基于STC90C51单片机的土壤水分检测系统设计与开发

(塔里木大学信息工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

随着现代科学技术在农业生产中的应用不断深入发展，实时获取农田土壤的相关信息(如土壤的含水率)对实施精准农业变得越来越重要。土壤含水率是农业生产中一项重要参数，土壤水分的细微变化对农作物的生长产生极大的影响[1]。因此，根据实测土壤水分含量的动态变化状况进行墒情监测和节水灌溉，对实施精准农业、节水灌溉以及提高农业生产效益具有重要的经济和社会价值。

目前，土壤水分含量的检测方法很有多种，如烘干法、中子法、γ射线法、时域反射仪法、频域发射仪法、张力仪法、干湿计法等[2]。烘干法虽然是最普遍的方法,也是目前国际上的标准方法[3]，但在取样的时候会破坏土壤，费时、费力，无法实现实时连续监测。γ射线法是由Bernhard等人(1950年)提出，它是利用γ射线透射土壤后的衰减程度并加以校正，从而计算得到土壤水分含量。该方法虽然可以在不破坏土壤结构的情况下快速、准确的检测，但是放射性物质存在安全问题[2]。时域反射法TDR(Time Domain reflectometry)是通过测定土壤的介电常数(ε)，从而反演得到土壤含水量(θv)。但是,TDR电路复杂，价格昂贵，不适宜盐碱土土壤测量。频域反射法FDR(Frequency Domain Reflectometry)通过测得振荡电路的频率，从而建立土壤的介电常数和土壤含水率之间的对应关系来计算得到土壤含水量。FDR能自动、连续地监测土壤含水量，具有更广的工作频率范围；同时具有快速、准确、精度高等优点。因此被广泛应用在农田土壤水分的检测上。

通过对上述土壤含水量检测方法的分析，为了实现土壤水分的快速检测，结合新疆南疆地区盐碱性土壤的特殊性，采用STC90C51单片机作为主控芯片，选用基于FDR法的传感器作为土壤水分的采集端，以RS485作为总线通信，可以实现对土壤水分含量的快速测量。

1 总体方案设计

水分检测系统由硬件和软件两部分组成，主要包括传感器模块、单片机处理模块、显示模块、总线通信模块、上位机程序模块和电源6部分。其中，传感器模块负责土壤水分含量的测定；单片机负责数据处理和传输；总线通信模块负责实现单片机和计算机之间的通信；上位机程序每间隔一定时间接受单片机发送的数据并存储在计算机中；系统电源采用8～12 VDC电压电源供电。

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件系统设计与实现

2.1 FDR型温湿度传感器

Trop等人在1980年提出土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式关系[4]，即振荡频率和土壤含水量之间存在如下的指数关系式：

θv=a(SF)b

(1)

其中，θv 为土壤体积含水率；SF (scaled frequency)为振荡频率；a、b为待定参数，其值与土壤属性有关。

公式(1)中，SF可定义为:

(2)

其中，Fa为探针在空气中所测得的频率；Fs为在土壤中所量测得到的频率；Fw为在水中所测得的频率。

因此，输出频率SF与土壤体积含水率的关系可用如下公式表示：

SF=a×(θv)b+c

(3)

其中，a、b为经过回归所确定的回归系数；c为常数项，由c可确定相关系数r。相关系数是测量值之间相关程度的定量表示。当|r|=0 时, 表示两个测量值之间毫无关系；反之，当|r|=1时，表示两个测量值之间有密切关系[5]。

检测系统中，土壤水分的采集选用基于FDR频域反射法的DSF-T2型温湿度传感器。该传感器具有高灵敏度、高精度的特点。测量时，传感器产生的高频电磁波沿传输线进行传播，在末端经过周围有土壤介质的反射，从而在传输线上形成驻波。驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而变化，通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的介电常数，从而测出土壤的含水量[6]。

根据公式(2)、(3)中θv和SF的对应关系，并测量电流和电压值，可得标定公式：

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为采集器采集到的电流值；V为采集器采集到的电压值；θv为土壤体积含水率。

该传感器采用ABS工程塑料封装，探头为长度为78mm的探针，响应时间小于1秒，测量范围是以探针为中心直径3cm、高7cm的圆柱体，且在0～50% m3/m3范围内精度误差为±3% m3/m3。

2.2 单片机

为实现对传感器数据的处理与输出，需要把湿度和温度数据经过放大电路和A/D转换电路送入MCU，通过预先编程好的程序解析出来。为此，本设计选用STC系列的STC90C516RD单片机。MCU把传感器输出的电压信号转换成对应的土壤体积含水量，并将测量土壤的湿度百分比和温度百分比显示在液晶屏，通过RS485总线送入计算机以便及时观察土壤水分的变化情况。

