CN111693580B - 一种电容式土壤水分监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式土壤水分监测系统及方法，包括传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块；传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块依次连接；检测电路模块包括信号源电路、幅相复合检测电路、放大电路和温度检测电路；信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，经过幅相复合检测电路获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，通过放大电路输入到AD转换模块输入给单片机应用模块，单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ，提高土壤含水量监测精度。

Description

一种电容式土壤水分监测系统及方法

技术领域

本发明属于农业信息感知检测处理技术领域，具体涉及一种电容式土壤水分监测系统及方法。

背景技术

目前市面上的价格适中的土壤水分传感器及系统检测精度较低，检测误差较大，且对具有完全不同特征的土壤适用性差，而精度较高的土壤水分传感器及系统的价格较高，难以得到推广。

目前国内外土壤含水量测量方法主要有烘干法、电阻法、张力计法、近红外法，中子衰减法、介电法等，其中介电法包括时域发射法(TDR)、频域分解法(FD)，基于驻波率原理的测量方法(SWR)以及电容法等。

烘干法只适合在实验室做土壤水分标定对比方法。张力计法测量的土质很受限，且测量速度很慢。中子衰减法土壤水分传感器虽然检测精度高，但如果没有做好防护措施，容易对环境和人体造成损伤。时域反射法的优点是测量所用时间较短，精度较高，缺点是对所使用的仪器和技术都要求较高，成本极高。频域分解法成本虽较低，但25MHz左右时，土壤介电常数对不同土质非常敏感。电阻法具有快速、低成本等特点，但是测量精度低、稳定性差。近红外法检测土壤水分受土质的影响很大。驻波率法在土质的对比研究相对较少，测量精度也有待进一步提高。Tarara提出的电容法测量结构简单、成本低、结果准确、便携性好、对土壤无破坏，是一种方便有效的土壤水分检测方法。

目前常见的电容式检测电路及计算处理方法主要有以下四种形式：

①以交流信号幅值等效直流电压的形式输出，作为传感器输出信号反应土壤湿度。如李加念等设计的基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器(农业工程学报，2011),检测电路核心为基于AD8361的真有效值功率检测器件，其输出值为输入波形信号真有效值的7.5倍。水分含量计算处理方法为，依据在方波激励下的探针电容C充电电压公式和容量计算公式，推得以幅值等效直流电压为自变量，以土壤介电常数为因变量的公式，通过土壤介电常数换算得到含水量。其不足是:输出的直流电压信号不稳定,受电源电压影响较大。

②以相位差等效直流电压的形式输出,作为传感器输出信号反应土壤湿度。如蔡坤等设计的基于RC网络相频特性的土壤含水率传感器(农业工程学报,2013),其检测电路反映正弦交流信号经过插入土壤中的探针前后相位偏移。检测电路基于AD8302芯片，将相位差转换为等效直流电压。水分含量计算处理方法为，依据工作电路的相频特性函数与AD8302芯片相位差等效直流电压公式，推得以相位差等效直流电压为自变量，以土壤容抗为因变量的公式，通过土壤容抗值换算得到含水量。其不足是难以保证测量效果。因为在实际测量中由于自身电路的电压波动、土壤成分与外界电磁场影响，都有可能给相位差值带来扰动，且未考虑AD8302芯片自身在0°到18°和162°到180°之间相位差检测误差较大情况。

③基于差分信号控制作为传感器检测电路。如傅文渊等设计的基于差分信号控制的土壤含水率传感器(农业工程学报,2015)。其检测电路依据土壤含水率变化引起差分信号，控制电路中电极极化，经过稳态触发器将变化的含水率转化为周期特性，利用MCU测量信号周期。差分控制电路核心为两个7555定时器。其不足是电路较复杂,工作信号频率低于10kHz,且低频率信号下土壤容易被极化引起介电损耗，不利于实际测量。

