土壤湿度计设计

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二Ｏ一二 年 十二 月 二十 日

土壤湿度计设计

摘要：本文主要讨论基于AT89S51单片机的以HS1101作为前端湿敏元件的土壤湿度检测

系统。本系统采用层次化、模块化设计，以HS1101湿敏芯片的传感器作为测量的器件，所得到的数据经过NE555振荡电路处理并通过LM393进行放大后，通过ADC0832模数转换器件接入到AT89S51单片机，继而经过单片机的处理在LCD1602中显示出来。本文在设计过程中主要做了以下几个方面的工作：一是讨论并选择系统的总体设计方案；二是对传感器、A/D转换器和单片机进行设计和选择。

关键字：土壤湿度 ；HS1011 ；AT89S51；A/D转换

1 引言

湿度，被定义为表示大气干燥程度的物理量。即在一定的温度下在一定的体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥;水汽越多，则空气越潮湿。湿度测量技术的发展已有200多年的历史，人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制成了毛发湿度计。但是人们对于湿度传感器中的湿敏元件的认识，是从1938年美国F.W.Dunnore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始的。

土壤湿度表示一定深度土层的土壤干湿程度的物理量。又称土壤水分含量。土壤湿度的高低受农田水分平衡各个分量的制约。

土壤湿度决定农作物的水分供应状况。土壤湿度过低，形成土壤干旱，作用光合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；严重缺水导致作物凋萎和死亡。土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，使作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍，从而影响作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等。土壤水分的多少还影响田间耕作措施和播种质量，并影响土壤温度的高低。

农业生产在我国的经济发展中具有重要地位，为农业生产提供及时、可靠的技术服务已成为气象部门的重要职责之一。随着国家各级政府对农业生产的日益重视，各科研单位也在服务农业、促进农民增收等方面开展了许多研究．对农业生产中的各项问题也进行了广泛调研。调研发现，园艺栽培、温室花卉、大棚蔬菜等的某些名贵品种，对土壤湿度有着极高的要求，土壤湿度不当时，不仅严重影响其正常生长，甚至会导致种植品死亡，造成农民的严重损失。为此，从事该类农业生产的农民朋友非常需要一种成本低、体积小且检测可靠的土壤湿度检测仪，为水分供应提供依据。为了解决以上问题，本文设计了高稳定性、低成本的微型土壤湿度检测仪。

2 系统组成及工作原理

本文设计的土壤湿度计系统组成如图1所示。其系统组成包括电源稳压模块，湿度传感器检测模块，信号放大模块，A/D转换模块，MCU模块与LCD显示模块。

图1 土壤湿度计系统组成框图

该系统的工作过程为：土壤湿度传感器将湿度信号送至NE555多谐振荡器，进而产生与湿度信号相对应的电压信号，然后电压信号经过LM393信号放大模块进行放大，经模数转换后，所得数字信号送入单片机进行数据处理，最后将得出的结果发送到微型液晶显示器进行显示。

电源模块

复

位 电路

AT89S51单片机

LCD 显示 模块

模数转换器 信号放大模块 多谐振荡器 湿度传感器

3 系统的硬件设计

系统的整体硬件原理图如图2所示。

VCCU1J121GNDV+V+1234C2C110uf104GNDENININTPS7350RSTSENSE/FBOUTOUT8765C310ufR3100RSTVCCR1250KR24K7D1VCC5V稳压C4104S1VCCR6U21234VCCR51KNE555NGNDVCCTRIGDISCOUTTHRRSTCVOLTHSOUT8765R7U4HS1011C5909kVCCR9R10R11R12R13R14R15R1610K10K10K10K10K10K10K10KP10P11P12P13P14P15P16P17RST12345678910111213P34141516171819GND20AT89S51P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7RXD/P3.0EATXD/P3.1ALEINT0/P3.PS2ENINT1/P3.3P2.7T0/P3.4P2.6T1/P3.5P2.5WR/P3.6P2.4RD/P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0AT89S51C1540pU5ADC0832P341OUTA234CSCH0CH1GNDVCCCLKD0D18765VCCU6P10P11P11C1630p40VCC3938373635343332313029282726252423P2222P2121P20576kR849.9kR447KOUTAHSOUTR341K1234U3LM393OUTAVCCIN A-OUTBIN A+IN B-GNDIN B+LM39314M8765VCCY1LCD1602GNDVCCED1D2D3D4D5D6D7DL8+R12345678910111213141516RL-VLRSRWADC0832GNDVCCGNDP20P21P22P10P11P12P13P14P15P16P17VCCGND

