基于FDR型土壤水分数据快速采集系统的设计*

王仲夏,杨 坤,朱长成

(河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243000)

基于FDR型土壤水分数据快速采集系统的设计*

王仲夏,杨 坤,朱长成

(河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243000)

土壤湿度测量是21世纪农业发展重要的组成部分之一，合理的采集土壤水分含量对农业生产起着至关重要的作用，更利于人们合理运用农业资源得到更高的效益。本设计基于STC90C516RD+单片机进行数据的处理，利用高精度双路ADC7705进行数据的采集，保证数据的精确性，最后利用CH376U盘模块进行数据的存储，完成数据的超速存储，用户只需要将已经采集好数据的U盘接上电脑，即可实现上位机对所得数据进行分析和处理。利用时钟芯片DS1302可实时进行记录。

STC90C516；CH376；U盘；FDR土壤湿度传感器；ADC7705；DS1302

水是生命之源，是社会发展和人类生存不可或缺的重要条件。水资源短缺、供水不足等问题，已经成为全球性问题。当今，大多数国家和地区，尤其是发展中国家，供水不足和水源污染的问题十分严重。不仅危害到人们的健康，而且在生产和生活等方面都有影响。合理的利用水资源进行农业生产对水资源保护就显得十分重要，因此采集土壤水分数据进行数据的分析就显得尤为重要。

1 系统设计

系统设计方案图如图1所示，通过单片机外部引脚将CH376U盘芯片，ADC7705芯片等连接在单片机I/O口上，FDR型土壤湿度传感器通接在双路AD的输入端口，在经过AD芯片的采集转换后将数据传输到单片机中进行数据处理，最后将采集的数据转换成实际需要的物理量进行输出到U盘中进行存储。

1.1 FDR型土壤湿度传感器数据的采集

在目前土壤湿度测量的领域，主要有烘干法，张力计法，中子法，时域反射仪，频域反射仪。本设计采用的是目前比较实用的FDR型传感器，FDR技术是通过电磁脉冲原理，依据电磁波在土壤中传播的频率来测试土壤的介电常数，从而可以得到土壤体积含水量，基于FDR土壤水分传感器具有价格便宜、快速、方便和对土壤扰动小等优点，它是目前土壤体积含水率测量的常用传感器。

图1 控制系统方框图

2 系统硬件电路设计

2.1 信号采集模块

本设计采用的是由某公司生产的一款基于频域反射原理的水分传感器，其主要技术参数见表1。

表1 信号采集模块主要技术参数

此传感器体积小巧，便于携带安装方便，结构合理，探头部分采用316不锈钢针式结构，保证了使用寿命，主要电路用工程塑料进行了封装，可以长时间的插入土壤且不会腐蚀，受土质影响较小，可靠性较强。

2.2 A/D处理单元

图2 AD芯片内部结构图

通过A/D模块将土壤水分传感器采集到的电压信号进行A/D转换成单片机能够处理的信号。本设计采用双路ADC7705。它具有两路的全差分输入通道，增益可放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路包含和缓冲器，Σ-Δ调制器和可编程数字滤器等，可以对来自传感器的微弱电压信号进行A/D转换。另一方面它具有高分辨率，低功耗，宽动态范围，自校准以及良好的抗噪性能。在实际测试过程中个别芯片由于生产等问题可能会存在硬件上的一些问题，所以在使用A/D芯片之前需要对芯片进行检查，保证芯片的两路输入之间数据传输的稳定性，保证设计的数据采集系统的正常运行。

2.3 时钟电路模块

DS1302时钟芯片是一种高性能，低功耗的实时时钟芯片，带有31字节的静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信[1]。

图3 DS1302引脚图

引脚5,6,7分别与单片机的P2.3，P2.4，P2.5口相连，将时钟的信息通过这3个引脚进行读出和写入，单片机读出日期和时间信息后，将日期和时间数据输出到U盘进行存储。

其中引脚1为主电源，引脚8为备份电源输入，当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2

图4 DS1302操作流程图

2.4 U盘存储模块

采用CH376U盘存储芯片，其支持USB主机方式和USB设备方式，同时内置了USB通讯协议基本固件，内置了SD卡通讯接口固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备专用通讯协议的固件，内置FAT16和FAT32以及FAT12文件系统管理固件，对于一般用的USB存储设备(包括U盘/USB硬盘/USB闪存盘/USB读卡器)和SD卡(包括标准容量SD卡和高容量HC-SD卡以及协议兼容的MMC卡和TF卡)都支持[2]。图5为CH376部分电路。

