安徽农业科学，JoarnalofAnhuiAsri．Sci．2008。36(8)：3470-3472责任编辑姜丽责任校对嚣淼
基于AVR单片机的土壤水分检测系统设计
李立(宣春学貔数诤学藏，敬嚣宣誊336000)
摘耍提出了将避红外传感岛AVR单片机控制技术相结合来测量土壤含水量的设计方法。谈方法具有非接触式、功耗小、便携、速
度快等特点。
关键溺近红跨；AVR；合拳蘩；光纡簧感器；裣铡
中圈分类号S152．7+l文献标识码A文章编弩0517—661l(2008)08—03470-03
Desi歙l心SoilMoistureMonitorSystemBasedonAVRMicrocontroller
LILi(InstituteofMathematicsandComputationalSciences菇YichunUniversity,YichumJiangxi33潲)
AbstractAsoilmoisturemeasurementdesignmethodwasputforwardbasedOilnear-infraredsensol§andAVR．AccordingtOmep秭ncipleof
differentsoilmoistureabsorbingdifferentlight．thesystemcontrolledopticalmodulmionwithAVR．LightemittothemeasuredsoiIthroulgh
transmission《threeprobeopticalfibersensorbeam．ThereflectedhghtinputAVRafterphotoelectricconversion，amplification．AVRgained80il
moistureafterMDconversion。强esystemhadthecharacteristicsofnon-contactmeasurement，lowenergy，portability，fastresponseandSOon．
KeywordsNearqnfrared；AVR；Moisture；Fibersensor；Monitor
近红外测量是快速测量水分的方法之一。其原理是
豢j耀被测耪震中熙含承分对特定红终波长酶吸收，不鞠拳
分对应不同的吸收光强，从而得到光强与水含量之间的关
系【lJ。圈前，国内外近红外水分仪，采用发光功率大、谱线宽
的钨丝灯终光源，弄矮其继分毙器件滤趱承分吸收波长积
参考波长后进行测量。该仪器功耗大．光路复杂，体积大而
且昂爨。为此，笔者提出了近红外传感与AVR控制技术相
结合采测量±壤会水量的设计方法。
1理论依据
1．1光纤调制原理传统的反射式强度调制型光纤传感
器如阁1所示。熬个传感器系统包括激光源S、光纤传感
头，荦色滤波菏翻光电接}|受器D。光纾传感夹麦发射巍纾
和接收光纤组成嘲。光源s发出的光经滤波、发射光纤至被
测物表面，反射光由接收光纤接收，最后凼光电接收器D将
接收到的竞转换藏电信号。潦光源功率黻及光纾探头纛反
射面之间的距离保持不变时，接收光纤接收到的一定波长
的光强和该波长的入射光强的比值与物质的含水量存在对
应关系。穰据检测蓟的光强髂号，蠖可推算塞含忒璧。这静
光纤传感器的主黉缺点是翔光源激励不稳定时，容易造成
光源光功率的变化，从而造成测量误差。另外，反射体表面
反射率的不同，以及光在光纤中的传输损耗，都会慰位移的
测量带来误差。因此，提出3探头光纤传感器李}徵测量法，
图l发射式强度调制型光纤传感器
Fig．1Reflectiveintensitymodulatedfiber帕pticSell$or
作者簿介李立(1966-)，男，天津人，截教授，从事单片瓿研究与教学
工作。E—mail：ganhui_56@163．com。
收稿日期2007．1l+19
以消除测量环境中备种不稳定因索的影响。
1．23探头光纡束赞感器枣}偿测囊法原理囊予传统的反
射式强度调制型光纤传感器使用单根光纤发送和接收的光
能量非常的微弱，因此采用由数千根光纤组成的光纤束来
发送和接收光，并增加一路参考毙路，组成3探头的光纤寨
传感器，如图2所示。根据光谱分祈理论，波长隽1300rim
的光不能被物质中的水分有效地吸收，只跟被测物质除
水分外的因素有关，可作为参考波长。面波长为1450am
的光既与谈溺物质的承分含量有关，又与物蕨除承分箨醵
因素有关，可作为测量波长。因此，由发光二极管Dl、D2分
别发出强度相同，波长分别为1300、l450nm的光入射到
光纤，反射詹由D3导出，再遥过分竞元箨程滤波冀分鬻出
不同波长的光，其光强比值即反应含水量的大小。这种光纤
探头无间隙紧密排列，光纤尺寸、光路相同，易于做成带状
能童魂毒}偿光源强度秘反射率以及嚣境等因素变鼗对测量
精度的影响。
D3■卜
D1，◆
D23◆
瞬23探头光鍪f束传感器
Fig．2Opticalfibersensorwiththreeprobes
2硬件设计
2．1系统浚诗检溯装置由CPU、3探头巍纤来传感器、放
