一种土壤酸碱度和湿度测量仪的设计

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摘 要：研究设计了一种测量土壤酸碱度（PH）和湿度的测量仪器，设计使用了低功耗的PIC18F系列单片机、PH传感器、湿度传感器和温度传感器。讨论了复合电极法测量PH和电阻分压法测量湿度的原理，以及电路的设计。介绍了PH曲线和湿度曲线拟合的过程，并且对总体设计进行了系统实现和测试。测试结果表明，基于PIC18F系列单片机的酸碱度（PH）和温度测量仪具有测量准确、稳定性高、可靠性好、使用快捷方便等优势，目前该酸碱度（PH）和温度测量仪已经投入实际生产。

关键词：土壤；PH值；湿度；单片机

引言

土壤的酸碱度（PH）、温度和湿度是影响植物生长的重要因素，特别是土壤的酸碱性将直接影响植物是否可以生长。获取土壤酸碱度是植物种植前重要的环节，土壤湿度是植物生长期间指示作物正常生长的重要因素之一，因此酸碱度（PH）和温度测量仪的设计有非常重要的实际意义。

本文对当前市场上常见土壤测量仪器进行分析，发现目前使用的土壤测量仪器存在的问题，比如测量误差大、操作麻烦、测量信息单一等不足。为此，提出改进的设计方案，并设计了相应控制系统的低功耗硬件电路和软件流程，最后对产品进行了测试验证，得到了较好的结果。本测量设备可以改进市场上土壤测量仪器存在的一些不足，取得更高的测量精度、更好的稳定性和简便的校准。

1 测量原理

1.1 复合电极测量PH值

2 系统设计

2.1 系统整体机构

基于PIC18F系列单片机的土壤酸碱度和湿度测量仪可以实现土壤酸碱度、湿度、温度的测量，通过LCD显示屏将采集的信息显示到屏幕。按键及其电路可以实现对单片机的操作，可以通过按键实现数据采集、保存、查看和删除、校准操作，也可以通过串口将数据发送到电脑上位机，对采集的数据信息进行集中管理。土壤酸碱度（PH）和温度测量仪系统框图如图1。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 酸碱度信号采集电路

PH信号采集电路如图所示，图中字母PH代表PH传感器返回的电压信号，先经过了一个电压跟随器，电路的第二级是一个减法运算电路，将一个1V左右的信号与PH传感器的电压信号相减，通过表1可知PH传感器的电压变化可正可负，而PIC18F单片机的AD采样只能采集大于零的电压信号，经过二级电路时，当PH为0时PHout为0.6V左右，当PH为14时PHout为1.4V左右，传感器的信号经过图电路后信号整体被抬高到大于零，且PH与电压成正向关系，PHout输出范围为，AD可以正常采集此信号。电容C2用于消除输入端的干扰。电路如图2所示。

2.2.2 湿度信号采集电路

湿度信号采集电路采用了分压的方式，单片机的AD直接采集电压变化。电路R1和R3起分压作用，R4和R5分压，C4起滤波作用，防止干扰信号的影响。电路如图3。

3 PH和湿度标定

3.1 PH标定

从表1可知PH与电压呈线性关系，在理想状态下线性方程符合公式（2），在实际测量过程中需要通过二点标定法算出斜率和零点：

（1）在25摄氏度的室温下准备两种常用标定溶液混合磷酸盐

pH 值为6.86PH、硼砂pH值为9.18PH。

（2）通过功能键将土壤PH和湿度测量仪调到校准功能，当

LCD上读取到CAL和6.86PH字样时，将测量仪在磷酸盐标定液中测量数次，继续按功能键从LCD上读取到CAL和9.18PH字样时，将测量仪在硼砂标定液中测量数次。

（3）按确认键单片机会自动计算两种溶液中读取到的电压平均值，算出斜率和零点保存在单片机中。

长时间使用该土壤PH和湿度测量仪时会造成PH传感器信号返回值漂移，所以需要定期对该产品进行重新标定。

3.2 湿度标定

从室外田地取土若干，用烘干机烘烤6小时，然后用烘干的土配置含水量不同的土壤标本，使用单片机读取含水量不同时传感器返回的电压值，经过大量测试数据表明土壤含水量低于与18%时含水量越大AD采样电压值也越大，有较好的线性关系；含水量超过18%随含水量的增加AD采样电压值下降；当含水量超过25%时土壤稀释度就比较大，在实际土壤灌溉中没有意义。

通过上面结论具体研究了土壤含水量低于18%时与电压的关系：

（1）取10组土壤样本，放入烘干箱中烘烤6小时。

（2）将10组烘干的土壤称重记录，然后分别加入不同含量的

水，配制含水量不同的土壤。

（3）分别测量对应的电压关系，每组土壤隔2min记录一次，共记录4次，算出平均值，记录如表1。

对表中的数据进行一元线性回归可得拟合曲线如图4。

4 实验测试

为了测试本土壤酸碱度和湿度测量仪的准确性，进行了以下实验测量。在温度为25℃的实验室中配制了10组酸碱度和湿度不同的土壤样本，PH以PHS-3C型酸度计测量数值为准确值，本土壤酸碱度和湿度测量仪测量的PH值为测量值，湿度百分比以10组土壤样本烘干前后计算值为准确值，本土壤酸碱度和湿度测量仪测量的湿度值为测量值，将PHS-3C型酸度计和本土壤酸碱度和湿度测量仪分别插入10组样本中测量记录，然后将10组土壤样本烘干、天平称重，计算湿度并记录，记录如表2。

本次实验测量的土壤PH主要集中在4-10，湿度集中在3%-18%，在实际的农田中，土壤的酸碱度和湿度在上述区间内有实际的意义，通过实验测量结果可以得出，土壤的PH误差小于0.1PH，湿度误差小于0.5%，符合产品生产要求。

5 结束语

本文介绍了一种基于单片机的酸碱度（PH）和湿度测量仪，硬件上采用了运放电路和AD采样实现，分别通过二点标定法和线性回归获得PH和湿度相关曲线，软件上采用了温度补偿和两点校准来保证测量的准确性，通过实验测试该酸碱度（PH）和湿度测量仪的PH测量误差小于0.1PH，湿度的测量误差小于0.5%，指标满足设计要求。综上所述该测量仪具有性能优良、可靠性高、操作简单、节约成本等优点，可以满足农田土壤酸碱度和湿度的测量，具有一定的应用前景。

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作者简介：宿晓锋（1991-），男，汉族，山东潍坊，硕士研究生，兰州大学，研究方向：嵌入式系统。

*通作者：刘映杰（1964-），男，副教授，研究方向：嵌入式系统与模式识别。