基于STM8微处理器的太阳能土壤水分测量仪设计

吴 奇，浦绍选

(云南师范大学太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南昆明 650500)



基于STM8微处理器的太阳能土壤水分测量仪设计

吴 奇，浦绍选*

(云南师范大学太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南昆明 650500)

摘要土壤的水分含量对植物的生长非常重要 ，检测土壤含水量也是自动灌溉系统中关键的一环。为了能够连续检测土壤的含水量，基于STM8微处理器，采用频域反射(FDR)原理，利用太阳能供电，实现硬、软件的组合，设计制作了一款便携式土壤水分测量仪。选用不同的土壤对该设计进行多组实验，对比可知，测量仪的测试结果与烘干法测出的含水量较为接近，误差在3%以内。

关键词土壤水分检测；STM8；太阳能；频域反射原理

了解土壤水分含量对农作物的培育有着至关重要的作用。土壤水分含量过高或者过低都会影响土壤微生物活动和农作物的生长发育。测量土壤水分含量传统的方法是烘干称重法，这种方法原理简单且结果可靠，大多数情况下还可用来作为校准数据，但在实际操作中过程繁琐、工作量大。为了实现快速、准确地测量实时的土壤含水量情况，市面上已有多种依据不同原理制作的土壤水分测量仪，最常见的是基于介电法测量的频域反射(Frequency Domain Reflectometry，FDR)型和时域反射(TimeDomain Reflectometry，TDR)型2种。由于TDR型电路较为复杂，设备造价昂贵，而FDR型几乎具备了TDR型所有的优点且价格合理，所以更为常用的是FDR型。笔者基于STM8微处理器和FDR原理，利用光伏电池将太阳能转换为电能储存在锂电池中作为电源，设计制作了一种操作简单、测量精度高、性能可靠、低成本的便携式土壤水分测量仪。该测量仪可用于较为准确地检测土壤的含水量，测得了土壤的水分含量，就可对作物进行合理灌溉、精细化控制，既可提高植物的成活率，保证植物的健康生长，同时也能节约灌溉用水，合理利用水资源，适合广泛应用于农业种植、花卉培育、园林维护等领域。

1理论依据

土壤是气相、液相、固相共同组成的物质，成分和结构非常复杂，所有物质在一种很微弱的平衡之中[1]。若要得到较为准确的测量值，在测量过程中，使用的传感器要有很好的稳定性和精确度，尽量保证被测土壤的平衡不被打破。该设计主要采用了频域反射技术原理来设计土壤水分传感器，传感器的等效电路图如图1所示。

图1　传感器的等效电路Fig.1　The equivalent circuit diagram of the transducer

FDR技术是通过向被测对象发射一定频带的信号，依据反射回的信号来计算出所需要的参数。FDR技术应用在土壤水分测量上，通常有2种方法，一是通过使用固定的发射频率来测量土壤的阻抗得到介电常数后推算土壤水分，另外一种是让传感器与土壤构成RLC谐振电路，找出谐振频率来推算土壤水分。该设计就是利用后一种方法，其中振荡器设计的扫频范围为80～160 MHz，利用微控制器控制振荡芯片MC1648不断输出不同频率的信号，当振荡电路的谐振条件成立，传输线上则会出现频率相同、传播方向相反的2列相干波叠加，形成行驻波状态，此时电路的谐振幅值U0出现最大值。由于产生谐振时电路满足的条件为：

(1)

已知电容与介电常数的关系式：

ε=C/C0

(2)

式中，C0为介质为空气时的电容。由于已被证实土壤相对介电常数ε与土壤水分含量ω间具有以下关系[2-4]：

(3)

其中，a、b均为常数，由土壤的性质决定[5-6]。

综合上述公式可推导出谐振频率F与土壤水分含量ω有以下反比关系：

(4)

