CN104977330A - 一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，属于农业测量技术领域，步骤：1：电容器串联一个电感L1，组成LC电路；2：建立LC电路谐振频率f₀与土壤体积含水量θ_v的关系式；3：建立若干个f₀值与若干个θ_v值一一对应的表格；4：将测量电路连接LC电路；5：将待测土壤放在电容器两极板间；6：调整LC电路的频率值为步骤3中的若干个谐振频率f₀的值，并且在每个频率值下采集记录电容器两极板间的电压值，得到若干个电压值；7：找出采集的若干个电压值中的最大值，最大值对应的LC电路的频率值即认定为LC电路的谐振频率f₀，查询步骤3的表格得到土壤体积含水量θ_v。具有较高的精度，自动化采集，测量重现性好，操作方便。

Description

一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法

技术领域

本发明属于农业测量技术领域，具体涉及土壤体积含水量的测量。

背景技术

土壤的水分含量是精细农业节水灌溉中测定的重要参数。通过对土壤水分含量的实时监测，可以了解农作物的生长规律，为农作物提供一个适宜的生长环境具有重要意义。

介电特性法是土壤含水量测量中常用的方法。介电特性法是利用土壤的介电特性对土壤的含水量进行测定。土壤介电常数ε的变化能很好地反应土壤的体积含水量θv的变化。

介电法中有时域法(TDR)，频域法(FDR)，电容法等常用方法，至今国内外的研究人员就TDR(时域反射法)研究最多最广，TDR法是目前普遍认可的准确测量土壤水分含量的方法，与烘干法一同作为标定其他水分测量仪器的标准。TDR方法目前电路复杂设计难度大，不可以测量较浅的土壤；并且仪器价格昂贵，在现阶段不能推广和普及。

FDR方法在野外进行水分监测应用中，因土壤类型不同而需要标定或校正。在低频时，容易受到土壤盐分、质地和容重的影响。由于TDR与FDR两种传感器在价格上比较昂贵，无法大面积的使用，为此，本发明提出了一种智能化、精度高、成本较低的土壤体积含水量的测量方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中TDR方法电路复杂、设计难度大，不可以测量较浅的土壤，并且仪器价格昂贵；以及FDR在低频时，容易受到土壤盐分、质地和容重的影响等缺陷，本发明提出了一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，采用的技术方案为：

一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将电容器串联一个电感L1，组成LC电路；

步骤2：推导步骤1中所述LC电路的谐振频率f₀与土壤体积含水量θ_v的关系式；

步骤3：根据步骤2中所述的关系式建立若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格，

步骤4：将测量电路连接所述LC电路；

步骤5：将待测土壤放在所述电容器的两极板间；

步骤6：调整LC电路的频率值为步骤3中所述的若干个谐振频率f₀的值，并且在每个频率值下测量电路采集所述电容器两极板间的电压值并记录，得到若干个电压值；

步骤7：确定步骤6中所述若干个电压值中的最大电压值，所述最大电压值对应的LC电路的频率值即认定为LC电路的谐振频率f₀，查询步骤3所述的若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格得到土壤体积含水量θ_v。

进一步地，

所述步骤1中所述电容器的上极板连接所述电感L1的一端，所述电容器的下极板接地；所述电感L1的另一端作为LC电路的输入端；

进一步地，

所述步骤4中测量电路包括：稳压电源电路、单片机、D/A转换电路、压控振荡器、基准电压电路、LCD驱动电路、LCD显示屏、JTAG调试电路、复位电路、晶振电路；

所述单片机的一个输入端连接所述电容器的上极板，所述单片机的输出端连接所述D/A转换电路，所述D/A转换电路连接所述压控振荡器的输入，所述压控振荡器的输出连接所述LC电路的输入端；所述基准电压电路与所述D/A转换电路相连接，所述单片机的输出端与所述LCD驱动电路相连接，所述LCD驱动电路与所述LCD显示屏相连接；所述JTAG调试电路、所述复位电路和所述晶振电路均与所述单片机相连接；

所述单片机一方面将控制电压经D/A转换电路转换后送给压控振荡器、压控振荡器根据所述控制电压的值输出信号给LC电路，所述单片机另一方面采集LC电路中电容器的两极板的电压值；所述JTAG调试电路用于单片机的程序烧写和调试，所述复位电路用于单片机的复位，晶振电路用于给单片机提供时钟信号。

进一步地，所述测量电路还包括稳压电源电路；所述稳压电源电路分别为单片机、基准电压电路、LCD驱动电路、D/A转换电路、压控振荡器、JTAG调试电路、复位电路提供工作电压。

