FastBond2阶段1-基于土壤湿度检测的框图设计

项目介绍：利用土壤湿度检测原理设计土壤湿度检测器

项目应用：

土壤温度状况是决定着土壤中物质迁移转化过程、土壤肥力特征，而且对于区域水分循环过程也具有重要的影响，对农作物的生长也至关重要。

同样地，如果土壤湿度不达标，农作物的长势也会受到一定的影响，因此，对于土壤温湿度的监测非常重要。目前，农业工作者采用多点土壤温湿度测量仪监测。

多点土壤温湿度测量仪作为一款土壤水分和土壤温度监测装置，在智慧农业生产中起着重要的作用，土壤水分测量技术是节水灌溉抗旱实施的重要技术保障；而地温测量对农、林、牧业的区域规划有重大意义，且对不同深度的土壤温度及水分含量的检测，是实现变量灌溉，墒情监测和地温自动测量的重要手段。

土壤温湿度对作物的生长有着重要的关系，多通道土壤温湿度测量仪是一款精密的土壤仪器设备，由我司自主研发生产，目前，该土壤温湿度测定仪已经广泛的应用于农田、水利、森林、草坪、公路、铁路养护等领域的长期监测，可连续监测土壤的水分、温度、盐分、酸碱度、氮、磷、钾等等，性能稳定，可靠性高，免维护。

设计思路：

由MCU核心板的TYPE-C接口提供5V电源，分别为LDO和运算放大器供电。LDO稳压至3.3v后为晶振供电，晶振提供高频振荡波通过探针入土，传出的信号经整流滤波成直流后通过运放放大。MCU使能ADC读取运放放大后的电压值以判断土壤干湿程度。最后利用MCU内置的温度传感器，结合测量得到的湿度传感器，将结果投放在显示屏TLC59582上，完成对于土壤温度和环境温度的测量。

流程图展示的是FDR法，电阻法则只需将探针的电压值经过运放放大即可，省去了LDO、晶振和整流滤波电路。

电阻法利用水的导电性，探针之间塞满了土壤介质，土壤水分越多越导电。将探针理解为可变电阻，电阻越小越导电，而探针的电阻越小则电压越小。故检测探针的电压越小则土壤湿度越高，此为电阻法，方便实现的同时干湿两态的电压差值足以应付日常使用。

FDR法简单说也是测量探针反馈端的电压值，根据电压值判断土壤的介电常数。复杂说，土壤水分变化，干土的低介电常数混合了水的高介电常数，而介电常数影响探针的电容，在RLC谐振电路中充当电容角色的探针数值变化导致电压变化。

主要元器件：

本项目使用了FastBond活动中要求的三家厂商的芯片，分别是ST公司的STM32L011D3Px，ADI公司的ADP160供电芯片以及TI公司的LM358运放芯片和TLC59582LED显示屏

单片机选择STM32L011D3Px，其各项指标均比较满足使用要求

引用了ADC用于采集电压数据，四个IO口引出用于之后控制抽水泵模块工作，一个IO用作ADP160电源芯片的使能端

主控的5v供电经ADP160降为3.3v供电输出。ADP160有150mA的输出电流，满足给晶振供电。

ti公司生产的LM358运放芯片，

LM358的特性比较特殊，直流电压的增益很高，能达到约100db，除此之外还有其他特性，主要有下面几点：

内部频率补偿、共模输入电压范围宽，包括接地。、低功耗电流，适合于电池供电。、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。低输入偏流。输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。低输入失调电压和失调电流。单位增益频带宽(约1MHz) 。电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V) 。

除去上述的特性外，LM358的一些固定参数如下：

输入偏置电流45 nA、输入失调电流50 nA、输入失调电压2.9mV、输入共模电压最大值VCC~1.5 V、共模抑制比80dB、电源抑制比100dB。

以及ti公司生产的TLC59582LED显示屏

Scheme-it工具介绍：

Scheme-it是一个为工程师、教育工作者和学生提供的免费在线原理图和图表制作解决方案，是一个基于云的工具，可让全球用户设计并共享电子电路图和原理图。Scheme-it工具附带全面的电子符号库并与Digi-Key元件目录集成，可协助用户完成各种各样的电路设计。为了让开发者的工作更高效便捷，Scheme-it提供了非常丰富的设计资源：Scheme-it参考设计库（Design Starters）预存了近200个参考设计文件，分为6大类，14小类，涵盖通信、工业、交通、电源、开发工具、消费类电子等各个领域。Scheme-it附带超过700个通用符号的符号库。Scheme-it与Digi-Key元件目录相连，可访问400+万种元件。在Scheme-it中，用户可以创建物料清单（BOM）并购买项目中使用的元器件，还可以与他人共享项目并以KiCAD、.PNG、.SVG和.PDF文件格式导出。必要时，在平台中创建的原理图可以公开共享，并可在Scheme-it主页上被搜索到，从而实现想法共享和更进一步的创新。Scheme-it用户还可以在Digi-Key技术论坛上的专门板块进行提问、发表评论和分享有关该工具的想法。

方案框图在scheme-it工具上完成，链接如下：

https://www.digikey.cn/schemeit/project/土壤湿度检测-祖楠轩-2050879c06c645e89976cd51a3def94d

总览：

总结：

本人第一次参加电子森林项目，通过本次项目的学习与实践，更好地将理论学习与实践相结合，本次fastbond也给了我一个很好的学习机会。