基于SM2801V的土壤水分测试仪设计

评价分析或实际测试与校正。1SM2801V测量土壤水分的原理SM2801V是一款基于FDR（Frequency domain reflectometry）原理的传感器，主要由一对电极组成。它等效为一个电容器， 电极间的土壤充当电介质，电容器与振荡器组成一个调谐电路[4-5]，此时式（1）成立。随着土壤水分（θ为土壤体积含水）的改变，传感器的等效电容值（C）也在改变，振荡器工作频率（f）随土壤电容的改变而变化。SM2801V就是利用LC电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数（ε），进而通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起的频率的变化来测量土壤的水分含量[6]。通过联立式（1）、式（2）、式（3），可得到土壤的相对介电常数ε，代入Topp的土壤水分与土壤介电常数的经验关系式 （4），可得到土壤的的体积含水量。

2系统的组成原理土壤水分测试仪原理框图如图1所示。数据采集模块负责采集土壤温度、湿度信息，并且将土壤温湿度信息经ADC转换成数字信号，输入微处理器AT89C52；单片机负责对各模块的控制操作，实现对数据的处理和传输；存储器模块通过接口电路将获取的数据存储在存储芯片中，涉及数据的写入与读取；蓝牙模块负责每间隔一定时间，实现单片机与上位机或具有蓝牙功能的设备之间的通信，以获取实时测量的土壤水分信息。

2.1器件的选择2.1.1土壤水分传感器。SM2801V是一款基于频域反射（FDR）原理的电压型土壤水分传感器，0 ～ 5 V 直流电压输出信号，12 ～ 24 V直流工作电压，100 MHz测量频率。该测试仪的电源电压选12 V，测量范围为0～100%。为了提高对土壤含水情况的测量精度，需对土壤水分传感器进行标定[7]，即将土壤水分传感器的输出直流电压与对每个土壤样品采用烘干法测量获得的土壤体积含水率进行比对，描绘出相应的曲线（图2），获得传感器输出电压与土壤体积含水率的线性相关性，就可将土壤体积含水率这一物理量线性转换成电压量。微处理器就能通过这一电压信号与土壤体积含水率的关系，实现后续的信号处理与控制操作。

2.1.2温度传感器的选择。

DS18B20 是一款数字化单总线型的智能温度传感器，-55～+ 125 ℃的温度测量范围，9～12位A/D 转换精度，分辨率达0.062 5 ℃，具有体积小、精度高等优点，采用单总线协议，接口仅需占用单片机一个I/O端口，无需其他外接元件，其外围电路也非常简单；DSl8B20将测得的土壤温度信号转换为数字量输出，与单片机可以直接相连，不需信号放大和A/D转换，简化电路的设计，可直接将土壤温度转化成串行数字信号，提供给微处理器AT89C52处理，达到土壤温度采集的目的。DS18B20 的供电方式有寄生电源供电和外部电源供电两种。该测试仪系统采用外接电源供电方式（图3）。

DSl8B20读取转换温度的步骤是：主机首先通过单口线发送初始化脉冲，然后给DSl8B20发ROM命令，最后发6个存储器命令中控制DSl8820的工作状态的一个命令，就可以完成对土壤温度的转换和数据的读出功能。

2.1.3蓝牙模块的选择。

HC06采用CSR 蓝牙芯片，集成BC41713蓝牙芯片、M29W800 Flash存储芯片及蓝牙天线等，遵循V2.0的蓝牙协议，只需通过微处理器的串口TXD、RXD与HC06模块建立连接。微处理器AT89C52就可以通过串口与蓝牙模块HC06的连接，实现与上位机手机或具有蓝牙功能的设备之间的数据交换，实现土壤水分数据的显示、存储。HC06模块与处理器的接口图见图4。

2.2温度补偿的实现

由于SM2801V土壤水分传感器具有明显的温度效应，为了提高土壤水分测试仪的测量精度，降低温度对土壤水分传感器的影响，系统需增加温度补偿的功能。研究表明，随着温度的逐渐升高，测量值也会逐渐变大[8]，表明土壤水分传感器具有明显的温度效应。为了得出温度t（℃）对测量值影响的补偿函数式，利用不同温度下实测值减去样品室温下测得的含水量，得出误差值△y，对△y进行曲线拟合，得到误差拟合函数式（5），将其作为温度补偿项加入到土壤水分传感器得到的标定函数式中，将其固化到微处理器程序代码中即可实现温度的补偿功能。

