如何使用dsPIC30F2010实现土壤水分测量仪的设计

　　给出了一种基于dsPIC30F2010控制的土壤水分测量仪的硬件结构及功能设计方法。该仪器利用驻波原理将土壤水分含量的变化转化为电压信号的变化，并通过dsPIC30F12010实现数据的采集、处理和显示。该仪器体积小，成本低，能对土壤水分进行连续测量，而且测量精度较高，在田间土壤水分测量中有较高的应用价值。

　　土壤水分测量一般有烘干测量法、中子扩散法、电磁测量技术、时域反射法、频域反射法、张力测量法、红外线遥测法、驻波率法等。本文提出了一种基于dsPIC30F2010单片机的土壤水分测量仪，该仪器采用驻波率原理，可以快速、精确的测量土壤水分，而其dsPIC30F21310性能先进，电路结构简单，系统比较稳定。经试验，按照这种测量原理设计的土壤水分测量仪不但成本低，体积小，便于携带，而且测量精确度较高，能进行多组数据的采集、存储，性能稳定，同时能够满足现代化精细农业节水灌溉和实时土壤水分测量的需要，可以达到节水灌溉的目的。

　　1 测量原理

　　本测量系统由高频信号发生电路、传输线、探针、检波电路、信号处理电路和显示电路组成。高频振荡器发出一个高频信号，然后经过传输线传递到探针，由于探针阻抗与土壤阻抗不匹配，故将造成一部分信号沿传输线发射回去，从而在传输线上形成驻波，使传输线上各点电压不相同。而传输线两端的电压主要是由土壤水分决定的，当土壤含水率改变时，阻抗就会发生变化，进而引起驻波比的变化，最终使传输线两端的电压也产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压变化就可以测得土壤水分相应的变化。这样，用检波电路调理传输线两端的电压，再将其电压信号通过A／D转换送入单片机进行处理，最后将结果显示在液晶显示模块上。

　　2 硬件结构及功能

　　该土壤水分测量仪的结构框图如图1所示。该系统的主要功能是完成对传感器信号的采集、处理、显示和控制。从传感器得到一个电压信号，通过检波电路得到电压信号的峰值，再将其经过A／D转换送入单片机进行处理，最后将得到的结果显示在液晶模块上。

　　1 传感器

　　本系统中传感器的等效电路如图2所示。在图2中，Eg为高频信号源电动势；Rg是信号源的内阻；Z1是传输线的阻抗；ZL是土壤探针的阻抗：R1、Gl和C1分别表示传输线上的分布电阻、电导和电容。这样，根据传输线理论，可得到A点的峰值电压为：Ua=A（1+ρ）；而如果传输线长度为电磁波波长的四分之一，则B点的峰值电压为：Ub=A（1-ρ），所以，A、B两点的电压差为△UAB=2Aρ。其中，ρ为传输线在A点的反射系数，可用表达式ρ=（ZL-Z1）/（ZL+Z1）来表示。

　　当传感器的探针插入土壤时，ZL主要由土壤介电常数决定，它可随着土壤水分的变化而变化，从而使传输线输出电压△UAB产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压差就能间接得到土壤水分的含量。

　　本测量系统的高频信号采用100 MHz的正弦波信号，传输线采用同轴电缆，探针采用不锈钢制成。100 MHz信号发生电路如图3所示。