基于C8051F单片机的蒸渗仪测控系统

郝迎吉，张　坤

(西安科技大学机械工程学院，陕西西安　710054)

0　引言

作物的蒸散蒸腾量是农田水分消耗的主要形式，也是农田上制定合理灌溉的重要依据，研究土壤水分的蒸发对研究作物的生长、节水灌溉等具有重要意义。目前常见的研究土壤蒸发量的方法有空气动力学法、土壤水量平衡法、蒸渗仪法、波文比能量平衡发、遥感法、涡度相关法等[1]，其中蒸渗仪法因对环境要求不高，且测量结果精确，误差较小，具有其他方法无可比拟的优越性，得到了国内外学者的普遍认可，在农业上得以广泛应用。目前国外技术较先进，但价格昂贵，维修困难；而国内的蒸渗仪测量法精度不高，稳定性不好，误差较大，在应用上不是很理想。

据此设计了一种基于嵌入式C8051F单片机的新型蒸渗仪测控系统。该系统以C8051F单片机为主控芯片，利用高精度A/D转换技术按照一定的精度将测量的模拟量转换为与之有确定关系的数字量，及时将数据传输给计算机，对数据进行处理分析，研究蒸发量对作物生长所带来的影响。

该系统主要从硬件电路电源设计、高精度A/D转换芯片等独立模块的选择使用以及软件滤波方式的选取方面来降低各模块之间的相互干扰、提高转换精度，减小误差，提高系统的测量精度。经实验验证，该设计达到了提高系统精度的目的。

1　蒸渗仪系统

1．1系统组成

蒸渗仪系统是一种装有土壤，置于田间地下，模拟农田生长环境(表面裸露或种植植物)，用来确定作物的蒸发蒸腾量或裸土的蒸发量的大型容器，通过压力或温湿度传感器实时采集土壤中的水分的重量或温湿度，进而测量出土壤中水分的变化量，可将测量出来的模拟信号转换为数字信号，经过数据初步转换处理，及时准确的传送到PC机，PC机接收到后，将这些数据进行进一步的滤波等处理，然后以曲线或表格等方式显示到界面上，供使用者分析和研究[2]。

该新型蒸渗仪测控系统主要由蒸渗箱、压力传感器、称重系统、数据采集系统和终端显示部分等组成，其中数据采集系统主要由工控计算机、数据采集器、A/D转换模块和通讯模块等组成[3]。终端显示部分由蒸渗仪主机、计算机、配套软件及备用电源组成。系统示意图如图1所示。

图1　系统示意图

系统为一种新型测量土壤蒸散量的测控系统，以8051F410单片机为主控芯片，其主要功能为：利用串行数据总线，RS232，CAN总线，高精度A/D转换技术和传感器技术等一方面能实时在线测量传感器所测量的重量值，另一方面能通过系统内部的数据存储器对测试对象进行实时记录保存，并将数据快速读取到计算机进行处理。

1．2基本原理

系统的基本原理是在农田中制作一个植物种植箱，在植物种植箱下面等距离互相成120°处安装3个高精度的压力传感器(基于三角形稳定原理，以缓解传感器长期受压疲劳)，利用压力传感器将土壤重量信号转换为电信号，由数据采集系统进行处理储存，并转换为蒸腾量，前后2次的测量值之差即就是当前时间段的蒸发量。

1．3数据采集系统

称重系统的数据可由人工控制或自动采集系统获得，自动采集系统由数据采集部分和A/D转换模块组成。通过一组称重传感器测得土壤水分的变化，然后通过放大电路放大，并通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，再将这些数字信号传输到数据采集器，数据采集器用单片机作为CPU控制板，最后将数据采集器里的数据通过RS232方式传输到计算机，然后进行处理、记录、显示和保存等。

2　系统设计

系统包括硬件和软件两部分。硬件部分主要由电源模块、主控芯片、传感器电路、A/D采集芯片、通讯模块等组成。软件部分主要由主控模块、采集模块、存储模块等组成，完成各参数的初始化设定、动态信息显示、实时传输、保存等功能。

2．1系统硬件设计

2．1．1系统的电源设计

系统对传感器采用12 V直流稳压源单独供电，对系统单片机、FS511采用独立供电，系统电源设计如图2所示，12 V电源通过限流电阻和LM324集成运放分压给FS511和单片机供电。其中，数字电源GND 为系统单片机系统电源的负端，与对应输入电源地GNDb的电位差为3．5 V，它是通过调节R41电位器使得为单片机供电的VCC与GND的5 V电源处在12 V电源的中间。电阻Rp1～Rp4为了消除运放输入端失调电压对输出的影响。采用独立供电会减少各模块之间的相互干扰，可以有效地提高系统精度。

