一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统及方法，其系统包括信号采集单元、单片机和上位机，所述信号采集单元，用于采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机；所述单片机，用于同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示；所述上位机，用于监控所述单片机的工作状态。本发明主要用于对空间上多个观测点进行土壤盐分浓度的实时观测，从而轻松、快捷、准确、全面的掌握盐分在整个空间上的变化过程，节省了大量的人力、物力。
【专利说明】
一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种土壤盐分浓度监测系统及方法，具体的涉及一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统及方法。
【背景技术】
[0002]土壤盐渍化、咸水下移、海水入侵等是土壤和地下水所面临的严峻环境问题。对土壤中盐分运移规律的研究可以为该类实际问题的解决提供科学的理论依据，对实现地下水资源科学管理、土壤盐渍化防治有重要意义。对土壤中盐分浓度进行观测可为土壤盐分运移问题的研究提供不可或缺的数据支撑。室内实验是研究土壤盐分运移规律的重要方法，一般采用水箱或土柱作为盐分运移场。在室内土壤盐分运移实验中，使用较为普遍的盐分浓度观测方式有两种，一种为直接取样观测，另一种为传感器观测。取样观测法对水箱或土柱的设计要求较为简单，获取的溶液信息较为完整，但取样过程中对盐分运移场内流场的扰动较大，且在水压较高或者较低时取样较为困难。传感器观测以其精度高、操作方便、不破坏流场等诸多优点在土壤盐分浓度观测中得到越来越普遍的应用。
[0003]现有用于土壤盐分浓度观测的传感器及观测仪器均采用单点单次观测，能够对多点进行实时浓度观测的系统较为少见。然而，在土壤盐分运移实验过程中，为了能够全面监测盐分的运移过程，常需要对多个点位同时进行盐分浓度观测。除此之外，土壤盐分运移过程常常需要持续几天甚至十几天的时间，在盐分运移过程中均需要对土壤盐分进行实时观测。目前所用的观测仪器完成多点长时间实时观测任务均存在较大困难，或需耗费大量的人力、物力。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、监测精度高、节省人力物力的基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统及方法。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，包括信号采集单元、单片机和上位机，
[0006]所述信号采集单元，用于采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机；
[0007]所述单片机，用于同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显不;
[0008]所述上位机，用于监控所述单片机的工作状态。
[0009]本发明的有益效果是:本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统利用单片机原理，单片机可以实现对多个观测点的信号采集单元的数据进行实时处理、传输、存储和显示;上位机可通过有线、无线方式与单片机连接，实现监控单片机的工作状态，较好的实现了对土壤盐分的实时观测;本发明主要用于对空间上多个观测点进行土壤盐分浓度的实时观测，从而轻松、快捷、准确、全面的掌握盐分在整个空间上的变化过程，节省了大量的人力、物力。
[0010]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0011]进一步，所述信号采集单元包括FJA-10型土壤盐分传感器以及与其配套使用的FJA-1l型盐分传感器变送器，所述FJA-10型土壤盐分传感器用于监测土壤盐分浓度并输出电导信号，所述FJA-1l型盐分传感器变送器用于将所述电导信号转换成电压模拟信号。
[0012]采用上述进一步方案的有益效果是:FJA-10型土壤盐分传感器在传统陶瓷铂电极的基础上进行改进，采用石墨电极和具有温度补偿作用的热敏电阻，具有电极灵敏度高、电极性能稳定、适用于高电导等特点;FJA-1l型盐分传感器变送器反应灵敏。
[0013]进一步，所述单片机包括处理器、模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块，
[0014]所述处理器，其用于根据单片机原理综合控制所述模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块的分工协作；
[0015]所述模数转换器，其用于在所述处理器的控制下根据电压-土壤盐分浓度转换方程同时将多个观测点的所述信号采集单元采集的电压模拟信号转换成能够被所述处理器直接使用的时间和幅度离散的土壤盐分浓度的数字信号；
[0016]所述储存器，其用于在所述处理器的控制下对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行存储；
[0017]所述显示器，其用于对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行显示；
[0018]所述串口通信模块，其用于为所述处理器和所述上位机之间的数据传输和信息交流提供传输通道。
[0019]进一步，所述处理器为基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103RCT6;所述模数转换器为两片8通道24位△ - Σ模数转换器ADSl256;所述储存器为两张8G容量SD卡；所述显示器为2.5寸液晶显示屏;所述串口通信模块为HC-05型蓝牙模块。
[0020]采用上述进一步方案的有益效果是:模数转换器采用两片8通道24位Δ-Σ模数转换器ADS1256，实现对最多16个信号采集单元的信号进行转换;储存器采用两张8G容量SD卡轮流储存，每张卡储存周期为24h，数据存储格式为TXT格式，方便对数据进行后期处理;显示器采用2.5寸液晶显示屏，可实时显示多个传感器上采集的盐分浓度值及观测时间；串口通信模块采用HC-05型蓝牙模块，可自由设定主机或从机，实现单片机与上位机之间的信息传递。
[0021]进一步，还包括电源管理单元，所述电源管理单元用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压。
