【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）土壤電阻率的測量與含水量的計算-光信息科學與技術

摘 要 根據(jù)土壤水分與其電阻 率 的關系，把 土壤電阻率轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?單片機 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換端口采集到這個電壓信號，進行一系列的計算 從而 求出 土壤的含水量， 所以這次 采用具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的 片機 L） 來進行本次的設計。再 根據(jù)土壤水分的含量決定是否需要給土壤灌溉，如果需要灌溉，則通過無線傳輸?shù)姆绞桨芽刂菩盘柊l(fā)送給接收單片機， 接收 單片機接收到信號后 通過一個四位的七段數(shù)碼管顯示出來，根據(jù)信號含義 控制灌溉系統(tǒng)給土壤灌溉。無線傳輸在發(fā)送端是通過一個信號發(fā)送器 行通信的 方式實現(xiàn)的，在接收端則通過一個信號接收 器單片機的串口接收 端 行通信的方式實現(xiàn)的。 在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送端 則 通過 1602 字符點陣型液晶顯示各種數(shù)據(jù) ，具有中文顯示，各種數(shù)據(jù)含義清楚明了 。 操作方面， 設計了四個按鍵：按鍵 1，功能選擇按鍵，可選擇實時水分顯示，記錄水分的顯示，進入手動設置水分值模式，來控制土壤水分的變化范圍；按鍵 2，記錄土壤水分按鍵，用來記錄不同時間的土壤水分值，以觀察土壤水分的變化情況；按鍵 3，數(shù)值加 1 按鍵和顯示下一組數(shù)據(jù)按鍵；按鍵 4，數(shù)值減 1 按鍵和顯示上一組數(shù)據(jù)按鍵。 關鍵詞 土壤水分 片機 1602 液晶 無線傳輸 目 錄 1 引 言 1 2 土壤電阻率與水分 1 影響土壤電阻率的主要因素 1 土壤電阻率與含水量的關系 3 3 片機 )簡介 4 片機 )綜述 4 7 數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點 7 換結果 8 8 4 發(fā)送端系統(tǒng) 設計 9 土壤電阻率的測量與含水量的計算 9 1602 字符點陣型液晶顯示 10 液晶 1602 與單片機的硬件連接電路 10 液晶 1602 漢字顯示 11 功能按鍵的設置 16 無線傳輸之發(fā)送模塊 16 5 接收端系統(tǒng)設計 18 無線傳輸之接收模塊 18 接收顯示與灌溉 18 6 程序設計流程圖 20 發(fā)送端程序設計流程圖 20 接收端程序設計流程圖 22 致謝 23 參考文獻 24 英文摘要 25 附錄 26 1 1 引 言 土壤水分是土壤的一個重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，而且是構成土壤肥力的一個重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件，對作 物的生長、節(jié)水灌溉等有著非常重要的作用。只有掌握土壤的水分（墑情）的狀況，才能為差異化的節(jié)水灌溉提供科學的依據(jù)，同時精確的供水也有利于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，因此測量土壤含水量具有十分重要的意義。 2 土壤電阻率與水分 影響 土壤電阻率的主要因素 (1) 土壤中導電離子的濃度和土壤中的含水量的影響 1 土壤電阻率 的大小主要取決于土壤中導電離子的濃度和土壤中的含水量，它是土壤中所含導電離子濃度 A 的倒數(shù) 1/A 和單位體積土壤含水量 B 的倒數(shù) 1/B 的函數(shù)，即 =f(1/A)f(1/B) 也就是說，土壤中 所含導電離子濃度越高，土壤的導電性就越好， 就越小；反之就越大。如沙河中，河底的 較大，就是因為河底由于流水的沖刷，導電離子濃度較小所致。土壤越濕，含水量越多，導電性能就越好， 就越?。环粗驮酱?。這就是土壤電阻率隨土壤干濕變化的原因。圖 1 為含水量對砂和砂質(zhì)粘土的土壤電阻率的影響曲線，圖中土壤電阻率的單位為 m，含水量的單位為 %。由圖 1 可以看到，當含水量達到 1520%以上時， 下降很少。 圖 1 含水量對砂和砂質(zhì)粘土 的影響曲線 2 (2) 土質(zhì)的影響 不同土質(zhì)的土壤電阻率不同，甚至相差幾千到幾萬倍 。表 1 為幾種不同土質(zhì)在不同含水量時的 值。 表 1 不同土質(zhì)的土壤電阻率 土質(zhì) 含水量 (%) (m) 礫石、碎石 2000 花崗石 207000 含水黃沙 10 500 沙土 10 300 含沙粘土 20 250 粘土 20 100 (3) 溫度的影響 溫度對土壤電阻率的影響也較大。一般來說，土壤電阻率隨溫度的升高而下降 2。