CN112327059A - 一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统。发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果；控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块。本发明通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，能够适应不同工况，检测便捷；仪器灵敏度高，稳定可靠。

Description

一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统
技术领域
本发明属于农业土壤检测领域的一种土壤参数测量系统，涉及到一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统。
背景技术
土壤作为农业生产的重要元素，历来备受重视。土壤中水溶性盐是土壤的重要指标，是判定土壤中盐类离子是否限制农作物生长的重要因素，可通过土壤中电导率的测定来获取水溶性盐的信息，从而了解耕地品质，指导农业生产。当前土壤水溶性盐的测定主要有理化测量和电学探针技术，前者需要复杂的取样过程、耗时，且消耗大量化学试剂，加重了环境负担；后者可以实现现场的快速和准确检测，但其依赖于探针与土壤的直接接触，因此难以实现高能量和动态监测。目前一类新兴技术为基于电磁物理的检测原理，通过电磁诱导土壤 (视作导体)产生二次磁场并接收其磁场信号，而二次磁场信号与土壤电导率密切相关，因此可以实现非接触的检测。
然而，当前基于该类技术的设备主要采用产于加拿大的大地电导率检测仪系列仪器，价格昂贵；另一方面，国内无相关核心仪器技术，易受制于人。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明本设计通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，创新性地基于电磁物理检测土壤电导率，能实现非接触式检测且具有较低成本。
本发明的技术方案如下：
本发明包括控制处理系统、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果。
所述控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块；震荡检测模块的分别和发射线圈、接收线圈连接，震荡检测模块、电源处理模块和无线通讯模块均连接到MCU模块，电量检测模块和电源均连接到电源处理模块。
所述的MCU模块包括单片机U5，单片机U5的NRST脚经电阻R13接D3.3V 电源，单片机U5的NRST脚经电容C5接地，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚之间并联有电阻R12和晶振X1，单片机U5的PD0-OSC-IN 脚和PD1-OSC-OUT脚分别经电容C3和电容C4后接地，单片机U1的BOOT0 脚经电阻R14接地；单片机U1的SWCLK脚、VDD脚、VSS脚、SWDIO脚连接到插口SW；以补偿电感L_Choke为发射线圈，感应线圈Sensor为接收线圈，震荡检测模块主要包括电压比较器U1和U2以及逻辑芯片U3和U4组成，补偿电感L_Choke一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R1、电容C1 接地，感应线圈Sensor的一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R2、电容C2接地，在零欧电阻R1和电容C1之间引出相位信号一WAVEN，在零欧电阻R2和电容C2之间引出相位信号二WAVEP；电阻R3～R6依次串联连接在A3.3V电源和地之间，相位信号二WAVEP连接在电阻R4和电阻R5之间，电阻R3和电阻R4之间引出电压信号一V1并接入电压比较器U1的IN-脚，相位信号一WAVEN经电阻R7分别接入电压比较器U1的IN+脚与电压比较器 U2的IN-脚，电阻R5和电阻R6之间引出电压信号二V2并接入电压比较器U2 的IN+脚；电压比较器U1的OUT脚与电压比较器U2的OUT脚分别连接到与非逻辑单元U3的直接置位端A和到与非逻辑单元U4的直接复位端B，与非逻辑单元U3的直接复位端B连接到到与非逻辑单元U4的OUT脚，与非逻辑单元U4的直接置位端A连接到到与非逻辑单元U3的OUT脚，与非逻辑单元U3 的OUT脚经电阻R9后输出单片机U5的PA0-WAKEUP脚；与非逻辑单元U4 的OUT脚电阻R8后分别连接到场效应管LOU1和场效应管LOQ1的栅极，场效应管LOU1的源极依次经电阻R10、电阻R11后连接到场效应管LOQ1的漏极，电阻R10和电阻R11之间引出连接到激励信号Incentive，场效应管LOU1 的漏极接3.3V电源，场效应管LOQ1的源极接地。