2.3电源模块

系统中AT89S52微处理器、DS18B20温度传感器、HC06蓝牙、SM2801V土壤水分传感器和ADC0809模数转换器件等器件都需要供电，且需要5、12 V两种供电电压，因此依据系统正常工作的需求，应设计5、 12 V 两种电源电压。该系统采用7805、7812产生所需的供电电源电压。

3控制单元电路的设计

土壤水分测试仪的工作过程为：首先测量土壤的温度，然后测量土壤水分传感器SM2801V的输出直流电压信号，微处理器AT89S52根据测得的土壤温度及其与土壤水分线性相关的不同电压值，实现对土壤水分数据的温度补偿处理，然后通过数码管显示所测的土壤水分值，并且送存储器存储。在接收到具有蓝牙功能设备发出的控制信号的情况下，可实现与外部具有蓝牙功能设备的数据传输。控制单元电路如图5所示。

ADC0809的引脚26与土壤水分传感器的输出端连接，获得反映土壤水分的直流电压输入，引脚6与微处理器的P3.7连接，通过D的读操作，实现对ADC0809的清零与启动，引脚7反相后接AT89S52的INT1端，每当此端为有效电平时，数据转换结束，软件编程可通过对此端的监测，控制实现数据的显示与存储。显示模块采用共阴极接法LED管，4只LED管的段位分别由字母a、b、c、d、e、f、g、dp表示，与单片机AT89S52的P1口的8个引脚相连； 位选引脚1-4与AT89C52单片机的P2.0-P2.3 相连。AT89S52 单片机的引脚P2.6、P2.7 接开关K1、K2，通过开关K1、K2使得引脚P2.6、P2.7的高低电平变化，实现对所测量数据是温度还是水分含量的控制。

4系统软件设计在Keiluvision软件的编程环境下，编程实现对土壤数据信息的读取、转换、温度补偿、显示以及与蓝牙的数据传输。完成实现上述功能的程序编写后，进行编译，调试无误后，使用USB ISP 下载线，将其下载到单片机里。 4.1主程序主程序流程如图6所示。在系统上电后，首先进行微处理器AT89C52单片机的初始化，然后单片机向传感器发送测量命令，并且读取开关K1、K2的状态，根据开关K1、K2的状态，判断读取的数据是温度还是土壤水分信息，然后对采集的数据进行处理，查询转换结束后，液晶显示器实时显示测量的土壤温度或水分含量，并且根据需要确定是否要将测量信息传输给蓝牙设备。4.2USB 驱动安装与程序下载将USB ISP下载线与电脑USB接口连接，先进行驱动程序的安装，然后将下载线与AT89S52 单片机对应引脚的连接，完成以上工作后再用AVRfighter软件，将编写的程序下载到单片机中，并且将整个系统的硬件部分进行组装，供电，在实验室完成系统的初步调试。

5系统性能测试

为了检测仪器的使用性能，在临渭区的10个监测点进行室外验证测试，并且采集土壤样品带回实验室，采用烘干法进行测量。表1表明，土壤水分测试仪可实现信息的存储、显示及与蓝牙的数据传输，测量的精度有了明显的提高。

6结论

基于FDR原理传感器SM2801V，设计了一款便携式土壤水分测试仪。通过温度补偿，提高了测量精度；通过蓝牙的应用，方便了测量数据的采集。野外实验证明，仪器采用温度补偿提高了测量精度，具有操作简单、成本低、性价比高、数据传输方便等优点，达到墒情测量仪器的要求，能够为农业气象提供及时、可靠的数据，在农业气象和水利部门具有广阔的应用前景。

参考文献

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[2] 马孝义，马建仓.土壤水分介电测量的频率上限分析[J].水土保持研究，2002（2）：82-86.

[3] 徐燕，易卫东，卓国文.基于信号波形幅度检测放大技术的电容式土壤水分传感器研究[J].传感技术学报，2013（6）：779-784.

[4] 李鹏，余国河，陈涛，等.电容式冻土测量传感器设计[J].传感器与微系统，2014（1）：89-91，96.

[5] 张瑞卿，戈振扬，单伟，等.基于FDR原理的自动灌溉系统设计[J].传感器与微系统，2014，33（5）：80-83.

[6] 章树安，章雨乾.土壤水分监测技术方法应用比较研究[J].水文，2013（2）：25-28.

[7] 李加念，洪添胜，冯瑞珏，等.基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器[J].农业工程学报，2011，27（8）：216-221.

[8] 张益，马友华，江朝晖，等.含温度补偿的便携式土壤水分测定仪研制[J].传感器与微系统，2014，33（5）：73-76.

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