在農(nóng)業(yè)自動化中,，土壤測量對農(nóng)業(yè)科學非常重要,，目前關于土壤各成分的測量已經(jīng)很成熟，而土壤水分測量一般有烘干測量法,、中子擴散法,、電磁測量技術、時域反射法,、頻域反射法,、張力測量法、紅外線遙測法,、駐波率法等,。本文提出了一種基于dsPIC30F2010單片機的土壤水分測量儀，該儀器采用駐波率原理,，可以快速,、精確的測量土壤水分，而其dsPIC30F2010性能先進,，電路結(jié)構(gòu)簡單,，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。經(jīng)試驗,，按照這種測量原理設計的土壤水分測量儀不但成本低,，體積小，便于攜帶,，而且測量精確度較高,，能進行多組數(shù)據(jù)的采集,、存儲，性能穩(wěn)定,，同時能夠滿足現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和實時土壤水分測量的需要,，可以達到節(jié)水灌溉的目的。
1 測量原理
本測量系統(tǒng)由高頻信號發(fā)生電路,、傳輸線,、探針、檢波電路,、信號處理電路和顯示電路組成,。高頻振蕩器發(fā)出一個高頻信號，然后經(jīng)過傳輸線傳遞到探針,，由于探針阻抗與土壤阻抗不匹配,，故將造成一部分信號沿傳輸線發(fā)射回去，從而在傳輸線上形成駐波,。使傳輸線上各點電壓不相同,。而傳輸線兩端的電壓主要是由土壤水分決定的，當土壤含水率改變時．阻抗就會發(fā)生變化,，進而引起駐波比的變化,，最終使傳輸線兩端的電壓也產(chǎn)生變化。因此,，通過測量傳輸線兩端的電壓變化就可以測得土壤水分相應的變化,。這樣，用檢波電路調(diào)理傳輸線兩端的電壓,，再將其電壓信號通過A／D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理,，最后將結(jié)果顯示在液晶顯示模塊上。
2 硬件結(jié)構(gòu)及功能
該土壤水分測量儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。該系統(tǒng)的主要功能是完成對傳感器信號的采集,、處理、顯示和控制,。從傳感器得到一個電壓信號，通過檢波電路得到電壓信號的峰值,，再將其經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理,，最后將得到的結(jié)果顯示在液晶模塊上。
2.1 傳感器
本系統(tǒng)中傳感器的等效電路如圖2所示,。在圖2中,，Eg為高頻信號源電動勢；Rg是信號源的內(nèi)阻,；Z1是傳輸線的阻抗,；ZL是土壤探針的阻抗,；R1、G1和C1分別表示傳輸線上的分布電阻,、電導和電容,。這樣，根據(jù)傳輸線理論,，可得到A點的峰值電壓為：Ua=A(1+ρ),；而如果傳輸線長度為電磁波波長的四分之一，則B點的峰值電壓為：
Ub=A(1-ρ),，所以,，A、B兩點的電壓差為△UAB=2Aρ,。其中,，ρ為傳輸線在A點的反射系數(shù)，可用表達式來表示,。
當傳感器的探針插入土壤時,，ZL主要由土壤介電常數(shù)決定，它可隨著土壤水分的變化而變化,，從而使傳輸線輸出電壓△UAB產(chǎn)生變化,。因此，通過測量傳輸線兩端的電壓差就能間接得到土壤水分的含量,。
本測量系統(tǒng)的高頻信號采用100 MHz的正弦波信號,，傳輸線采用同軸電纜．探針采用不銹鋼制成。100 MHz信號發(fā)生電路如圖3所示,。
圖3采用0X30系列MP3030型集成晶體振蕩器,。該振蕩器的頻率范圍為10～160 MHz，電源電壓為+5 V,，在引腳5和引腳2之間可連接一個20kΩ的可調(diào)電阻,，可通過引腳l來調(diào)節(jié)阻值，以得到100 MHz的正弦波信號,，并通過引腳4輸出,。
2.2 檢波電路
檢波電路的作用是在傳輸線的兩端檢波出駐波的波峰和波谷，然后通過差分放大,、輸出調(diào)節(jié),，再進行A/D轉(zhuǎn)換。
由于電壓信號是由100 MHz正弦波產(chǎn)生的,，故若不對信號進行預處理,，dsPIC2010將無法有效處理信號，因而不能得到精確的結(jié)果,。檢波電路采用峰值檢波,，當檢測出電壓信號峰值后,，再對信號進行A/D轉(zhuǎn)換并送入單片機處理，進而得到精確結(jié)果,。其檢波電路的電路圖如圖4所示,。
檢波電路由一級精密二極管電路和一級電壓跟隨器組成。其中D1,、D2和R1,、R2、R3組成一級精密二極管電路,，相當于一個理想的整流元件,，而運放和C3、R4則組成一級電壓跟隨器,，C3作為保持器,，可用以鎖存信號。
