基于STC12C5A16S2土壤水分测量仪的设计

马晓玲

摘   要：土壤体积分数是土壤的主要组成部分，对植物的生长过程有十分重要的意义。我国水资源严重缺乏，其中大多用水量用于农业灌溉，但是目前我国平的农业用水利用率较低，相对于发达国家，我国农作物产量远低于发达国家的水平。因此，我国农业节水工作还有很大的空间。农田土壤体积分数的测量是农业发展中必不可少的一部分，通过对农田土壤水分的实时测量，可以掌握农田的土壤环境，这样就有利于进行节水灌溉，同时实时的节水灌溉也对提高产量有很大的帮助。由土壤水分传感器和核心单片机组成。FDS100土壤水分传感器主要负责测量植物的土壤体积分数，并将测量到的模拟信号经I/O口传给单片机STC12C5A16S2进行处理计算。

关键词：土壤水分;FDS100土壤水分传感器;STC12C5A16S2单片机

传统灌溉方式落后，农田灌溉设施和农业发展的情况不匹配。主要原因有以下几点：（1）农田由于地势原因高低错落，导致不同地段土壤体积分数不同，因此导致农田内农作物的产量大大的降低。（2）在干旱少雨的季节里，不能根据植物的需水量进行灌溉，因此不能保证作物大面积的提高产量。（3）根据以上情况，应该在现有的节水灌溉技术的基础上，研制新的灌溉技术，减少灌溉成本，提高产量。

1    系统功能分析

本系统主要包括：土壤水分传感器单元、STC12C5A16S2单片机、LCD显示模组、控制程序、电源。土壤水分测量仪的工作原理是将土壤水分传感器测量得到的模拟量转化为电流或电压信号，再通过STC12C5A16S2单片机里面的A/D转换器转换成脉冲信号，单片机计算系统会进行相应的数据运算和处理，然后把运算结果通过单片机传输到LCD显示屏上。

2    土壤水分测量仪主要工作任务

要实现对该系统所预期的功能，主要解决如下问题：

（1）要设计硬件电路，画出硬件电路图。

（2）选择合适的传感器、单片机、显示器。

（3）进行信号采集、数据处理、数据显示。

（4）进行软件设计，编写正确的程序。

（5）软件和硬件一起进行综合调试来实现最后的功能。

3    系统硬件组成

3.1  硬件组成

整个土壤水分测量系统包含单片机模块、土壤水分传感器模块、显示模块、AD模块。各部分模块能实现以下功能[1-2]：

（1）土壤水分传感器是能够测量土壤的容积含水量，也就是单位土壤总容积中水分所占的百分数并转化成电信号的传感器，土壤水分传感器可以和其他的仪表联合使用，成为一套即插即测的便携式土壤水分测量仪，也可以连接到通用数据采集器上，实现长期动态监测。

（2）AD模块，将土壤水分传感器测得的信号进行转化成单片机能够处理的数据。

（3）显示模块，用来对所测量到的土壤体积分数进行显示。MzLH04是一块点阵LCD显示模组，其中液晶可以显示汉字和西文字库;并且液晶显示器还可以具有的画点、直线、矩形、圆形等一些绘图作用，此外，MzLH04模块明显的是可以直接显示自带的数字。接口为串行SPI接口，接口方便简单易懂，而且操作起来特别方便，可以和其他单片机进行连接。

（4）STC12C5A16S2单片机，STC12C5A16S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是一款具有各种优势，快速方便的单片机，这种单片机的指令代码和传统8051单片机相融合，但是速度比传统的单片机快10倍左右，内部有10位A/D转换，2路PWM，8路高速，用于对电机的控制，适合干扰较强的场合。

（5）报警端口，土壤水分测量仪的系统可以设置不同的土壤体积分数范围，当测量的土壤体积分数值和设定的体积分数值进行比较时，如果低于标准的土壤体积分数，则系统会进行报警，警告植物目前土壤体积分数低，需要进行水分灌溉。P4.6作为报警接口使用。报警时一共发出5声报警提示音。

3.2  电源模块

大棚温室内有交流直流电，但是变土壤水分测量仪各个模块的设备工作电压均为直流电，土壤水测量仪需要电源适配器，单片机系统工作电压为DC12 V，土壤水分传感器电路需要DC5 V电源适配器。

3.3  土壤水分采集模块

采集模块主要是用土壤水分传感器FDS100将测量得到的土壤水分模拟信号传送至单片机中进行处理，传感器探针由不锈钢制成，提高了使用寿命，土壤水分传感器外部用胶体包装，有很强的密封性，插入土壤中耐腐蚀性好。测量土壤水分时系统响应灵敏，数据传输速度快，工作性能高，使用的地区非常广泛。

