CN102426297A

CN102426297A - 无线多点土壤电阻率测量系统

Info

Publication number: CN102426297A
Application number: CN2011102355531A
Authority: CN
Inventors: 卢超
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: CN102426297B

Abstract

本发明公开了一种无线多点土壤电阻率测量系统，根据“电流-电压四端法”原理设计土壤电阻率测量电路，自制微型探头以减小对土壤溶质移动的干扰，而且可以高密度分布测量。系统的无线通讯电路采用nRF24L01无线模块，由该模块可构成一个“一对多”的通讯网络，由此实现对土壤电阻率的多点测量。系统采用主从式结构建立测量平台，主机完成土壤电阻率数据接收、处理、显示及存储功能，从机完成土壤电阻率数据的采集、发送功能，有效解决多点土壤电阻率实时测量的一致性问题。试验结果表明系统具有良好的稳定性和实用性，土壤电阻率与含盐量及含水量呈良好的线性关系。

Description

无线多点土壤电阻率测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量土壤电阻率的系统，具体涉及一种无线多点土壤电阻率测量系统。

背景技术

21世纪农业已达到十分发达的水平，这样的发展速度主要是依赖化肥、农药的大量使用。这些化学物质在带来农业高产的同时，也引起农业水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水生态环境恶化等诸多问题，使得农业的可持续发展严重受阻。精细农业技术正是在这种情况下应运而生。

精细农业就是一种现代化农业理念。所谓精细农业，是指基于变异的一种田间管理手段。农田里田间土壤、作物的特性都不是均一的，是随着时间、空间变化的。而在传统的、目前仍在采用的农田管理中，都认为是均一的，采用统一的施肥时间、施肥量。实际存在的差别、空间变异使得目前这种按均一进行田间作业的方式有两种弊害：第一，浪费资源，为了使贫瘠缺肥的地也能获得高收成，就把施肥量设定得比较高，那么本来就比较肥沃的地就浪费了；第二，这些过量施用的农药、肥料会流入地表水和地下水，引起环境污染。在这种情况下提出精细农业，根据田间变异来确定最合适的管理决策，目标是在降低消耗、保护环境的前提下，获得最佳的收成。精细农业本身是一种可持续发展的理念，是一种管理方式。

精细农业的核心思想就是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素(如土壤结构、地形、肥力、含水量、病虫害等)在空间和时间分布上的差异性，分析产生这些差异的原因，采取适当的调控措施，区别对待，按需实时定位管理。为了测量农作物产量和影响作物生长的环境因素在空间和时间分布上的差异性，直接测量各个因素对于低利润的农业是不现实的，为了降低检测成本，近年来人们一直在寻找一项能够综合反映各因素的指标。

要实行精细农业的最佳办法就是按照农作物的需求供应农用物质。实现这种想法的关键在于找出农作物的需求量。根据专家的长期研究发现，农作物对农用物质的需求量跟土壤的一系列属性有关，如土壤的电阻率、含水量、压实度等。要测量土壤的这些属性就必须使用方便使用的测量工具。

通过对土壤学的研究发现土壤的电阻率能不同程度的反映土壤中的含盐量、含水量、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小，借助测量土壤电阻率来评估农作物的生长环境和确定土壤的各种参数的时空分布有着重大意义。

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，单位是欧姆·米(Ω·m或ohmm)表示。土壤物理学研究表明土壤电阻率本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息。土壤里的电流传导是由潮气通过土壤微粒之间小孔而产生的。因此，土壤电阻率有以下的土壤性质所决定。

孔隙度：土壤的孔隙度越大，电阻率越小。粘土含量高的土壤要比沙质土壤有更高的孔隙度。例外的是，通常压实会减小土壤电阻率。

温度：当温度降低到冰点附近时，土壤电阻率会微弱的升高。在冰点以下时，土壤孔隙彼此之间会越来越绝缘，而整体的土壤电阻率会急剧上升。

含水量：干燥的土壤比潮湿的电阻率要大很多。电阻率适中的土壤具有适中的土壤结构，并且能够适度的保持水分，这种土壤的农作物产量最高。

含盐量：提高土壤水中的电解液(盐分)的浓度会急剧减小土壤电阻率。大多数种植玉米的土壤的含盐量都非常低。

阳离子交换能力(CEC)：矿物质土壤包含很高的有机物或者大约2∶1粘土矿物都比缺少有机物的土壤要有较高的保持阳离子(如钙、镁、钾、钠、氨或氢)的能力。这些离子存在与土壤潮湿的气孔中会和盐分一样降低土壤电阻率。

