蘇變玲

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南 714000)

隨著世界各地淡水資源的緊缺，根據(jù)實測土壤水分狀況對農(nóng)作物進行節(jié)水灌溉，可以提高水資源的利用率，緩解淡水資源日趨緊張的局勢。土壤水分的測量作為農(nóng)業(yè)氣象學科的重要研究內(nèi)容之一，其方法包括烘干法、熱特性法、中子法、近紅外法、光學法、射線法、核子法、張力法、時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)等［1－2］，其中頻域反射法是利用土壤介電特性進行間接測量的介電法，是目前研究最廣且最具潛力的土壤水分測量方法［3］。由于土壤本身的復雜性，對于不同地區(qū)、類型的土壤，即使土壤含水量相同，其介電特性也可能存在差異。為了提高土壤水分含量的測量精度，在研制或應用土壤水分測試儀時，需在考慮環(huán)境溫度對土壤水分影響的前提下，對其進行性能評價分析或?qū)嶋H測試與校正。

1 SM2801V測量土壤水分的原理

SM2801V是一款基于FDR(Frequency domain reflectometry)原理的傳感器，主要由一對電極組成。它等效為一個電容器，電極間的土壤充當電介質(zhì)，電容器與振蕩器組成一個調(diào)諧電路［4－5］，此時式(1)成立。隨著土壤水分(θ為土壤體積含水)的改變，傳感器的等效電容值(C)也在改變，振蕩器工作頻率(f)隨土壤電容的改變而變化。SM2801V就是利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來測定介質(zhì)的介電常數(shù)(ε)，進而通過測量傳感器在土壤中因介電常數(shù)的變化而引起的頻率的變化來測量土壤的水分含量［6］。通過聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)，可得到土壤的相對介電常數(shù)ε，代入Topp的土壤水分與土壤介電常數(shù)的經(jīng)驗關系式(4)，可得到土壤的的體積含水量。

式中，L為等效電感;ε0為真空的介電常數(shù);C0為介質(zhì)為空氣時的電容。

2 系統(tǒng)的組成原理

土壤水分測試儀原理框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊負責采集土壤溫度、濕度信息，并且將土壤溫濕度信息經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入微處理器AT89C52;單片機負責對各模塊的控制操作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和傳輸;存儲器模塊通過接口電路將獲取的數(shù)據(jù)存儲在存儲芯片中，涉及數(shù)據(jù)的寫入與讀取;藍牙模塊負責每間隔一定時間，實現(xiàn)單片機與上位機或具有藍牙功能的設備之間的通信，以獲取實時測量的土壤水分信息。

2.1 器件的選擇

2.1.1 土壤水分傳感器。SM2801V是一款基于頻域反射(FDR)原理的電壓型土壤水分傳感器，0～5 V直流電壓輸出信號，12～24 V直流工作電壓，100 MHz測量頻率。該測試儀的電源電壓選12 V，測量范圍為0～100%。為了提高對土壤含水情況的測量精度，需對土壤水分傳感器進行標定［7］，即將土壤水分傳感器的輸出直流電壓與對每個土壤樣品采用烘干法測量獲得的土壤體積含水率進行比對，描繪出相應的曲線(圖2)，獲得傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的線性相關性，就可將土壤體積含水率這一物理量線性轉(zhuǎn)換成電壓量。微處理器就能通過這一電壓信號與土壤體積含水率的關系，實現(xiàn)后續(xù)的信號處理與控制操作。

2.1.2 溫度傳感器的選擇。DS18B20是一款數(shù)字化單總線型的智能溫度傳感器，－55～+125℃的溫度測量范圍，9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，分辨率達0.062 5℃，具有體積小、精度高等優(yōu)點，采用單總線協(xié)議，接口僅需占用單片機一個I/O端口，無需其他外接元件，其外圍電路也非常簡單;DSl8B20將測得的土壤溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，與單片機可以直接相連，不需信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，簡化電路的設計，可直接將土壤溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，提供給微處理器AT89C52處理，達到土壤溫度采集的目的。DS18B20的供電方式有寄生電源供電和外部電源供電兩種。該測試儀系統(tǒng)采用外接電源供電方式(圖3)。

DSl8B20讀取轉(zhuǎn)換溫度的步驟是:主機首先通過單口線發(fā)送初始化脈沖，然后給DSl8B20發(fā)ROM命令，最后發(fā)6個存儲器命令中控制DSl8820的工作狀態(tài)的一個命令，就可以完成對土壤溫度的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的讀出功能。

2.1.3 藍牙模塊的選擇。HC－06采用CSR藍牙芯片，集成BC41713藍牙芯片、M29W800 Flash存儲芯片及藍牙天線等，遵循V2.0的藍牙協(xié)議，只需通過微處理器的串口TXD、RXD與HC－06模塊建立連接。微處理器AT89C52就可以通過串口與藍牙模塊HC－06的連接，實現(xiàn)與上位機手機或具有藍牙功能的設備之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)土壤水分數(shù)據(jù)的顯示、存儲。HC－06模塊與處理器的接口圖見圖4。