所述电源处理模块包括降压芯片UP1和芯片稳压芯片AMS1117-3.3，降压芯片UP1的IN引脚与MCU模块中单片机U5的VBAT脚连接，GND引脚接地，OUT引脚与5V电源相连，5V电源和地之间并联有退耦滤波电容CP5、CP6、 CP7，单片机U5的VBAT脚和地之间并联有退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、 CP4，且退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7的负极接地；5V电源通过芯片稳压芯片后得到D3.3V电源，D3.3V电源依次通过退耦滤波电容CP11～CP13、电感L1后再经退耦滤波电容CP11～CP13得到A3.3V电源，使得3.3V更加稳定；退耦滤波电容CP8、CP9、CP10的正极与D3.3V电源相连，退耦滤波电容CP11、CP12、CP13的正极与A3.3V电源相连，负极均与地相连。
所述的电量检测模块主要由串联在单片机U5的VBAT脚和地之间的稳压管Dz1和电阻R15构成，稳压管Dz1和电阻R15之间引出信号源端ADCX，信号源端ADCX连接到单片机U5的AINI脚。
所述的电源采用锂电池，单片机U5的VBAT脚与锂电池的正极相连，稳压管DZ1的负极连接单片机U5的VBAT脚，稳压管DZ1的正极与信号源端 ADCX和电阻R15的正极相连，电阻R15另一端与地相连。
本发明其主要原理为：电磁感应作用在具有电导率的土壤内部感生的电流。按照电磁感应定律，在土壤中就产生感应电动势，从而驱动电流。这样引起的电流在土壤中的分布随着土壤的表面形状和磁场的分布而不同。
涡流在土壤中要产生热量，所消耗的能量来源于建立时变电磁场的能源。土壤处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、土壤的磁导率和电导率等因素有关。
本发明通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，能够适应不同工况，检测便捷；仪器灵敏度高，稳定可靠。
本发明的有益效果如下：
1)电路中仪器中电路设计一体化，突破了传统仪器的集成化，能够实现检测及控制功能于一体，并且经过电路优化，激励功率大，抗干扰能力强。仪器灵敏度高，稳定可靠。
本发明通过电磁线圈的谐振信号对比，最终转化为频率信号，得出电导率测量值。本发明能动态实时地在现场测量土壤的电导率，而无需采样土壤的样品进行材料。
2)基于本发明可以实现对电导率的非接触式测量。本发明通过发射线圈和接收线圈的感应配合工作能测量发射线圈和接收线圈之间的直线上的土壤的电导率，并且实现了非接触式测量，也不需要物体或者探头插入土壤进行检测，而避免了对土壤的破坏。
附图说明
图1为本发明系统的测量工作图；
图2为本发明电气模块的连接图；
图3为本发明的电源处理模块；
图4为本发明的震荡检测模块的示意图；
图5为本发明的电量检测模块的示意图；
图6为本发明的MCU模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，包括控制处理系统、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果。
如图2所示，控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块；震荡检测模块的分别和发射线圈、接收线圈连接，震荡检测模块、电源处理模块和无线通讯模块均连接到MCU模块，电量检测模块和电源均连接到电源处理模块。
如图6所示，MCU模块包括单片机U5，单片机U5的NRST脚经电阻R13 接D3.3V电源，单片机U5的NRST脚经电容C5接地，单片机U5的PD0-OSC-IN 脚和PD1-OSC-OUT脚之间并联有电阻R12和晶振X1，单片机U5的 PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚分别经电容C3和电容C4后接地，单片机 U1的BOOT0脚经电阻R14接地，该种接法可以为CPU提供精准的2.5V±4‰的参考电压；单片机U1的SWCLK脚、VDD脚、VSS脚、SWDIO脚连接到插口SW，插口SW作为调试接口；