粘土层深度：粘土呈现的电阻率响应已被精确地用在预测岩土层的顶层土壤深度上。

土壤电阻率除了和上面的一些土壤属性有明确的相关性之外，土壤电阻率与作物产量之间的关系一直是研究的热点，但还是没有找到明确的相关性。

土壤电阻率的测量大致可分为实验室测量和现场测量两大类，实验室测量首先要制备土壤浸提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的电阻率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电阻率的变化。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，也是评价土壤电阻率高低的基准，但是测量过程繁琐，而且耗费较长时间，实时性差，不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量测量的要求。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种测量过程简便，而且耗费较短，实时性好的无线多点土壤电阻率测量系统。其技术方案为：

一种无线多点土壤电阻率测量系统，包括主机部分和从机部分，主机部分包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路；从机部分包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、数字电位器；从机的测量电路部分由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端，当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号，由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD转换结果发送给主机。

进一步优选，所述主机部分的单片机为STC89C52单片机，其内部有三个16位的可编程的定时/计数器。

进一步优选，所述从机采用的单片机自身带有8路10位AD。

进一步优选，所述主机部分液晶显示电路的液晶屏是HJ1602A图形点阵型液晶模块，带背光，液晶模块与单片机连接需要占用单片机的11个I/O口，单片机的P3.5、P3.6、P3.7口分别与液晶模块的RS、RW、E相连，P2口与液晶模块的RS、RW、E相连，P2口与液晶模块的数据口相连。

进一步优选，所述主机部分外部数据存储电路AT24C08采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA，电压5.5V，是一个8K位串行CMOS E2PROM，内部含有1024个8位字节，AT24C08有一个16字节页缓存器，该器件通过I2C总线接口进行操作，AT24C08由单片机的P0.6口和P0.7口控制，R1、R2是上拉电阻，AT24C08的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，只用两根线SCK移位脉冲和SDA数据/地址与单片机传送数据。

进一步优选，所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分无线通讯电路中的无线模块nRF24L01为一款工作在2.4～2.5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括：频率发生器、增强型ShockBurst^TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器哦、调制器、解调器，功率输出、频道选择和协议设置通过SPI总线接口进行设置，nRF24L01无线发射接收模块的电源设计和与单片机的连接，使用AMS1117稳压管进行稳压，以得到3.3V稳定电压，使用单片机的P0口与nRF24L01无线发射接收模块连接。

进一步优选，所述从机部分正弦波发生电路采用专用函数信号发生器ICL8038来产生正弦信号，输出信号Vsin峰峰值为5.2V，频率为330Hz输出信号端Vsin将连接交变恒流源电路输入端。

进一步优选，所述从机交变恒流源电路采用的改进型Howland电流泵电路，输出端Rsb端可以接地，交变电流源电路有三部分构成，分别是基准源、比较和输出。交流源电路的基准源Vsin是正弦信号，该信号是由正弦波发生电路产生的，输出端Rsb接负载。

进一步优选，所述从机差分电路差分信号输入端加入了电压跟随器电路。

进一步优选，所述从机有效值转换电路主要由真有效值转换芯片AD637构成，内部包括有源整流器、平方/除法器、滤波放大器、缓冲器、偏置电路，dB OUT为电平电压输出端，BUFF IN、BUFF OUT分别为缓冲器的输入、输出端。

本发明的有益效果：

(1)本发明无线多点土壤电阻率测量系统测量过程简便，而且耗费较短，实时性好；

(2)通过配置无线模块的通道和频道来实现这个“一对多”的通讯网络；

(3)从机部分的数字电位器在单片机的控制下，改变交变恒流源的输出电流，以适应不同土壤的测量；

(4)AT24C08掉电存储单元的设计，AT24C08是8KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便；

(5)无线通讯电路设计极低的电流功耗：当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

附图说明

图1是本发明系统总体设计框图；

图2是本发明主机框图；

图3是本发明从机框图；

图4是“电流-电压”四端法原理图；

图5是本发明主机总电路图；

图6是本发明无线通讯电路设计nRF24L01内部逻辑结构图；

图7是本发明nRF24L01星型网络结构图；

图8是本发明从机总电路图；

图9是本发明土壤电阻率与含盐量关系图；

图10为本发明土壤电阻率与含水量关系图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

系统总体设计框图如图1所示：系统采用主从式通讯模式，即一个主机接收，多个从机发送。通过配置无线模块的通道和频道来实现这个“一对多”的通讯网络。

如图2所示，为系统主机框图。它包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路。主机以STC89C52单片机为中心，对无线模块接收到从机发送来的数据进行简单的处理，并对从机号做识别，然后通过液晶显示数据。外部数据存储器可对数据做定时存储，以便对测量点的跟踪观测。用户对存储的数据操作可通过键盘电路来实现，如：查看数据、删除数据、是否自动保存数据等。