大电路、LCD、键盘、Y型分光器、报警部分、滤波片等组成
(图3)。其工作过程怒：固化在CPU中的程序使其I／O脚控
裁LCD驱动电路产生10kHz的参考波长秽测量波长，经3
圈3装溅络构
Mg．3Devicestructure
曰口
万方数据
36卷8期李立基于AVR单片机的土壤水分检测系统设计3471
探头光纤束传感器分别把测量光、参考光照射到被测物上；
反射光导人Y型分光器，通过滤波片后，2束不同波长的光
分别进入对数、差动放大转换成电信号；再输入CPU进行
加转换及数据分析，并将结果显示在LCD上。
22控制电路与传感器设计控制电路由CPU．RAM．74LS373、
LCD、键盘、发光二极管等器件组成(图4)，传感器结构如图
2所示。CPU采用ATMEL公司的高端处理器ATMEGAl28，
是高性能、低功耗的8位嵌入式处理器，采用先进的PdSC
图4电路设计
Fig．4Circuitdesign
结构，工作于16MHz，性能高达16MIPSi3】。利用定时器0控
制PD2引脚产生周期是10kHz的方波控制光源。由于AVR
内部集成128k可编程FLASH，可擦写10000次，因此不需
扩展程序存储器，大大节省了电路板的制作面积，提高了集
成度；RAM采用8kx8k的6264存储芯片。CPU与RAM之
间用74LS373锁存。显示部分由122dx32d图形点阵式液
晶EWl2A03GLY组成，液晶的读写引脚E1、E2、A0分别由
CPU的PBl、PB2、PBO控制。VLED、VLSS为液晶提供屏背
光电压。由于ATMEGAl28内部集成高精度10位A／D转
换，因此，不需要另外增加A／D芯片。差动放大的输出经滤
波后接至ATMEGAl28的ADCi(i=0。7)进行AfD转换。
2．3光电转换及对数放大电路设计采用响应度0．9的
PIN光电探测器接收，使光功率转化为光电流。使用对数放
大器AD8304，可以直接与光电探测器相连，消除二次转化
带来的误差，如图5所示。
2．4差动放大电路设计为了最大限度地抑制噪声和零
．
’
Cl
图5对数放大电路
Fig．5Logarithmicamplificationcircuit
点漂移以及得到2柬光强的比值，再加一级差动放大电路，
如图6所示。2路光信号D1、D2经对数放大后输入差动放
大器AD620，从而得到lg(D1／D2)。
图6差动放大电路
Fig．6Differentialamplifiercircmt
AD620具有较高的输入阻抗和共模抑制比，易于使用，
无需调节，使用时只需在1脚和8脚间接一精密电阻即可，
可选用精度0。1％的金属膜电阻。Cl、C4起到降低高频噪声
的作用。由于2路对数放大电路不可能完全对称以及光路
本身的特点，需调零以校正基值。AD620将有用信号放大的
同时也会放大无用信号，此时再进行调零可提高调零精度。
调零电路由精密稳压源MAX6033和MAX400组成的放大
电路构成。
3软件设计
软件结构主要由主程序、中断子程序及显示程序等模块
组成，程序流程如图7所示。基本流程是：按下启动键，系统
在PD2产生10kHz的脉冲调制光源，使光源发出相同频率
的脉冲。AVR通过MUXO、MUXI、MUX2选择ADCi进行转
万方数据
安微农业科学2008生
I开始I
I。1
．．．．．．．．．．．!I_：．．．．．．一初始化RAM。
LED
堡而西爰丽
开中断
=丁一———丑L一
等待中断
读取数据
存储数据
等影—1
蔫
显示测量结果
4结论
采用该系统对硬土样品不同区域进行测试，利用MATLAB
软件对测量结果与土壤水分仪TDRl00的结果进行拟合比
较，结果如图8所示。结果表明，该系统测量结果较好地反
映了土壤的含水量，具有检测功耗小、便携、速度快等优点。
牟耋兰丁《2
主程序中断程序
图7程序流程示意
矾g-7Programflowchart
换，不断检测ADIF标志位，当转换完毕后，ADIF置1并申
请中断。在中断程序中将ADC产生的10位结果ADCH和
ADCL进行存储，采样10次后，停止采样和脉冲发送。分析
采样数据，如果测量值超出安全临界值则声音报警提示，同
时将测量结果显示在LED上，并返回主程序继续等待下一
次测量中断。
L30
1．20
7891011121314151617
捧务Moisture{}％
图8测量结果的拟合曲线
Fig．8Fittingcurveofthemeasurementresults
参考文献
【l】何挺，王静，程烨．土壤水分光谱特征研究【J】．土壤学报，2006，43
(6)：1027—1032．
[2】2顾聚兴．近红外光谱仪fJ】．红外，2007，28(5)：14．
【3】李长林．AVR单片机应用设计【M】．北京：电子工业出版社，2005：20-
1RS
·+—+一+-+—+一—卜—+-+一+一+-+—+-+—+-+-+-+—+-+-+-+·-''4--+--",1----+-+一+。+-+-+-+-+-十’十-+’十。。卜’‘。卜。—卜。—●一’十’—卜’。卜’1卜’十’‘卜。—f一