圖 2 為在含水量約 15%時，溫度對砂質(zhì)粘土的土壤電阻率的影響曲線，圖中土壤電阻率的單位為 m，溫度的單位為 。從圖 23可以看出，當含沙粘土中 的水分從水到冰變化時， 在 0 時出現(xiàn)一個突然上升；當溫度再下降時， 出現(xiàn)明顯的增大；而溫度從 0上升時， 僅平穩(wěn)下降。 圖 2 含水量約 15%時，溫度對砂質(zhì)粘土 的影響曲線 3 (4) 土壤的致密性的影響 4 土壤的致密與否對土壤電阻率也有一定的影響。試驗表明，當粘土的含水量為 10%，溫度不變，單位壓力由 1961大 10 倍到 19610， 可下降到原來的 65%。 (5) 季節(jié)因素的影響 季節(jié)的變化也將引起土壤電阻率的變化。季節(jié)不同，土壤的含水量和溫度也就不同，影響土壤電阻率最明顯的因素就是降雨 和冰凍。在雨季，由于雨水的滲入，地表層土壤的 降低，低于深層土壤；在冬季，由于土壤的冰凍作用，地表層土壤的 升高，高于深層土壤。這樣，使土壤由原來的均勻結構變成了分層的不均勻結構，引起 的變化。多年凍土的 極高，可達沒有凍土時的幾十倍。在我國東北地區(qū)， 土壤電阻率與含水量的關系 由以上可知，對于特定地方的土壤，它的導電離子濃度和土質(zhì)是基本不變的，而溫度在 3 以上對于土壤電阻率的影響是非常小的，所以可以通過測量土壤的電阻率來確定它的含水量。圖 3 為砂質(zhì)土電阻率與含水量的關系 曲線。 表 2 土壤電阻率與含水量 電阻率 （ 1000 595 273 10 含水量 (%) 2 10 15 20 圖 3 土壤電阻率與含水量關系曲線 于是我們只要測出電阻便可以求出土壤的水分值。 4 3 片機 L） 簡介 片機 L） 綜述 基于增強的 構的低功耗 8 位 控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， 數(shù)據(jù)吞吐率高達 1而可以緩減系統(tǒng)在功耗和 處理速度之間的矛盾。 核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元 （ 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 如下特點： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 有同時讀寫的能力，即， 512 字節(jié) K 字節(jié) 2 個通用 I/O 口線 ,32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模 式的靈活的定時器 /計數(shù)器 （ T/C） ，片內(nèi) /外中斷，可編程串行 起始條件檢測器的通用串行接口， 8路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 （ 裝）的 有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時 止工作，而 線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 T/C、 電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基 準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； 聲抑制模式時終止 除了異步定時器與 外所有 I/O 模塊的工作，以降低 換時的開關噪聲； 式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 本芯片是以 密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi) 許程序存儲器通過 行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于 核之中的引導程序進行編程。引導程序 可以使用任意接口將應用程序下載到應用 儲區(qū)（ 在更新應用 儲區(qū)時引導 程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了 作。通過將 8 位 系統(tǒng)內(nèi)可編程的 成在一個芯片內(nèi)， 為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。 5 圖 4 結構框圖 6 圖 5 引腳 字電路的電源 端口 A(端口 A 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。 端口 B(端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振， 端口 B 處于高阻狀態(tài)。