一種基于單片機(jī)的土壤體積含水量的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及±壤體積含水量的測量。
【背景技術(shù)】
[0002] ±壤的水分含量是精細(xì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌概中測定的重要參數(shù)。通過對±壤水分含量的 實(shí)時(shí)監(jiān)測，可W了解農(nóng)作物的生長規(guī)律，為農(nóng)作物提供一個(gè)適宜的生長環(huán)境具有重要意義。
[0003] 介電特性法是±壤含水量測量中常用的方法。介電特性法是利用±壤的介電特性 對±壤的含水量進(jìn)行測定?！廊澜殡姵?shù)e的變化能很好地反應(yīng)±壤的體積含水量0V 的變化。
[0004] 介電法中有時(shí)域法仰時(shí)，頻域法（抑時(shí)，電容法等常用方法，至今國內(nèi)外的研究 人員就TDR(時(shí)域反射法）研究最多最廣，TDR法是目前普遍認(rèn)可的準(zhǔn)確測量±壤水分含量 的方法，與烘干法一同作為標(biāo)定其他水分測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)。TDR方法目前電路復(fù)雜設(shè)計(jì)難度 大，不可W測量較淺的±壤；并且儀器價(jià)格昂貴，在現(xiàn)階段不能推廣和普及。
[0005] 抑R方法在野外進(jìn)行水分監(jiān)測應(yīng)用中，因±壤類型不同而需要標(biāo)定或校正。在低 頻時(shí)，容易受到±壤鹽分、質(zhì)地和容重的影響。由于TDR與FDR兩種傳感器在價(jià)格上比較昂 貴，無法大面積的使用，為此，本發(fā)明提出了一種智能化、精度高、成本較低的±壤體積含水 量的測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中TDR方法電路復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大，不可W測量較淺的± 壤，并且儀器價(jià)格昂貴；W及FDR在低頻時(shí)，容易受到±壤鹽分、質(zhì)地和容重的影響等缺陷， 本發(fā)明提出了一種基于單片機(jī)的±壤體積含水量的測量方法，采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種基于單片機(jī)的±壤體積含水量的測量方法，包括如下步驟：
[000引步驟1 ;將電容器串聯(lián)一個(gè)電感L1，組成LC電路；
[0009] 步驟2 ;推導(dǎo)步驟1中所述LC電路的諧振頻率片與±壤體積含水量0V的關(guān)系式；
[0010] 步驟3 ;根據(jù)步驟2中所述的關(guān)系式建立若干個(gè)諧振頻率f。與若干個(gè)±壤體積含 水量0Y-一對應(yīng)的表格，
[00川步驟4 ;將測量電路連接所述LC電路；
[0012] 步驟5 ;將待測±壤放在所述電容器的兩極板間；
[001引步驟6 ;調(diào)整LC電路的頻率值為步驟3中所述的若干個(gè)諧振頻率f。的值，并且在 每個(gè)頻率值下測量電路采集所述電容器兩極板間的電壓值并記錄，得到若干個(gè)電壓值；
[0014] 步驟7 ;確定步驟6中所述若干個(gè)電壓值中的最大電壓值，所述最大電壓值對應(yīng)的 LC電路的頻率值即認(rèn)定為LC電路的諧振頻率f。，查詢步驟3所述的若干個(gè)諧振頻率f。與 若干個(gè)±壤體積含水量0Y-一對應(yīng)的表格得到±壤體積含水量0Y。
[0015] 進(jìn)一步地，
[0016] 所述步驟1中所述電容器的上極板連接所述電感L1的一端，所述電容器的下極板 接地；所述電感LI的另一端作為LC電路的輸入端；
[0017] 進(jìn)一步地，
[001引所述步驟4中測量電路包括；穩(wěn)壓電源電路、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換電路、壓控振蕩器、 基準(zhǔn)電壓電路、LCD驅(qū)動電路、LCD顯示屏、JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路、晶振電路；