2.2 溫度補償?shù)膶崿F(xiàn) 由于SM2801V土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應，為了提高土壤水分測試儀的測量精度，降低溫度對土壤水分傳感器的影響，系統(tǒng)需增加溫度補償?shù)墓δ?。研究表明，隨著溫度的逐漸升高，測量值也會逐漸變大［8］，表明土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應。為了得出溫度t(℃)對測量值影響的補償函數(shù)式，利用不同溫度下實測值減去樣品室溫下測得的含水量，得出誤差值△y，對△y進行曲線擬合，得到誤差擬合函數(shù)式(5)，將其作為溫度補償項加入到土壤水分傳感器得到的標定函數(shù)式中，將其固化到微處理器程序代碼中即可實現(xiàn)溫度的補償功能。

2.3 電源模塊 系統(tǒng)中AT89S52微處理器、DS18B20溫度傳感器、HC－06藍牙、SM2801V土壤水分傳感器和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器件等器件都需要供電，且需要5、12 V兩種供電電壓，因此依據(jù)系統(tǒng)正常工作的需求，應設計5、12 V兩種電源電壓。該系統(tǒng)采用7805、7812產(chǎn)生所需的供電電源電壓。

3 控制單元電路的設計

土壤水分測試儀的工作過程為:首先測量土壤的溫度，然后測量土壤水分傳感器SM2801V的輸出直流電壓信號，微處理器AT89S52根據(jù)測得的土壤溫度及其與土壤水分線性相關的不同電壓值，實現(xiàn)對土壤水分數(shù)據(jù)的溫度補償處理，然后通過數(shù)碼管顯示所測的土壤水分值，并且送存儲器存儲。在接收到具有藍牙功能設備發(fā)出的控制信號的情況下，可實現(xiàn)與外部具有藍牙功能設備的數(shù)據(jù)傳輸?？刂茊卧娐啡鐖D5所示。

ADC0809的引腳26與土壤水分傳感器的輸出端連接，獲得反映土壤水分的直流電壓輸入，引腳6與微處理器的P3.7連接，通過ˉRD的讀操作，實現(xiàn)對ADC0809的清零與啟動，引腳7反相后接AT89S52的INT1端，每當此端為有效電平時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，軟件編程可通過對此端的監(jiān)測，控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲。顯示模塊采用共陰極接法LED管，4只LED 管的段位分別由字母 a、b、c、d、e、f、g、dp 表示，與單片機AT89S52的P1口的8個引腳相連;位選引腳1－4與AT89C52單片機的P2.0－P2.3相連。AT89S52單片機的引腳P2.6、P2.7 接開關 K1、K2，通過開關 K1、K2使得引腳P2.6、P2.7的高低電平變化，實現(xiàn)對所測量數(shù)據(jù)是溫度還是水分含量的控制。

4 系統(tǒng)軟件設計

在Keiluvision軟件的編程環(huán)境下，編程實現(xiàn)對土壤數(shù)據(jù)信息的讀取、轉(zhuǎn)換、溫度補償、顯示以及與藍牙的數(shù)據(jù)傳輸。完成實現(xiàn)上述功能的程序編寫后，進行編譯，調(diào)試無誤后，使用USB ISP下載線，將其下載到單片機里。

4.1 主程序 主程序流程如圖6所示。在系統(tǒng)上電后，首先進行微處理器AT89C52單片機的初始化，然后單片機向傳感器發(fā)送測量命令，并且讀取開關K1、K2的狀態(tài)，根據(jù)開關K1、K2的狀態(tài)，判斷讀取的數(shù)據(jù)是溫度還是土壤水分信息，然后對采集的數(shù)據(jù)進行處理，查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束后，液晶顯示器實時顯示測量的土壤溫度或水分含量，并且根據(jù)需要確定是否要將測量信息傳輸給藍牙設備。

4.2 USB驅(qū)動安裝與程序下載 將USB ISP下載線與電腦USB接口連接，先進行驅(qū)動程序的安裝，然后將下載線與AT89S52單片機對應引腳的連接，完成以上工作后再用AVR－fighter軟件，將編寫的程序下載到單片機中，并且將整個系統(tǒng)的硬件部分進行組裝，供電，在實驗室完成系統(tǒng)的初步調(diào)試。

5 系統(tǒng)性能測試

為了檢測儀器的使用性能，在臨渭區(qū)的10個監(jiān)測點進行室外驗證測試，并且采集土壤樣品帶回實驗室，采用烘干法進行測量。表1表明，土壤水分測試儀可實現(xiàn)信息的存儲、顯示及與藍牙的數(shù)據(jù)傳輸，測量的精度有了明顯的提高。

表1 實地測試的土壤水分含量數(shù)據(jù) %

6 結(jié)論

基于FDR原理傳感器SM2801V，設計了一款便攜式土壤水分測試儀。通過溫度補償，提高了測量精度;通過藍牙的應用，方便了測量數(shù)據(jù)的采集。野外實驗證明，儀器采用溫度補償提高了測量精度，具有操作簡單、成本低、性價比高、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點，達到墑情測量儀器的要求，能夠為農(nóng)業(yè)氣象提供及時、可靠的數(shù)據(jù)，在農(nóng)業(yè)氣象和水利部門具有廣闊的應用前景。

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