適時準確地測量周圍環境的濕度和土壤含水量在國民經濟發展的許多領域中具有廣泛的應用，如在農業上為了科學地對土壤進行管理，需要經常測試土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤壩上也需經常測試土壤含水量，此外，土壤濕度測量在環保、氣象、國防施工中更是不可缺少的測量項目。如何使這種繁瑣的測量以及相關數據處理實現自動化，成為人們急需解決的重要課題。
　　本文介紹一種高性能、便攜式、可編程的由PIC16C74單片機為主構成的濕度測試儀，詳細闡明了該儀器的工作原理、基本功能框圖、關鍵技術以及相應的工作軟件流程。

1 儀器基本原理及功能框圖
　　本儀器的系統硬件結構框圖如圖1所示，芯片選用價格低廉，性能優良的PIC16C74單片機，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應的外圍電路完成土壤含水量檢測。主要組成部分包括：濕度傳感器，PIC單片機，外存儲器(E²PROM)，觸摸式鍵盤，液晶顯示屏(LCD)，電池電源通斷控制電路，以及向計算機傳送數據的通訊接口電路等部分。
　　傳感器選用的是一種專利產品，其作用是直接將探測頭插入待測土壤中，將土壤濕度轉化成相應模擬電壓，電壓范圍在0～1.2V，該模擬電壓經運算放大器放大到0～5V范圍內的電壓后，送到PIC16C74的I/O口，單片機內有8個通道的A/D變換器，選一個口作為模擬電壓輸入通道，然后轉換成數字電壓值，按電壓－含水量公式，經過單片機運算，得出實際的土壤含水量值，送入外部擴展存儲器儲存，以備傳輸和處理之用，同時送入液晶顯示屏實時顯示。
　　本儀器設定每批數據由16字節組成，外存儲器容量為64K字節，所以外加存儲器最大存儲容量可達512批。為了對測量數據進行進一步處理，需要把各測試點的大量數據送往計算機，為完成數據傳輸，我們選用RS232標準接口方式，器件選用MAX202作為接口器件，數據通過I/O接口送入計算機，再由它進行進一步處理，繪出測試曲線、圖表，然后進行分析、打印和存檔。
　　由于儀器體積小，按鍵選用觸摸開關，能夠完成電源控制(ON)，測量(MEASURE)，前翻頁(UP)，后翻頁(DN)，清除(CLEAR)，認可(ACK)等功能，可使用戶靈活操作。電源采用9V標準電池供電，并由專門的電源控制電路控制電源通斷，由PIC64C74單片機監測電池供電情況，電壓在正常工作范圍時，液晶屏顯示“H”，低于所定標準電壓時，顯示“L”，表明需要換電池。
　　由于我們研制的測試儀采用了高性能單片機芯片，可利用的軟硬件資源豐富，需要的外圍器件較少，具有很強的功能，并且功耗低，應用領域非常廣泛。
2 關鍵器件和關鍵技術
2.1 PIC16C74單片機
　　本儀器芯片選用美國Microchip公司生產的PIC16C74單片機，這種芯片是一種低功耗、高性能，價格適中的CMOS全靜態8位E²PROM單片微型處理器，為40DIP，其中I/O口就有33腳，適于加裝較多外圍器件和設備。
　　PIC16C74芯片包含192字節數據存儲器(RAM)和4K字節程序存儲器(ROM)容量，33個輸出/輸入口，三個定時/計數器，三個捕捉/比較/PWM模數和兩個串行口，同步串行口可配置成三線SPI或二線I²O工作方式，串行口可設置成同步或異步，以及八通道高速A/D變換器部分。軟件結構上，采用RISC指令結構，具有8級堆棧，多個內部和外部中斷位，指令35條，易于編程。
　　與其它單片機(如8031芯片)相比，PIC16C74具有如下幾個其它芯片無法比擬的特點：
　　·內部帶有8個A/D變換通道，僅此一點，在需要進行A/D變換時，就省去了附加的A/D轉換外圍芯片；
　　·軟件指令僅35條，利用編程實現；
　　·低功耗，高速CMOS EPROM技術，在5V 4MHz時僅耗電2mA，在3V 32kHz時，僅耗電15mA；
　　·更為重要的是，該芯片具有休眠功能，即執行Sleep工作方式，此方式下，芯片耗電極小(小于1mA)，當需芯片重新工作時，可通過內部或外圍中斷方式喚醒芯片轉入正常工作方式；
　　·具有保密功能。
2.2 A/D變換
　　PIC16C74單片機有8路模擬輸入口，共用一個采樣/保持器，采樣/保持逐次比較，最后把模擬量變成數字量，對于本測試儀來說，輸入是傳感器送來的模擬電壓，其值在0～1.2V范圍內變化，經放大后的電壓進入單片機內進行A/D變換和運算處理，A/D變換電路如圖2所示。