[0022]采用上述进一步方案的有益效果是:12V直流电压由外部适配器接入，其输出电流为2A，可满足系统16路传感器变送器的电流需求；5V直流电压由高效率降压稳压器LM2676S-5.0提供，其转换效率高达94%，大大降低了系统的功耗;3.3V直流电压由低压降压稳压器AMSl 117-3.3提供，该低压降压稳压器AMSl 117-3.3具有过热切断和限流功能。
[0023]进一步，还包括备用电源，所述备用电源用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压，所述备用电源为有一块容量为6800mAh的12V锂电池。
[0024]采用上述进一步方案的有益效果是:本发明还带有一块容量为6800mAh的12V锂电池作为备用电源，以保证在交流供电出现问题时仪器的正常运转，备用电源能够维持系统连续工作7个小时。
[0025]进一步，所述电压-土壤盐分浓度转换方程为
[0026]y = k2*x2+ki*x+ko
[0027]其中，X为所述电压模拟信号，y为土壤盐分浓度值，k^khko分别为所述信号采集单元的探头的属性系数。
[0028]进一步，所述上位机是基于C语言开发的，所述上位机中设有用户设置模块、测量控制模块、数值显示模块、绘图模块和方程参数模块，
[0029]所述用户设置模块，其用于控制整个基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统的开关、设置所述串口通信模块的串口编号，以及通过设置所述处理器中的计时数值以控制所述信号采集单元采样的间隔；
[0030]所述测量控制模块，其用于显示所述储存器的容量和余量、控制所述显示器的开关，以及控制是否显示所述信号采集单元的探头的校正参数；
[0031]所述数值显示模块，其用于实时显示所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度数值；
[0032]所述绘图模块，其用于实时绘制所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度变化趋势图；
[0033]所述方程参数模块，其用于对所述模数转换器中的信号转换参数进行设置。
[0034]采用上述进一步方案的有益效果是:本发明在对土壤盐分进行观测时，根据不同的工作条件和土壤质地，为了提高数据的精度和有效性，需要对观测频率和一些转换方程参数进行设置和更改，因此需要上位机对单片机进行控制以实现以上功能需求，上位机基于C语言进行开发，可以增强软件的可读性和稳定性。
[0035]进一步，所述方程参数模块中的信号转换参数为所述电压-土壤盐分浓度转换方程中的k2，ki，ko。
[0036]基于上述一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，本发明还提供一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法。
[0037]一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法，利用上述所述的一种基于单片机原理的土壤盐分浓度实时观测系统进行观测，包括以下步骤，
[0038]SI，所述信号采集单元采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机；
[0039]S2，所述单片机同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示；
[0040]所述单片机在基于单片机原理的控制下对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示的同时，所述上位机监控所述单片机的工作状态。
[0041]本发明的有益效果是:本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法利用单片机原理，单片机可以实现对多个观测点的信号采集单元的数据进行实时处理、传输、存储和显示;上位机可通过有线、无线方式与单片机连接，实现监控单片机的工作状态，较好的实现了对土壤盐分的实时观测;本发明主要用于对空间上多个观测点进行土壤盐分浓度的实时观测，从而轻松、快捷、准确、全面的掌握盐分在整个空间上的变化过程，节省了大量的人力、物力。
【附图说明】
[0042]图1为本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统的结构框图；
[0043]图2为本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统的信号关系转换图；
[0044]图3为本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0045]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0046]如图1和图2所示，一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，包括信号采集单元、单片机和上位机，
[0047]所述信号采集单元，用于采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机；
[0048]所述单片机，用于同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显不;
[0049]所述上位机，用于监控所述单片机的工作状态。
[0050]在本具体实施例中:
[0051]所述信号采集单元包括FJA-10型土壤盐分传感器以及与其配套使用的FJA-1l型盐分传感器变送器，所述FJA-10型土壤盐分传感器用于监测土壤盐分浓度并输出电导信号，所述FJA-1l型盐分传感器变送器用于将所述电导信号转换成电压模拟信号。FJA-10型土壤盐分传感器在传统陶瓷铂电极的基础上进行改进，采用石墨电极和具有温度补偿作用的热敏电阻，具有电极灵敏度高、电极性能稳定、适用于高电导等特点;FJA-1l型盐分传感器变送器反应灵敏。所述FJA-10型土壤盐分传感器的盐分测量范围为0.01-0.3mol/L，最小读数为0.0lmo 1/L，FJA-1O型土壤盐分传感器和FJA-1I型盐分传感器变送器配套测量精度优于5%。
