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        基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置

        2017-10-16 10:06:13李久超李少巖郭帥孫學(xué)志劉曉峰張竟風(fēng)
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年29期
        關(guān)鍵詞:單片機測量

        李久超++李少巖++郭帥++孫學(xué)志++劉曉峰++張竟風(fēng)

        摘 要:快速測量土壤含水率裝置是通過微波法對土壤進行水分的蒸發(fā),通過單片機傳感器可以隨著土壤含水率的多少來控制裝置的功率,既高效的利用了能源又保護了裝置。本裝置具有檢測快速、設(shè)備體積小、設(shè)備成本低、應(yīng)用范圍廣的特點。

        關(guān)鍵詞:微波裝置;51單片機;傳感器

        中圖分類號:TP368.1 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)29-0020-02

        微波法快速測量交通道路土壤含水率的裝置可以取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)測量方法?,F(xiàn)在的路基、路床設(shè)計已經(jīng)從以往的堅固性為主延伸到“透氣、疏水、堅固耐用”的綜合性指標,但是土壤的含水性是一個路面不可忽視的因素,而且現(xiàn)在的含水率檢測技術(shù)諸如“張力計法、酒精烘烤法、風(fēng)干土樣法、中子法、電阻法”等方式。國內(nèi)外最常用的只有烘干法與酒精燃燒法,烘干法需要八小時將土壤烘干,耗時非常長,延長了工期。酒精法雖然可以快速測得土壤含水量,但結(jié)果很不準確,對結(jié)果有很大影響。國內(nèi)外土壤含水率的檢測方法還存在很多問題,需要進一步研究。此裝置可以有效地解決這些問題。而且土壤含水率對交通有很大的影響,因此研究基于微波法快速準確測量土壤含水率的裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

        1 總體設(shè)計

        本文設(shè)計的裝置是將原有的傳統(tǒng)烘干法與酒精法由微波法代替,從而在測量土壤濕度上發(fā)生質(zhì)的飛躍,解決了設(shè)備笨重,測量不準確的問題,此設(shè)計更加智能化,通過電氣設(shè)備的連接實現(xiàn)了裝置的數(shù)字化,而且周圍環(huán)境對其影響很小。硬件的選擇本著經(jīng)濟可靠的設(shè)計原則,設(shè)計了基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置??刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示,其由開關(guān)控制模塊,微波裝置模塊,功率控制,濕度傳感器模塊等組成。工作時,將土壤放入裝置中,通過微波進行土壤的蒸發(fā)工作,隨著土壤中水分的減少,由濕度傳感器收集信號反饋到單片機中減小功率,既節(jié)約了能源又保護了機器。當(dāng)土壤中濕度與大氣濕度相同時,由傳感器反饋信號將功率減少到零,使裝置停止工作,再由天平測量前后土壤質(zhì)量之差,計算公式如下,從而實現(xiàn)利用微波法測量土壤含水率。

        η=■×100%

        2 模塊工作原理

        (1)單片機模塊

        51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8004單片機,隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展,8004單片機取得了長足的進展,成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一,其代表型號是ATMEL公司的AT89系列,它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。由于其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理,眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng),堪稱為一代“經(jīng)典”。此裝置具有廣闊應(yīng)用前景。

        (2)濕度傳感器模塊

        環(huán)境濕度測試儀是一種用于環(huán)境濕度自動監(jiān)測控制的設(shè)備。本傳感器電路簡單,調(diào)試方便,監(jiān)測準確,精度高[2]。本設(shè)計采用的是頻率輸出式。 濕度頻率轉(zhuǎn)換電路采用NE555定時器,成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。本電路與濕敏電容HS1100和電阻等構(gòu)成多諧振蕩器,通過恰當(dāng)設(shè)置電路中的電阻值,輸出方波,實現(xiàn)濕度監(jiān)測量向頻率信號的轉(zhuǎn)換,通過頻率信號的高低我們就可以得知環(huán)境濕度,最后與土壤濕度相比較再反饋到功率的大小。

        3 軟件設(shè)計

        該裝置通過檢測tlc555與濕敏電容HS1100和電阻等構(gòu)成多諧振蕩器傳遞過來的方波信號,運用單片機內(nèi)部的計數(shù)器功能,對50ms方波數(shù)進行計數(shù),并且運用單片機內(nèi)部的定時器功能,設(shè)置一個50ms的中端,經(jīng)計算可以得出方波信號的頻率,該頻率經(jīng)計算可以得出此時所檢測的濕度值,當(dāng)達到環(huán)境濕度值時,通過單片機自動控制繼電器斷開,使微波控制電路停止工作,達到停止的目的[3]。

        #include

        #define uchar unsigned char

        #define uint unsigned int

        sbit KA =P3^3;

        uchar tem0,tem1; //用于存放50ms中所記脈沖個數(shù)的高低字節(jié)

        uint f=0; //頻率初值

        void Init_timer()

        {

        TMOD=0x51; //定時器1在方式1下工作16位計數(shù)器 定時器0在方式1下工作16位定時器

        TL0=0x00; //定時器0初值 定時50000us

        TH0=0x4C;

        TL1=0x00; //定時器1清零

        TH1=0x00;

        ET0=1; //使能定時器0中斷

        ET1=1; //使能定時器1中斷

        EA=1; //使能總中斷

        TR0=1; //開始計時

        TR1=1;

        }

        void tran()

        {

        f=tem1;

        f=(f<<8)|tem0; //計算出50ms中所記脈沖個數(shù)

        f=f*20; //50ms*20=1000ms=1s 1秒鐘所記脈沖個數(shù)等于頻率

        }

        void main()

        {

        KA=0;// 開啟繼電器

        if(f<=6667)

        KA=1;//當(dāng)頻率小于6667HZ時關(guān)閉繼電器

        }

        4 結(jié)束語

        設(shè)計的微波法測量土壤濕度裝置有效地解決了傳統(tǒng)設(shè)備耗時長,精度不高的問題。本裝置檢測快速、方便、操作簡單,縮短施工工期且設(shè)備體積小,可以便捷攜帶,進行現(xiàn)場測量,其靈活性可以對各種狀況適應(yīng),更好的發(fā)揮了其工作性能。

        參考文獻:

        [1]李琳,杜倩,梁素鈺,等.蘇打堿土植物根際土壤微生物與土壤理化特征的關(guān)系[J].森林工程,2015,31(04):5-9.

        [2]晏鳴霄,夏振清,王攀婷,等.南甕河濕地保護區(qū)土壤有機碳、含水率和pH的變化分布[J].森林工程,2015,31(04):22-25.

        [3]徐闖.季凍區(qū)邊坡表層粉質(zhì)粘土力學(xué)指標影響因素室內(nèi)試驗研究[J].森林工程,2015,31(03):146-150.

        [4]鐘健波.壤墑情信息采集終端設(shè)計研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(21):57-58.

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