④以幅值比、相位差等效直流电压的形式输出，作为传感器输出信号反映土壤湿度。如詹振海等设计的基于频率特性的平行板电容式土壤水分检测研究(科学技术与工程，2017)。其检测电路反映正弦交流信号经过插入土壤的探针前后幅值比和相位差。该系统水分含量的计算方法为：检测得到激励信号与工作信号的幅值比、相位差数值，根据系统传递函数及其频率特性函数，计算得出土壤等效容抗分量，减小外界土壤电导分量对土壤容抗分量的影响。检测电路包括滤波电路，放大电路，测量方法是利用示波器记录两信号的幅值及相位，通过计算得到幅值比和相位差。其不足是需利用示波器手动测量计算，精度低，没有实现自动检测。

综上所述，目前土壤水分监测系统存在检测影响因素多，尤其是相位差检测误差大、土壤电导分量对土壤容抗分量影响大，以及土壤容重影响大等导致检测精度不高、计算处理不便等不足，有待改进提高检测精度。

发明内容

本发明针对目前含水量检测存在的影响因素多，导致检测精度不高、计算处理不便等不足，提供了一种基于幅相复合检测和温度容重综合补偿的电容式土壤水分监测系统及方法，主要应用于农业生产过程信息监测，提高土壤含水量监测精度。

本发明的技术方案是：一种电容式土壤水分监测系统，包括传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块；

所述传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块依次连接；

所述传感器探头包括电容式土壤水分传感器和温度传感器；

所述检测电路模块包括信号源电路、幅相复合检测电路、放大电路和温度检测电路；所述信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，经过幅相复合检测电路获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入的信号转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ。

上述方案中，所述幅相复合检测电路包括AD8302芯片，所述信号源电路包括MAX2606芯片；所述温度检测电路包括OP07芯片，所述放大电路包括MAX4108芯片。

上述方案中，所述信号源电路输出的两路信号相位差为90°。

上述方案中，所述单片机应用模块采用STC12C5A60S2单片机。

上述方案中，还包括按键模块及显示模块；所述按键模块与单片机应用模块连接；按键模块用于控制检测系统工作。所述显示模块与单片机应用模块连接；显示模块用于显示土壤含水量、容重和温度。

一种根据所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述传感器探头检测土壤的水分和温度信号并传递给检测电路模块，检测电路模块的信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入电压转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ。

上述方案中，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ的步骤包括：土壤相对介电常数ε_r计算、土壤容重ρ范围计算和经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算。

进一步的，所述土壤相对介电常数ε_r计算公式为：

公式7中，ε₀为真空介电常数；L₁,L₂,L₃分别为检测水分含量的电容极板的长度，宽度，间距；C_x为土壤等效容抗分量。

进一步的，所述土壤容重ρ范围的计算包括以下步骤：

步骤S1、进行30℃时土壤相对介电常数ε_r1估算：

将实际土壤温度T和统一标准温度30℃分别代入以温度T为自变量，以土壤电抗L为因变量的拟合公式9，即f₁(T)；将经计算得到的T℃、30℃时的土壤电抗L代入以土壤电抗L为自变量，以土壤相对介电常数ε_r为因变量的拟合公式10，即f₂(L)，二者相减得到在T℃时，土壤相对介电常数较30℃土壤相对介电常数增长值。将检测所得的土壤相对介电常数ε_r、T℃分别代入公式8得到30℃时土壤相对介电常数ε_r1，

ε_r1＝ε_r+f₂(f₁(T))-f₂(f₁(30)) 公式8

公式8中，T是土壤实际温度，30℃是ε_r1土壤相对介电常数的所处统一标准温度，

公式9中，T为土壤实际温度值，k₁、b₁分别为30℃以下的直线斜率、截距，k₂、b₂分别为30℃以上的直线斜率、截距；

公式10中，L为土壤电抗，ω为信号频率，L₁,L₂,L₃分别为电容极板长度，宽度，间距；

步骤S2、将30℃时土壤相对介电常数ε_r1代入修正的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型，即公式11，得到30℃下接近真实值的水分含量θ₁值：

步骤S3、将30℃时接近真实值的水分含量θ₁值，30℃下土壤相对介电常数ε_r1，代入变形的Malicki公式12得到30℃下土壤容重计算值ρ₁，

步骤S4、将土壤容重计算值ρ₁代入以土壤容重计算值ρ₁为自变量，以土壤容重实际值ρ为因变量的拟合公式f₃(ρ₁)，得到土壤容重ρ范围，

ρ＝f₃(ρ₁)＝k₃ρ₁+b₃ 公式13

公式13中，k₃为拟合公式的斜率，b₃为拟合公式的截距。

进一步的，所述经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算包括以下步骤：

建立以接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重实际值ρ以及土壤实际温度T为自变量，以实际水分含量θ为因变量的拟合公式14：