具体实施中，如图6所示，U5采用意法半导体公司生产的STM32F103VCT6，其具有最高可达72MHz主频，空间为256KB的ROM，空间为48KB的RAM， 16通道12bit的ADC、2通道12bit的DAC、5路独立串口等丰富的接口资源。 C1、C2、R1、X1为CPU提供主频的震荡电路，震荡频率为8MHz；C3 R2构成了CPU的复位电路；R3 D1为基准源稳压电路，其作用为CPU的DAC及ADC提供精准的2.500V电压基准；R4为CPU的启动选择，R4接地CPU启动入口为内部FLASH存储；SW为CPU的调试接口。
以补偿电感L_Choke为发射线圈，感应线圈Sensor为接收线圈，如图4所示，震荡检测模块主要包括电压比较器U1和U2以及逻辑芯片U3和U4组成，补偿电感L_Choke一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R1、电容 C1接地，感应线圈Sensor的一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻 R2、电容C2接地，在零欧电阻R1和电容C1之间引出相位信号一WAVEN，在零欧电阻R2和电容C2之间引出相位信号二WAVEP；电阻R3～R6依次串联连接在A3.3V电源和地之间，相位信号二WAVEP连接在电阻R4和电阻R5之间，电阻R3和电阻R4之间引出电压信号一V1并接入电压比较器U1的IN-脚，电压比较器U1的IN+脚与电压比较器U2的IN-脚相连，相位信号一WAVEN 经电阻R7分别接入电压比较器U1的IN+脚与电压比较器U2的IN-脚，电阻 R5和电阻R6之间引出电压信号二V2并接入电压比较器U2的IN+脚；电压比较器U1的OUT脚与电压比较器U2的OUT脚分别连接到与非逻辑单元U3的直接置位端A和到与非逻辑单元U4的直接复位端B，与非逻辑单元U3的直接复位端B连接到到与非逻辑单元U4的OUT脚，与非逻辑单元U4的直接置位端A连接到到与非逻辑单元U3的OUT脚，与非逻辑单元U3的OUT脚经电阻 R9后输出单片机U5的PA0-WAKEUP脚；与非逻辑单元U4的OUT脚电阻R8后分别连接到场效应管LOU1和场效应管LOQ1的栅极，场效应管LOU1的源极依次经电阻R10、电阻R11后连接到场效应管LOQ1的漏极，电阻R10和电阻R11之间引出连接到激励信号Incentive，场效应管LOU1的漏极接3.3V电源，场效应管LOQ1的源极接地。
激励信号Incentive来源于场效应管LOQ1和LOU1的互补电路输出。
震荡检测模块是将两个线圈的相位差，转化为频率，供MCU模块的单片机频率检测。
通过激励信号Incentive同时激励感应线圈Sensor和补偿电感L_Choke，感应线圈Sensor和电容C1形成LC串联回路，补偿电感L_Choke和电容C2形成 LC串联回路。
电阻R3～R6构成电位补偿电路，感应线圈Sensor在不同电导率的土壤上消耗电流也会有差异，导致WAVEP的相位产生变化，通过WAVEP与WAVEN 进行相位比较从而在电压比较器U1和U2的输出端得到两个输出信号S和R，两个输出信号S和R进入两个与非逻辑单元U3和U4，得到驱动信号Q和Q’，驱动信号Q和Q’为互补信号，频率一致，驱动信号Q用于单片机计频，驱动信号Q’用于驱动场效应管LQU1和LQD1，使得输出激励信号Incentive的上拉和倒灌阻抗均为恒定100欧姆。
非逻辑单元U3与非逻辑单元U4构成RS触发器，各自的OUT脚输出信号 Q和Q’为互补信号，Q连接电阻R9后进入单片机U5的PULSE管脚，Q’连接电阻R8后进入场效应管LOU1和场效应管LOQ1组成的互补输出电路，让信号有更大的驱动能力和更快的上升、下降沿。
具体实施中，比较器U1、U2使用TS3011，与非门逻辑比较器U3、U4使用SN74AHC1G00，LQU1采用p沟道的MOSFET芯片AO3400，LQD1采用 N沟道的MOSFET芯片AO3401，实际工作时，通过调节电阻R1 R2，使得Sensor 与C1谐振时和L_Choke与C2独自谐振时频率一致。
电源处理模块是将锂电池VBAT的输出电压转换为5v电压，并对5v电压转换为模拟电压3.3v和数字电压3.3v。