[0052]所述单片机包括处理器、模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块，所述处理器，其用于根据单片机原理综合控制所述模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块的分工协作;所述模数转换器，其用于在所述处理器的控制下根据电压-土壤盐分浓度转换方程同时将多个观测点的所述信号采集单元采集的电压模拟信号转换成能够被所述处理器直接使用的时间和幅度离散的土壤盐分浓度的数字信号;所述储存器，其用于在所述处理器的控制下对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行存储;所述显示器，其用于对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行显示;所述串口通信模块，其用于为所述处理器和所述上位机之间的数据传输和信息交流提供传输通道。
[0053]所述处理器为基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103RCT6;所述模数转换器为两片8通道24位△ -Σ模数转换器ADSl256;所述储存器为两张SG容量SD卡;所述显示器为2.5寸液晶显示屏;所述串口通信模块为HC-05型蓝牙模块。模数转换器采用两片8通道24位Δ-Σ模数转换器ADS1256，实现对最多16个信号采集单元的信号进行转换;储存器采用两张8G容量SD卡轮流储存，每张卡储存周期为24h，数据存储格式为TXT格式，方便对数据进行后期处理;显示器采用2.5寸液晶显示屏，可实时显示多个传感器上采集的盐分浓度值及观测时间；串口通信模块采用HC-05型蓝牙模块，可自由设定主机或从机，实现单片机与上位机之间的信息传递。
[0054]在具体的电路连接中，所述3了]\02?1031?(^6包括引脚?六0、？六1、？六2、？六11、？六12和CP4，所述 ADS1256包括引脚 SCLK、DIN、DOUT、DRDY 和 CS，两片所述 ADS1256 的 SCLK、DIN、D0UT和DRDY引脚分别对应共用所述STM32F103RCT6的PAO、PA、PA2和PAl I引脚，两片所述ADS1256的使能引脚CS_1，CS_2分别与所述STM32F103RCT6的PAl 2和PC4引脚相连。
[0055]本发明还包括电源管理单元，所述电源管理单元用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压。12V直流电压由外部适配器接入，其输出电流为2A，可满足系统16路传感器变送器的电流需求;5V直流电压由高效率降压稳压器LM2676S-5.0提供，其转换效率高达94 %，大大降低了系统的功耗;3.3V直流电压由低压降压稳压器AMS1117-3.3提供，该低压降压稳压器AMSl 117-3.3具有过热切断和限流功能。
[0056]另外，本发明还包括一块容量为6800mAh的12V锂电池作为备用电源，以保证在交流供电出现问题时仪器的正常运转，备用电源能够维持系统连续工作7个小时。所述备用电源用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压。
[0057]所述电压-土壤盐分浓度转换方程为y= k2*x2+ki*x+ko，其中，x为所述电压模拟信号，y为土壤盐分浓度值，I^khko分别为所述信号采集单元的探头的属性系数。
[0058]本发明在对土壤盐分进行观测时，根据不同的工作条件和土壤质地，为了提高数据的精度和有效性，需要对观测频率和一些转换方程参数进行设置和更改，因此需要上位机对单片机进行控制以实现以上功能需求，上位机基于C语言进行开发，可以增强软件的可读性和稳定性。
[0059]所述上位机中设有用户设置模块、测量控制模块、数值显示模块、绘图模块和方程参数模块，
[0060]所述用户设置模块，其用于控制整个基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统的开关、设置所述串口通信模块的串口编号，以及通过设置所述处理器中的计时数值以控制所述信号采集单元采样的间隔；
[0061]所述测量控制模块，其用于显示所述储存器的容量和余量、控制所述显示器的开关，以及控制是否显示所述信号采集单元的探头的校正参数；
[0062]所述数值显示模块，其用于实时显示所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度数值；
[0063]所述绘图模块，其用于实时绘制所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度变化趋势图，让使用者更直观地掌握数据变化；
[0064]所述方程参数模块，其用于对所述模数转换器中的信号转换参数进行设置;其中方程参数模块一般是隐藏的，只有当测量控制模块勾选显示方程参数时，方程参数才会被激活，方便使用者对信号转换参数进行设置。
[0065]所述方程参数模块中的信号转换参数为所述电压-土壤盐分浓度转换方程中的k_2，ki，ko ο
[0066]本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统利用单片机原理，单片机可以实现对多个观测点的信号采集单元的数据进行实时处理、传输、存储和显示;上位机可通过有线、无线方式与单片机连接，实现监控单片机的工作状态，较好的实现了对土壤盐分的实时观测;本发明主要用于对空间上多个观测点进行土壤盐分浓度的实时观测，从而轻松、快捷、准确、全面的掌握盐分在整个空间上的变化过程，节省了大量的人力、物力。
[0067]基于上述一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，本发明还提供一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法。
[0068]如图3所示，一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法，利用上述所述的一种基于单片机原理的土壤盐分浓度实时观测系统进行观测，包括以下步骤，
[0069]SI，所述信号采集单元采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机；
[0070]S2，所述单片机同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示；
[0071]所述单片机在基于单片机原理的控制下对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示的同时，所述上位机监控所述单片机的工作状态。
