基于CC2480的土壤溫度和水分梯度測量系統

系統硬件結構包括有主控制器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5種低功耗模式適用于設計干電池供電要求的設備，片上集成性能出色的外設模塊，片內有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協(xié)處理器CC2480通過(guò)4線(xiàn)SPI接口和主控MCU的通信完成數據的傳輸采集。前端信號采集通過(guò)適合于埋設在土壤中測量土壤溫度、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，對于鉑熱電阻測得的微弱電流信號需通過(guò)低功耗儀表放大器AD8226實(shí)現信號的放大和抬升。而多路FDR土壤水分傳感器則是直接輸出電壓信號，通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻轉換采樣即可使用。
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量的三線(xiàn)制PT100鉑熱電阻，其外層封裝適用于長(cháng)期埋設于土壤層中。PT100鉑熱電阻值隨溫度的變化而變換，其在常溫測量范圍內具有良好的線(xiàn)性度，且精度高、穩定性好、耐沖擊性強。其阻值和溫度滿(mǎn)足以下關(guān)系：當-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；Rt為t℃下的電阻值；R0為0℃下的電阻值。
兩線(xiàn)制的鉑熱電阻隨著(zhù)使用距離的延長(cháng)會(huì )增加導線(xiàn)的長(cháng)度，由線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加誤差使得測量結果誤差較大。三線(xiàn)制的鉑熱電阻將導線(xiàn)的一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到相應的電橋橋臂上。采用全等臂電橋時(shí)，導線(xiàn)電阻的變化對測量結果的影響幾乎可以忽略不計，而且測量距離較遠，多用于工業(yè)現場(chǎng)使用。四線(xiàn)制鉑熱電阻，通過(guò)兩端導線(xiàn)接入恒流源，直接通過(guò)另外兩根導線(xiàn)測得鉑熱電阻值。測得的電阻值精度很高，完全不受導線(xiàn)電阻影響，但測量距離較短、成本較高，多用于實(shí)驗使用。
綜合比較，采用三線(xiàn)PT100配合電橋方案。三線(xiàn)制PT100通過(guò)電橋電路實(shí)現溫度信號的提取，這樣不僅可以通過(guò)改變引線(xiàn)的長(cháng)短實(shí)現對測量結果的影響，還能很好地避免溫度對測溫電路的影響。電橋測得的差分信號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(zhuān)為多通道、低功耗前端微信號放大使用，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調整其放大倍數，滿(mǎn)足測量放大要求。其正電源接5 V電壓，負電源接地，為了減少干擾，接有0．1μF的去耦電容。
原始信號經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)過(guò)AD8226的Vref(1 V)抬升電壓，抬升至適合數模轉換參考電壓范圍內，輸入到前級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(zhuān)為低功耗所設計，通過(guò)ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實(shí)現三線(xiàn)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的內置高精度12位模數轉換器相連接，節約了額外的模數轉換芯片，從而降低了成本，為實(shí)現大規模傳感器網(wǎng)絡(luò )測量土壤梯度溫度、水分參數提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經(jīng)過(guò)恒溫箱標定后，所需測量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測量誤差為±0．4℃。

土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類(lèi)型土壤水分傳感器。這種測量方法與烘干稱(chēng)重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準確、連續測量等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須擾動(dòng)土壤。同時(shí)，能夠自動(dòng)監測土壤水分變化，性能出色，且價(jià)格相對低廉、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，通過(guò)高精密電阻采樣信號，送入多路模擬開(kāi)關(guān)，經(jīng)A／D轉換成數字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。