基于AT89S52的土壤温湿度采集系统设计

江涛 刘峰 李晖 常硕 舒怀

摘 要：为分析土壤湿度与土壤温度相关性。该文设计了一种以单片机AT89S52为主控核心，采用MS10AAA土壤水分传感器为数据采集模块，设计了一种采集土壤温湿度装置。

关键词：土壤温湿度；AT89S52；MS10AAA传感器

湖南省是农业大省，地质以山地、丘陵为主，土壤结构复杂。2010至2011年，为做好新增千亿斤粮食气象保障工程，湖南省气象局在粮食主产区建设60个基于FDR原理的自动土壤水分观测站，实时监测土壤湿度。在运行的三年时间里，土壤水分观测存在着观测数据不能反应真实土壤墒情的问题，给相关业务、科研工作造成了很大的困惑。经比较分析自动土壤水分观测站观测数据和人工取土测量数据，分析自动土壤水分观测原理与标定方法，并与设备研制厂商沟通，发现存在的问题主要是由于湖南省土壤结构差异性较大，导致通用性土壤湿度算法不能很好的反映真实土壤湿度变化。为合理调整土壤湿度测量算法提供依据，做好自动土壤水分观测站的技术保障，湖南省气象技术装备中心开展了传感器实验室标定参数研究、自动土壤水分观测田间标定方法研究、数据质量控制研究等一系列科学研究。

依据FDR测量原理，温度的不同也对土壤数据产生影响，为做好温度对土壤湿度影响的研究，并提供一套简易采集土壤墒情的观测设备。该文设计并研制了一套观测土壤温湿度装置，为相关研究工作开展提供测量手段。

一、MS10AAA传感器

MS10AAA传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。通过测量土壤介电常数来反演真实的土壤水分含量。MS10AAA直接测量土壤容积含水率，适合于土壤墒情监测、科学实验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、精细农业等。

MS10AAA传感器利用FDR测量原理，将土壤容积含水率经过信号调理电路转换为0-2V可测电压，作用区域为以中央探针为中心，直径、高分别为7CM的圆柱体。换算方法为：容积含水率=0.5×电压值×100%。

二、系统总体结构

系统总体结构如图1所示，以AT89S52单片机为核心，由MS10AAA土壤湿度传感器、电源、LCD显示、UART串口等模块组成。当系统通电后，土壤湿度传感器将表征土壤湿度的电压信号送至模数转换电路ADC，经模数转换后的数字信号传送到单片机，经单片机处理后通过LCD显示，实现数据测量。通过UART端口将温湿度信息发送到终端计算机，实现信息的收集与存储。

三、硬件系统主要部件设计

1.AT89S52最小系统设计

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，8个中断源，全双工UART串行通道，双数据指针，片内晶振及时钟电路。

AT89S52单片机要正常工作，必须配置其外围电路，单片机最小系统如下图2所示。

2.MS10AAA数据采集通道电路设计

MS10AAA输出的模拟电压信号送到MAX197模数转换芯片，MAX197的D0-D7将转换后的数字信号传送到AT89S52的P0.0-P0.7口，MS10AAA数据采集电路如下图2所示。P0.0-P0.7既可输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果。SHDN脚接高电平，设置MAX197为软件设置低功耗工作方式。REFDJ接高电平，设置ADC参考电压为外部输入。AT89S52的P1.0脚用于判断高、低位数据的选择，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚与AT89S52的P3.2脚（INT0）相连，以便实现中断，读取转换结果。MAX197有8个通道，如果要采集8层土壤温湿度，可用2片2选1模拟开关实现。

在电路设计过程中，为减小信号干扰，AGND和DGND相互独立，各种电源与地之间都用0.1uF电容消除电源的纹波。

3.LCD显示电路设计

该电路设计采用带中文字库的128×64点阵图形液晶显示模块，可完成图形显示和8×4汉字（16×16点阵）显示。本电路采用间接控制方式，利用AT89S52的I/O口实现与显示模块的通信，即将液晶显示模块的数据线与单片机的P2口连接作为数据总线，另外3根时序控制信号线利用P1口未利用的I/O口来控制。LCD12864与AT89S52的接线原理如图4所示。

4.UART串口设计

AT89S52内置串口电路（TTL电平，+5V为高电平，0V为低电平）。计算机串口为RS-232C电平，高电平为+12V，低电平为-12V。为实现单片机与PC通信，需要完成以上两种电平的转换。本设计中采用MAX232转换芯片。电路如下图5所示。

5.存储电路设计

AT89S52单片機具有8KFlash，为增大数据存储容量，该电路采用CAT24WC16存储芯片设计了一个16K的外置存储器。CAT24WC16是位串行CMOSE2ROM，可通过I2C总线接口进行读写。CAT24WC16外围配置电路如下图6所示。

四、系统软件设计

系统软件设计采用标准C语言，包括数据采集、数据处理、数据显示和数据传输等功能。实际应用时，系统把采集到的模拟电压信号转换为土壤温湿度并进行实时显示，软件部分包括主程序、数据采集、数据处理、数据显示和输出通信等子程序。系统主程序按照业务操作流程调度各子程序模块，实现系统软硬件资源的整体管理。系统主程序流程如图7所示。

五、结语

该系统采用抗干扰能力强、功耗低的AT89S52单片机，配合高度集成的土壤湿度传感器和应用系统软件，可实时获取土壤表寸以下2M范围内的温、湿度数据，价格适中，比较适合需要监测土壤墒情的地方，具有很好的应用前景。

参考文献：

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作者简介：江涛（1983-8-），湖南省气象技术装备中心，工程师，研究方向：综合气象观测。