(上接第3413页)力；为非公有制经济参与平等竞争营造良好的社会环境，在
(2)优化第三产业的内部结构，增加劳动密集型及非公投资规模、银行贷款、税收征管、审计监督等方面，创造有利
有制部门的比重。第三产业发展水平是一个国家产业结构于不同所有制企业公平竞争、共同发展的环境。
调整和升级的基本标志，同时它还具有行业多、门类广、服参考文献
务要求高、劳动密集等特点，对吸纳更多的劳动力就业有着【l】惠宁．农村剩余劳动力转移理论研究述评【Jj_西北大学学报：哲学社
无可替代的重要地位和作用。从劳动力需求的实际情况看，
批发和零售贸易、餐饮业和社会服务业具有劳动密集程度
高和市场化程度高的特点。已经成为农村剩余劳动力就业
的主要渠道。因此，依据河南第三产业的发展状况，目前既
要大力发展第三产业，更要优化第三产业的内部结构，增加
劳动密集型及非公有制部门的比重，以实现产值与就业的
协调增长。一是要着重发展以国内旅游为主体的旅游业，以
生活服务、卫生保健、文体娱乐、婴幼儿教育、养老托老等为
重点的社会服务业，以连锁经营、物资代理和配送制等业务
为代表的新型流通业等；二是要盘活资产，增强吸纳就业的
能力，制定非公有制经济长期发展规划，以相应的优惠政策
扶持、鼓励非公有制经济广泛吸收社会上不同层次的劳动
会科学版，2005(4)：32—37．
【2】陈吉元，胡必亮．中国的三元经济结构与农业剩余劳动力转移【J】．经
济研究，1994(4)：14—22．
【3】3李勋来，李国平．农村劳动力转移模型及实证分析啪．财经研究，
2005(6)：80—85．，
f4】景普秋，陈带军．中国工业化与城市化进程中农村劳动力转移机制
研究【J1．东南学术，2004(4)：24—28．
f5】陈宗胜，吴浙，谢思全，等．中国经济体制市场化进程研究【M】．上海：
上海人民出版社，1999：146．
【6】金玉国．宏观制度变迁对转型时期中国经济增长的贡献【J】．财经科
学，2001(2)：12—17．
f7】樊剐，王小鲁．中国市场化指数[M】．北京：经济科学出版社，2004：56．
【8】8陆学艺．当代中国社会流动【M】．北京：社会科学文献出版社，2004：
113．
[9】王文博．包含制度因素的中国经济增长模型及实证分析fJ】．当代经
济科学，2002(2)：33—37．
GB，r7714-2005著录用文字
(1)文后参考文献原则上要求用文献本身的文字著录。
(2)著录数字时，须保持文献原有形式，但卷期号、页码、出版年、版次等用阿拉伯数字表示。外文书的版次用序数词的缩写形式表示。
(3)个人著者，其姓全部著录。而名可以缩写为首字母；如用首字母无法识别该人名时，则用全名。
(4)出版项中附在出版地之后的省名、州名、国名等以及作为限定语的机关团体名称可按国际公认的方法缩写。
(5)西文期刊刊名的缩写可参照IS04{信息与文献——出版物题名和标题缩写规则》的规定。
(6)著录外文文献时，大写字母的使用要符合文献本身文种的习惯用法。
万方数据
基于AVR单片机的土壤水分检测系统设计
作者：李立，LILi
作者单位：宜春学院数计学院,江西,宜春,336000
刊名：安徽农业科学
英文刊名：JOURNALOFANHUIAGRICULTURALSCIENCES
年，卷(期)：2008，36(8)
被引用次数：0次
参考文献(3条)
1.何挺.王静.程烨土壤水分光谱特征研究[期刊论文]-土壤学报2006(06)
2.顾聚兴近红外光谱仪2007(05)
3.李长林AVR单片机应用设计2005
相似文献(2条)
1.期刊论文甘辉.张水香.刘健.GANHui.ZHANGShui-xiang.LIUJian基于光纤传感器的烟草水分检测系统-仪表
技术与传感器2009,""(3)
介绍了一种将近红外传感与AVR单片机控制技术相结合来测量烟草含水量的设计方法.根据烟草不同含水量对光强吸收不同的原理,利用AVR单片机对
光进行调制,通过三探头光纤束传感器传输,照射到被测烟草,反射光由光电转换、对数、差动放大后,输入AVR单片机,经A/D转化后计算出含水量.系统具
有非接触式、功耗小、便携、速度快等特点.
2.期刊论文甘辉.曾文武.颜顺林.GANHui.ZENGWen-wu.YANShun-lin基于光纤传感器的纸张水分检测系统设计
-光通信技术2008,32(7)
介绍了一种将近红外传感与AVR单片机控制技术相结合来测量纸张水分的设计方法,设计了适合测量的光纤传感器模型.根据纸张不同含水量对光强吸
收不同的原理,利用AVR单片机对光进行控制,通过三探头光纤束传感器传输,照射到被测纸张,调制后的反射光由光电转换、对数、差动放大后,输入AVR单
片机,经A/D转化后计算出含水量.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ahnykx200808189.aspx
授权使用：湖州师范学院(hzsf)，授权号：78ceba14-d437-4b0b-9c1b-9e1001121422
下载时间：2010年10月15日
|
|