運算放大器芯片選用AD829,。AD829是一款低噪,、高性能高速運算放大器，壓擺率230 V/μs,，750 MHz的增益帶寬積,，±15 V供電，輸出電壓最大幅值可達28VPP,，滿足系統(tǒng)對電壓信號峰值檢測的要求,。
2.3 單片機和液晶顯示
單片機和液晶顯示部分的電路圖如圖5所示。圖5中的單片機芯片采用的dsPIC30F2010芯片是高性能改進型RISC CPU,，它具有優(yōu)化的C編譯器指令集,，83條具備靈活尋址模式的基本指令，24位寬指令,，16位寬數(shù)據(jù)總線,，12 KB片內(nèi)閃存程序空間，512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM,，16×16位工作寄存器陣列,，27個中斷源和3個外部中斷。該芯片的外設特性包括3個16位定時器/計數(shù)器,，4個16位捕捉輸入功能引腳,，2個16位比較/PWM輸出功能引腳，3線SPI模塊以及帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址模塊,。此外，dsPIC30F2010還自帶10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,。它采用CMOS技術,，具有低功耗以及寬工作電壓范圍(2.5～5.5 V),。
液晶顯示部分采用HD44780芯片。該芯片是以若干個點陣塊組成顯示字符群,，具有字符發(fā)生器ROM,，可顯示192種字符，并具有64個字節(jié)的自定義字符ROM以及80個字節(jié)RAM,。HD44780模塊結(jié)構(gòu)緊湊輕巧,，裝配容易，采用單+5 V電源供電,，具有低功耗,、長壽命和高可靠性等優(yōu)點。
dsPIC30F2010中自帶的10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行處理,。從檢波電路出來的模擬電壓信號通過ANO引腳進入dsPIC30F2010中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,，然后在得到數(shù)字信號后，再在dsPIC30F2010中進行數(shù)據(jù)處理,，最后將處理后的結(jié)果通過HD44780芯片的RXD引腳顯示在HD44780芯片上,。由于單片機內(nèi)部自帶有RAM和ROM，可以對數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集和存儲,。而自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則可使電路設計更簡潔,，從而提高工作效率。
3 軟件設計與調(diào)試
本系統(tǒng)編程所用的語言為匯編語言的原因是匯編語言具有運行效率高,、代碼緊湊,、易于訪問硬件接口等優(yōu)點。圖6所示是本系統(tǒng)主程序的流程圖,。
設計好程序后,，就要對它進行調(diào)試以確保程序能成功運行。調(diào)試時,，首先接通硬件電路,，在確定接線正常之后．利用Keil公司基于Windows的集成開發(fā)環(huán)境的uVision2 IDE可進行系統(tǒng)軟件調(diào)試。uVision2 IDE中包含一個高效編輯器,、一個項目管理器和一個MAKE工具,，可對源程序進行反復調(diào)試和代碼更改，直到程序調(diào)試成功,。
4 試驗測量結(jié)果
制作好的土壤水分測量儀可以對其進行試驗測量,，土壤選用在西南地區(qū)廣泛比較分布的紫色土。用該土壤水分測量儀測量10組不同含水量的土壤樣品,，再將得到的結(jié)果和用烘干法得到的結(jié)果相比較,，所得到的結(jié)果如表1所列。
經(jīng)過上述測量和比較可見，在土壤水分含量在2.3％～31.5％的范圍內(nèi),，土壤水分測量儀的測量結(jié)果與烘干法得到的結(jié)果相比較,，其精度誤差在5％以內(nèi)，可見其測量精度可以滿足使用要求,。
5 結(jié)束語
本文論述了一種基于dsPIC30F2010的土壤水分測量儀的設計方法,，同時給出了土壤水分測量儀的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設計方案。該測量儀體積小,，成本低,，測量精度高，數(shù)據(jù)采集方便而且迅速,，能獲得土壤水分的動態(tài)連續(xù)曲線,，適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉，可以對農(nóng)作物需水量實施智能監(jiān)測,。但不同類型土壤的理化性質(zhì)是不同的,。因此，在測量不同類型的土壤水分時,，要對測量儀的傳感器部分進行重新實驗和進一步研究,，以使測量儀能應用于生產(chǎn)實踐。