θ＝f₄(θ₁，T，ρ)；

将接近真实值的水分含量θ₁、土壤容重ρ范围和土壤温度T代入f₄(θ₁，T，ρ)，得到经过温度容重综合补偿获得的水分含量θ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明监测系统将传感器探头输出工作信号与比原激励信号源信号相位超前一定相位的信号输入到幅相复合检测电路，检测得到相位差，可减小相位差检测误差，使得依据幅值比、相位差、监测系统频率特性函数计算得出土壤容抗分量更加准确，同时减小土壤电导分量对土壤容抗分量的影响；

(2)本发明检测电路模块采用核心为MAX2606芯片的信号源电路和一个AD8302检测芯片的幅相复合检测电路相结合的检测方式，与传统的减小相位差检测误差电路相比，电路结构更加简单；

(3)本发明由于土壤的紧实度以及土壤腐殖质含量等不同，均可通过土壤容重变化来反映，从而引起土壤相对介电常数变化，进而影响含水量监测，且土壤容重对含水量监测影响很大，所以监测系统通过对温度、容重影响因素综合补偿处理，减小含水量监测误差。

通过以上三方面，综合提高含水量的监测精度，且同时显示土壤含水量、容重和温度，功能多，使用方便。

附图说明

图1是本发明一实施方式的土壤水分监测系统的组成结构示意图；

图2是本发明一实施方式的检测电路模块组成原理图；

图3是本发明一实施方式的信号源电路与幅相复合检测电路连接图；

图4是本发明一实施方式的TLC2543硬件连接图；

图5是本发明一实施方式的LCD12864硬件连接图；

图6是本发明一实施方式的土壤相对介电常数ε_r计算过程；

图7是本发明一实施方式的土壤容重ρ大致范围计算过程；

图8是本发明一实施方式的经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算过程。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1所示为所述电容式土壤水分监测系统的一种较佳实施方式，所述电容式土壤水分监测系统，其特征在于，包括传感器探头、检测电路模块、AD转换模块、单片机应用模块、显示模块和按键模块；

所述传感器探头、检测电路模块、AD转换模块、单片机应用模块和显示模块依次连接；按键模块与单片机应用模块连接。

所述传感器探头包括电容式土壤水分传感器和温度传感器；根据本实施例有选的，所述电容式土壤水分传感器为同平面平板式电容式土壤水分传感器探头。所述同平面平板式电容式土壤水分传感器探头是由两块长度为90mm,宽度为10mm,厚度为0.25mm的铜极板形成，两个极板间距为4mm。所述温度传感器是PT正温度系数热敏电阻。原始激励高频信号经过电容式土壤水分传感器，输出工作信号提供给检测电路。温度传感器输出土壤温度信号，通过信号转换和采集处理，最后用于对水分监测值温度补偿处理。

如图2所示，所述检测电路模块包括信号源电路、幅相复合检测电路、放大电路和温度检测电路等；所述信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，经过幅相复合检测电路获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入的信号转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ。

根据本实施例有选的，所述幅相复合检测电路核心部分为AD8302芯片，所述信号源电路以MAX2606为核心，由于AD8302芯片相位差检测时在0°到18°和162°到180°之间误差较大，若将激励信号源信号与传感器探头输出工作信号直接输入到AD8302芯片中，则相位差大致范围为5°到50°。为避免相位差落在0°到18°之间，通过信号源电路将相位超前90°的100MHz对比信号与水分传感器输出的工作信号一起输入到AD8302芯片中，从而得到两个信号之间的幅值比、相位差等效直流电压，获得95°到140°之间的相位差。

根据本实施例有选的，所述放大电路将幅值比和相位差二者等效直流电压放大2倍，放大电路核心为MAX4108芯片，将放大后的等效直流电压输入到AD转换模块。

根据本实施例有选的，所述温度检测电路核心为OP07芯片。温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块。