端口 B 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 C(端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果 口使能，即使復位出現(xiàn)引腳 上拉電阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 D(端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻 7 使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。端口 D 也可以用作其他不同的特殊功能。 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。 向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。 向振蕩放大器的輸出端。 端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ，該引腳應直接與 用 應通過一低通濾波器與 接。 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點 10位精度 265最高分辨率時采樣率高達 158路復用的單端輸入通道 7路差分輸入通道 2路可選增益為 10x 與 200x 的差分輸入通道 可選的左對齊 數(shù) 0 入電壓范圍 可選的 考電壓 連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式 通過自動觸發(fā)中斷源啟動 換 基于睡眠模式的噪聲抑制器 一個 10 位的逐次逼近型 一個 8 通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以 0V(基準。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入（ 8 有可編程增益級，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0x)/200x)或 4600x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端（ 而其他任何 入可做為正輸入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。 括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 電壓保持恒定。 腳單獨提供電源。 間的偏差不能超過 標稱值為 基準電壓，以及 位于器件之內(nèi)?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。 換結果 轉(zhuǎn)換結束后 （ 高），轉(zhuǎn)換結構被存入 果寄存器 （ 。 單次轉(zhuǎn)換的結果如下： 024式中， 被選中引腳的輸入電壓， 參考電壓。 用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器 （ 是一個高度靈活的串行通訊設備。主要特點為： 全雙工操作（獨立的串行接收和發(fā)送寄存器） 異步或同步操作 主機或從機提供時鐘的同步操作 高精度的波特率發(fā)生器 支持 5， 6， 7， 8， 或 9 個數(shù)據(jù)位和 1 個或 2 個停止位 硬件支持的奇偶校驗操作 數(shù)據(jù)過速檢測 幀錯誤檢測 噪聲濾波，包括錯誤的起始位檢測，以及數(shù)字低通濾波器 三個獨立的中斷：發(fā)送結束中斷，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷，以及接收結束中斷 多處理器通訊模式 倍速異步通訊模式 括主要三個部分：時鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器。控制寄存器由三個單元 9 共享。時鐘發(fā)生器包含同步邏輯，通過它將波特率發(fā)生器及為從機同步操作所使用的外部輸入時鐘同步起來。 送器時鐘）引腳只用于同步傳輸模式。發(fā)送器包括一個寫緩沖器，串行移位寄存器，奇偶發(fā)生器以及處理不同的幀格式所需 的控制邏輯。寫緩沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)而不會在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。由于接收器具有時鐘和數(shù)據(jù)恢復單元，它是 塊中最復雜的?；謴蛦卧糜诋惒綌?shù)據(jù)的接收。除了恢復單元，接收器還包括奇偶校驗，控制邏輯，移位寄存器和一個兩級接收緩沖器 收器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測幀錯誤，數(shù)據(jù)過速和奇偶校驗錯誤。 4 發(fā)送端系統(tǒng)設計 土壤電阻率的測量與含水量的計算 土壤電阻率是單位長度土壤電阻的平均值，單位是 歐姆 米。本測量儀采用圖6 的測量方法。 