基于CC2480的土壤溫度和水分梯度測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括有主控制器MSP430F149，CC2480協(xié)處理器，電池電源，多路土壤溫度、水分傳感器電路以及采樣放大電路。主控制器MSP430F149是一款來(lái)自TI公司的16位低功耗處理器，多達(dá)5種低功耗模式適用于設(shè)計(jì)干電池供電要求的設(shè)備，片上集成性能出色的外設(shè)模塊，片內(nèi)有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協(xié)處理器CC2480通過(guò)4線SPI接口和主控MCU的通信完成數(shù)據(jù)的傳輸采集。前端信號(hào)采集通過(guò)適合于埋設(shè)在土壤中測(cè)量土壤溫度、水分的PT100鉑熱電阻和多路FDR土壤水分傳感器來(lái)完成。此外，對(duì)于鉑熱電阻測(cè)得的微弱電流信號(hào)需通過(guò)低功耗儀表放大器AD8226實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和抬升。而多路FDR土壤水分傳感器則是直接輸出電壓信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻轉(zhuǎn)換采樣即可使用。
2．1 傳感器電路
土壤溫度、水分傳感器選用了適合于土壤測(cè)量的三線制PT100鉑熱電阻，其外層封裝適用于長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤層中。PT100鉑熱電阻值隨溫度的變化而變換，其在常溫測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性度，且精度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性強(qiáng)。其阻值和溫度滿足以下關(guān)系：當(dāng)-200℃≤t ≤0℃時(shí)，Rt=R0×[1+At+Bt2+C×(t-100)×t3]；在0℃≤t≤850℃時(shí)，Rt=R0×(1+At+Bt2)。A、B、C為溫度系數(shù)；Rt為t℃下的電阻值；R0為0℃下的電阻值。
兩線制的鉑熱電阻隨著使用距離的延長(zhǎng)會(huì)增加導(dǎo)線的長(zhǎng)度，由線電阻帶來(lái)的附加誤差使得測(cè)量結(jié)果誤差較大。三線制的鉑熱電阻將導(dǎo)線的一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到相應(yīng)的電橋橋臂上。采用全等臂電橋時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)，而且測(cè)量距離較遠(yuǎn)，多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。四線制鉑熱電阻，通過(guò)兩端導(dǎo)線接入恒流源，直接通過(guò)另外兩根導(dǎo)線測(cè)得鉑熱電阻值。測(cè)得的電阻值精度很高，完全不受導(dǎo)線電阻影響，但測(cè)量距離較短、成本較高，多用于實(shí)驗(yàn)使用。
綜合比較，采用三線PT100配合電橋方案。三線制PT100通過(guò)電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的提取，這樣不僅可以通過(guò)改變引線的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，還能很好地避免溫度對(duì)測(cè)溫電路的影響。電橋測(cè)得的差分信號(hào)接入到低功耗儀表放大器AD8226的輸入端，該款儀表放大器來(lái)自ADI公司，專為多通道、低功耗前端微信號(hào)放大使用，具有出色的共模抑制比、極低的偏置電流以及軌到軌輸出。通過(guò)外接精密電阻RG調(diào)整其放大倍數(shù)，滿足測(cè)量放大要求。其正電源接5 V電壓，負(fù)電源接地，為了減少干擾，接有0．1μF的去耦電容。
原始信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)過(guò)AD8226的Vref(1 V)抬升電壓，抬升至適合數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓范圍內(nèi)，輸入到前級(jí)外置多路低功耗模擬開(kāi)關(guān)ADG758。8選1多路模擬開(kāi)關(guān)ADG758專為低功耗所設(shè)計(jì)，通過(guò)ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實(shí)現(xiàn)三線譯碼選通，來(lái)控制各個(gè)傳感器通道的選通使用。模擬開(kāi)關(guān)ADG758的輸出端D與MSP430F149的內(nèi)置高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，節(jié)約了額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，從而降低了成本，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量土壤梯度溫度、水分參數(shù)提供了可能。傳感器測(cè)溫電路如圖4所示。經(jīng)過(guò)恒溫箱標(biāo)定后，所需測(cè)量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測(cè)量誤差為±0．4℃。

土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類型土壤水分傳感器。這種測(cè)量方法與烘干稱重法、中子儀測(cè)量法、TDR等土壤水分測(cè)量方法相比較，具有快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須擾動(dòng)土壤。同時(shí)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分變化，性能出色，且價(jià)格相對(duì)低廉、沒(méi)有放射性污染。該FDR土壤水分傳感器輸出0～5 V的電壓信號(hào)，通過(guò)高精密電阻采樣信號(hào)，送入多路模擬開(kāi)關(guān)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。