手持式多参数环境检测记录仪设计

北方工业大学微电子系 王忠鹏 栗 明 赵治乾 宁可庆

手持式多参数环境检测记录仪设计

北方工业大学微电子系 王忠鹏 栗 明 赵治乾 宁可庆

提出了一种基于STM32系列单片机手持式多参数环境检测记录仪设计方案。采用STM32F103VCT6为控制芯片，结合温度传感器PT100和双积分土壤含水量传感器等，实现了环境相关参数的测量，测试数据可实时记录并通过段式LCD显示并存储。通过该系统的开发，可以为地理监测等相关研究人员提供测量方便，更大程度的提高监测的自动化水平及测试范围。

单片机；传感器；数字式

1.系统概述

本文提出了基于STM32系列单片机手持式多参数环境检测记录仪设计方案。该仪表主要由温度传感器处理模块、土壤含水量水分传感器处理模块、盐分传感器处理模块、A/D转换电路、电源电路、单片机系统电路、LCD显示屏等组成。系统原理图如图1所示。

本系统由+12V蓄电池供电，对PT100温度传感器的数据采集方面采用了双水臂非平衡电桥，通过检测电桥的输出电压就能够计算出电阻的变化，从而确定温度。对于土壤含的量采集是采用了电场法来采集土壤水分信号，由于土壤容积内的含水量会影响到土体的介电常数，所以通过测量插入土壤的两个电极和土壤组成的电容器的等效介电常数的转换成电信号的变化来达到测量土壤水分的目的。高压由TL494产生固定频率的PWM经一定匝数比的变压器产生，高压部分给土壤水分传感部分提供电压。土壤水分含量采样由双积分电路完成。单片机检测比较器的电平变化来确定反向积分的时间。经过计算得到土壤水分含量值，然后送入由HT1621控制的段式液晶屏显示。

表1 测试结果

图1 系统原理图

2.温度传感器PT100的处理电路实现

PT100温度传感器为正温度系数的热敏电阻传感器，本系统对PT100温度传感器的数据采集方面采用了双臂非平衡电桥，将传感器接入电桥的一个桥臂，当传感器的阻值发生变化，电桥的输出电压就会发生变化，通过检测电桥的输出电压就能够计算出电阻的变化，由于在-30℃至70℃的温度范围区间PT100的阻值变化范围为88.22Ω至127.08Ω，调整输出电压的变化范围为0至82mV。为了能够便于AD转换特将输出电压经过运放LM358进行放大，在此放大倍数为30倍，为了防止单级放大倍数过高引起的非线性误差，放大部分采用两级发大，第一级放大10倍，第二级放大3倍，输出信号接单片机的AD输入。电路如图2所示。

图2 PT100温度检测电路

图3 号的采集流程

图4 检波电路

3.水分传感器的处理电路实现

对于土壤水分的采集是采用了电场法来采集土壤水分信号，由于土壤容积内的含水量会影响到土体的介电常数，所以通过测量插入土壤的两个电极和土壤组成的电容器的等效介电常数的转换成电信号的变化来达到测量土壤水分的目的。整个信号的采集流程如3所示。

信号源方面采用高频正弦信号源（频率50MHz），解决方案采用了集成集体振荡器，将信号源发生的信号接入传感器探针，并利用峰值检波电路检测输出电压，检波电路如图4所示。

经过检波电路检测后的模拟电压信号再经过双积分AD转换器转换成数字量接入给处理器，在由处理器经过数据解析得到对应的土壤水分含量值。

图5 A/D转换原理图

图6 系统流程图

双积分式ADC的基本电路如图5左图所示，运放A1、R、C组成积分器，运放A2作为比较器。电路先对未知的模拟输入电压U1进行固定时间T1的积分，然后转为对标准电压U0进行反向积分，直到积分输出返回起始值，反向积分时间为T0。如图5右图所示，输入电压U1越大，则反向积分时间越长。整个采样期间，积分电容C上的充电电荷等于放电电荷，因而有：

由于U0及T1均为常数，因而反向积分时间T0与输入模拟电压U1成正比，此期间单片机的内部计数器计数值与信号电压的大小成正比，此计数值就是U1所对应的数字量。

4.显示模块

HT1621是有2.4～5.2V供电的段式液晶屏驱动器，是128点、内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统。段式液晶屏具有4个行(COM)及4个列(SEG)，段式液晶屏驱动HT1621的信号输出端按一定时序分别发出特定的连续脉冲，供给LCD屏的行列电极做驱动源，从而使被选行与被选列交叉位置上的液晶像素或笔段在电场作用下呈显示状态(遮光或透光)。段式液晶显示及其系统流程图如图6所示。

5.实验结果

对不同的样品进行测试，测试结果如表1。

从表1数据可以看出测量系统在不同的样品条件下表现出良好的稳定性和重复性。

6.结论

这款手持式多参数环境检测仪充分利用了STM32系列单片机的低功耗，高集成度和抗干扰的优点；因此具有功耗低，体积小，成本低，利于便携等特点，适合于多种场合下的多种环境参数的检测。

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It provides a designing project that the handheld equipment can test the parameters of environment as to the STM32 of microcontrollers.The chip model is STM32F103VCT6.Combing temperature sensor of PT100 and double integral soil moisture sensor，it can measures environment-related parameter.what is more，the test data can be saved and it will show in the LCD.All in all，by studyding the system，it is convenient for the related researchers to monitor the geographical situation and improve the range of monitoring.