土壤温湿度数据采集系统的设计研究

土壤温湿度数据采集系统的设计研究

[摘要] 对于土壤温湿度数据采集系统的设计一般情况都使用mcs-51系列单片机作为系统的控制核心，结合数字温湿度传感器实现对相应数据进行采集工作，整个系统的设计成本相对比较低，本文设计的土壤温湿度数据采集系统采用at89c51作为核心控制芯片，选取ad590与湿敏电容实现温湿度数据的采集测量，大大简化了系统的硬件尺寸大小，内部总线结构为can总线形式从而有利于强化系统的数据通信能力，具有精度高与线性特性好等特点。[关键词] 土壤温湿度数据采集系统

一、引言

高端科学技术水平的不断提升发展，促使实际生产环境应该进行相应的改进与完善。根据农作物对水的需求度与水源供应情况，对于提供给农作物的各种基础生长条件进行恰当的控制与调节从而可以保证水资源的合理使用，然而土壤的温湿度对于农作物的正常生长有着重要的决定作用，这是作为管理农作物生长的重要考虑因素。因此对于农作物的正常生长规律需要进行及时的控制与调节，各种农作物会处于不同时段的发育期而相应的需水量与合适的生长温度各有所不同，这些问题在本质上应该是取决于土壤的含水量。土壤中含水量的相应测量方法，由传统旧式的烘干法到之后的电测法到现在的核技术方法等发展过程。本文研究的是一种适用于提供灌溉试验站点和生产单位选用的快速温湿度数据采集系统[1]，选取ad590与湿敏电容实现对温湿度数据的测量，相应的采

集信号经过a/d处理后进行数据显示，将单片机作为控制核心与选用滞回比较器进行数据处理可以很大程度地简化系统的电路机构，降低了功耗与成本，具有较高的实用价值。

二、数据采集系统的设计原理

本文设计的土壤温湿度数据采集系统选取at89c51型号的单片机作为主控核心，这型号配置了四节闪烁可编程可擦除式的只读存储器需要的低电压条件，是一款具有高性能的8位mos微处理芯片，其相应的可擦除只读存储器能够允许重复擦出100次[2]，使用atme 密度的非易失存储器技术进行产生制造，符合工业领域的标准且能够与mcs-51的指令集与输出管脚实现兼容。本文系统设计的相应扩展电路选取的是intel公司生产制造的可编程式输入输出接口芯片8255，其配置了三个并行式i/o口，分别是pa口、pb口和pc 口，然而pc口可分为高四位口与低四位口，其均是需要经过相应的软件编程来实现工作方式的改变。

三、土壤温湿度数据采集系统的模块化设计

1.温度采集电路模块

测量温度的电子元件采用集成化的温度传感器ad590，其具有温度-输出电流特性成线性关系的优点。此温度采集电路模块的电流输出是1μa/k， r1、r2、r3、r4 与ad590共同构成测温电桥电路。其中相应的基准电压是2.73v，当处于零摄氏度时，相应的电位是2.73v，然后由a2、a3和a4构成的数据放大器相应的输入与输出都为零[3]。当温度升高时，放大器相应的输入电压是以10mv/°c

的变化速率进行变化，其对应的放大倍数是5，当测量温度的范围在0-50°c时，其相应输出电压是0-2.50v。

2.湿度采集电路模块

湿度采集电路模块分别由电容传感器cx、c0、c1与电阻r3、r4构成的基本电桥式电路，由g1与g2两个与非门构成了多谐振荡器从而充当电桥电路的电源，相应的频率是10khz[4]。不平衡式的电桥电路相应的输出电压变化可以反映出cx的动态变化，也即是土壤中的含水量变化，通过a进行放大处理后送入至a/d转换电路处理。温度补偿电路由负温度特性的热敏式电阻rx和变容式二极管2cc3构成，变容二极管相应的电容量是跟随着偏置电压的幅值而发生改变，如果温度上升时电容cx的数值也会相应的增大，此时补偿电路的热敏式电阻值rx反而会减小，这样会使得变容二极管的偏压值升高，相应的电容值减小，从而实现对cx的校正处理。3.数据显示电路模块

通过ad590型号的温度传感器所测量得到相应的温度信号之后进行对应的数据显示[5]。湿度信号时经过对应的湿敏电容进行采集后实现模数转换而得到的，传感器相应的输出电压用v表示，经过a/d转换器的作用进行地址码的编写，由eprom的相对应单元可以输出含水量数据代码，然后经过dac0832以电压形式输出，最后可以显示出相应的土壤含水量。

4.系统控制电路模块

系统的控制信号是通过at89c51中的p0口进行输出送到相应的

控制电路74hc373中，并且由wr与p25经逻辑门74hc02对74hc373实现控制。如果wr与p25都处于低电平状态时，可以允许74hc373输出相应的控制信号[6]。继电器j1、j2与j3通过晶体管9013实现驱动，其相应的驱动电流大概是150ma。在继电器释放过程中二极管4007和继电器的线圈构成通路状态，用于保护晶体管9013。为达到保护继电器的目的，在后继电路接入一级接触器，通过接触器对受控制对象进行直接驱动。

四、结束语

在本文设计土壤温湿度数据采集系统中选取ad590用于测量温度，只需使用湿敏电容就能够实现湿度的测量，从而可以把土壤湿度状况转换成相对应的电容值以数字形式显示出来，不但实现电路结构的有效简化，还可以节约了系统的硬件搭建成本。传感器的相应探头是由一对针形的不锈钢柱所构成，并且易于插进土壤里，对土壤结构造成的影响相对比较小。系统的控制核心选取at89c51单片机结合继电器进行电机的控制，从而达到实现温湿度调节的目的，跟同类型的传统旧式测量系统以及现代化测量系统对比，其具有系统结构简化、体积尺寸小、硬件成本低与通用性良好等多种特点，有利于系统的升级优化。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[m].北京：高等教育出版社，2004.

[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[m].北京：高等教育出版社，2005.

[3]罗淳.模糊自整定pid温室温度控制器的设计[d].武汉：武汉科技大学，2009.

作者简介：王阳，男籍贯：吉林，出生年月：1988年11月4日，工作单位：大连海洋大学职务职称或学历：研究生，研究方向：农业信息化。