魏麗君

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412001)

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，擁有廣闊的適種土地，土壤的水分是農(nóng)作物生長的重要供給，因此土壤水分的準確測量對于農(nóng)作物的生長至關重要，水分過少會導致土地硬化，農(nóng)作物不能充分吸收水分和養(yǎng)分，影響作物生長；水分含量過多時，會導致水分滲透，肥料流失，還可能對土壤造成污染。我國的農(nóng)業(yè)用水的利用率不高，因此，開發(fā)高精密的土壤水分測試儀能有效的解決土壤水分參數(shù)的測量，指導農(nóng)作物生長，實施合理灌溉，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時能緩解因農(nóng)業(yè)用水帶來的淡水資源危機。

常用的土壤含水率測量方法主要為傳統(tǒng)測量方法和現(xiàn)代測量方法：傳統(tǒng)方式主要通過物理或化學方法將土壤中的水分從土壤樣本中分離，進而確定其含量的方法，比如烘干法、射線法、阻抗法等；現(xiàn)代測量方法主要借助試驗儀，利用土壤水分的電化學特性進行土壤含水率的測定，比如時域反射儀等，但物理或化學方法測試復雜，費時且不宜現(xiàn)場測量，而時域反射儀等價格昂貴，因此，該設計擬基于理想半無限空間熱脈沖傳導理論，設計一款高精密的土壤體積含水量測量裝置。

1 半無限空間熱脈沖傳導理論

均質(zhì)各向同性半無限空間勻速熱傳導基本方程(Carslaw & Jaeger 1959, p13)如下：

(1)

其中：α是熱擴散系數(shù)(m2/s)；U是流速(m/s)。當半無限空間一無限長線熱源加熱有限時間，即產(chǎn)生一熱脈沖，其理論解如下(Carslaw & Jaeger 1959, p258)：

(2)

其中：Q是熱量(m2℃)，Q=q/ρc；q輸入線強度(J/m)；ρc是體積比容。當傳感器距離熱源位置rm溫度升到最大ΔTm時，對公式(2)求導數(shù)可得：

(3)

Campbell等(1991)給出土的體積比容ρc與最大溫升有關，即：

(4)

其中：ρw是水的密度；cw是水的比熱；θ是土的體積含水量；ρb是土的總密度；cm是土顆粒的比熱。給定熱脈沖q=I2Rt；I是加熱電流；R是加熱模塊電阻；t是加熱時間，實測最大溫升ΔTm和傳感器距離熱源的位置rm之后，就公式(4)可以計算出土的體積含水量θ，如公式(5)所示。

(5)

2 系統(tǒng)硬件設計

該設計采用STM32作為硬件平臺，硬件電路主要包含溫濕度傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PTC加熱模塊、液晶顯示模塊、通訊模塊、按鍵輸入模塊以及聲光報警模塊等。溫濕度傳感器模塊采集信號后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，送給STM32進行處理。PTC加熱模塊與土壤測試模塊在一起，測試到的信號通過串口進行通信。輔助有顯示和報警模塊，具體的硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 HS3001溫濕度傳感器模塊設計

該設計使用的HS3001實物和電路設計原理圖如圖2所示。該傳感器具有如下特點：相對濕度測量精度為±1.5%RH，正常工作范圍為10～90%RH，14位轉(zhuǎn)換精度，溫度測量為±0.2 ℃, 正常工作范圍為-10～+80 ℃，14位轉(zhuǎn)換精度，寬工作電壓為2.3～5.5 V，低能耗，標準IIC數(shù)據(jù)接口。

圖2 HS3001傳感器實物和電路設計圖

2.2 PTC加熱模塊與土壤測試模塊設計

設計采用的加熱傳感器模塊如圖3所示。它具有體積小，電阻值10 Ω，最大恒溫50 ℃。將2個HS3001與加熱模塊捆綁連接，然后置于被測土壤中，通過施加60～120 s左右熱脈沖，觀測土壤升降溫情況，以便換算土壤體積含水量。

圖3 PTC恒溫發(fā)熱模塊

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

AD7705包括5個串行數(shù)據(jù)接口，其中數(shù)據(jù)輸入端D_IN，串行時鐘輸入端S_CLK，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端D_OUT，芯片選擇輸入端CS用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號輸出DRDY端用于指示輸出數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)是否準備就緒。當DRDY 端電平置低時，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可用;當DRDY端電平置高時，輸出更新數(shù)據(jù)，無法讀取。根據(jù)設定的數(shù)據(jù)輸出進行速率更新A/D轉(zhuǎn)換處理。具體的電路設計圖如圖5所示。

圖4 土壤加熱測試模塊設計圖

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.4 串口通訊模塊

串口通訊采用485通訊方式，可靠性好，精確度高。其設計的電路原理圖如圖6所示。

DE和RE端口均是高電平有效，其中R74是保護電阻，用于GPIO復用，R2R3R4三個電阻缺省，應用時可根據(jù)需要進行設置。

圖6 串口通訊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 定時功能實現(xiàn)