如图3所示，根据本实施例有选的，所述信号源电路与幅相复合检测电路的连接：以MAX2606芯片为核心的信号源电路通过引脚4和引脚6输出两路相位相差90°的100MHz信号，其中相位滞后的激励信号经过电容极板变为工作信号输入AD8302芯片，相位超前90°的信号直接输入到AD8302芯片中。

如图4所示，根据本实施例有选的，所述AD转换模块采用12位AD转换TLC2543芯片，其AIN0引脚与放大后的幅值比等效直流电压相连，AIN1引脚与放大后的相位差等效直流电压相连，AIN2引脚与温度检测电路输出电压相连，SDO,SDI,CS,CLK,EOC引脚分别与单片机模块P3.0～P3.4引脚相连。通过检测电路获得的幅值比、相位差以及温度检测输出电压直接与AD转换芯片的输入通道相连，AD转换芯片与单片机相连，将输入电压转化为数字量输入给单片机应用模块。

根据本实施例有选的，所述单片机应用模块采用的STC12C5A60S2为51单片机，简单实用，具有命令控制以及数据处理的功能。

如图5所示，根据本实施例有选的，所述显示模块采用LCD12864显示屏，其VCC和BLA引脚与2K的电阻和5V电压源连接，GND和BLK引脚接地，V0,NC,RST,VOUT引脚悬空，RS,R/W,E,PSB引脚分别与单片机应用模块P1.4,P1.1,P1.2,P1.3连接，B0～B7引脚分别与单片机应用模块P0各引脚连接。显示屏可显示中文汉字、数字、英文、符号以及自定义图像等，与单片机应用模块相连，单片机应用模块将含水量、温度和容重数值输入给显示屏，显示屏将数值显示在屏幕上。

所述按键模块包括驱动检测电路工作以及显示屏清零两种功能按键，两个按键分别与单片机应用模块P1.0、P1.5输入接口相连。

实施例2

一种根据实施例1所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，包括以下步骤：所述传感器探头检测土壤的水分和温度信号并传递给检测电路模块，检测电路模块的信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入电压转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ。

所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ的步骤包括：土壤相对介电常数ε_r计算、土壤容重ρ范围计算和经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算。

如图6所示，所述土壤相对介电常数ε_r计算过程包括三步：

步骤S1、假设土壤水分检测的等效模型简化为土壤阻抗R_x与土壤容抗C_x并联,工作电路为已知电阻R₁与土壤等效模型串联，输入信号U_i经电阻R₁，土壤等效模型接地，U_o为输出信号。通过幅相复合检测电路、AD转换模块处理后单片机采集获得等效直流电压数值，依据公式1得到幅值比和相位差具体等效直流电压数值U。

公式1中，AD为电压转换数值，U为实际输出电压大小。

幅值比和相位差具体等效直流电压数值经过AD8302芯片的等效直流电压公式2和3得到幅值比A和相位差。相位差减去90°得到土壤等效模型实际相位差

V_MAG＝V_SLPLOG(V_INA/V_INB)+V_CP 公式2

公式2中，V_INA为AD8302芯片INPA通道的输入信号幅度；V_INB为AD8302芯片INPB通道的输入信号幅度；V_SLP为精确幅度测量比例系数30mV/dB；V_CP为中心电压；V_MAG为幅度比较输出；

公式3中，

为AD8302芯片INPA通道的输入信号相位,

为AD8302芯片INPB通道的输入信号相位；

为精确相位测量比例系数10mV/(°)；V_CP为中心电压；V_PHS为相位比较输出。

步骤S2、依据工作电路幅频特性函数幅值比A，以及相频特性函数相位差

组成二元一次方程组，其中R_x,C_x为未知数，通过解方程组公式4和5，可推出土壤等效容抗分量C_x，

二元一次方程组为：

公式6中，ω为信号频率，R₁为与土壤等效模型串联的已知电阻；

步骤S3、将C_x代入同平面平板式电容计算公式7得出土壤相对介电常数ε_r。

公式7中，ε₀为真空介电常数；L₁,L₂,L₃分别为检测水分含量的电容极板的长度，宽度，间距。

如图7所示，本发明所述的土壤容重ρ大致范围计算过程，包括四步，特征是：

步骤S1、30℃时土壤相对介电常数ε_r1估算。

由左佃云等人的研究数据可得，在100MHz工作信号下，土壤电抗随温度升高而增大，且线性度良好。土壤相对介电常数在土壤电导率很低时，可通过土壤电抗值反映，与土壤电抗值大致成反比例函数模型，即土壤相对介电常数随着温度的升高而增大，且温度越高，土壤相对介电常数越高。