如图3所示，为从机框图。它包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、数字电位器。从机的测量电路部分是基于“电流-电压”四端法设计的，由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端。当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号，由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD转换结果发送给主机。由于从机采用的单片机自身带有8路10位AD，所以电路设计上省去了额外的AD转换电路。数字电位器作用是在单片机的控制下，改变交变恒流源的输出电流，以适应不同土壤的测量。

基于“电流-电压”四端法的接触式设计：

接触式设计运用了较为成熟的“电流-电压”四端法理论。这种理论的应用领域已经逐步从地球物理勘探扩展到农田土壤信息采集中，在土壤电阻率测量中得到了广泛的应用。运用“电流-电压”四端法这种理论，在测量土壤电阻率是，可以不取样，不扰动土体，可以保持原态原位连续测量，同时测量值与土壤浸提液电阻率值有着较好的相关性。“电流-电压”四端法，即测试系统包括两个电流端和两个电压端。两个电流端提供测量所需的激励信号，通过检测两个电压端的电位差换算出节点材料的电阻率。测量系统的原理图如图4所示：

由导体电阻率的定义可知，如果测量对象的截面积和长度确定，则导体的电阻率就很容易求得。然而，对于大地电阻率的测量，它恰恰是一个截面积和长度都不能确定的复杂测量

ρ = K \frac{V_{C} - V_{D}}{I} = K \frac{{ΔV}_{CD}}{I}

对象。经大量的科学研究，可以得到大地的电阻率的测量式

(1)

通过计算公式容易知道，在稳幅交变电流源输出电流一定的情况下，土壤电阻率和电压端电压差成正比关系。其中K是一个与传感器电极分布有关的系数。

参照图5本发明主机总电路图，STC89C52也是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机片内含8kbytes ISP(In-system programable)的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用的8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

STC89C52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，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

本系统下位机部分由单片机STC89C52来实现。

STC89C52的中断系统包括六个中断源，分别为：

(1)INT0-外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入

(2)INT1-外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入

(3)T0-定时器/计数器0溢出中断请求

(4)T1-定时器/计数器1溢出中断请求

(5)T2-定时器/计数器2溢出中断请求

(6)TX/RX-串行口中断请求

每一个中断源都对应一个中断请求标志位，他们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中，当这些中断源请求中断时，相应的标志分别由TCON和SCON中的相应位来锁存。对中断源的开放或屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。

STC89C52单片机内部有三个16位的可编程的定时/计数器，他们均是二进制加法计数器，当计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，表示定时时间已到或计数己终止。三个定时器/计数器均可编程设定为定时模式和计数模式两种，在这两种模式下又均可设定四种工作方式，其控制和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。定时模式下的定时时间和计数模式下的计数均可通过程序设定。通过软件写入TMOD和TCON两个8位寄存器来设置定时/计数器的操作模式和控制功能。

(1)工作模式寄存器TMOD的位定义如下表1所示：

表1

本系统只用到M1、M0的相关知识，这里只介绍M1、M0模式控制位的功能。

(2)M1、M0控制定时器T1和定时器T0的四种工作模式如下表2所示：

表2

(3)控制寄存器TCON的位定义和功能如下表3所示：

表3

(4)TCON各位的作用如下：

TF1：T1溢出标志位，当T1溢出时，由硬件自动使中断触发器TF1置1，并向CPU申请中断。

TF0：T0溢出标志位，其功能情况同TF1

TR1：TI运行控制位。可通过软件置1或清0来启动或关闭T1

TR0：T0运行控制位。其功能操作情况同TR1

IE1：外部中断1的中断请求标志

IT1：外部中断1的中断触发方式控制位

IE：外部中断0的中断请求标志

IT：外部中断0的中断触发方式控制位

液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形；而一般的字符型液晶只有两行，面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。目前市面上的字符型液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

本设计采用的液晶屏是HJ1602A图形点阵型液晶模块(带背光)。HJ1602A内置192个常用字符，通过写入字符的ASCII码值来显示相应的字符。屏幕可显示两行，每行显示16个字符。

HJ1602A液晶模块接口说明如表4所示：

表4

VDD：电源正极，4.5-5.5V，通常使用5V电压；

V0：LCD对比度调节端，电压调节范围为0-5V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度。

RS：MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；

R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；

E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。

DB0-DB7/SID：8位数据总线，三态双向。

BLA：LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；

BLK：LED背光地端。

HJ1602A液晶模块指令说明如表5所示：

表5

当模块在接受指令前，微处理顺必须先确认模块内部处于非忙碌状态，即读取BF标志时BF需为0，方可接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查BF标志，那么在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即是等待前一个指令确实执行完成。