[0019] 所述單片機(jī)的一個(gè)輸入端連接所述電容器的上極板，所述單片機(jī)的輸出端連接所 述D/A轉(zhuǎn)換電路，所述D/A轉(zhuǎn)換電路連接所述壓控振蕩器的輸入，所述壓控振蕩器的輸出連 接所述LC電路的輸入端；所述基準(zhǔn)電壓電路與所述D/A轉(zhuǎn)換電路相連接，所述單片機(jī)的輸 出端與所述LCD驅(qū)動電路相連接，所述LCD驅(qū)動電路與所述LCD顯示屏相連接；所述JTAG 調(diào)試電路、所述復(fù)位電路和所述晶振電路均與所述單片機(jī)相連接；
[0020] 所述單片機(jī)一方面將控制電壓經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送給壓控振蕩器、壓控振蕩 器根據(jù)所述控制電壓的值輸出信號給LC電路，所述單片機(jī)另一方面采集LC電路中電容器 的兩極板的電壓值；所述JTAG調(diào)試電路用于單片機(jī)的程序燒寫和調(diào)試，所述復(fù)位電路用于 單片機(jī)的復(fù)位，晶振電路用于給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號。
[0021] 進(jìn)一步地，所述測量電路還包括穩(wěn)壓電源電路；所述穩(wěn)壓電源電路分別為單片機(jī)、 基準(zhǔn)電壓電路、LCD驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、壓控振蕩器、JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路提供工 作電壓。
[002引進(jìn)一步地，
[0023] 所述步驟3中建立若干個(gè)諧振頻率f。與若干個(gè)±壤體積含水量0Y-一對應(yīng)的表 格的方法為：
[0024] 步驟3. 1 ;在壓控振蕩器的輸出頻率范圍內(nèi)等步長取128個(gè)頻率值；
[0025] 步驟3. 2 ;根據(jù)步驟2中所述關(guān)系式計(jì)算出步驟3. 1中128個(gè)頻率值對應(yīng)的128個(gè) ±壤體積含水量的值；
[0026] 步驟3. 3 ;將步驟3. 1中的128個(gè)頻率值與步驟3. 2中的128個(gè)±壤體積含水量 的值一一對應(yīng)地放入表格內(nèi)；
[0027] 所述步驟6中所述的調(diào)整LC電路的頻率值為步驟3中所述的若干個(gè)諧振頻率f。 的值的方法為：
[002引步驟6.1;將步驟3. 1中所述的128個(gè)頻率值按照壓控振蕩器特性計(jì)算出對應(yīng)的 128個(gè)控制電壓的值；
[0029] 步驟6.2 ;測量時(shí)，單片機(jī)依次輸出128個(gè)控制電壓，所述控制電壓經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電 路后送給壓控振蕩器，所述壓控振蕩器依次輸出對應(yīng)的128個(gè)頻率的信號給LC電路。
[0030] 更進(jìn)一步地，所述單片機(jī)采用MSP430f2012,所述基準(zhǔn)電壓電路采用化431，所述 LCD驅(qū)動電路采用TM1621，所述D/A轉(zhuǎn)換電路采用AD5660,所述壓控振蕩器采用SIT3808。
[0031] 更進(jìn)一步地，所述穩(wěn)壓電源電路采用AS1360-33-T。
[0032] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為：
[003引 （1)測量電路中選用16位高精度的基準(zhǔn)電壓電路AD5660,W及壓控振蕩器SIT3808能夠輸出其頻率范圍內(nèi)任何6位小數(shù)精度的頻率，保證了測量具有較高的精度和 可靠性。
[0034] (2)測量過程中全部采用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，能夠方便地接入自動化采集系統(tǒng)，連續(xù) 測量±壤體積含水量隨時(shí)間的變化過程。
[003引 做本發(fā)明中的測量電路包含復(fù)位、晶振和JTAG電路，易于調(diào)試，多次測量重現(xiàn)性 好；選用的LCD顯示屏可W方便實(shí)時(shí)地將測量結(jié)果顯示，人性化和智能化較好。