[0072]本发明一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法利用单片机原理，单片机可以实现对多个观测点的信号采集单元的数据进行实时处理、传输、存储和显示;上位机可通过有线、无线方式与单片机连接，实现监控单片机的工作状态，较好的实现了对土壤盐分的实时观测;本发明主要用于对空间上多个观测点进行土壤盐分浓度的实时观测，从而轻松、快捷、准确、全面的掌握盐分在整个空间上的变化过程，节省了大量的人力、物力。
[0073]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:包括信号采集单元、单片机和上位机， 所述信号采集单元，用于采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机； 所述单片机，用于同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示； 所述上位机，用于监控所述单片机的工作状态。2.根据权利要求1所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述信号采集单元包括FJA-1O型土壤盐分传感器以及与其配套使用的FJA-1l型盐分传感器变送器，所述FJA-10型土壤盐分传感器用于监测土壤盐分浓度并输出电导信号，所述FJA-1l型盐分传感器变送器用于将所述电导信号转换成电压模拟信号。3.根据权利要求2所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述单片机包括处理器、模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块， 所述处理器，其用于根据单片机原理综合控制所述模数转换器、储存器、显示器和串口通信模块的分工协作； 所述模数转换器，其用于在所述处理器的控制下根据电压-土壤盐分浓度转换方程同时将多个观测点的所述信号采集单元采集的电压模拟信号转换成能够被所述处理器直接使用的时间和幅度离散的土壤盐分浓度的数字信号； 所述储存器，其用于在所述处理器的控制下对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行存储； 所述显示器，其用于对所述模数转换器转换的多个观测点的土壤盐分浓度数字信号进行显示； 所述串口通信模块，其用于为所述处理器和所述上位机之间的数据传输和信息交流提供传输通道。4.根据权利要求3所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述处理器为基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103RCT6;所述模数转换器为两片8通道24位Δ - Σ模数转换器ADS1256;所述储存器为两张SG容量SD卡;所述显示器为2.5寸液晶显示屏;所述串口通信模块为HC-05型蓝牙模块。5.根据权利要求3或4所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:还包括电源管理单元，所述电源管理单元用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压。6.根据权利要求5所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:还包括备用电源，所述备用电源用于给所述FJA-1l型盐分传感器变送器提供12V的直流电压，用于给所述模数转换器提供5V的直流电压，还用于给所述处理器和显示器提供3.3V的直流电压，所述备用电源为有一块容量为6800mAh的12V锂电池。7.根据权利要求3或4所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述电压-土壤盐分浓度转换方程为y = k2*x2+ki*x+ko 其中，X为所述电压模拟信号，y为土壤盐分浓度值，k^khko分别为所述信号采集单元的探头的属性系数。8.根据权利要求7所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述上位机是基于C语言开发的，所述上位机中设有用户设置模块、测量控制模块、数值显示模块、绘图模块和方程参数模块， 所述用户设置模块，其用于控制整个基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统的开关、设置所述串口通信模块的串口编号，以及通过设置所述处理器中的计时数值以控制所述信号采集单元采样的间隔； 所述测量控制模块，其用于显示所述储存器的容量和余量、控制所述显示器的开关，以及控制是否显示所述信号采集单元的探头的校正参数； 所述数值显示模块，其用于实时显示所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度数值； 所述绘图模块，其用于实时绘制所述模数转换器转换的多通道的土壤盐分浓度变化趋势图； 所述方程参数模块，其用于对所述模数转换器中的信号转换参数进行设置。9.根据权利要求8所述的一种基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统，其特征在于:所述方程参数模块中的信号转换参数为所述电压-土壤盐分浓度转换方程中的Ι^ΙαΛο。10.—种基于单片机原理的土壤盐分实时观测方法，其特征在于:利用权利要求1至9任一项所述的一种基于单片机原理的土壤盐分浓度实时观测系统进行观测，包括以下步骤， SI，所述信号采集单元采集土壤盐分浓度信息并发送给所述单片机； S2，所述单片机同步对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示；所述单片机对多个观测点的所述土壤盐分浓度信息进行处理、储存和显示的同时，所述上位机监控所述单片机的工作状态。
【文档编号】G01N27/00GK106093125SQ201610594388
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610594388.1, CN 106093125 A, CN 106093125A, CN 201610594388, CN-A-106093125, CN106093125 A, CN106093125A, CN201610594388, CN201610594388.1
【发明人】孟宪萌
【申请人】中国地质大学（武汉）