单片机与液晶模块在通信时遵循严格的时序，才能正常工作。

[1]读状态：输入：RS＝L，RW＝H，E＝H 输出：D0～D7状态字

[2]写指令：输入：RS＝L，RW＝L，D0～D7＝指令码，E＝高脉冲输出：无

[3]读数据：输入：RS＝HR，RW＝H，E＝H 输出：D0～D7＝数据

[4]写数据：输入：RS＝H，RW＝L，D0～D7＝数据，E＝高脉冲输出：无

液晶模块电路设计主要是将主机处理后的数据显示出来，该模块与单片机连接需要占用单片机的11个I/O口，即单片机的P3.5、P3.6、P3.7口分别与液晶模块的RS、RW、E相连，P2口与液晶模块的数据口相连。

主机外部数据存储电路设计：AT24C08是一个8K位串行CMOS E²PROM，内部含有1024个8位字节，AT24C08有一个16字节页缓存器，该器件通过I²C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。数据可保存100年不丢失。AT24C08管脚描述：

A0、A1、A2：器件地址选择

SDA：串行数据/地址

SCL：串行时钟

WP：写保护

Vcc：电源

Vss：地

AT24C08掉电存储单元的设计：AT24C08是ATMEL公司的8KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

AT24C08由单片机的P0.6口和P0.7口控制，R1、R2是上拉电阻，其作用是减少AT24C08的静态功耗，由于AT24C08的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCK(移位脉冲)和SDA(数据/地址)与单片机传送数据。

无线通讯是系统设计的一个重要组成部分，主要要完成的设计任务是利用无线模块实现组网通讯功能，并应用在本系统的多点测试功能中。

无线模块nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型ShockBurst^TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器哦、调制器、解调器。功率输出、频道选择和协议设置可以通过SPI总线接口进行设置。

极低的电流功耗：当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。其主要功能特点如下：

增强型ShockBurst^TM功能

自动应答及自动重发功能

地址及CRC校验功能

无线传输速率：1或2Mbps

SPI接口速率：0～8Mbps

125个可选工作频道

很短的频道切换时间，可用于跳频

I/O可接受5V电平输入

低工作电压：1.9～3.6V

nRF24L01内部逻辑结构图如图6所示。

nRF24L01有工作模式有三种，即收发模式、空闲模式、关机模式和工作模式，由PWR_UPregister、PRIM_RX register和CE决定，见表6。

表6

nRF24L01对数据包的处理方式有ShockBurst^TM和增强型ShockBurst^TM两种模式。

ShockBurst^TM模式下nRF24L01可以与成本较低的低速MCU相连。高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的，nRF24L01提供SPI接口，数据率取决于单片机本身接口速度。ShockBurst^TM模式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信，减小通信的平均消耗电流。

在ShockBurst^TM接收模式下，当接收到有效的地址和数据时IRQ通知MCU，随后MCU可将接收到的数据从RX_FIFO寄存器中读出。

在ShockBurst^TM发送模式下，nRF24L01自动生成前导码及CRC校验。数据发送完毕后IRQ通知MCU。减少了MCU的查询时间，也就意味着减少了MCU的工作量同时减少了软件的开发时间。nRF24L01内部有三个不同的RX FIFO寄存器(6个通道共享此寄存器)和三个不同的TX FIFO寄存器。在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU可以随时访问FIFO寄存器。这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送，并且可以应用于MCU硬件上没有SPI接口的情况下。

增强型ShockBurst^TM模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，如图7所示。每一个数据通道使用不同的地址，但是共用相同的频道。也就是说6个不同的nRF24L01设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式的nRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的nRF24L01可以对这6个发射端进行识别。数据通道0是唯一的一个可以配置为40位自身地址的数据通道。1～5数据通道都为8位自身地址和32位公用地址。所有的数据通道都可以设置为增强型ShockBurst^TM模式。

根据两种数据处理方式的特点以及系统设计需求，本系统无线通讯的数据处理方式选择增强型ShockBurst^TM模式。如果从机数在6个以下，则可在同一频道下配置不同的数据通道实现组网，如果从机数在6个以上，需要进行跳频，在不同的频道下分别配置不同的数据通道以扩大组网数量。

nRF2401的所有配置工作都是通过SPI完成，共有30字节的配置字。本系统nRF24L01工作于增强型ShockBurst^TM收发模式，这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF24L01配置为增强型ShockBurst^TM收发模式的器件配置方法。

增强型ShockBurst^TM的配置字使nRF24L01能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF24L01工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。

增强型ShockBurst^TM的配置字可以分为以下四个部分：

[1]数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF24L01能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码；

[2]地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF24L01能够区分地址和数据；

[3]地址：接收数据的地址，有通道0到通道5的地址；

[4]CRC：使nRF24L01能够生成CRC校验码和解码。

当使用NRF24L01片内的CRC技术时，要确保在配置字(CONFIG的EN_CRC)中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。