进一步地，

所述步骤3中建立若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格的方法为：

步骤3.1：在压控振荡器的输出频率范围内等步长取128个频率值；

步骤3.2：根据步骤2中所述关系式计算出步骤3.1中128个频率值对应的128个土壤体积含水量的值；

步骤3.3：将步骤3.1中的128个频率值与步骤3.2中的128个土壤体积含水量的值一一对应地放入表格内；

所述步骤6中所述的调整LC电路的频率值为步骤3中所述的若干个谐振频率f₀的值的方法为：

步骤6.1：将步骤3.1中所述的128个频率值按照压控振荡器特性计算出对应的128个控制电压的值；

步骤6.2：测量时，单片机依次输出128个控制电压，所述控制电压经D/A转换电路后送给压控振荡器，所述压控振荡器依次输出对应的128个频率的信号给LC电路。

更进一步地，所述单片机采用MSP430f2012，所述基准电压电路采用TL431，所述LCD驱动电路采用TM1621，所述D/A转换电路采用AD5660，所述压控振荡器采用SIT3808。

更进一步地，所述稳压电源电路采用AS1360-33-T。

本发明和现有技术相比，有益效果为：

(1)测量电路中选用16位高精度的基准电压电路AD5660，以及压控振荡器SIT3808能够输出其频率范围内任何6位小数精度的频率，保证了测量具有较高的精度和可靠性。

(2)测量过程中全部采用单片机编程实现，能够方便地接入自动化采集系统，连续测量土壤体积含水量随时间的变化过程。

(3)本发明中的测量电路包含复位、晶振和JTAG电路，易于调试，多次测量重现性好；选用的LCD显示屏可以方便实时地将测量结果显示，人性化和智能化较好。

(4)测量电路部分安装简单，操作方便，可便携，成本低。

附图说明

图1为测量原理结构框图；

图2为测量电路原理图；

图3为稳压电路原理图；

图4单片机程序流程图。

图中标记，1-稳压电源电路，2-单片机，3-基准电压电路，4-LCD驱动电路，5-D/A转换电路，6-压控振荡器，7-LCD显示屏，2-1-JTAG调试电路，2-2-复位电路，2-3-晶振电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明的测量原理结构框图。

由电感L₁和电容器组成的LC串联电路的谐振频率f₀为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(Cx1+Cp)}}---\left(1\right)$

式(1)中，L₁为固定谐振电感值，C_P是电容器寄生电容，C_P可通过仪器测量出具体值，Cx1为电容器等效电容，C_P大小与谐振频率有关。

电容器等效电容Cx1与土壤介电常数的关系式为：

Cx1＝δε   (2)

式(2)中，δ为电容器极板的几何因子，δ可通过实验标定出具体值，ε为极板间土壤的介电常数。

根据Herkelrath的半理论半经验关系式：

${\mathrm{\θ}}_v=a\sqrt{\mathrm{\ϵ}}+b---\left(3\right)$

式(3)中，a，b是校正参数，需要根据土壤类型不同进行校正，ε为土壤的介电常数，θ_v为土壤的体积含水量。由式(2)(3)得知土壤体积含水量θ_v的变化会引起电容器极板间电容值的变化，电容值改变后，由式(1)得知LC电路的谐振频率也会改变。

由式(1)(2)(3)得出谐振频率f₀与土壤的体积含水量θ_v的关系式：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_P+k{({\mathrm{\θ}}_v-b)}^2)}}---\left(4\right)$

式(4)中，L₁为固定谐振电感值，C_P是电容器寄生电容，δ为电容器极板的几何因子，a，b是校正参数；参数δ，a，b均可通过实验标定出数值，C_P可通过精密LCR数字电桥(型号为TH2816A)测出值，如此可建立谐振频率f₀与土壤的体积含水量θ_v一一对应的关系。

下面给出参数δ，a，b的标定方法。

(Ⅰ)参数δ的标定方法为：

步骤1-1：将土壤完全晒干，置于容器中，把电容器极板完全插入土壤，利用高精度电容表测得在完全干燥的环境下的电容值Cx1；

步骤1-2：查询干燥情况下土壤的介电常数ε；利用步骤1-1中测量的Cx1的值，根据电容与土壤介电常数的线性关系式(2)，得到电容器极板的几何因子δ。

(Ⅱ)参数a、b的标定方法为：

步骤2-1：将干土壤放在直径和高已知的圆柱形PVC管(PVC管的直径大于10cm，所述干土壤在所述PVC管中的厚度超过20cm),置于20℃的环境中，记录此时干土壤和PVC管的总重量W₁，并计算干土壤体积V；用TDR传感器测量干土壤的介电常数ε

