CN112285167A - 一种双量程活立木树干含水率测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种双量程活立木树干含水率测量仪，其是由检测探针、核心电路、LCD显示屏、按键模块、PT100温度传感器、电源、充电保护模块、稳压模块和微控制器最小系统组成。其特征在于：所述检测探针与核心电路相连接，所述PT100温度传感器与微控制器相连接，组成检测前端部分；所述LCD显示屏、按键模块组成数据实时显示部分；所述微控制器最小系统是数据收集、转换和处理部分。所述电源、充电保护模块和稳压模块组成供电部分。检测前端部分，数据实时显示部分，数据收集、转换和处理部分，供电部分组成完整的双量程活立木树干含水率测量仪。本发明的双量程活立木树干含水率测量仪，检测响应时间短、反应迅速、误差小、精度高，能够快速准确地测量活立木树干的含水率，适合野外环境作业，减轻工作人员的作业负担，提高作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及林业调查领域，具体涉及一种双量程活立木树干含水率测量仪。
背景技术
木材含水率是树木生长特性的一个重要的表征指标。水是活立木的重要组成成分，是影响活立木生长发育的一个重要因素，准确测定活立木树干中的水分有助于后续对活立木生长质量的精确调控，提高后期木材开采和利用的质量。在林业调查领域，测量木材含水率的设备大多用于室内木材试件的测量，能够用于野外测量的活立木树干含水率测量仪较少。
国外学者用时域反射法测量活立木树干含水率，但此法在国内不够成熟，没有明确的实验校准公式。该设备探针较长，对活立木的损伤较大，不利于树木后期继续生长，影响树木的品质，对以后木材的加工和利用造成不良影响。除此之外，设备笨重，主要依赖进口，因而设备十分昂贵。国内应用最多的是电阻法，传统的电阻法测量活立木树干含水率只能准确到纤维饱和点及以下，含水率大约为30％，但是活立木树干含水率越少，电阻值越大，在电阻值到达兆欧级别的时候，传统的电阻法检测精度大大下降。
本发明主要解决野外测量不方便问题和传统电阻法检测精度不高的问题，结合传统电阻法以及双量程测量法的优势，开发出一种能快速、精确和高效地测量活立木树干含水率的低成本仪器。
发明内容
基于上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种双量程活立木树干含水率测量仪。该测量仪克服了传统电阻法活立木树干含水率测量仪所存在的一些不足，满足野外环境测量的需求，特别是在活立木树干含水率越少的情况下，测量精度大大提高，是一种能够测量低含水率范围的高精度测量仪器。该设备有两个量程，被测活立木树干电阻在1MΩ及其以下是第一量程，被测立木树干电阻在1MΩ及其以上是第二量程。该设备简便轻巧，很好地适应野外恶劣的环境，易于野外作业，减轻工作人员的作业负担。而本发明所述第二量程的设定极大地改善了仪器测量高电阻、低含水率活立木树干含水率的不准确问题。本发明所述测量仪上的LCD显示屏能够显示测量档位、温度和真实含水率，本发明所述测量仪能够较为准确地测量纤维饱和点及其以下活立木树干的含水率。本发明所述测量仪适用的树种有云杉、白桦、红松、冷杉、水曲柳、椴树等。
本发明所提供的这种双量程活立木树干含水率测量仪，主要包括检测探针、电源、按键模块、LCD显示屏、稳压模块、充电保护模块、PT100温度传感器、多谐振荡电路、单路模拟开关电路和微控制器最小系统等部分，如图1所示。
结合图3所示，检测探针替换核心电路的可变电阻R2，其末端用导线连接于所述核心电路输入端并固定于测量仪上端；核心电路用Altium Designer绘制出PCB，由工厂加工，手工焊接完成，固定于微控制器最小系统电路板下方；所述多谐振荡电路芯片输出口连接微控制器数模采集通道；所述SN74LVC1G66DBVR单路模拟开关电路的引脚4与微控制器控制端口的4引脚相连；按键模块、LCD显示屏等外围模块通过电路分别与微控制器控制端口引脚1、2连接，固定于微控制器最小系统电路板上方；PT100温度传感器直接连接微控制器控制端口的引脚3，固定于微控制器最小系统电路板上方，不超过电路板的轮廓线；电源、充电保护模块和稳压模块依次通过电路连接，并固定于微控制器最小系统电路板上方，所述充电保护模块末端连接于微控制器最小系统。