由于本设计中采用的是nRF24L01无线发射接收模块成品，所以只需要做nRF24L01无线发射接收模块的电源设计和与单片机的连接。由于nRF24L01无线发射接收模块采用3.3V电源，而单片机采用5V电源，因此需要使用AMS1117稳压管进行稳压，以得到3.3V稳定电压。使用单片机的P0口与nRF24L01无线发射接收模块连接。

参照图8从机总电路图STC12C5608AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度要快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路。拥有4路PWM和8路10位A/D转换，广泛应用于各种电子设备及工业控制场合。

STC12C5608AD具有以下标准功能：8k字节Flash程序存储区，768字节RAM，23位I/O口线，内部集成MAX810专用复位电路，看门狗定时器，2个数据指针，六个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC12C5608AD可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

STC12C5608AD除了具备上述标准功能外，还具备一些区别于普通8051单片机的特殊功能：工作频率范围0～35MHz(相当于普通8051的0～420MHz)；I/O可设置成四种模式，即准双向口/弱上拉、强推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏模式，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不能超过55mA；ISP/IAP编程方式，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过单片机串口直接下载程序；具备EEPROM功能，可做外部数据存储器使用；4路PWM/PCA；8路10位ADC电路；SPI同步通讯接口(主/从模式)。

系统没有额外的AD转换电路，而是采用STC12C5608AD自带的A/D转换功能实现AD转换。

STC12C5608AD系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口(P1.0～P1.7)，有8路10位高速A/D转换器，速度均可达到100KHz(10万次每秒)。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电压检测、键盘扫描、频谱检测等应用。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，开发人员可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D使用的口可以继续作为I/O口使用。

需要作为A/D使用的口需先将其设置为开漏模式或者高阻输入，在P1M0、P1M1寄存器中对相应的位进行设置。具体配置见表7所示。

表7

ADC_CONTR是STC12C5608AD的A/D转换控制寄存器，其各位名称见表8。

表8

下面分别对ADC_CONTR寄存器各位的功能进行说明：

CHS2/CHS1/CHS0：模拟输入通道选择控制位，详见表9。

表9

ADC_START：数模转换器转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换，转换结束后为“0”。

ADC_FLAG：数模转换器转换结束标志位，当A/D转换完成后，ADC_FLAG＝1，要由软件清0。不管是A/D转换完成后由该位产生中断，还是由软件查询标志位判断A/D转换是否结束，当A/D转换完成后，ADC_FLAG＝1，一定要软件清0。

SPEED1，SPEED0：数模转换器转换速度控制位，详见表10。

表10

ADC_POWER：ADC电源控制位。为0时关闭ADC电源；为1时开启ADC电源。为了保证高精度A/D转换，启动A/D转换后，在A/D转换结束之前，尽量不要改变任何I/O口的状态。

A/D转换结果寄存器有两个，即ADC_DATA和ADC_LOW2，ADC_DATA是转换结果的高8位，ADC_LOW2是转换结果的低2位，共同组成10转换结果数据。

A/D转换结果计算公式如下：

(ADC_DATA[7:0]，ADC_LOW2[1:0])＝1024×Vin/Vcc (2)

Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。如果舍弃ADC_LOW2的低2位，只用ADC_DATA寄存器的8位，则A/D转换结果为8为精度，转换结果计算公式如下：

ADC_DATA[7:0]＝256×Vin/Vcc (3)

正弦波发生电路：通过查阅相关资料，发现正弦波发生电路主要两种，一种是采用离散元件的RC振荡电路或者RL振荡电路，另一种是采用集成函数发生器的电路。

尽管RC振荡电路的制作成本低于函数信号发生器的成本，但考虑到正弦波的低失真度和制作成功率，本系统设计采用了专用函数信号发生器ICL8038来产生正弦信号。

ICL8038波形发生器是一个用最少的外部元件就能产生高精度正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲的单片集成电路。频率的选定从0.001HZ～300kHz，可以选用电阻器或者电容器来调节，调频及扫描可以由同一个外部电压完成。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，输出由温度和电压变化范围广而决定。这个芯片和锁相环回路作用，具有在发生温度变化时产生低的频率漂移。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

