如何使用dsPIC30F2010實現(xiàn)土壤水分測量儀的設計

　　給出了一種基于dsPIC30F2010控制的土壤水分測量儀的硬件結構及功能設計方法。該儀器利用駐波原理將土壤水分含量的變化轉化為電壓信號的變化，并通過dsPIC30F12010實現(xiàn)數據的采集、處理和顯示。該儀器體積小，成本低，能對土壤水分進行連續(xù)測量，而且測量精度較高，在田間土壤水分測量中有較高的應用價值。

　　土壤水分測量一般有烘干測量法、中子擴散法、電磁測量技術、時域反射法、頻域反射法、張力測量法、紅外線遙測法、駐波率法等。本文提出了一種基于dsPIC30F2010單片機的土壤水分測量儀，該儀器采用駐波率原理，可以快速、精確的測量土壤水分，而其dsPIC30F21310性能先進，電路結構簡單，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。經試驗，按照這種測量原理設計的土壤水分測量儀不但成本低，體積小，便于攜帶，而且測量精確度較高，能進行多組數據的采集、存儲，性能穩(wěn)定，同時能夠滿足現(xiàn)代化精細農業(yè)節(jié)水灌溉和實時土壤水分測量的需要，可以達到節(jié)水灌溉的目的。

　　1 測量原理

　　本測量系統(tǒng)由高頻信號發(fā)生電路、傳輸線、探針、檢波電路、信號處理電路和顯示電路組成。高頻振蕩器發(fā)出一個高頻信號，然后經過傳輸線傳遞到探針，由于探針阻抗與土壤阻抗不匹配，故將造成一部分信號沿傳輸線發(fā)射回去，從而在傳輸線上形成駐波，使傳輸線上各點電壓不相同。而傳輸線兩端的電壓主要是由土壤水分決定的，當土壤含水率改變時，阻抗就會發(fā)生變化，進而引起駐波比的變化，最終使傳輸線兩端的電壓也產生變化。因此，通過測量傳輸線兩端的電壓變化就可以測得土壤水分相應的變化。這樣，用檢波電路調理傳輸線兩端的電壓，再將其電壓信號通過A／D轉換送入單片機進行處理，最后將結果顯示在液晶顯示模塊上。

　　2 硬件結構及功能

　　該土壤水分測量儀的結構框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的主要功能是完成對傳感器信號的采集、處理、顯示和控制。從傳感器得到一個電壓信號，通過檢波電路得到電壓信號的峰值，再將其經過A／D轉換送入單片機進行處理，最后將得到的結果顯示在液晶模塊上。

　　1 傳感器

　　本系統(tǒng)中傳感器的等效電路如圖2所示。在圖2中，Eg為高頻信號源電動勢；Rg是信號源的內阻；Z1是傳輸線的阻抗；ZL是土壤探針的阻抗：R1、Gl和C1分別表示傳輸線上的分布電阻、電導和電容。這樣，根據傳輸線理論，可得到A點的峰值電壓為：Ua=A（1+ρ）；而如果傳輸線長度為電磁波波長的四分之一，則B點的峰值電壓為：Ub=A（1-ρ），所以，A、B兩點的電壓差為△UAB=2Aρ。其中，ρ為傳輸線在A點的反射系數，可用表達式ρ=（ZL-Z1）/（ZL+Z1）來表示。

　　當傳感器的探針插入土壤時，ZL主要由土壤介電常數決定，它可隨著土壤水分的變化而變化，從而使傳輸線輸出電壓△UAB產生變化。因此，通過測量傳輸線兩端的電壓差就能間接得到土壤水分的含量。

　　本測量系統(tǒng)的高頻信號采用100 MHz的正弦波信號，傳輸線采用同軸電纜，探針采用不銹鋼制成。100 MHz信號發(fā)生電路如圖3所示。