基于dsPIC30F2010的土壤水分测量仪的设计研究

0 引言

在农业自动化中，土壤测量对农业科学非常重要，目前关于土壤各成分的测量已经很成熟，而土壤水分测量一般有烘干测量法、中子扩散法、电磁测量技术、时域反射法、频域反射法、张力测量法、红外线遥测法、驻波率法等。本文提出了一种基于dsPIC30F2010单片机的土壤水分测量仪，该仪器采用驻波率原理，可以快速、精确的测量土壤水分，而其dsPIC30F2010性能先进，电路结构简单，系统比较稳定。经试验，按照这种测量原理设计的土壤水分测量仪不但成本低，体积小，便于携带，而且测量精确度较高，能进行多组数据的采集、存储，性能稳定，同时能够满足现代化精细农业节水灌溉和实时土壤水分测量的需要，可以达到节水灌溉的目的。

1 测量原理

本测量系统由高频信号发生电路、传输线、探针、检波电路、信号处理电路和显示电路组成。高频振荡器发出一个高频信号，然后经过传输线传递到探针，由于探针阻抗与土壤阻抗不匹配，故将造成一部分信号沿传输线发射回去，从而在传输线上形成驻波。使传输线上各点电压不相同。而传输线两端的电压主要是由土壤水分决定的，当土壤含水率改变时．阻抗就会发生变化，进而引起驻波比的变化，最终使传输线两端的电压也产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压变化就可以测得土壤水分相应的变化。这样，用检波电路调理传输线两端的电压，再将其电压信号通过A／D转换送入单片机进行处理，最后将结果显示在液晶显示模块上。

2 硬件结构及功能

该土壤水分测量仪的结构框图如图1所示。该系统的主要功能是完成对传感器信号的采集、处理、显示和控制。从传感器得到一个电压信号，通过检波电路得到电压信号的峰值，再将其经过A/D转换送入单片机进行处理，最后将得到的结果显示在液晶模块上。

2.1 传感器

本系统中传感器的等效电路如图2所示。在图2中，Eg为高频信号源电动势；Rg是信号源的内阻；Z1是传输线的阻抗；ZL是土壤探针的阻抗；R1、G1和C1分别表示传输线上的分布电阻、电导和电容。这样，根据传输线理论，可得到A点的峰值电压为：Ua=A(1+ρ)；而如果传输线长度为电磁波波长的四分之一，则B点的峰值电压为：

Ub=A(1-ρ)，所以，A、B两点的电压差为△UAB=2Aρ。其中，ρ为传输线在A点的反射系数，可用表达式来表示。

当传感器的探针插入土壤时，ZL主要由土壤介电常数决定，它可随着土壤水分的变化而变化，从而使传输线输出电压△UAB产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压差就能间接得到土壤水分的含量。

本测量系统的高频信号采用100 MHz的正弦波信号，传输线采用同轴电缆．探针采用不锈钢制成。100 MHz信号发生电路如图3所示。

图3采用0X30系列MP3030型集成晶体振荡器。该振荡器的频率范围为10～160 MHz，电源电压为+5 V，在引脚5和引脚2之间可连接一个20kΩ的可调电阻，可通过引脚l来调节阻值，以得到100 MHz的正弦波信号，并通过引脚4输出。

2.2 检波电路

检波电路的作用是在传输线的两端检波出驻波的波峰和波谷，然后通过差分放大、输出调节，再进行A/D转换。

由于电压信号是由100 MHz正弦波产生的，故若不对信号进行预处理，dsPIC2010将无法有效处理信号，因而不能得到精确的结果。检波电路采用峰值检波，当检测出电压信号峰值后，再对信号进行A/D转换并送入单片机处理，进而得到精确结果。其检波电路的电路图如图4所示。

检波电路由一级精密二极管电路和一级电压跟随器组成。其中D1、D2和R1、R2、R3组成一级精密二极管电路，相当于一个理想的整流元件，而运放和C3、R4则组成一级电压跟随器，C3作为保持器，可用以锁存信号。

运算放大器芯片选用AD829。AD829是一款低噪、高性能高速运算放大器，压摆率230 V/μs，750 MHz的增益带宽积，±15 V供电，输出电压最大幅值可达28VPP，满足系统对电压信号峰值检测的要求。

2.3 单片机和液晶显示

单片机和液晶显示部分的电路图如图5所示。图5中的单片机芯片采用的dsPIC30F2010芯片是高性能改进型RISC CPU，它具有优化的C编译器指令集，83条具备灵活寻址模式的基本指令，24位宽指令，16位宽数据总线，12 KB片内闪存程序空间，512字节片内数据RAM，16×16位工作寄存器阵列，27个中断源和3个外部中断。该芯片的外设特性包括3个16位定时器/计数器，4个16位捕捉输入功能引脚，2个16位比较/PWM输出功能引脚，3线SPI模块以及带FIFO缓冲区的可寻址模块。此外，dsPIC30F