圖 6 土壤電阻率的測量 如圖 6 所示，所測土壤長度為單位米模數(shù)轉(zhuǎn)換口 輸入電壓 土壤電壓 ,參考電壓 土壤電壓加上 100K 電阻的電壓，所測土壤長度為單位米，設土壤電阻為 R,100K 電阻為 有 10 1而單次模數(shù)轉(zhuǎn)換的結果為 11 0 2 41 0 2 4 re fV C 由上 式 可以求 得土壤的電阻為 )11024(111 圖三和表 2 可得在溫度沒有極冷，含水量在 25%以下的條件下，土壤電阻的倒數(shù)與土壤的含水量基本成線性關系，求出這條關系曲線 為： 1 0 0 %)115022（含水量當土壤含水量達到 25%時土壤水分基本上飽和了，所以會維持在 25%左右。 1602 字符點陣型液晶顯示 液晶 1602 與單片機的硬件連接電路 1602 是一款最常用也是最便宜的液晶顯示屏。最多可以顯示兩行標準字符，每行最多可以顯示 16 個字符。 1602 可以顯示內(nèi)部常用字符（包括阿拉伯數(shù)字，英文字母大小寫，常用符號和日文假名等），也可以顯示自定義字符（單或多個字符組成的簡單漢字，符號，圖案等，最多可以產(chǎn)生 8 個自定義字符）。其中 1602 液晶 口為液晶顯示偏壓信號接口，通過調(diào)節(jié)電阻達到控制液晶顯示的對比度。 圖 7 1602 液晶各引腳功能 11 其與單片機的連接電路如圖 8 所示 ： 圖 8 1602 液晶與單片機連接圖 液晶 1602 漢字顯示 (1) 顯示常用字符 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器 （ 已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 41H，顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出 來，我們就能看到字母“ A” 。 顯示操作的過程： 首先確認顯示的位置，即在第幾行，第幾個字符開始顯示。也就是要顯示的地址，如圖 9 所示的顯示地址。 12 圖 9 1602 液晶顯示地址 第一行的顯示地址是 0二行的顯示地址是 0例如想要在第2 行，第 3 個位置顯示一個字符，那么地址碼就是 0編程過程中，通常編寫一個函數(shù)確定在某行某個位置顯示數(shù)據(jù)。函數(shù)需要行參數(shù) （ y） 和列參數(shù) （ x） 來確定顯示位置。程序參考如下： x,y) =y)x=|0+0 x|=0 /在第二行顯示時地址碼 +0 x); /發(fā)送地址碼 0者 0 以上地址碼，在顯示過程中，可以直接應用，至于地址碼的計算原理，這里不做描述。 其次設置要顯示的內(nèi)容，即上面提到的 的字符編碼。如果顯示“ A”，將編 碼 41H 寫入到液晶屏顯示即可。通常設置地址和顯示內(nèi)容用一個函數(shù)來完成。代碼參考如下： x,y, =y)x=|0+0 x|=0 /在第二行顯示時地址碼 +0 13 x); /發(fā)送地址碼 0者 0 /發(fā)送要顯示的字符編碼 顯示字符 “A”調(diào)用過程如下代碼： ,0,0：在第 1 行第 1 個 字符顯示一個大寫字母 A (2) 顯示自定義字符 首先取得想要的中文或者圖形的字模數(shù)組。通過字模軟件不能直接提取 5*8 點陣的字模數(shù)據(jù)，可以通過手動提取的方法。如下圖所示，對應一個字符顯示區(qū)域。每 8 個字節(jié)，組成一個點陣數(shù)組。 圖 10 日 字的點陣 “日 ”的點陣數(shù)組即為 0兩個點陣組成一個漢字取模舉例： 圖 11 車 字的點陣 14 “車 ”字取模數(shù)組為： 0將生成的點陣數(shù)組保存到 儲器中，生成自定義字符。 1602 內(nèi)部 共 64 字節(jié)。由上一步點陣提取可知，每一個字符由 8個字節(jié)數(shù)據(jù)組成。所以 64 字節(jié) 儲器能夠存儲 8 組自定義字符的點陣數(shù)組。按照 址劃分為 0第一組， 8第二組，依次類推 56第 8 組數(shù)據(jù)。把自定義字符數(shù)組按 8 個字節(jié)一組存儲到 ，程序代碼參考如下： p） i,j, /操作 命令碼 ; j=0;j # 8000000 /漢字點陣編碼 = 0“水 ” 0“分 ” 0“上 ” 0“下 ” 0“實 ” 0“時 ” 0“記 ” 0“錄 ” =0123456789; =:%./ ; 04=0,c=0,; 00,0; /延時函數(shù)，延時單位為毫秒 i,j; i=0;i8; /設置波特率 11020); r=1023.0/ /計算土壤電阻值 0*(r/2200+2); /計算含水量 if(50)50; /設置水分下限函數(shù) o,p; /設置液晶顯示模式 ) /在第一行 03 位開始顯示 /顯示漢字 “下 ” ); /顯示符號 “： ” if(000) /如果最高位大于 0 則顯示 00); ); /如果最高位不大于 0，則空一格 0%10); ); /顯示符號 “%” 32 o=; if(o) p=; p) :; :10;:0; /設置水分上限函數(shù) o,p; /設 置 1602 液晶的顯示模式 ) /在第一行 03 位開始顯示