一种基于单片机的土壤体积含水量的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业测量技术领域，具体设及±壤体积含水量的测量。
【背景技术】
[0002] ±壤的水分含量是精细农业节水灌概中测定的重要参数。通过对±壤水分含量的 实时监测，可W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。
[0003] 介电特性法是±壤含水量测量中常用的方法。介电特性法是利用±壤的介电特性 对±壤的含水量进行测定。±壤介电常数e的变化能很好地反应±壤的体积含水量0V 的变化。
[0004] 介电法中有时域法仰时，频域法（抑时，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±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W测量较浅的±壤；并且仪器价格昂贵，在现阶段不能推广和普及。
[0005] 抑R方法在野外进行水分监测应用中，因±壤类型不同而需要标定或校正。在低 频时，容易受到±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±壤体积含水 量的测量方法。
【发明内容】
[0006] 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W测量较浅的± 壤，并且仪器价格昂贵；W及FDR在低频时，容易受到±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±壤体积含水量的测量方法，采用的技术方案为：
[0007] 一种基于单片机的±壤体积含水量的测量方法，包括如下步骤：
[000引步骤1 ;将电容器串联一个电感L1，组成LC电路；
[0009] 步骤2 ;推导步骤1中所述LC电路的谐振频率片与±壤体积含水量0V的关系式；
[0010] 步骤3 ;根据步骤2中所述的关系式建立若干个谐振频率f。与若干个±壤体积含 水量0Y-一对应的表格，
[00川步骤4 ;将测量电路连接所述LC电路；
[0012] 步骤5 ;将待测±壤放在所述电容器的两极板间；
[001引步骤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f。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；
[0014] 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f。，查询步骤3所述的若干个谐振频率f。与 若干个±壤体积含水量0Y-一对应的表格得到±壤体积含水量0Y。
[0015] 进一步地，
[0016] 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LI的另一端作为LC电路的输入端；
[0017] 进一步地，
[001引所述步骤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；
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 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。
[002引进一步地，
[0023] 所述步骤3中建立若干个谐振频率f。与若干个±壤体积含水量0Y-一对应的表 格的方法为：
[0024] 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；
[0025] 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 ±壤体积含水量的值；
[0026] 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±壤体积含水量 的值一一对应地放入表格内；
[0027] 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f。 的值的方法为：
[002引步骤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；
[0029] 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。
[0030] 更进一步地，所述单片机采用MSP430f2012,所述基准电压电路采用化431，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。
[0031] 更进一步地，所述稳压电源电路采用AS1360-33-T。
[0032] 本发明和现有技术相比，有益效果为：
[003引 （1)测量电路中选用16位高精度的基准电压电路AD5660,W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。
[0034] (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±壤体积含水量随时间的变化过程。
[003引 做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W方便实时地将测量结果显示，人性化和智能化较好。
[0036] (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】
[0037] 图1为测量原理结构框图；
[003引图2为测量电路原理图；
[0039] 图3为稳压电路原理图；
[0040] 图4单片机程序流程图。
[0041] 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】
[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0043] 如图1所示，为本发明的测量原理结构框图。
[0044] 由电感Li和电容器组成的LC串联电路的谐振频率f。为：
[0045]
(1)
[0046] 式（1)中，Li为固定谐振电感值，Cp是电容器寄生电容，Cp可通过仪器测量出具体 值，Cxi为电容器等效电容，Cp大小与谐振频率有关。
[0047] 电容器等效电容Cxi与±壤介电常数的关系式为：
[0048] Cxi= 5e(2)
[0049]式（2)中，5为电容器极板的几何因子，5可通过实验标定出具体值，e为极板 间±壤的介电常数。
[0化日]根据化rkelrath的半理论半经验关系式；
[0051] 0、二口V&.+A (3)
[0化2] 式（3)中，a,b是校正参数，需要根据±壤类型不同进行校正，e为±壤的介电常 数，0、为±壤的体积含水量。由式（2) (3)得知±壤体积含水量0Y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。
[005引由式（1)似做得出谐振频率片与±壤的体积含水量0V的关系式：
[0054]
…
[0化5] 式（4)中，Li为固定谐振电感值，Cp是电容器寄生电容，5为电容器极板 CT 的几何因子，a,b是校正参数；参数5，a,b均可通过实验标定出数值，Cp可通过精密LCR 数字电桥（型号为T肥816A)测出值，如此可建立谐振频率片与±壤的体积含水量0Y-- 对应的关系。
[0056] 下面给出参数5，a,b的标定方法。
[0057] (I)参数5的标定方法为；
[0化引步骤1-1;将±壤完全晒干，置于容器中，把电容器极板完全插入±壤，利用高精 度电容表测得在完全干燥的环境下的电容值Cxi;
[0化9] 步骤1-2 ;查询干燥情况下±壤的介电常数e;利用步骤1-1中测量的Cxi的值， 根据电容与±壤介电常数的线性关系式（2)，得到电容器极板的几何因子5。
[0060] (II)参数a、b的标定方法为：
[006U步骤2-1 ;将干±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±壤在所述PVC管中的厚度超过20cm)，置于20°C的环境中，记录此时干±壤和PVC 管的总重量Wi，并计算干±壤体积V;用TDR传感器测量干±壤的介电常数e
[0062] 步骤2-2 ;用马氏瓶供水，使整个±柱均匀饱和，并记录此时的总重量胖2;
[0063] 步骤2-3 ;将步骤2-2中的W2与步骤2-1中的Wi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±壤的体积含水量的定义，可W计算得到饱和状态下±壤 的体积含水量；用TDR传感器测量饱和状态下±壤的介电常数e、并记录e值；
[0064] 步骤2-4 ;将±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