所述检测探针数量为两个，且两个所述检测探针呈横向并列排布，检测探针材料为316不锈钢，所述检测探针具体尺寸为：长45mm，直径2.5mm，间距15mm，如图2所示。
所述电源为18650圆柱升压锂电池5V 3200mAh，所述电源配备的充电器输出电压为5V，电流为500mA，充电线为Micro USB数据线。
所述按键模块为独立轻触按键模块，5V/3.3V兼容。
所述LCD显示屏为2.8寸TFT LCD高清液晶屏，带触摸，分辨率为320×240(RGB)。
所述稳压模块为LM2596S DC-DC直流可调降压稳压电源模块，5V转3.3V。
所述充电保护模块为2A 5V充放电一体模块，有锂电池保护功能。
所述PT100温度传感器为WZP-pt100探头式温度传感器，防腐防水耐高温。
所述多谐振荡电路是555定时电路，非稳态模式，芯片为NE555P。
所述单路模拟开关电路是与所述多谐振荡电路可变电阻R2并联的电路，所述模拟开关芯片为SN74LVC1G66DBVR，
所述多谐振荡电路与所述单路模拟开关电路组成核心电路，如图3所示。
所述微控制器最小系统为STM32F103VET6最小系统，所述微控制器最小系统包括最小系统内所必须的外围电路。
本发明所述的工作原理为：所述检测探针与被测活立木介质构成等效可变电阻，用于接收活立木树干含水率信号。图3核心电路可变电阻R2作为活立木树干含水率信号的输入端，因活立木树干介质的不同，等效成的电阻值会因含水率的变化而变化。在可变电阻R2的数值达到1MΩ的时候，微控制器控制SN74LVC1G66DBVR模拟开关电路接通，开启第二个测量检测活立木树干含水率。图3中的可变电阻R2与R3并联，使得高电阻值的含水率信号在第二量程中更容易捕捉。含水率信号经过核心电路的处理后再进入微控制器最小系统，通过微控制器的AD采集通道，将检测到的含水率的周期模拟信号变成数字信号，便于微控制器对数据进行后续的处理。PT100温度传感器与含水率信号的检测是分开工作的，温度信号通过PT100温度传感器采集，然后再通过AD采集通道送入微控制器进行处理，温度信号通过写入算法的方式补偿到因为温度而影响到的活立木树干电阻中。通过实验数据标定，微控制器内部写入不同树种的活立木树干含水率反演算法，在大样本实验标定、等效采样和温度补偿算法的保证下，减少活立木树干含水率的测量误差。最终处理好的活立木树干含水率信号即活立木树干真实质量含水率、温度数据在LCD显示屏上实时显示，用户可以通过按键来选择要检测的树种，选择好的档位在LCD显示屏上显示。
所述检测探针和核心电路将含水率的模拟信号采集并输送至微控制器，PT温度传感器将温度信号采集并输送至微控制器，微控制器通过数模转换通道将模拟信号转换成可处理的数字信号，根据待测树种不同的档位对应不同的测定方程，微控制器将数字信号作为的变量代入所选档位对应的测定方程，经过运算处理后，活立木树干的真实质量含水率、活立木树干周围空气的温度和测量模式通过LCD显示屏显示出来。电源、稳压模块负责给整个电路、微控制器及其他组成模块供电，以保证测量仪在上述过程能正常工作
附图说明
图1为本发明所述双量程活立木树干含水率测量仪结构组成图。
图2为本发明所述检测探针。
图中1为316不锈钢制成的圆柱状探针，2为固定外壳，3为导线。
图3为本发明所述核心电路。
图4为本发明所述检测探针的插入方法(俯视图)。
图中1为导线，2为固定外壳，3为316不锈钢制成的圆柱状探针，4为被测活立木。
具体实施方式
结合附图1和4对本实施方式进行说明。本发明所涉及的双量程活立木树干含水率测量仪包括检测探针、核心电路、PT100温度传感器、微控制器最小系统和其他外围模块及电路。首先依据发明内容所述各部件结构关系连接好检测探针、电源、按键模块、LCD显示屏、稳压模块、充电保护模块、PT100温度传感器、多谐振荡电路、单路模拟开关电路和微控制器最小系统等部分，检测探针其末端用导线连接于所述核心电路输入端，所述检测探针固定于测量仪上端，所述核心电路末端连接于微控制器最小系统，并固定于微控制器最小系统电路板下方；电源、充电保护模块、稳压模块，所述电源、充电保护模块、稳压模块依次顺序连接，并固定于微控制器最小系统电路板上方，所述充电保护模块末端连接于微控制器最小系统；所述按键模块、LCD显示屏、PT100温度传感器连接于微控制器最小系统，并固定于微控制器最小系统电路板上方。其次做好各结构之间的绝缘处理，仪器部件便连接完成。待硬件连接完毕并初步简单检测无误后，用计算机将预先编写好的程序烧录到微控制器中，烧录成功后，便可用测量仪进行不同树种的活立木树干含水率测量，此时测量仪器的准备工作均已结束。