如图3所示，电源处理模块包括降压芯片UP1和芯片稳压芯片，降压芯片 UP1的IN引脚与MCU模块中单片机U5的VBAT脚连接，GND引脚接地，OUT引脚与5V电源相连，5V电源和地之间并联有退耦滤波电容CP5、CP6、 CP7，单片机U5的VBAT脚和地之间并联有退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、 CP4，且退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7的负极接地；退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4对单片机U5的VBAT脚起到净化作用。
5V电源通过芯片稳压芯片后得到D3.3V电源，D3.3V电源依次通过退耦滤波电容CP11～CP13、电感L1后再经退耦滤波电容CP11～CP13得到A3.3V电源，使得3.3V更加稳定；退耦滤波电容CP8、CP9、CP10的正极与D3.3V电源相连，退耦滤波电容CP11、CP12、CP13的正极与A3.3V电源相连，负极均与地相连。由此通过上述结构下的π型滤波电路后，得到的A3.3V电源输入到发射线圈，供发射线圈震荡使用，能有效阻挡震荡的高频噪声耦合到前级电源D3.3V中。
如图2所示，VBAT电压通过退耦处理后，降低了交流分量，VBAT是两节为两节串联锂电池，工作电压范围为7.4-8.4V，在通过降压稳压芯片UP1,采用78M05芯片后得到5V直流电源后，再次进行退耦处理，提供纯化的直流电源。
如图5所示，电量检测模块主要由串联在单片机U5的VBAT脚和地之间的稳压管Dz1和电阻R15构成，DZ1为一个6.2V稳压管，稳压管Dz1和电阻 R15之间引出信号源端ADCX，信号源端ADCX连接到单片机U5的AINI脚。
电源采用锂电池，单片机U5的VBAT脚与锂电池的正极相连，稳压管DZ1 的负极连接单片机U5的VBAT脚，稳压管DZ1的正极与信号源端ADCX和电阻R15的正极相连，电阻R15另一端与地相连。
电源供电时单片机U5的VBAT脚的电压范围为8.4V(100％电量)～7.4V (30％电量)，在信号源端ADCX会产生VBAT～6.2V的电压变化，用单片机 U5采样判断电池电量信息。当单片机U5的VBAT脚的电压<7.4V时，单片机 U5发送低电信号提醒充电。.
如图4所示，稳压二极管采用1N4735,当VBAT电压大于6.2v时，二极管击穿，此时ADCX为高电平，当VBAT电压小于7.4v时，ADCX端产生低电平，进入MCU的中断处理。
无线通讯模块采用Hc-12，其工作频率为433.4-473.0MHz，发射功率20dbm，用以完成传感器和主机之间的半双工通信。
控制处理系统连接到外部的主机，通过主机对相位差和频率差输入根据预先建立的相位差和频率差和土壤电导率之间的关系模型获得土壤电导率。
具体实施过程中，控制处理系统控制土壤上方的发射线圈通电发出随时间变化的电磁场，电磁场传播到土壤中被土壤的电导率因素影响形成电磁涡流，产生涡流损耗，再传播到另一位置的土壤上方的接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理。通过控制处理系统处理，经电压比较和与非逻辑处理后获得补偿电感L_Choke和感应线圈Sensor之间的相位差和频率差，根据相位差和频率差建立和土壤电导率之间的关系，从而依据关系测量土壤电导率。
由此，本发明能动态实时地在现场测量土壤的电导率，而无需采样土壤的样品进行材料。
本发明通过发射线圈和接收线圈的感应配合工作能测量发射线圈和接收线圈之间的直线上的土壤的电导率，并且实现了非接触式测量，也不需要物体或者探头插入土壤进行检测，而避免了对土壤的破坏。
本仪器通过ARM配合高功放芯片激励稳定正弦波作用自制传感器上，接收信号仪表放大器处理后显示。电感线圈则作为传感器部分。本发明通过电路设计一体化，突破了传统仪器的集成化，为用户二次开发带来便捷，能够实现检测及控制功能于一体。
并且本发明经过电路优化，激励功率大，解决了传统的仪器激励功率不足的问题，通过电源供电电路的优化，避免了实际工况中，外界电磁干扰的问题，抗干扰能力强。提高了自适应性和可靠性，适于推广应用。

Claims (6)

1.一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：
包括控制处理系统、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：所述控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块；震荡检测模块的分别和发射线圈、接收线圈连接，震荡检测模块、电源处理模块和无线通讯模块均连接到MCU模块，电量检测模块和电源均连接到电源处理模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：