从ICL8038内部结构可以看出，该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波-正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。恒流源CS1、CS2主要用于对外接电容C进行充电放电，可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流，以改变电容C的充放电时间常数，从而改变10脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在23Vs与13Vs。使两个比较器必须在大于23Vs或小于13Vs的范围内翻转。其输出同时控制触发器，使其一方面控制恒流源CS2的通断，另一方面输出方波经集电极开路缓冲器，由9脚输出方脉冲，而10脚经缓冲器直接由3脚输出三角波，另外还经三角波-正弦波变换电路由2脚输出低失真正弦波。外接电容C由两个恒流源充电和放电。若S断开，仅有电流I1向C充电，当C上电压上升到比较器1的门限电压23Vs时，触发器输出Q＝1。开关S导通，CS2把电流I2加到C上反充电，当I2＞I1时，相当于C由一个净电流I2-I1放电，此时C上电压逐渐下降，当下降到比较器2的门限电压13Vs时，R·S触发器被复位，Q＝0，于是S断开CS2，仅有CS1对C充电，如此反复形成振荡，C上电压近似为三角波，而触发器输出则为方波。当两个电流源CS1、CS2的电流分别设定为I、2I时，电容C上的充电、放电时间相等，则10脚三角波以及变换的正弦波就是对称的，方波的占空比是50％。若恒流源CS1、CS2的电流不满足上述关系，则3脚输出非对称的锯齿波，2脚输出非对称的正弦波，9脚输出占空比为2％～98％的脉冲波形。另外改变恒流源I的大小，即可改变振荡信号的频率。

本系统的正弦波发生电路，输出信号Vsin峰峰值为5.2V，频率为330Hz。RP1、RP2用于调节正弦波的失真度，使正弦波的失真最小。输出信号端Vsin将连接交变恒流源电路输入端。

交变电流源设计：在“电流-电压”四端法土壤电阻率测量原理中，土壤电阻率传感器的测量精度主要取决于稳幅交变电流流源的精度。本系统的交变电流源电路是基于Howland电流泵设计的。

常规的交变电流源采用的是并联电流负反馈电路，这种电路输出电压柔量较差，电压输出效率低，因为取样电阻要占掉很大一部分电压，并且常规的压控电流源不能实现一端接地，这也是并联电流负反馈本身的缺陷。本系统所采用的改进型Howland电流泵电路，具有较高的输出电压柔量，并且输出端Rsb端可以接地。

根据虚断原理有：

I_{o} = V_{n} \frac{R_{4} + R_{6}}{R_{4}} - (\frac{V_{P} - V_{i}}{R_{3}} \cdot (R_{3} + R_{5}) + V_{i}) / R_{7} - - - (4)

当

\frac{R_{3}}{R_{5}} = \frac{R_{4}}{R_{6}}

时，则有：

I_{o} = V_{i} \cdot \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{9}} - - - (5)

从图中可以看出调节R7就可以改变输出电流I_o；另一方面也是VCCS的输出电压柔量V_L为：

V_{L} = V_{sat} - R_{9} \cdot I_{o} = V_{sat} - V_{i} \frac{R_{6}}{R_{4}} - - - (6)

其中V_sat为运放的最大不是真输出电压。

交变电流源电路有三部分构成，分别是基准源、比较和输出。交流源电路的基准源Vsin是正弦信号，该信号是由正弦波发生电路产生的，输出端Rsb接负载。

采样电路R7接在U2A的输出且与负载串联，其阻值决定输出电流大小，U2B与U2C构成跟随器，将基准、比较和输出三部分隔离，使基准电压和输出电流更加稳定，通过仿真实验及电路实验证明，该电路输出电流为5uA，并且输出电流随负载变化的波动小于3％。

该稳幅交变电流源输出阻抗高，输出电流稳定，负载适应性强。由于交变电流源具有自动调节的特点，该系统可以适应土壤电阻率变化大的特点，而不需要人为干预系统内部参数。

差分电路设计：根据“电流-电压”四端法知，系统需要检测两电压极之间的电压差，即ΔV_CD，这就需要差分电路来实现。

输出电压为：

u_{o} = \frac{R_{f}}{R} (u_{i 2} - u_{i 1}) - - - (7)

当R_f＝R时，

u_o＝u_i2-u_i1 (8)

其中u_i1、u_i2分别是传感器电极的两个电压极电压，u_o将连接有效值转换电路。

显然，这个电路在前级做信号调整时存在一个严重的缺点，就是对于每一个信号源的输入电阻均较小，对信号源的影响较大。因此，必须对此电路做一定的改进，如图8所示，是本电路所采用的改进型差分电路。这个电路中改进的地方就是在差分信号输入端加入了电压跟随器电路，使输入电阻接近无穷大，输出电阻很小，并且电路的输入输出关系式不变。

有效值转换电路设计：有效值转换电路用于将从差分电路输出点交流信号转换成与其有真效值等效的直流信号，真有效值是交流信号的属性之一，可以反应交流信号的大小。本系统中的有效值转换电路是由真有效值转换芯片AD637配合少量外部元件构成的。

AD637是AD公司生产的真有效值-直流转换芯片，它的功能是把外部输入的交流信号有效值转换成直流信号输出，可以计算出各种复杂波形的真有效值。可以测量的输入信号的有效值高达7V，对于1vRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，当输入信号电压为100mV时，带宽标值为600kHz；输入电压为2V时，带宽标称值为8MHz。另外，AD637通过片选(CS)管脚作用，可以使静态电流从2.2mA降到350uA。