图2 系统整体硬件原理图

3.1 电源稳压模块

对于任何系统能量供应是其运行的基本，由于外界外接电源会出现电源波动等因素，因此，本系统为单片机供电系统进行了稳压设计，系统采用了5V稳压芯片TPS7350进行稳压，

这样单片机就能保证其供电系统的稳定性。其稳压模块原理图如图3所示。

U1J121GNDV+V+1234C2C110uf104GNDENININTPS7350RSTSENSE/FBOUTOUT8765C310ufVCCR1250KVCC5V稳压图3 5V稳压原理图

3.2 湿度检测模块

3.2.1 湿度测量电路

HS1101电容传感器，实物图如图4所示，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测环境湿度的增大而增大。HS1101湿度电容器具有的电容值与环境湿度的响应曲线如5所示，从响应曲线图上我们可以看出，HSll01具有极好的线性输出，可以近似看成相对湿度值与电容值成比例。因此在测量过程中，采集电容值即可。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,若计算机可以读取电压频率信号，则可直接被计算机所采集。本文采用第二种方法，即通过计算机读取电压频率信号得到环境的温度值，对于HS1101湿度传感器，接入到555定时器后输出的电压频率与环境湿度的典型值如表1所示。

图4 HS1101实物图

图5 湿敏电容湿度-电容响应曲线 表1 电压频率与环境湿度的典型值

F RH 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3.2.2 NE555时基电路

NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压范围为：4.5V~16V。

把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图6所示。NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。

VCCR6U21234VCCR51KNE555NGNDVCCTRIGDISCOUTTHRRSTCVOLTHSOUT8765R7HS1011C5909k576kR849.9k 图6 湿度检测模块原理图

当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；又由于C5两端电压为0,故VCC通过R8和R6对5充电,当C5两端电压达到2VCC/3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电

容C5通过R6和内部放电BJT进行放电,当C5两端电压降低到VCC/3时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT 截止, VCC又开始通过R8和R6对C5充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为

Ts?0.7(R8?R6)C5

放电时间为

T1?0.7R6C5

输出脉冲占空比为

q?R8?R6

R8?2R6为了使输出脉冲占空比接近50％,R8应远远小于R6。当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。

图6中的电阻R5与555的频率输出引脚相连，起输出短路保护作用，防止输出电流过大。电阻R7是用作555定时器内部温度补偿的，其应该具有1％的精度。由于不同型号、不同厂家生产的555芯片内部温度补偿有一定的差别，因此对于不同型号的555芯片，电阻

R7的取值也有所不同。同时为了保证555定时器在55％的相对湿度时输出频率为6660Hz，R6也需要作一些微调。这里采用的是德州仪器生产的NE555，R7和R6取值分别为909K和

576K。

555定时器的输出信号经过放大模数转换后，接入到单片机的定时输入引脚，单片机可以计数出每秒钟内输入的脉冲个数，即为555定时器输出的振荡频率。

3.3 信号放大模块

由于由NE555得到的湿度电压信号较微弱，因此设计了信号放大模块，通过LM393运算放大器将得到的微弱的湿度电压信号进行放大，然后送到模数转换模块。其原理图如图7所示。