[0036] (4)測量電路部分安裝簡單，操作方便，可便攜，成本低。
【附圖說明】
[0037] 圖1為測量原理結(jié)構(gòu)框圖；
[003引圖2為測量電路原理圖；
[0039] 圖3為穩(wěn)壓電路原理圖；
[0040] 圖4單片機(jī)程序流程圖。
[0041] 圖中標(biāo)記，1-穩(wěn)壓電源電路，2-單片機(jī)，3-基準(zhǔn)電壓電路，4-LCD驅(qū)動電路，5-D/A 轉(zhuǎn)換電路，6-壓控振蕩器，7-LCD顯示屏，2-1-JTAG調(diào)試電路，2-2-復(fù)位電路，2-3-晶振電 路。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0043] 如圖1所示，為本發(fā)明的測量原理結(jié)構(gòu)框圖。
[0044] 由電感Li和電容器組成的LC串聯(lián)電路的諧振頻率f。為：
[0045]
(1)
[0046] 式（1)中，Li為固定諧振電感值，Cp是電容器寄生電容，Cp可通過儀器測量出具體 值，Cxi為電容器等效電容，Cp大小與諧振頻率有關(guān)。
[0047] 電容器等效電容Cxi與±壤介電常數(shù)的關(guān)系式為：
[0048] Cxi= 5e(2)
[0049]式（2)中，5為電容器極板的幾何因子，5可通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出具體值，e為極板 間±壤的介電常數(shù)。
[0化日]根據(jù)化rkelrath的半理論半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；
[0051] 0、二口V&.+A (3)
[0化2] 式（3)中，a,b是校正參數(shù)，需要根據(jù)±壤類型不同進(jìn)行校正，e為±壤的介電常 數(shù)，0、為±壤的體積含水量。由式（2) (3)得知±壤體積含水量0Y的變化會引起電容器 極板間電容值的變化，電容值改變后，由式（1)得知LC電路的諧振頻率也會改變。
[005引由式（1)似做得出諧振頻率片與±壤的體積含水量0V的關(guān)系式：
[0054]
…
[0化5] 式（4)中，Li為固定諧振電感值，Cp是電容器寄生電容，5為電容器極板 CT 的幾何因子，a,b是校正參數(shù)；參數(shù)5，a,b均可通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出數(shù)值，Cp可通過精密LCR 數(shù)字電橋（型號為T肥816A)測出值，如此可建立諧振頻率片與±壤的體積含水量0Y-- 對應(yīng)的關(guān)系。
[0056] 下面給出參數(shù)5，a,b的標(biāo)定方法。
[0057] (I)參數(shù)5的標(biāo)定方法為；
[0化引步驟1-1;將±壤完全曬干，置于容器中，把電容器極板完全插入±壤，利用高精 度電容表測得在完全干燥的環(huán)境下的電容值Cxi;
[0化9] 步驟1-2 ;查詢干燥情況下±壤的介電常數(shù)e;利用步驟1-1中測量的Cxi的值， 根據(jù)電容與±壤介電常數(shù)的線性關(guān)系式（2)，得到電容器極板的幾何因子5。
[0060] (II)參數(shù)a、b的標(biāo)定方法為：
[006U步驟2-1 ;將干±壤放在直徑和高已知的圓柱形PVC管（PVC管的直徑大于10cm， 所述干±壤在所述PVC管中的厚度超過20cm)，置于20°C的環(huán)境中，記錄此時(shí)干±壤和PVC 管的總重量Wi，并計(jì)算干±壤體積V;用TDR傳感器測量干±壤的介電常數(shù)e
[0062] 步驟2-2 ;用馬氏瓶供水，使整個(gè)±柱均勻飽和，并記錄此時(shí)的總重量胖2;
[0063] 步驟2-3 ;將步驟2-2中的W2與步驟2-1中的Wi相減得到水分的重量，根據(jù)水的 密度計(jì)算得到水分的體積；根據(jù)±壤的體積含水量的定義，可W計(jì)算得到飽和狀態(tài)下±壤 的體積含水量；用TDR傳感器測量飽和狀態(tài)下±壤的介電常數(shù)e、并記錄e值；
[0064] 步驟2-4 ;將±壤靜置，每隔5到10小時(shí)測一次重量，記錄每次重量與飽和狀態(tài)