假设：土壤电抗L随温度T升高而增大线性关系为L＝f₁(T)；土壤相对介电常数ε_r与土壤电抗值L近似反比例函数模型是ε_r＝f₂(L)，

利用实验所得公式L＝f₁(T)和ε_r＝f₂(L)，去除温度对土壤相对介电常数的影响，得到统一标准30℃时土壤相对介电常数ε_r1，

ε_r1＝ε_r+f₂(f₁(T))-f₂(f₁(30)) 公式8

公式8中，T是土壤实际温度，30℃是ε_r1土壤相对介电常数的所处统一标准温度。

将实际土壤温度T和统一标准温度30℃分别代入以温度T为自变量，以土壤电抗L为因变量的拟合公式9，即f₁(T)；将经计算得到的T℃、30℃时的土壤电抗L代入以土壤电抗L为自变量，以土壤相对介电常数ε_r为因变量的拟合公式10，即f₂(L)，二者相减得到在T℃时，土壤相对介电常数较30℃土壤相对介电常数增长值。将检测所得的土壤相对介电常数ε_r、T℃分别代入公式8得到30℃时土壤相对介电常数ε_r1。

公式9中，T为土壤实际温度值，k₁、b₁分别为30℃以下的直线斜率、截距，k₂、b₂分别为30℃以上的直线斜率、截距；

公式10中，L为土壤电抗，ω为信号频率，L₁，L₂，L₃分别为电容极板长度，宽度，间距；

步骤S2、将30℃时土壤相对介电常数ε_r1代入修正的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型，即公式11中得到30℃下较为接近真实值的θ₁值。

由康学远等人的研究可得，虽然依据Ferre等(1996)提出的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型测出的含水量结果与真实值的方均根误差较大，但无论对于砂土、粉土还是黏土，其均方根误差值较为接近，且依据Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型测出的结果均大于实际数值。通过对上述Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型进行修正，可使通过修正后的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型公式11，得到θ接近真实值的水分含量θ₁值，

步骤S3、将上述计算所得30℃时较为接近真实值的θ₁值，30℃下土壤相对介电常数ε_r1，代入变形的Malicki公式12得到30℃下土壤容重计算值，即土壤容重计算值ρ₁，

由康学远等人的研究可得，依据Malicki公式计算砂土、粉土或黏土水分含量数据是文献中多种计算含水量模型中精确度最高的模型。

步骤S4、将土壤容重计算值ρ₁代入以土壤容重计算值ρ₁为自变量，以土壤容重实际值ρ为因变量的拟合公式f₃(ρ₁)，得到土壤容重ρ大致范围。

ρ＝f₃(ρ₁)＝k₃ρ₁+b₃公式13

公式13中，k₃、b₃分别为拟合公式的斜率、截距。

如图8所示，本发明所述的经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算过程，包括两步，特征是：

步骤S1、通过实验，建立以接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重实际值ρ以及土壤实际温度T为自变量，以实际水分含量θ为因变量的拟合公式14。

θ＝f₄(θ₁,T,ρ)＝k₄θ₁+k₅T+k₆ρ+b₄ 公式14

公式14中，k₄、k₅、k₆分别为θ₁，T,ρ的回归系数，b₄为回归方程的回归截距。

步骤S2、将上述计算所得的接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重ρ大致范围以及土壤检测温度T代入以接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重实际值ρ以及土壤实际温度T为自变量，以实际水分含量θ为因变量的拟合公式14中，即可得到经过温度容重综合补偿的精确度较高的水分含量θ。