R447KOUTAHSOUTR341K1234U3LM393OUTAVCCIN A-OUTBIN A+IN B-GNDIN B+LM393

图7 信号放大原理图

8765VCC3.4 A/D转换模块

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。 ADC0832的特点 · 8位分辨率； · 双通道A/D转换；

· 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； · 5V电源供电时输入电压在0~5V之间； · 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS； · 一般功耗仅为15mW；

· 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；

· 商用芯片温宽为0°C to +70°C，工业芯片温宽为?40°C to +85°C； 芯片接口说明：

· C\\S\\ 片选使能，低电平芯片使能。 · CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 · CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 · GND 芯片参考0 电位（地）。 · DI 数据信号输入，选择通道控制。 · DO 数据信号输出，转换数据输出。 · CLK 芯片时钟输入。

· Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数

据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 本系统采用的ADC0832原理图如图8所示。

U5ADC0832P34OUTA1234CSCH0CH1GNDADC0832VCCCLKD0D18765VCCP10P11P11

图8 模数转换模块原理图

3.5 MCU模块

所谓的单片机就是把中央处理器CPU、存储器ROM/RAM、输入输出接口电路以及定时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机――单片微型计算机。由于单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、可靠性高、价格低廉、易于开发应用。

AT89S51是美国ATMEL生产的低功耗、高性能CMOS八位单片机，片内含4 Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用八位微处理器于单片机芯片中，该单片机的功能强大，出色地表现在以下几方面：①为一般控制应用的八位单芯片；②晶片内部具时钟振荡器，最高工作频率可至12 MHz；③内部程式存储器(ROM)为4 KB；④内部数据存储器(RAM)为128 B；⑤32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I／O的控制，五个中断向量源；⑥两组独立的16位定时器；⑦单芯片提供位逻辑运算指令。此外AT系列单片机可以应用到各种领域，基于上述几方面，采用低价位AT89S51单片机为本系统的控制核心。

HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的双列直插（DIP）方式，CHMOS制造工艺的80C31/80C51除采用DIP封装方式外，还采用PLCC方形的封装方式。图9是所选用的单片机AT89S51。

U4AT89S51R9R10R11R12R13R14R15R1610K10K10K10K10K10K10K10KP10P11P12P13P14P15P16P17RST1234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7RXD/P3.0EATXD/P3.1ALEINT0/P3.2PSENINT1/P3.3P2.7T0/P3.4P2.6T1/P3.5P2.5WR/P3.6P2.4RD/P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0AT89S51C1540pC1630p40VCC3938373635343332313029282726252423P2222P2121P20VCCP34Y1GND14M

图9 MCU单片机模块

AT89S51单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种各样的微小操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。复位对单片机来说，是程序还没开始执行，是在做准备工作。

本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。这样使用起来比较方便，就算是在程序“跑飞”时，也可以手动复位，不用再重起单片机电源。其电路图如图10。

VCCR24K7D1RSTR3100C4104S1

图10 复位电路

3.6 LCD显示模块

显示器件采用微型液晶显示器1602LCD。其性能特点是：工作电压仅需4.5—5.5V：功耗非常低(工作电流只有2.0mA)；且工作可靠；体积小(可显示16x2个字符)。其字符显示功能由内部专用的驱动芯片HD44780实现。该芯片的应用非常简单。只要将待显字符的标准ASCII码放入其内部集成的数据显示用存储器(DDRAM)，内部控制线路就会自动将字符传送到显示器上。单片机和1602LCD之间的数据交换通过P0进行，电阻R9～R16为P0口的上拉电阻。其原理图如图11所示。

U6VCCR9R10R11R12R13R14R15R16 GNDVCCGNDP20P21P22P10P11P12P13P14P15P16P17VCCGND10K10K10K10K10K10K10K10KP10P11P12P13P14P15P16P17LCD1602GNDVCCED1D2D3D4D5D6D7D8+RL12345678910111213141516RL-VLRSRW