AD637内部包括有源整流器(亦称绝对值电路)；平方/除法器；滤波放大器；缓冲器；偏置电路。dB OUT为电平电压输出端。BUFF IN、BUFF OUT分别为缓冲器的输入、输出端。

本系统采用的有效值转换电路，输入信号要经过C7和R15构成的低通滤波器，用于将信号中的有效交流提取出来，滤除输入信号中的高频杂波。输出端连接单片机的P1.7口作AD转换。电容C3为平均电容，用于减小纹波信号大小，纹波信号的大小取决于C3与输入交流信号频率的大小，在输入信号频率固定的情况下，纹波信号的大小仅取决于C3。C3越大，纹波越小，但交流信号转换成有效值的时间就越长。C4、C5可以在纹波误差不变的情况下，迅速缩短转换时间。

系统调试：对本系统来说，调试步骤分以下五步进行：

(1)在搭接硬件之前，首先在仿真软件中对单片机系统的液晶显示模块，按键设置模块以及数据存储及读取模块进行了分布仿真和整体联调仿真。由于无线数据通信模块在PROTEUS中的仿真有一定的限制，此工作是在实物搭接完成后进行实物调试的。如果是硬件部分电路图的错误，则要对其修改，反复测试，直到硬件的连接完全无错，并且设计合理。整个软件仿真需在PROTEUS软件和KEILC51编译软件中进行联合调试完成。

(2)在系统的硬件部分制作出来后。首先，对单片机系统的各模块进行了详细地检测调试以及组装测试，查看制作过程中是否存在错焊、虚焊等情况，排除了焊接错误。其次，查看单片机是否能够正常工作，测试硬件部分是否能够完成其相应的功能。再次，根据无线通讯模块设计的原理图进行了实物焊接调试，测试无线模块是否正常通讯，排除硬件错误。

(3)系统从机硬件的调试是本系统调试的一个重要部分，包括对正弦波发生电路、交变恒流源电路、差分电路、有效值转换电路的调试。利用示波器观察正弦波发生电路的输出信号，调节两个失真度调节电位器，使输出的正弦信号失真度达到最小；再将正弦信号加载到交变恒流源电路上，在恒流源电路输出端接30kΩ电位器做负载，调节电位器阻值大小，用万用表测试其输出电流的变化情况，若变化较大则需改进电路；差分电路的调试是利用双路信号发生器输入相位相同，幅值不同的两组信号，用示波器测量输出信号幅值是否为两组输入信号只差，若不相等则需要电路中的电阻做进一步的修正。有效值转换电路也是利用信号发生器输入正弦信号，用万用表测其输出电压是否为输入信号幅值的1.41倍。通过上述调试过程，以确保从机硬件各子电路能够正常工作。

(4)在设计单片机系统的软件部分时，依次对液晶数据显示程序、土壤电阻率数据采集程序、按键设置程序、数据存储程序以及无线数据传输程序进行调试几部分进行多次的调试和修改。已达到显示美观、数据采集与传输稳定可靠的效果。在它们相应的开发编译环境中，对程序进行不断调试编译，直到程序能够正常运行。

(5)系统联调。在上面四步完成后，我们就必须将整个系统的硬件和软件部分结合起来，进行系统联调，检验系统能否正常运行，测试系统各项性能指标，看是否能够达到预期的要求，必要时，还要不断地修改和完善程序，直到系统能够实现预期的功能，能够投入使用。本系统的系统联调是实验室内对土壤样本进行测试，开启主从机电源，将传感器电极插入土壤，观察主机土壤电阻率值显示是否稳定，通过按键对主机的数据查看、存储和删除功能进行测试。经过上述调试过程，系统已基本达到最初设计要求。

系统的测试：在完成整套系统的调试运行后，通过实际合适的试验方法对测试系统进行标定，分析系统的性能指标，检验其功能、算法实现效果和稳定性。通过实验分析可以对本系统的研究提供较科学的评价，为进一步研究提供依据。通过以下三部分实验来进行系统测试分析：

第一部分是无线数据传输的距离及稳定性测试。

第二部分是交变恒流源的稳定性测试。

第三部分是土壤电阻率与含盐量、含盐量关系测试。

无线通讯测试：无线通讯测试分室外开阔场地和室内障碍场地两种情况进行测试，主要是要确定nRF24L01无线模块数据传输的最大距离，作为系统安装实施的依据。测试方法是从机实时向主机发送字符串“ABCD”，主机如果能接收到数据则通过1602显示接收到的数据，如果没有接收到则显示“abcd”。表11、12是室外开阔场地和室内障碍场地两种情况的测试情况。