2.5 单片机处理单元

采用新一代超高速的低功耗的单片机STC90C516RD+，指令代码部分完全兼容80C51，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期能任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，工作电压3.8 V～5.5 V[3]，工作频率范围0 MHz～40 MHz，用户应用程序空间61 k字节，内置看门狗，共3个16位计数器，而且定时器0还可成为2个8位定时器使用，4路外部中断，低电平触发中断或下降沿中断，Power Down模式可以通过外部中断低电平触发中断方式唤醒[4]。

3 系统整体设计与提高

由于项目时间紧迫，在软件部分只定义了数据写完一组就可以拔出U盘，而且在数据读写的过程中有可能数据会出现一些故障导致这组数据全部丢失，再次读数据时需要手动复位。为了数据能够不停的存储，在设计中调用了单片机内的软件复位的特殊功能寄存器ISP_CONTR，只需要简单的控制其中两位SWBS/SWRST就可以实现系统的复位了[5]。因为数据在写完一组后才会存入U盘，调用ISP_CONTR寄存器是为了让数据每写完一组，进行软件复位将此组数据写入U盘后，再进行下一组的读写，而不会丢失上一组的数据，U盘可以在测量数据时随时可插拔，在测量数据时拔掉U盘，只会丢失此组数据，而不会丢失之前的数据，为了让数据丢失的更少，在函数中定义了每15个数据作为一组进行存储，可以更好的减少有效数据的丢失，并且数据每存完一组，指示灯会闪烁一次，表明此组数据存入U盘。

4 测试结果

系统调试成功后搭建完成，将系统进行上电，FDR土壤插入测试土壤中，将U盘插入CH376接口进行整体的系统测试，测试了4种U盘主控芯片，分别是金士顿(主控为擎泰SK6211BA和6211BB)、联想和清华同方(主控为惠荣SM325X)、清华紫光(SYK6281)等国内主流的U盘，均未出现不能存储或者数据存储丢失的情况，并且经过7天12小时的连续不间断测量和存储[6]，测试结果如图6所示。

图6 数据采集图

第一列显示的数据为年月日，第二列显示的为时分秒，第三列和第四列为测量的水分数据。通过数据表明在数据量较大的情况下，数据结果还能保持很好的稳定性。说明本设计可以稳定的进行数据的采集。以帮助相关专业的研究人员进行数据的分析，有较好的推广价值。

图7 系统原理图

5 结论

本设计实现了土壤水分含量的快速测量，并且能够通过U盘模块实现快速存储，保存的数据可以直接与电脑进行数据交互。通过本次的系统设计，使我对STC单片机有了更进一步的了解，了解了模块之间是如何通信，提高了自己分析问题和解决实际问题的能力，同时提高了自己的程序编写能力。

[1] 邵伟，董明，陆蔺辉.一种开关量控制的水浴恒温控制器设计[J].微型机与应用，2012(7):81-83.

[2] 孟涛，王福虎.单片机U盘控制器的设计与实现[J].舰船防化，2010(2):20-24.

[3] 王立恒,任勇峰,李圣昆.基于AT89S52单片机的无线远距离遥控设计[G].中国兵工学会仪器科学及测控技术年会,2008.

[4] 沈杰,李春生,沙春芳，等.彩色LED旋转显示屏的设计[J].电子科技，2014,27(10):178-181.

[5] 宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列单片机器件手册[S].2013.

[6] 孟强,徐慧,施山菁.低功耗土壤湿度控制仪设计[J].传感器与微系统,2013,32(7):85-88.

Acquisition System Design of Soil Moisture Data Based on FDR

Wang Zhongxia，Yang Kun，Zhu Changcheng

(WentianCollege,HehaiUniversity，MaanshanAnhui，243000,China)

Soil moisture measurement is one of the most important parts of agricultural development in the 21st century, the reasonable collection of soil moisture content plays an vital role in agricultural production and it is more conducive for the rational use of agricultural resources and get higher benefits. This design makes data processing based on the STC90C516RD single-chip computer and the high precision dual ADC7705 is used for data collection to ensure the accuracy of data, finally the data are stored using CH376 U module and the data storage of speeding is fulfilled. Users only need to have the collected data disk connected to the computer; the PC can be realized to analyze the data and processing. The clock chip DS1302 is used for real time recording.

STC90C516; CH376; U disk; FDR soil moisture sensors; ADC7705; DS1302

2017-05-09

2017年度安徽高校自然科学研究项目(项目编号KJ2017A896)；2016年河海大学文天学院大学生创新创业训练项目

王仲夏(1974- )，男,讲师，现任河海大学文天学院机械系教师，主要从事基于微处理器技术的智能设备研发等科研和教学工作。

1674- 4578(2017)04- 0020- 04

S274.2;TP212

A