本发明的使用过程如下：

步骤S1、准备工作。将传感器探头插入土壤中，通过按键模块，输入设置相关工作参数，驱动系统检测电路模块开始工作；

步骤S2、检测处理。检测电路模块输出的电压通过TLC2543芯片转换为数字量，通过AD转换模块与单片机采集，并计算处理，得出土壤水分含量、容重和温度数值；

步骤S3、结果显示。将计算得到的土壤水分含量、容重和温度数值显示在LCD12864显示屏上。

本发明检测电路模块通过信号源电路输出传感器探头激励信号和相位超前90°的对比信号，通过幅相复合检测电路将传感器探头输出工作信号与相位超前90°的对比信号之间的相位差和幅值比等效为直流电压，并利用信号放大电路，高精度AD转换芯片以及单片机系统实现对相位差、幅值比等效直流电压检测；利用AD转换公式，幅相复合检测电路的幅值比、相位差等效直流电压公式，得到幅值比和更加精确的相位差，再根据系统频率特性函数，计算得出土壤等效容抗分量，减小由于土壤电导分量对土壤容抗分量的影响；最后通过对影响土壤水分检测的主要因素温度和容重综合补偿处理，综合提高含水量检测准确性。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式土壤水分监测系统，其特征在于，包括传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块；

所述传感器探头、检测电路模块、AD转换模块和单片机应用模块依次连接；

所述传感器探头包括电容式土壤水分传感器和温度传感器；

所述检测电路模块包括信号源电路、幅相复合检测电路、放大电路和温度检测电路；所述信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，经过幅相复合检测电路获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入的信号转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ；

所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ的步骤包括：土壤相对介电常数ε_r计算、土壤容重ρ范围计算和经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算；

所述土壤相对介电常数ε_r计算公式为：

公式7中，ε₀为真空介电常数；L₁,L₂,L₃分别为检测水分含量的电容极板的长度，宽度，间距；C_x为土壤等效容抗分量；

所述土壤容重ρ范围的计算如下：

进行30℃时土壤相对介电常数ε_r1估算：将实际土壤温度T和统一标准温度30℃分别代入以温度T为自变量，以土壤电抗L为因变量的拟合公式9，即f₁(T)；将经计算得到的T℃、30℃时的土壤电抗L代入以土壤电抗L为自变量，以土壤相对介电常数ε_r为因变量的拟合公式10，即f₂(L)，二者相减得到在T℃时，土壤相对介电常数较30℃土壤相对介电常数增长值,将检测所得的土壤相对介电常数ε_r、T℃分别代入公式4得到30℃时土壤相对介电常数ε_r1，

ε_r1＝ε_r+f₂(f₁(T))-f₂(f₁(30)) 公式8

公式8中，T是土壤实际温度，30℃是ε_r1土壤相对介电常数的所处统一标准温度，

公式9中，T为土壤实际温度值，k₁、b₁分别为30℃以下的直线斜率、截距，k₂、b₂分别为30℃以上的直线斜率、截距；

公式10中，L为土壤电抗，ω为信号频率，L₁,L₂,L₃分别为电容极板长度，宽度，间距；

将30℃时土壤相对介电常数ε_r1代入修正的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型，即公式11，得到30℃下接近真实值的水分含量θ₁值：

将30℃时接近真实值的水分含量θ₁值，30℃下土壤相对介电常数ε_r1，代入变形的Malicki公式12得到30℃下土壤容重计算值ρ₁，

将土壤容重计算值ρ₁代入以土壤容重计算值ρ₁为自变量，以土壤容重实际值ρ为因变量的拟合公式f₃(ρ₁)，得到土壤容重ρ范围，

ρ＝f₃(ρ₁)＝k₃ρ₁+b₃ 公式13

公式13中，k₃为拟合公式的斜率，b₃为拟合公式的截距；

所述经过温度容重综合补偿获得水分含量θ如下：

建立以接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重实际值ρ以及土壤实际温度T为自变量，以实际水分含量θ为因变量的拟合公式14：

θ＝f₄(θ₁，T，ρ)；

将接近真实值的水分含量θ₁、土壤容重ρ范围和土壤温度T代入f₄(θ₁，T，ρ)，得到经过温度容重综合补偿获得的水分含量θ。

2.根据权利要求1所述的电容式土壤水分监测系统，其特征在于，所述幅相复合检测电路包括AD8302芯片，所述信号源电路包括MAX2606芯片；所述温度检测电路包括OP07芯片。