采用T0定時器進行1 s精確定時。首先進行串口T1和T0定時器初始化，程序如下:

/*---------串口初始化函數(shù)------*/

void init_uart()

{

TMOD=0x21;

TL1=0xfd;//實現(xiàn)波特率9600(系統(tǒng)時鐘11.0592MHZ)

TH1=0xfd;

TL0=T1MS; //initial timer0 low byte

TH0=T1MS>>8;//initial timer0 low byte

SCON=0x50;

PT0=1;

PS=0;//串口中斷優(yōu)先級設置；

TRO=1;TR1=1;ET0=1;ES=1;EA=1;//開中斷允許；

}

T0定時中斷程序如下，其中為了彌補計數(shù)誤差，TL0每次修正了2個計數(shù)，即TL0 += 0x69。

/*---------定時器中斷服務程序----------*/

void tm0_isr()interrupt 1 using 1

{

TL0=Ox69;

TH0=0xfc;

If(count--==0)

{

count=1000;

second++;

if(second==3600)

{

second=0;

Hour++;

}

}

}

3.2 HS3001讀數(shù)功能實現(xiàn)

論文中緊對溫濕度的信號采集與處理部分做一個設計說明，具體的代碼設計如下，部分的信息都在后續(xù)部分做了相應的注釋。

void Convert_HS3001(void)

{

unsigned char TEMP1[7]; //用于記錄溫度

unsigned char HUMI1[7]; //用于記錄濕度

unsigned char j;

unsigned long tem1,hum1;

float tem,hum;

tem=165.0f*(float)((BUFt[0]<<8)|BUFt[1])/16383.0f/4.0f-40.0f; //攝氏度

hum=100.0f*(float)((BUFh[0]<<8)|BUFh[1])/16383.0f;

BUFt[0]=0;

BUFt[1]=0;

BUFh[0]=0;

BUFh[1]=0;

tem1=(unsigned long)(tem*10); //攝氏度

hum1=(unsigned long)(hum*10);

if(tem1<0)TEMP1[0]=0x2D;//溫度小于零，則數(shù)值前面加‘-’負號

else TEMP1[0]=0x20;//溫度大于等于零，則數(shù)值前面加空格

TEMP1[1]=tem1/1000+'0'; //溫度百位

if (TEMP1[1]==0x30) TEMP1[1]=0x20;

TEMP1[2]=tem1%1000/100+'0'; //溫度十位

if (TEMP1[2]==0x30 && TEMP1[1]!=0x30) TEMP1[2]=0x20;

TEMP1[3]=tem1%100/10+'0';//溫度個位

TEMP1[4]=0x2e;//小數(shù)點

TEMP1[5]=tem1%10+'0';//溫度小數(shù)點后第一位

TEMP1[6]=0x20;//最后一位為空格

for(j=0;j<7;j++)

}

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 濕細砂熱脈沖溫度升降

將傳感器模塊埋入重力含水量10.4%的細砂中10 cm，分別施加120 s和60 s熱脈沖，傳感器升降溫曲線如圖6所示。從圖中可以看出微量熱脈沖對土體擾動小，升溫曲線有很好的一致性。

圖6 w=10.4%濕砂熱脈沖溫度升降曲線

4.2 干細砂熱脈沖溫度升降

再將傳感器模塊埋入重力含水量0.13%的細砂中10 cm，分別施加240 s和120 s熱脈沖，傳感器升降溫曲線如圖7所示。從圖中可以看出微量熱脈沖對土體擾動小，升溫曲線有很好的一致性。濕砂和干砂升降溫曲線比較如圖8所示，顯示升降溫曲線斜率有較大差別。

圖7 w=0.13%濕砂熱脈沖溫度升降曲線

圖8 濕砂和干砂熱脈沖溫度升降曲線比較

部分實測濕砂溫度升降原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實測濕砂溫度升降原始數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

該文在充分分析當前土壤水分測量方面存在的問題出發(fā)，提出了一種基于熱脈沖的土壤水分測試系統(tǒng)的設計，經(jīng)過軟硬件的設計和實驗測試，該裝置利用熱脈沖可以間接測量土壤體積含水量，熱脈沖時間控制在1～2 min，測量周期約300 s，具有短時連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢；同時在非加熱模式下，可以直接獲取土壤溫濕度，經(jīng)過濕細砂熱脈沖溫度升降試驗，該裝置測量精度高，準確度達到99%，同時在降雨入滲和水位變化時可以直接監(jiān)測濕度變化；此外加熱模塊還可以為溫濕度傳感器升溫除濕，以增強深埋土壤高濕度環(huán)境下長期工作性能。