　　此外A/D變換器的模擬參考電壓選用RA3/ref，引腳電壓為+5V，在設計這種電路時，需要進行如下工作：
　　·A/D變換的精度計算及誤差
　　　把模擬電壓0～1.25V轉換成8位二進數碼，其1LSB＝1.25/256＝4.9mV≈5mV，在V_DD＝5V±10%時，且V_ref＝5V情況下，A/D轉換的全范圍精度小于1 LSB，其中包括偏置誤差、滿量程誤差和整數誤差，并且A/D轉換是單調的。
　　　由于V_DD小于5V或V_ref小于V_DD時，分辨率和精度會降低，所以我們設計時采用如下兩條措施，一是選用V_DD＝5V，且V_ref＝5V；二是通過運算放大器放大，使輸入模擬電壓在0～5V范圍內變化。
　　·對輸入模擬信號量的要求
　　　模擬輸入要進行ESD保護，所以在V_DD和V_CS之間加有反向偏置二極管以保護器件不會被損壞，同時要求接到模擬輸入腳的外部器件應具有極低的漏電流。
　　·A/D采樣要求
　　　對于要達到特定精度的A/D轉換，輸入通道電壓需充滿充電保持電容，其公式為：采樣時間＝放大器穩定時間+保持電容充電時間+溫度系數，即可得出。
　　·A/D轉換時鐘選擇時鐘選用4MHz。
2.3 鍵盤控制
　　PIC16C74有五個I/O口PORTA～PORTE，其中PORTB是個雙向口，B口的四個引腳RB(4～7)，在引腳被設置成輸入方式時，這四個引腳的狀態變化會引起中斷。利用B口的特性，很容易和外部控制鍵盤接口。本儀器中設計了一個2×4的鍵盤，一共有8個控制鍵，鍵盤控制電路如圖3所示。為了對鍵盤采樣，首先禁止數字吸入電流，然后用軟件設置口B，使RB4～RB7為輸入端，RB2～RB3為輸出端至高電平。允許RB4～RB7的上拉，依次使RB2～RB3為低電平，同時檢測RB4至RB7，看是否有擊鍵(低電平)，每次掃描會發現有多次擊鍵，一旦檢測到擊鍵，在重新開始鍵盤采樣之前，經過40ms的去抖動時間，直至當前鍵被釋放之前，不再檢測別的擊鍵。

2.4 液晶顯示
　　測試儀顯示選用液晶顯示片EDM－1601A，它可同時顯示16個ASCII碼字符，每個字符由5×7點陣組成，這種器件內部控制電路主要由指令寄存器，數據寄存器，地址寄存器，顯示數據寄存器，字符發生和時序發生器等組成。本儀器顯示畫面顯示如圖4所示。

　　0號位顯示電池電壓狀態，當電池電壓＞7.5V時，顯示“H”表示電池電壓正常，當電池電壓＜＝7.5V時，顯示“L”，表示電壓過低，需更換電池。1～3號位數碼，顯示測試批數，本測試儀最多可測試512批數據。4號位為空格。5～10位顯示所測點電壓數值，以毫伏(mV)為單位。11～15號位數碼顯示此測試點的含水量百分數。
　　每按一次測量鍵，則顯示出測試點的相關電壓數值和換算出的含水量值，這些值同時送入外存儲器存儲起來。
2.5 串口通訊
　　為了對采集到的數據進行深入地分析，需要將數據從測試儀的外存儲器傳送至計算機，PIC16C74具有串行通訊接口(SCI)，SCI是為能與CRT終端及計算機等外設通訊的全雙工異步系統，本儀器采用RS－232－C接口方式，傳送波特率為9600比特。數據傳輸格式如圖5所示，在這種方式下，SCI采用標準的不歸零(NRZ)格式，開始是一位起始位，以邏輯“0”表示，接著是8位數據位，最后是一位停止位，以邏輯“1”表示，本儀器不設奇偶校驗位，故一次傳送數據長度為10比特。接口芯片選用MAX232，接收端(計算機)采用C語言編輯的接收軟件，顯示接收到的數據，并進行進一步的處理，如匯總成數據表格，畫出分析曲線以及打印結果等等，以供工作人員參考。

2.6 電源控制
　　本儀器采用標準9V干電池供電，為了能保證正常供電，需要對電源進行下面三個方面的控制。
　　·電源的通斷控制，按鍵盤ON鍵，則9V電壓通過MAX667(MAX公司)輸出，提供儀器所需的5V電壓；
　　·電池電壓測試電路，假定標準9V干電池在加載情況下低于規定的某一電壓時，則儀器不能正常工作，需要更換電池，為達到此目的，需要對電池電壓進行連續監測；
　　·自動關機功能：當測試完成后，如果不對儀器操作，一分鐘后電源電路自動斷開，實現自動關機功能。
　　上述三種控制都由MAX667器件完成，具體電路如圖6所示。