3.4  电磁阀模块

驱动电磁阀需要大功率，但是单片机功率很小，无法驱动电磁阀工作，因此，通过单片机控制继电器的动作，继电器控制电磁阀的接通和断开，单片机间接地控制电磁阀工作。根据是否达到预期的土壤体积分数来进行开启或关闭电磁阀灌溉，设置单片机输出引脚为高电平，通过单片机输出引脚电平的高低变化来控制继电器吸合和断开，继电器触点闭合，电磁阀线圈通电，通电后阀门打开，水流经过阀门，进行灌溉。

4    系统软件程序设计

4.1  系统主程序设计

硬件电路完成以后，要根据硬件电路设计软件。首先，根据软件对系统的作用，对软件进行模块化的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按不同的功能设计多个不同的软件程序，包括主程序、数据采集程序、数据发送程序和土壤体积分数显示程序，这些程序單独设计、编程、调试。其次，将各个模块装配联调，组成完整的软件。土壤水分测量仪系统上电后，初始化系统各个变量，整个系统还未进行工作，当按下土壤水分测量健之后，土壤水分测量仪系统开始运行。

4.2  数据采集的主要程序设计

采集模块主要是用土壤水分传感器FDS100将测量得到的土壤体积分数传送至单片机中进行处理，数据采集选用的FDS100土壤水分传感器具有测量精度高、准确率高、数据传输效率高。FDS100土壤水分传感器与单片机的接线简单，便于操作。FDS100土壤水分传感器测量得到的湿度信号最终以电压信号的方式传送到AD转换器中，由于STC12C5A60S2单片机的AD转换器接在P1口，所以将黄线即电压信号线接在P1.4口。这样，土壤水分传感器每测一次，电压信号都将通过P1.4口送到AD转换器中，单片机再将处理后得到的数字信号发送至显示器[3-4]。

4.2.1  定时器及中断程序的设计

程序的总体设计要满足系统对软件的要求，单片机的任务是定时和计数，并且计算出土壤体积分数后输出测量值，时间到之后申请中断，采集数据，计数值加1，在主程序中涉及定时器的初始化和中断的允许控制。

4.2.2  单片机控制水泵程序设计

单片机控制水泵的与单片机控制电磁阀工作原理相同，单片机通过控制继电器的开启来控制水泵的启停。单片机输出I/O口置低电平，则继电器通电，水泵开启。反之，单片机输出I/O口置高电平，继电器断开，水泵关闭。

4.3  液晶显示程序设计

显示程序要实现的功能是把计算出的速度值传到液晶显示器上。液晶显示模块选用MzLH04，它是北京铭正同创科技公司提供的一款功能强大的字库液晶模块，自带汉字库，可以显示数字、基本图形等，内置显示RAM，是串行SPI接口，接口简单，便于操作，接3.3 V供电，具有低功耗、稳定可靠、编程简单和体积小等特点，非常适合用于野外便于携带式仪表。MzLH04与单片机的接口很简单，只要把MzLH04的片选信号CS，数据传输线SDA，SPI始终引口以及复位RST与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口分别相连即可。MzLH04也可以接一个电阻，通过电阻值的改变可以调节MzLH04的显示亮度。

4.4  系统检测

电路检测是整个系统功能能否实现的关键步骤，将整个检测过程分为3大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。

（1）软件调试：整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以，在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。软件调试时，首先，要使程序在keil软件里编译通过。其次，把软件以hex格式烧录在单片机开发板里。软件调试时，不仅程序要编译通过，而且显示要正确。

（2）硬件调试：硬件调试要先把单片机开发板按照所画的电路图接在水分传感器和液晶显示器上，上电后，打开液晶显示器，将土壤水分传感器的探针插入土壤中，看能否成功地测出土壤体积分数并且显示在液晶显示器上。

5    实际应用

在对系统能够稳定测量土壤水分后，将土壤水分测量仪应用在各种植物土壤水分测量的试验中，使用土壤水分测量仪系统对植物进行自动监测控制试验，观察该土壤水分测量仪系统是否能达到设定的目标，即能顺利地测量植物土壤体积分数并显示出来。

[参考文献]

[1]苗凤娟.基于单片机的节水灌溉控制系统设计[J].中国农机化学报，2016（1）：215-217，251.

[2]陈上明.基于GPRS的自动灌溉系统硬件设计[J].实验室研究与探索，2012（6）：10-13.

[3]刘俊岩.基于ZigBee的温室自动灌溉系统设计与实现[J].农机化研究，2012（1）：111-114，118.

[4]杨   青，龐树杰，杨成海，等.集成GPS和GIS技术的变量灌溉控制系统[J].农业工程学报，2006（10）：134-138.