测量试验：将树干表面粗厚的枯树皮除去，简单清洁树干外表，用手工电钻在垂直活立木树干的方向上，横向并排钻取两个小孔，使得钻取的两个孔，上下间距为15mm，每个孔的直径为2.5mm，孔深为40mm。钻好孔后，根据不同树种选择对应的测量模式，测量档位选择完毕后，测量仪的工作的电源指示灯会点亮，LCD显示屏会显示正确的读数，将探头按图4方式插入到钻好的活立木树干的两个孔中，使得探针与树孔正好贴合。贴合好后测量仪便能显示被测活立木树干的含水率信息及其周围环境温度信息、用户所选档位。用户便可根据自身需要对活立木树干含水率的数据进行记录及其他工作。
以上所述，为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于所列具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于该双量程活立木树干含水率测量仪包括内层结构和外围结构两部分，其中内部结构包括：核心电路和微控制器最小系统；所述核心电路末端连接于微控制器最小系统，并固定于微控制器最小系统电路板下方；外围结构包括：检测探针，其末端用导线连接于所述核心电路输入端，所述检测探针固定于测量仪上端；电源、充电保护模块、稳压模块，所述电源、充电保护模块、稳压模块依次顺序连接，并固定于微控制器最小系统电路板上方，所述充电保护模块末端连接于微控制器最小系统；按键模块、LCD显示屏、PT100温度传感器，所述按键模块、LCD显示屏、PT100温度传感器连接于微控制器最小系统，并固定于微控制器最小系统电路板上方。
2.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述检测探针数量为两个，且两个所述检测探针呈横向并列排布，检测探针材料为316不锈钢，所述检测探针具体尺寸为：长45mm，直径2.5mm，间距15mm。
3.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述电源为18650圆柱升压锂电池5V 3200mAh，输出电压为DC5V；所述电源配备的充电器输出电压为5V，电流为500mA，充电线为Micro USB数据线。
4.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述按键模块控制所述双量程活立木树干含水率检测仪档位选择模式，所述LCD显示屏用于显示活立木树干真实含水率数值、空气温度和档位选择模式；按键模块与所述LCD显示屏分别与微控制器控制端口引脚1、2连接。
5.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述PT100温度传感器用于检测活立木树干周围空气温度，形状为针状，温度范围为-50～200℃，尺寸为：直径4mm，长度30mm；所述PT100温度传感器直接连接微控制器控制端口的引脚3。
6.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述核心电路包括低量程检测电路和高量程检测电路；低量程电路采用多谐振荡电路，非稳态模式，芯片为NE555P；所述多谐振荡电路芯片输出口连接微控制器数模采集通道；高量程电路采用多谐振荡电路和单路模拟开关电路并联连接电路，单路模拟开关电路芯片为SN74LVC1G66DBVR；所述单路模拟开关电路芯片引脚4连接微控制器控制端口的引脚4。
7.根据权利要求1所述双量程活立木树干含水率测量仪，其特征在于：所述微控制器最小系统为STM32F103VET6最小系统，所述微控制器最小系统包括最小系统内所必须的外围电路。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210129 |