图2　系统电源电路图

2．1．2A/D的选择使用

在A/D量程范围内，用的数字量越多，精度会越高，所以要提高系统的精度，就要充分利用A/D的量程。在FS511的电源设计上，要考虑放大倍数、基准电压等参数的选取。

系统采用24位(AD[23：0])的A/D，理论量程为00 00 00～FF FF FF，输入为-1～+1 V之间。由于第23位为符号位，所以有效位为23位，量程减少一半，为C0 00 00～FF FF FF和00 00 00～3F FF FF，当输入-1 V，对应数字量为C0 00 00，当输入+1 V，对应数字量为3F FF FF．由FS511的内部电路结构可知，包含1个和运算放大器，传感器可提供12 V电压(满量程时信号灵敏度为2 mV/V)，则传感器输出信号(SENA-AENB)范围为0～24 mV，此信号远远小于 的参考电压，为获得高精度转换，则应通过放大器放大传感器输出信号，使其接近参考电压。传感器输出信号以差分形式输入FS511，经运算放大器放大100倍后再从运放输出。其中A/D转换公式如式(1)所示：

(1)

式中：Dx为A/D的转换电压；OPO为运放输出电压；SGND为信号地；VRL为低参考电压；Vref为参考电压；Tx为传感器的差分信号输出电压；N为放大倍数。

当Tx=0 mV时，对应的转换电压为-1 V，即

(2)

可推出：

SGND=VRH

(3)

当Tx=24 mV，N=100时，对应转换电压为+1 V，即

(4)

从而推出，Vref=VRH-VRL=1.2 V，因此需将FS511的参考电压设置为1．2 V，充分使用A/D的量程，才能高精度转换，提高系统的测量精度。

2．2系统软件设计和数据处理

2．2．1系统软件设计

系统软件设计包括上位机和下位机两大类，完成各参数的初始化设定、动态信息的显示、数据处理、实时传输、显示、保存和输出等功能。下位机主要进行数据的采集，包括实时采集和间隔采集，可根据上位机发来的指令，来选择采集方式，将采集到的数据存储到存储模块中，并传送给上位机处理。

系统下位机软件设计包括主程序和串口中断服务子程序。主程序完成系统初始化任务和FS511初始化，随后进入数据采集系统，将采集的数缓存到XRAM，保存到存储模块中，通过RS232从存储模块中以实时或历史方式获得数据，传送给上位机，并由上位机软件进行处理，以表格或曲线形式显示，并保存为TXT文档，便于分析和存档。串口中断服务子程序完成接收上位机的命令并进行识别判断，将采集到的数据保存到存储卡中，并按通信协议格式发送给上位机。主程序流程图和串口中断服务子程序流程图分别如图3和图4所示。

图3　主控程序流程图

图4　中断服务子程序流程图

2．2．2数据处理

要提高系统的测量精度，除了硬件上的改善外，还需要从软件方面来考虑，经过大量实验测试，论文提出了一种改进型的递推平均滤波方法，经该方法处理后数据相对稳定，干扰减少，提高了系统的测量精度。

该方法是把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉前N个数据的算术平均值，然后对队列中新的数据进行算术平均运算，即可获得新的滤波结果，具体算法如下所示。

取N个数据为一组采样值时(如N取5，即每次总将最近的5次数据拿来进行算术平均处理)，计算公式如下：

S1=x1+x2+…+x5

(5)

(6)

(7)

经试验，采用改进型的递推平均滤波法可以充分抑制外界干扰，测量数据比较稳定，采样率适中，分辨率高，该方法提高了系统的测量精度，可以达到系统的设计要求。

3　实验结果

按照上述设计思路，在27 ℃实验环境下，压力传感器量程选用200 kg，电源选用220 V交流输入，12 V直流输出，纹波为0．5%的开关电源，对系统的稳定性和线性分别进行了多次试验，试验结果如图5和图6所示。

实验一：对已标定的0．622 kg、1．51 kg和2．132 kg的砝码进行重量测试，每2 h记录一次，连续测试24 h，记录的实测重量值如图5所示。

实验二：取不同重量的砝码(0～200 kg)，对其所使用的数字量进行测试，测试结果如图6所示。从图可知，实测值和理论值很接近，误差较小。

图5　系统稳定性测试曲线

图6　系统线性测试曲线

从以上2个实验可知，系统测量稳定性和线性度都较好，能满足系统要求。

4　结束语

系统基于C8051F单片机设计了一种新型蒸渗仪测控系统。硬件方面，系统以C8051F单片机为主控芯片，通过对电源的设计以及高精度AD转换芯片的选用来提高系统测量精度。软件滤波方面采用了改进型递推平均滤波法，该方法可以有效地滤除干扰，并很好地保证有效数据。

系统经实验室测试和现场应用测试，结果表明，该蒸渗仪测量系统能较好地测量出土壤水分重量的变化量，测量结果准确，稳定性好，能满足系统要求。

参考文献：

[1]强小嫚，蔡焕杰，王健．波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比．农业工程学报，2009，25(2)：12-17．

[2]姜峻，都全胜，赵军，等．称重式蒸渗仪系统改进及在农田蒸散研究中的应用．水土保持通报，2008，28(6)：67-72．

[3]吴运卿，罗金耀，王富庆．智能化称重式蒸渗仪系统的研制与实现．实验室研究与探索，2006，25(4)：432-434．