硬件设计电路图如图2所示。

图2 硬件设计电路图

在图2中，首先由传感器获取的所测土壤的湿度和温度传感数据；然后把数据传送至STC90C516RD单片机，并通过下位机程序判断测量数据是湿度还是温度，在不超时的情况下，读取高位字节(代表湿度)和低位字节(代表温度)的数据，并形成校验位；最后把解析后的测量数据显示在LCD1602液晶上。同时，通过MAX232芯片实现TTL电平转换，保障数据通过RS485串口传输到计算机。硬件系统工作原理如图3所示。

图3 硬件系统工作原理图

3 软件系统设计与实现

软件系统设计包括: 温湿度传感器的检测程序、单片机与上位机数据通信程序、时钟测量程序、数据存储芯片读写程序、液晶显示程序。软件程序实现了对传感器信号的实时采集和土壤水分转换进行计算、数据存储和浏览。终端计算机通过上位机程序可对温湿度传感器进行参数的设定、指令传送、数据读取等操作。其中上位机程序由VC++语言开发完成。图4给出了上位机程序软件流程图。

上位机程序接收由通信总线传送的温湿度数据，并生成对应的温湿度曲线图；同时，土壤的温湿度检测值自动保存在excel中，能通过调用历史数据对土壤温湿度进行分析。终端计算机通过上位机程序实现了对检测土壤温湿度的实时监测、显示和存储，以及对传感器工作状态及主要参数指标的设定。上位机程序效果图如图5所示。

图5中，红色曲线代表温度，绿色曲线代表湿度。上位机通信采用波特率为9600，数据校验采用8位奇偶校验来实现；采样周期以秒为单位；硬件系统的串口与计算机连接时，需要根据计算机连接的串口号在上位机程序中选择对应的串口，保证通信正常；同时，用户可以通过上位机程序来设定待检测土壤湿度和温度的上/下限，当测量值超过设定的上/下限范围，程序状态显示为报警。系统经过调试运行，能快速检测出土壤的温湿度。本例中，设定采样周期为10秒，记录数据如表1所示。

图4 上位机程序软件流程图

4 实验过程与结果分析

实验选用南疆地区常见的碱性土壤，对8组不同含水量的土壤样品进行水分检测，检测结果与烘干法进行对比。

首先，选取8个相同的玻璃容器，每个容器加入等量的土和不等量的水；然后，把土壤和水进行搅拌，密封后在阴凉处放置一段时间，确保样品土壤和水分充分融合；最后，使用传感器对每组样品进行3次测定，取3次测定结果的平均值与烘干法得到的测量值进行比较，所得的实验结果如表2所示。

表1 测量历史数据

图5 上位机效果图

实验中，烘干法的测定值为实际土壤含水量，为验证测量仪测定的准确性，用均方根误差(RMSE)来反映。RMSE定义为：

(6)

其中，θv为测量仪测定的土壤体积含水率；θi为烘干法测定的土壤体积含水率；n为测量次数。实验对8组样品测量的RMSE如表3所示。

根据表2测量值可知，测量仪测得的土壤体积含水率相对于烘干法的误差在-1. 3%～+1. 9% m3/m3，该误差在传感器精度允许的±3%( m3/m3) 范围内。表3中，实验测量结果的RMSE为0. 01097～0. 007506 m3/m3，平均值为0. 006567 m3/m3。如图6所示，以测量仪测量的土壤体积含水率为y轴，以烘干法测量值为x轴，建立水分变化对应关系图。

表2 测量仪和烘干法比较结果

表3 实验数据的RMSE

图6 测量仪与烘干法测量结果的水分变化

图6中，测量仪的校正值=测量仪平均值-RMSE平均值。经过校正后的测量值准确性有较大提高，说明设计的土壤水分检测系统具有良好的精度和线性度，能满足实际使用的需要。

5 结束语

本文介绍一种基于STC90C516RD单片机的土壤水分检测系统的软硬件设计方法，实现了对土壤水分数据的采集、处理和显示。通过计算机直接观察土壤水分含量的变化进行节水灌溉，提高了植物水分的利用效率，降低了灌溉成本，对实施精致农业具有重要的意义。该系统设计具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点，可运用在园艺、植物学、农业等领域的研究。

[1] 徐萌,山仑.不同土壤水分条件下无机营养对小麦物质生产和水分利用的影响[J]．西北植物学报,1991,11(4):299-308.

[2] 陈家宙, 陈明亮,何圆球. 各具特色的当代土壤水分测量技术[J]．湖北农业科学, 2001(3):25-26.

[3] 张晓虎,李新平. 几种常用土壤含水量测定方法的研究进展[J].陕西农业科学.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] 张 宪,姜 晶,王劲松.基于 FDR 技术的土壤水分传感器设计[J].自动化技术与应用,2011, 30 (11):61-65.

[6] 赵燕东,王一鸣.基于驻波率原理的土壤水分传感器的测量敏感度分析[J].农业工程学报,2002,18(2):5-8.