3.根据权利要求1所述的电容式土壤水分监测系统，其特征在于，所述信号源电路输出的两路信号相位差为30～100°。

4.根据权利要求3所述的电容式土壤水分监测系统，其特征在于，所述信号源电路输出的两路信号相位差为90°。

5.根据权利要求1所述的电容式土壤水分监测系统，其特征在于，还包括按键模块及显示模块；

所述按键模块与单片机应用模块连接，按键模块用于控制单片机应用模块工作；

所述显示模块与单片机应用模块连接；显示模块用于显示土壤含水量、容重和温度。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述传感器探头检测土壤的水分和温度信号并传递给检测电路模块，检测电路模块的信号源电路输出两路具有相位差的信号，其中相位滞后的激励信号经过电容式土壤水分传感器输入幅相复合检测电路，相位超前的信号直接输入到幅相复合检测电路中，获得两个信号之间的幅值比和相位差等效直流电压，放大电路将幅值比和相位差等效直流电压放大后输入到AD转换模块，温度信号通过温度检测电路输出电压直接输入到AD转换模块，AD转换模块将输入电压转化为数字量输入给单片机应用模块，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ。

7.根据权利要求6所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，所述单片机应用模块经过温度容重综合补偿获得水分含量θ的步骤包括：土壤相对介电常数ε_r计算、土壤容重ρ范围计算和经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算。

8.根据权利要求7所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，所述土壤相对介电常数ε_r计算公式为：

公式7中，ε₀为真空介电常数；L₁,L₂,L₃分别为检测水分含量的电容极板的长度，宽度，间距；C_x为土壤等效容抗分量。

9.根据权利要求8所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，所述土壤容重ρ范围的计算包括以下步骤：

步骤S1、进行30℃时土壤相对介电常数ε_r1估算：

将实际土壤温度T和统一标准温度30℃分别代入以温度T为自变量，以土壤电抗L为因变量的拟合公式9，即f₁(T)；将经计算得到的T℃、30℃时的土壤电抗L代入以土壤电抗L为自变量，以土壤相对介电常数ε_r为因变量的拟合公式10，即f₂(L)，二者相减得到在T℃时，土壤相对介电常数较30℃土壤相对介电常数增长值,将检测所得的土壤相对介电常数ε_r、T℃分别代入公式4得到30℃时土壤相对介电常数ε_r1，

ε_r1＝ε_r+f₂(f₁(T))-f₂(f₁(30)) 公式8

公式8中，T是土壤实际温度，30℃是ε_r1土壤相对介电常数的所处统一标准温度，

公式9中，T为土壤实际温度值，k₁、b₁分别为30℃以下的直线斜率、截距，k₂、b₂分别为30℃以上的直线斜率、截距；

公式10中，L为土壤电抗，ω为信号频率，L₁,L₂,L₃分别为电容极板长度，宽度，间距；

步骤S2、将30℃时土壤相对介电常数ε_r1代入修正的Ferre土壤相对介电常数ε_r-含水量θ关系模型，即公式11，得到30℃下接近真实值的水分含量θ₁值：

步骤S3、将30℃时接近真实值的水分含量θ₁值，30℃下土壤相对介电常数ε_r1，代入变形的Malicki公式12得到30℃下土壤容重计算值ρ₁，

步骤S4、将土壤容重计算值ρ₁代入以土壤容重计算值ρ₁为自变量，以土壤容重实际值ρ为因变量的拟合公式f₃(ρ₁)，得到土壤容重ρ范围，

ρ＝f₃(ρ1)＝k₃ρ₁+b₃ 公式13

公式13中，k₃为拟合公式的斜率，b₃为拟合公式的截距。

10.根据权利要求9所述电容式土壤水分监测系统的检测方法，其特征在于，所述经过温度容重综合补偿获得水分含量θ计算包括以下步骤：

建立以接近真实值的水分含量θ₁，土壤容重实际值ρ以及土壤实际温度T为自变量，以实际水分含量θ为因变量的拟合公式14：

θ＝f₄(θ₁，T，ρ)；

将接近真实值的水分含量θ₁、土壤容重ρ范围和土壤温度T代入f₄(θ₁，T，ρ)，得到经过温度容重综合补偿获得的水分含量θ。

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