步骤2-2：用马氏瓶供水，使整个土柱均匀饱和,并记录此时的总重量W₂；

步骤2-3：将步骤2-2中的W₂与步骤2-1中的W₁相减得到水分的重量，根据水的密度计算得到水分的体积；根据土壤的体积含水量的定义，可以计算得到饱和状态下土壤的体积含水量；用TDR传感器测量饱和状态下土壤的介电常数ε、并记录ε值；

步骤2-4：将土壤静置，每隔5到10小时测一次重量，记录每次重量与饱和状态时重量之间的差值，同时记录用TDR传感器测量土壤的介电常数ε值，每次测量土壤重量和介电常数均进行5次测量取平均值，一直到整个土壤完全干燥；

步骤2-5：根据步骤2-4中每次重量与饱和状态时重量之间的差值，计算每次测量时与饱和时相比水分减少的体积，进而得到每次测量时土壤水分的体积，根据土壤的体积含水量的定义，计算每次测量时土壤的体积含水量的值；

步骤2-6：对步骤2-1至步骤2-5测量、计算得到的多个不同的土壤体积含水量的值与介电常数的值按照Herkelrath的半理论半经验公式进行拟合，得到参数a,b的值。

图1中，测量电路原理框架包括：单片机，D/A转换电路，压控振荡器；基本原理为：单片机2输出压控振荡器6的控制电压，控制电压经D/A转换电路5转换后送给压控振荡器6，压控振荡器6输出控制电压对应的频率的信号给LC电路，单片机2负责采集LC电路中电容器极板间的电压幅值并判断处理。

如图2和图3所示，为本发明的测量电路的具体原理图。

测量电路具体包括稳压电源电路1、单片机2、基准电压电路3、LCD驱动电路4、D/A转换电路5、压控振荡器6、LCD显示屏7、JTAG调试电路2-1、复位电路2-2和晶振电路2-3。

电路型号及作用说明：稳压电源电路1采用AS1360-33-T，用来给单片机2，基准电压电路3，LCD驱动电路4，D/A转换电路5，压控振荡器6等模块提供3.3V工作电源电压。单片机2型号为MSP430F2012，自带10位精度AD采样端口。JTAG电路2-1，其作用是调试和烧写单片机程序；复位电路2-2采用IN4148，用于复位单片机2；晶振电路2-3采用32768，用于给单片机2提供时钟。基准电压电路3中使用的芯片为TL431，用于给D/A转换电路5提供基准电压。D/A转换电路5选用16位高精度AD5660。压控振荡器6采用SIT3808压控振荡芯片，控制振荡电压为2.5v到3.3v时，输出频率范围为1-80MHz；压控振荡器SIT3808能够输出其频率范围内任何6位小数精度的频率。

单片机2的第2、3、4引脚与D/A转换电路5相连，D/A转换电路5输出引脚接压控振荡器6的输入引脚，D/A转换电路5将单片机2输出的数字信号转换为模拟信号，完成单片机2对压控振荡器6输出频率的控制。压控振荡器6的输出端与贴片绕线电感L1(值为270nH)的一端连接，贴片绕线电感L1另一端与电容器的上极板连接，电容器的下极板接地。电容器与电感L1相连接处与单片机2的5号引脚相接，单片机2的5号引脚是A/D采样引脚，实现电容器上的电压信号采样。单片机2的6、7、8引脚接入LCD驱动电路4(采用TM1621芯片)，LCD驱动电路4串行输出土壤体积含水量数据，并通过LCD显示屏7显示土壤体积含水量，实现整机的低功耗。

下面结合图4对本发明测量过程进行说明：

(1)设定土壤体积含水量的测量范围为5％－35％(一般情况下，35％的土壤湿度已经达到饱和，故本发明设置35％为测量的土壤体积含水量的上限)，根据关系式(4)计算出对应的LC电路的谐振频率范围为30MHz－76MHz。

(2)对应30MHz－76MHz范围内等步长取128个频率，根据关系式(4)计算对应的128个土壤体积含水量的值并放入数组b[128]，根据压控振荡器6特性，计算128个频率对应的128个控制电压DOUT并放入数组a[128]。