所述的MCU模块包括单片机U5，单片机U5的NRST脚经电阻R13接D3.3V电源，单片机U5的NRST脚经电容C5接地，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚之间并联有电阻R12和晶振X1，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚分别经电容C3和电容C4后接地，单片机U1的BOOT0脚经电阻R14接地；单片机U1的SWCLK脚、VDD脚、VSS脚、SWDIO脚连接到插口SW；
以补偿电感L_Choke为发射线圈，感应线圈Sensor为接收线圈，震荡检测模块主要包括电压比较器U1和U2以及逻辑芯片U3和U4组成，补偿电感L_Choke一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R1、电容C1接地，感应线圈Sensor的一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R2、电容C2接地，在零欧电阻R1和电容C1之间引出相位信号一WAVEN，在零欧电阻R2和电容C2之间引出相位信号二WAVEP；电阻R3～R6依次串联连接在A3.3V电源和地之间，相位信号二WAVEP连接在电阻R4和电阻R5之间，电阻R3和电阻R4之间引出电压信号一V1并接入电压比较器U1的IN-脚，相位信号一WAVEN经电阻R7分别接入电压比较器U1的IN+脚与电压比较器U2的IN-脚，电阻R5和电阻R6之间引出电压信号二V2并接入电压比较器U2的IN+脚；电压比较器U1的OUT脚与电压比较器U2的OUT脚分别连接到与非逻辑单元U3的直接置位端A和到与非逻辑单元U4的直接复位端B，与非逻辑单元U3的直接复位端B连接到到与非逻辑单元U4的OUT脚，与非逻辑单元U4的直接置位端A连接到到与非逻辑单元U3的OUT脚，与非逻辑单元U3的OUT脚经电阻R9后输出单片机U5的PA0-WAKEUP脚；与非逻辑单元U4的OUT脚电阻R8后分别连接到场效应管LOU1和场效应管LOQ1的栅极，场效应管LOU1的源极依次经电阻R10、电阻R11后连接到场效应管LOQ1的漏极，电阻R10和电阻R11之间引出连接到激励信号Incentive，场效应管LOU1的漏极接3.3V电源，场效应管LOQ1的源极接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：
所述电源处理模块包括降压芯片UP1和芯片稳压芯片AMS1117-3.3，降压芯片UP1的IN引脚与MCU模块中单片机U5的VBAT脚连接，GND引脚接地，OUT引脚与5V电源相连，5V电源和地之间并联有退耦滤波电容CP5、CP6、CP7，单片机U5的VBAT脚和地之间并联有退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4，且退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7的负极接地；
5V电源通过芯片稳压芯片后得到D3.3V电源，D3.3V电源依次通过退耦滤波电容CP11～CP13、电感L1后再经退耦滤波电容CP11～CP13得到A3.3V电源，使得3.3V更加稳定；退耦滤波电容CP8、CP9、CP10的正极与D3.3V电源相连，退耦滤波电容CP11、CP12、CP13的正极与A3.3V电源相连，负极均与地相连。
5.根据权利要求3所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：所述的电量检测模块主要由串联在单片机U5的VBAT脚和地之间的稳压管Dz1和电阻R15构成，稳压管Dz1和电阻R15之间引出信号源端ADCX，信号源端ADCX连接到单片机U5的AINI脚。
6.根据权利要求3所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：所述的电源采用锂电池，单片机U5的VBAT脚与锂电池的正极相连，稳压管DZ1的负极连接单片机U5的VBAT脚，稳压管DZ1的正极与信号源端ADCX和电阻R15的正极相连，电阻R15另一端与地相连。
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