2硬件设计

土壤水分测试仪主要由太阳能供电模块、传感器模块、微处理器、LCD液晶显示屏模块和RS232接口5个部分组成。

太阳能供电模块主要由光伏电池、充放电控制器、锂聚合物电池构成。光伏电池利用光伏效应将太阳能转换成电能，既可直接在太阳照射下由太阳能电池板供电，也可以利用锂聚合物电池将多余的电能储存起来，在没有太阳光的情况下使用。充放电控制器可保护锂聚合物电池，避免出现过充或过放，延长使用寿命。电路原理图如图2所示。

传感器模块由不锈钢探针、扫频电路、峰值检测电路组成。将不锈钢探针插入土壤中，与土壤构成一个可变电容器，在不同水分含量下呈现的电容值不同。当峰值检测电路检测到最大峰值电压时，对应扫频电路发出的频率即为传感器的谐振频率F。电路原理图如图3所示。

图2　太阳能充放电控制电路Fig.2　Solar charge and discharge control circuit

图3　传感器模块电路原理Fig.3　Diagram of the circuit principle of sensor module

微处理器采用的控制芯片为STM8S208系列，该芯片内核为8位STM8 CPU，最高工作频率可达24 MHz，片上集成64 kB的Flash存储器、6 kB的SRAM存储器和1.5 k的EEPROM。具有变频功能的超低功耗模式，其内部自带2个串口，9通道的10位ADC转换器。通过程序可控制扫频电路输出特定频率的正弦波，将峰值检测电路输出的电压值进行A/D转换，并把得到的谐振频率按公式换算成土壤水分含量。

3软件设计

该设计在集成开发平台IAR使用C语言对测量仪的软件进行编程开发，软件总体依照模块化架构设计，软件结构可分为7个部分，分别是：初始化程序模块、系统自检程序模块、扫频控制程序模块、谐振峰值检测程序模块、土壤水分计算程序模块、显示刷新程序模块、低功耗休眠与自动唤醒程序模块。程序核心部分流程图如图4所示，其中F为扫频电路输出的频率，U为峰值电压经过A/D转换后的数字量。

图4　程序核心部分流程Fig.4　Flow chart of core program

软件初始化程序部分主要对微控制器内部寄存器和外部端口进行初始化设置，对LCD液晶显示屏的各项参数和工作模式进行设置。初始化完成立即进行系统自检，目的是确保测量前仪器系统处于正常状态，如土壤水分传感器是否连接良好，锂电池电量是否足够等，如若异常则进行异常处理并在显示屏上显示检测结果提示用户处理，从而确保了后续的测量过程正确进行。通过自检后仪器开始输出扫频信号，设计的压控振荡器扫频范围为80～160 MHz。同时，峰值检测程序也配合运行采集峰值电压，并利用STM8S206微控制器内的10位ADC将此电压值转换为数字量，并对此数字量进行滑动中值滤波，用来降低干扰和偶然出现的错误数据。当一轮扫频完成后，程序将得到的谐振频率F带入预先设计的公式计算出对应的土壤水分含量，然后显示该数据和误差范围。由于仪器是采用太阳能供电，所以应当尽可能地降低系统功耗，考虑到土壤水分的变化十分缓慢，从而设计了间歇式测量方案，在不测量时微控制器关闭扫频电路和显示屏部分，进入低功耗休眠状态。

4实验及结果分析

4.1实验方案该实验采用烘干称重法[7]进行对比验证，选择壤土和沙土2种不同的土壤对其进行土壤含水量[8]测定，并通过计算得出每种土壤的实际含水量，最后与测试仪测出的土壤水分含量进行比较分析，验证该测试仪是否能达到预期的测量精度。

4.2实验步骤首先，将2种不同的土壤烘干备用。称量并记录空烧杯的净重m，加入适量沙土后称量此时烧杯的质量M，往烧杯中加入质量为mi的水并搅拌均匀，依据公式即可计算出沙土的实际含水量θi。其计算公式为：

(5)

