構

系統總體結構如圖1所示，以AT89S52單片機為核心，由MS10AAA土壤濕度傳感器、電源、LCD顯示、UART串口等模塊組成。當系統通電后，土壤濕度傳感器將表征土壤濕度的電壓信號送至模數轉換電路ADC，經模數轉換后的數字信號傳送到單片機，經單片機處理后通過LCD顯示，實現數據測量。通過UART端口將溫濕度信息發送到終端計算機，實現信息的收集與存儲。

三、硬件系統主要部件設計

1.AT89S52最小系統設計

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，8個中斷源，全雙工UART串行通道，雙數據指針，片內晶振及時鐘電路。

AT89S52單片機要正常工作，必須配置其外圍電路，單片機最小系統如下圖2所示。

2.MS10AAA數據采集通道電路設計

MS10AAA輸出的模擬電壓信號送到MAX197模數轉換芯片，MAX197的D0-D7將轉換后的數字信號傳送到AT89S52的P0.0-P0.7口，MS10AAA數據采集電路如下圖2所示。P0.0-P0.7既可輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉換結果。SHDN腳接高電平，設置MAX197為軟件設置低功耗工作方式。REFDJ接高電平，設置ADC參考電壓為外部輸入。AT89S52的P1.0腳用于判斷高、低位數據的選擇，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與AT89S52的P3.2腳（INT0）相連，以便實現中斷，讀取轉換結果。MAX197有8個通道，如果要采集8層土壤溫濕度，可用2片2選1模擬開關實現。

在電路設計過程中，為減小信號干擾，AGND和DGND相互獨立，各種電源與地之間都用0.1uF電容消除電源的紋波。

3.LCD顯示電路設計

該電路設計采用帶中文字庫的128×64點陣圖形液晶顯示模塊，可完成圖形顯示和8×4漢字（16×16點陣）顯示。本電路采用間接控制方式，利用AT89S52的I/O口實現與顯示模塊的通信，即將液晶顯示模塊的數據線與單片機的P2口連接作為數據總線，另外3根時序控制信號線利用P1口未利用的I/O口來控制。LCD12864與AT89S52的接線原理如圖4所示。

4.UART串口設計

AT89S52內置串口電路（TTL電平，+5V為高電平，0V為低電平）。計算機串口為RS-232C電平，高電平為+12V，低電平為-12V。為實現單片機與PC通信，需要完成以上兩種電平的轉換。本設計中采用MAX232轉換芯片。電路如下圖5所示。

5.存儲電路設計

AT89S52單片機具有8KFlash，為增大數據存儲容量，該電路采用CAT24WC16存儲芯片設計了一個16K的外置存儲器。CAT24WC16是位串行CMOSE2ROM，可通過I2C總線接口進行讀寫。CAT24WC16外圍配置電路如下圖6所示。

四、系統軟件設計

系統軟件設計采用標準C語言，包括數據采集、數據處理、數據顯示和數據傳輸等功能。實際應用時，系統把采集到的模擬電壓信號轉換為土壤溫濕度并進行實時顯示，軟件部分包括主程序、數據采集、數據處理、數據顯示和輸出通信等子程序。系統主程序按照業務操作流程調度各子程序模塊，實現系統軟硬件資源的整體管理。系統主程序流程如圖7所示。

五、結語

該系統采用抗干擾能力強、功耗低的AT89S52單片機，配合高度集成的土壤濕度傳感器和應用系統軟件，可實時獲取土壤表寸以下2M范圍內的溫、濕度數據，價格適中，比較適合需要監測土壤墑情的地方，具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]李光弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2001.

[2]沙占友，孟志永，王彥朋等.單片機外圍電路設計（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]張家偉，劉成忠.基于STC89C52RC的養殖區溫控系統設計[J].甘肅農業大學學報，2014，（1）：161-165.

[4]蘭羽，盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛監測儀設計[J].機械與電子，2014，（1）：67-70.

[5]倪仁品，湯輝.基于AT89C52的柴油放電機運行參數監視儀[J].自動化技術與應用，2014，32（3）：86-88.

作者簡介：江濤（1983-8-），湖南省氣象技術裝備中心，工程師，研究方向：綜合氣象觀測。