基于单片机的土壤含水率监测系统设计

基于单片机的土壤含水率监测系统设计

罗雨婧，彭德鑫

（山西工程科技职业大学 山西晋中 030619）

摘要：为实现农业生产力科学化、低成本化发展，本设计采用STM32F103单片机作为主控芯片，整体由土壤含水率采集单元和控制单元两大部分组成，通过单片机的ADC进行信号转换。其中土壤含水率采集单元选用YL-69土壤湿度传感器；控制单元包括显示模块、按键模块、报警模块、电源模块。通过对采集的信号进行分析处理得到机具的数据，建立数学模型监控对比。

关键词：人工智能 科学分析 单片机芯片

0引言

土地质量的监测对于实现农业的可持续发展具有重要意义，而土壤含水率即土壤湿度的测定与控制，更是土地质量评定的重要指标。目前，国内对于土壤水分监测仍存在局限性，李芳花等以遥感模型与土壤水分消退三成蒸散模型为核心进行数据分析，虽提升了准确度，但仍存在价格高昂、普及性低等问题。为此提出基于单片机的土壤含水率监测系统设计，利用计算机技术与通信交互技术，实现对土壤的科学分析与指导。

1  系统概述

基于单片机的土壤含水率监测系统设计采用STM32F103单片机作为主控芯片，整个系统由土壤含水率采集单元和控制单元两部分组成，两部分间通过单片机的ADC进行模拟信号与数据信号转换。将湿敏电阻采集的土壤湿度转换为电压信号，结合软件时钟控制，再将电压信号通过A/D转换电路转变为可识别的数字信号，最后通过单片机的分析处理，将土壤湿度数据实时在TFT-LCD液晶显示屏显示并进行语音通报,实施土壤含水率监测与超额报警。

2  系统硬件设计

2.1  主控芯片STM32

STM32F103属于一个微控制器，适用于控制类，自带了各种常用通信接口，可接非常多的传感器，控制多重设备[2]。时钟、复位和电源管理:2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位(POR)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测器(PVD)，4-16MHz的晶振，内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路[2]。内部40 kHz的RC振荡电路，带校准用于RTC的32kHz的晶振。

2.2  系统控制单元

2.2.1  信息显示模块

信息显示分为语音播报和显示屏显示，采用特制语音播报芯片及1.8寸TFT-LCD液晶显示屏。该显示屏支持SPI串口，具有状态稳定，接口简单，价格便宜等优点[1]。

2.2.2  按键模块

STM32系列单片机GPIO引脚自带上拉、下拉输入，因此硬件电路部分不需要加额外的电阻实现上拉下拉。这里采用高电平检测独立按键，设置电源开关键和两个额外按键组（K1和K2），K1是设置键，K2是布防撤销键。以便于数据及状态调整。

2.2.3  报警模块

报警模块主要由灯光和声音报警两条电路组成。传感器检测到环境中的湿度数据信号，将其传给单片机进行数据处理。

2.2.4  电源模块

采用LM7805为控制单元各模块输出5V供电，土壤含水率采集单元则选用太阳能电池为供能单元。主要包括：1个12 V充电电池；1块15W太阳能电池板; 1个调压器，压力范围为3 ~12 V。

2.3  土壤含水率采集单元

本系统选用的土壤湿度传感器型号为YL-69，当传感器在收集时，外界的湿度会影响传感器两刺针间的电阻值变化[5]。设置安全阙值，湿度在限额最小时，电阻的阻值为10K,当外部湿度处于最大时，阻值变小为0.1Ω。

3  系统软件设计

由于本系统中数据的采集、显示和转换主要是由硬件部分完成，则运用到的土壤检测程序主要是针对收集后的数据如何处理。在对单片机进行软件程序编写时，主要进行感量数据采集程序的编写以及蓝牙通信程序的编写；将STM32F103与蓝牙进行串口通信的设置，波特率设定为9600bps。

3.1  湿度传感器程序设计

由于STM32F103内部自带16个外部信号源模数转换输入通道，可直接将所采的电压送入ADC内部处理。在本系统中,传感器数据的转换采用的是DMA方式。当进行水分传感器程序设计时，将水分传感器的信号输入端与通道11连接起来，即与微控制器的 PC1引脚相连，并将GPIO管脚PC1配置成模拟输入模式[3]。

以顺序完成使能DMA时钟、GPIO 时钟和ADC时钟，将PC0口、PC1口和PC4口进行初始化，ADC最终输出的电压信号带入式中进行计算即可得到当前土壤的湿度:

H水分(%)=V测×25

3.2  土壤湿度传感器试验分析

选用50m2的土壤设定5个采集数据点，采用积导数模型方式控制，记录度采样数据观测。

比较可得，传感器输出电压值与土壤的湿度呈线性相关，通过传感器数据上传，可标定土壤含水量，完成湿度测试[4]。

4  结论

此系统围绕我国农业技术方面的土壤含水率问题展开，进行了硬件软件设计，是单片机技术、多种传感器技术、电子技术和软件技术等专业知识的综合运用。在设计的过程中，结合作物生长所需的土壤湿度环境进行分析与测验，得出了集合土壤采集、显示模块、按键模块、报警模块、电源模块于一体的基于单片机的土壤含水率监测系统设计。

[参 考 文 献]

[1]宋云霞. FPGA的TFT-LCD真彩液晶屏显示控制[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2017,           17(4):41-42,50.

[2]杨百军, 王学春, 黄雅琴. 轻松玩转STM32微控制器[M]. 电子工业出版社, 2016.

[3]魏琳, 田波. 基于STM32F4系列的串口DMA数据处理传输研究[J]. 自动化应用, 2016(8):2.

[4]柏文奇, 吴双双, 王思思. 土壤湿度传感器非线性误差补偿方法[J]. 中国检验检测, 2020，28(2):4.

[5]杜浩博, 马腾飞, 卜文嘉,等. 一种基于YL-69温湿度传感器的自动浇花系统设计[J]. 物联网技术, 2020, 10(3):3.