图11 LCD显示模块原理图

3.7 系统硬件PCB

印制电路板（PCB）是各个模块、各种元件的载体，PCB板设计得合理与否会直接影响到系统的可靠性。本系统所有的PCB板都使用电路设计软件Protel99 SE，该软件在自动布局、设计规则的确定、叠层的设计、布线方式的设计和信号完整性设计等方面功能强大，能完成复杂的PCB设计，并具有设计检查和人工干预功能，保证电路系统的准确性、功能性和可靠性。

3.7.1 PCB设计理论依据

PCB的设计其实就是电磁兼容性（EMC）设计的过程，因此理解经典的EMC理论至关重要。下面，将介绍两种最基本、最重要的EMC理论，并建立普适性模型进行分析。

在长期的设计实践中，人们已经总结出不少电路板设计的原则。在电路设计的时候，如果能够遵循这些原则，那么将有利于硬件电路的正常工作和电路板控制软件的调试。

电路板布线的基本原则：

（1）引脚间的连线尽量短。由于算法的原因，自动布线最大的缺点就是布线时的拐角

太多，许多连线往往是舍近求远，拐了一个大弯再转回来，这一类布线是手工调整的主要对象。

（2）连线尽量不要从IC片的引脚之间穿过，在焊接元器件时容易造成短路。 （3）连线简洁，同一连线不要重复连接，以免影响布线美观。

（4）输出输入端的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。 （5）导线的最小宽度主要由导线和绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值来共同

决定。当铝箔厚度为50m、宽度为1~1.5mm时，可流过2A的电流，而温升不会超过3。对于集成电路尤其是数字电路，通常选用0.02~0.03mm的导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线。电源线和地线的走线宽度不小于1mm。 （6）导线的最小安全间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。一般情

况下，对普通的信号传输导线可设置为0.3~0.5mm，而对于电源和底线则需要适当加宽。如果电路板上存在高压，则其安全间距一般应小于2mm。

（7）电路板布线要注意以下几点：电源线和地线尽可能靠近；要为模拟电路专门提供

一条地线；为减少线间串扰，必要时可增加导线之间的安全距离；导线宽度不要突变；导线不要突然拐角。

（8）电源线设计的原则：根据电路板上的电源线通过电流的大小，尽可能加粗电源线

宽度，并减少环路电阻。

3.7.2 PCB硬件设计

原理图绘制好后，导入到PCB中，经过排版布线设计出其硬件PCB如图12所示，图13为其3D视图。

图12 系统硬件PCB图

图13 系统硬件PCB3D图

4 系统软件设计

该土壤湿度检测装置的整个程序的思路是：湿度信号经过放大后进行模数转换，单片机读取湿度的数字值，经处理，然后将湿度值送至液晶显示器中进行显示。该系统的整体流程图如图14所示。

开始启动ADC0832通道选择读取AD值MCU处理LCD显示

图14 系统流程图

系统控制软件主要包括ADC0832的驱动程序，以控制电压信号即湿度信号的采集，

LCD1602液晶屏的驱动程序，用于显示土壤湿度。采用C语言的主程序如下： void main（void） {

int value ;//存储A/D转换后的数值 LCDinitiate（）;//液晶屏的初始化 while（1） { ? } }

5 结论

(1) 本文设计的土壤湿度计采用高度集成化的A/D转换芯片、单片机和液晶显示模块。大大

简化了硬件电路，显著降低了电路板的体积和成本。 (2) 系统电源采用稳压芯片进行供电，保证的系统供电的精确性。

(3) 电压信号采集芯片ADC0832是系统正确工作的首要前提，为确保模拟信号的可靠采集，

采集前需使用集成运放将传感器信号放大。

(4) 本系统不需要上位机的控制信号，在实际运行中可以节约能源，提高工作效率，达到较

好的控制效果。

(5) 本土壤湿度计体积小、检测精度高且成本很低。适宜农业一线生产使用。

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