表11

表12

从表11和表12可以得出在室外开阔场地nRF24L01的最大有效传输距离约为95m，在室内障碍场地nRF24L01的最大有效传输距离约为75m。

交变恒流源稳定性测试：利用“电流-电压”四端法测量土壤电阻率的技术难点与重点之一就是使用于传感器激励源的交变恒流源保持恒定，为了检测设计的稳幅交变恒流源的稳定性，利用可变电阻模拟土壤阻抗变化进行试验，用于测试恒流源的稳定度。

测试方法是逐渐增加可变电阻的值，用示波器观察信号幅值的变化，直至激励源两端输出电压达到正弦信号失真的临界点，并记录一些中间过程点和临界点的电阻值和电压值，然后计算出电流稳定性误差，试验测试数据如表13所示。

表13

计算电流变化的相对误差，

r＝(I_max-I_min)/I_max·100％ (9)

得r＝2.63％。

因此，在负载变化时交变恒流源的变化幅度＜3％，交变恒流源具有很好的稳定性。

土壤电阻率与含盐量、含水量关系测试：

土壤电阻率与含盐量关系测试：

为了找出土壤电阻率与含盐量的关系，在室内土槽中保持土壤的质量含水量在15％左右，人为加入等量的不同浓度的NaCL溶液以增加土壤的含盐量，待盐分与土壤充分混合后，插入从机传感器电极，开启主机接收从机数据。保持传感器电极插入深度为5cm，测量数据如表14所示。

表14

根据表14中的测试数据以含盐量为横坐标，土壤电阻率为纵坐标作数据散点图如图9所示。从图中可以看出，系统测得的土壤电阻率与含盐量之间具有良好的线性关系，含盐量越高，测得的土壤电阻率值越小。

土壤电阻率与含水量测试：室内保持土壤含盐量在0.15％左右，不断向土壤中添加水以提高土壤的含水量，待水和土壤充分混合后，插入传感器电极测量土样，开启从机接收从机数据。保持传感器电极插入深度为5cm，测量数据如表15所示。

表15

根据表14中的测试数据以含水量为横坐标，土壤电阻率为纵坐标作数据散点图如图10所示。从图中可以看出，系统测得的土壤电阻率与含水量之间具有良好的线性关系，含水量越高，测得的土壤电阻率值越小。

Claims

1.一种无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，包括主机部分和从机部分，主机部分包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路；从机部分包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、数字电位器；从机的测量电路部分由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端，当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号，由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD转换结果发送给主机。

2.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分的单片机为STC89C52单片机，其内部有三个16位的可编程的定时/计数器。

3.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机采用的单片机自身带有8路10位AD。

4.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分液晶显示电路的液晶屏是HJ1602A图形点阵型液晶模块，带背光，液晶模块与单片机连接需要占用单片机的11个I/O口，单片机的P3.5、P3.6、P3.7口分别与液晶模块的RS、RW、E相连，P2口与液晶模块的RS、RW、E相连，P2口与液晶模块的数据口相连。

5.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分外部数据存储电路AT24C08采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA，电压5.5V，是一个8K位串行CMOS E2PROM，内部含有1024个8位字节，AT24C08有一个16字节页缓存器，该器件通过I2C总线接口进行操作，AT24C08由单片机的P0.6口和P0.7口控制，R1、R2是上拉电阻，AT24C08的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，只用两根线SCK移位脉冲和SDA数据/地址与单片机传送数据。

6.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分无线通讯电路中的无线模块nRF24L01为一款工作在2.4～2.5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括：频率发生器、增强型ShockBurst^TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器哦、调制器、解调器，功率输出、频道选择和协议设置通过SPI总线接口进行设置，nRF24L01无线发射接收模块的电源设计和与单片机的连接，使用AMS1117稳压管进行稳压，以得到3.3V稳定电压，使用单片机的P0口与nRF24L01无线发射接收模块连接。

7.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机部分正弦波发生电路采用专用函数信号发生器ICL8038来产生正弦信号，输出信号Vsin峰峰值为5.2V，频率为330Hz输出信号端Vsin将连接交变恒流源电路输入端。

8.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机交变恒流源电路采用的改进型Howland电流泵电路，输出端Rsb端可以接地，交变电流源电路有三部分构成，分别是基准源、比较和输出。交流源电路的基准源Vsin是正弦信号，该信号是由正弦波发生电路产生的，输出端Rsb接负载。

9.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机差分电路差分信号输入端加入了电压跟随器电路。

10.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机有效值转换电路主要由真有效值转换芯片AD637构成，内部包括有源整流器、平方/除法器、滤波放大器、缓冲器、偏置电路，dB OUT为电平电压输出端，BUFF IN、BUFF OUT分别为缓冲器的输入、输出端。