(3)具体测量时，单片机分别依次输出128个控制电压DOUT，控制电压DOUT经D/A转换电路5转换后送给压控振荡器6，压控振荡器6根据128个控制电压的值依次对应输出128个频率的正弦信号给LC电路。单片机2依次采集到LC电路中电容器极板间的128个电压幅值经自身带的A/D转换电路进行转换后存放在单片机的寄存器ADC10MEM，找出128个电压幅值中的最大值Vmax，确定最大值Vmax所对应的数组b[128]中的值，利用查表的方式得到土壤体积含水量的值(对应附图4程序流程图中变量shidu的值)，并通过LCD显示屏7进行显示。

以上所述仅仅用于解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进、变型以及等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将电容器串联一个电感L1，组成LC电路；

步骤2：建立步骤1中所述LC电路的谐振频率f₀与土壤体积含水量θ_v的关系式；

步骤3：根据步骤2中所述的关系式建立若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格；

步骤4：所述LC电路连接测量电路；

步骤5：将待测土壤放在所述电容器的两极板间；

步骤6：调整LC电路的频率值为步骤3中所述的若干个谐振频率f₀的值，并且在每个频率值下测量电路采集所述电容器两极板间的电压值并记录，得到若干个电压值；

步骤7：确定步骤6中所述若干个电压值中的最大电压值，所述最大电压值对应的LC电路的频率值即认定为LC电路的谐振频率f₀，查询步骤3所述的若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格得到土壤体积含水量θ_v。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，

所述步骤1中所述电容器的上极板连接所述电感L1的一端，所述电容器的下极板接地；所述电感L1的另一端作为LC电路的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，

所述步骤4中测量电路包括：稳压电源电路(1)、单片机(2)、D/A转换电路(5)、压控振荡器(6)、基准电压电路(3)、LCD驱动电路(4)、LCD显示屏(7)、JTAG调试电路(2-1)、复位电路(2-2)、晶振电路(2-3)；

所述单片机(2)的一个输入端连接所述电容器的上极板，所述单片机(2)的输出端连接所述D/A转换电路(5)，所述D/A转换电路(5)连接所述压控振荡器(6)的输入，所述压控振荡器(6)的输出连接所述LC电路的输入端；所述基准电压电路(3)与所述D/A转换电路(5)相连接，所述单片机(2)的输出端与所述LCD驱动电路(4)相连接，所述LCD驱动电路(4)与所述LCD显示屏(7)相连接；所述JTAG调试电路(2-1)、所述复位电路(2-2)和所述晶振电路(2-3)均与所述单片机(2)相连接；

所述单片机(2)一方面将控制电压经D/A转换电路(5)转换后送给压控振荡器(6)、压控振荡器(6)根据所述控制电压的值输出信号给LC电路，所述单片机(2)另一方面采集LC电路中电容器的两极板的电压值；所述JTAG调试电路(2-1)用于单片机的程序烧写和调试，所述复位电路(2-2)用于单片机的复位，晶振电路(2-3)用于给单片机(2)提供时钟信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，所述测量电路还包括稳压电源电路(1)；所述稳压电源电路(1)分别为单片机(2)、基准电压电路(3)、LCD驱动电路(4)、D/A转换电路(5)、压控振荡器(6)、JTAG调试电路(2-1)、复位电路(2-2)提供工作电压。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，

所述步骤3中建立若干个谐振频率f₀与若干个土壤体积含水量θ_v一一对应的表格的方法为：

步骤3.1：在压控振荡器(6)的输出频率范围内等步长取128个频率值；

步骤3.2：根据步骤2中所述关系式计算出步骤3.1中128个频率值对应的128个土壤体积含水量的值；

步骤3.3：将步骤3.1中的128个频率值与步骤3.2中的128个土壤体积含水量的值一一对应地放入表格内；

所述步骤6中所述的调整LC电路的频率值为步骤3中所述的若干个谐振频率f₀的值的方法为：

步骤6.1：将步骤3.1中所述的128个频率值按照压控振荡器(6)特性计算出对应的128个控制电压的值；

步骤6.2：测量时，单片机(2)依次输出128个控制电压，所述控制电压经D/A转换电路(5)后送给压控振荡器(6)，所述压控振荡器(6)依次输出对应的128个频率的信号给LC电路。

6.根据权利要求3所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，所述单片机(2)采用MSP430f2012，所述基准电压电路(3)采用TL431，所述LCD驱动电路(4)采用TM1621，所述D/A转换电路(5)采用AD5660，所述压控振荡器(6)采用SIT3808。

7.根据权利要求4所述的一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法，其特征在于，所述稳压电源电路(1)采用AS1360-33-T。