最后用设计的土壤水分含量测试仪进行测量并记录下液晶显示屏上显示的数字。依据上述方法同理可计算出壤土的实际含水量θj。

4.3实验结果实验得出,壤土和沙土的实际含水量与土壤水分测量仪显示的测量值结果对照如表1、表2所示。

表1200g壤土实际含水量和传感器对土壤湿度的测量值对照

Table1Theactualmoisturecontentandthemeasuredvalueofsoilmoisturebytransducerin200gsoilsample

实验编号Testcode加水的质量Weightofaddedwater∥g壤土实际含水量Actualmoisturecontentofsoil∥%测试结果Measuredresults∥%152.501.232105.002.763157.507.5342010.008.9152512.5013.7463015.0016.9773517.5018.1484020.0020.13

表2200 g沙土实际含水量和传感器对土壤湿度的测量值对照

Table 2The actual moisture content and the measured value of soil moisture by transducer in 200 g sandy soil

实验编号Testcode加水的质量Weightofaddedwater∥g沙土实际含水量Actualmoisturecontentofsandysoil∥%测试结果Measuredresults∥%152.54.212105.06.433157.59.7842010.011.2552512.59.8663015.013.6773517.518.1484020.022.96

通过对壤土和沙土2种土壤的水分含量测试实验可以看出，土壤水分测试仪所测结果与称重法得出的土壤实际含水量相比，误差均在±3%以内，精度和线性度均满足设计目标与使用要求。

比较壤土和沙土的实验数据，在加入相同水量的情况下，壤土的测量值波动幅度较小，证明壤土的保水性比沙土好，能为植物的生长提供充足的水分和有机质，更适合植物的生长。

5结语

该研究介绍了基于STM8微处理器的太阳能土壤水分测量仪的设计原理、硬件结构、软件实现，并进行了实验论证，充分证明了该测量仪具有可靠性高、操作简单、方便快捷

等特点。与传统烘干称量法相比，平均误差仅在±3%以内，且由于采用的是太阳能提供电源，克服了因地理因素、天气因素而导致的电源提供受局限的困难，能满足现代农业的实际需求，对节省水资源和人力、物力成本等起着很大的作用，具有良好的发展前景。

参考文献

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[3] GASKIN G J，MILLER J D.Measurement of soil water content using a simplified impedance measuring technique[J].Journal of agricultural engineering research，1996，63(2)：153-160.

[4] MILLER J D，GASKIN G J，ANDERSON H A.From drought to flood：Catchment responses revealed using novel soil water probes[J].Hydrological processes，1997，11(5)：533-541.

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[6] 冶林茂，吴志刚，牛素军，等.GStar-I型电容式土壤水分检测仪设计与应用[J].气象与环境科学，2008(3)：82-85.

[7] 王刚，陈统强.烘干称重法与自动观测土壤湿度的差异分析[J].气象研究与应用，2010，31(2)：53-56.

[8] 吕贻忠，李保国.土壤学实验[M].北京：中国农业出版社，2010：66-67.

Design of Solar Soil Moisture Measuring Instrument Based on STM8 Microprocessor

WU Qi，PU Shao-xuan*

(Solar Energy Research Institute, Yunnan Provincial Key Laboratory of Rural Energy Engineering, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

AbstractThe moisture content of the soil is very important for the growth of plants. Detecting soil moisture is a key in automatic irrigation system. In order to continuously measure the soil moisture content, STM8 microprocessor and FDR (frequency domain reflectometry) principle were adopted. With solar energy power supply, a portable soil moisture measuring instrument was designed and made with hardware and software. Multigroup experiment was carried by different soils. Comparative results showed that detection result of this device was relatively close to those by the drying method, with less than 3% of error.

Key wordsSoil moisture content detecting; STM8; Solar energy; FDR

作者简介吴奇(1990- )，男，湖北汉川人，硕士研究生，研究方向：农业生物环境与能源工程。*通讯作者，教授，硕士生导师，从事太阳能利用研究。

收稿日期2016-03-16

中图分类号S 214

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-254-03