CN107044866A - 土壤温度、水分和电导率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了土壤温度、水分和电导率测量装置，主要包括传感器单元、数据采集和处理单元及MCU；所述传感器单元主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器和土壤电导率传感器；所述数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号发生电路、信号处理电路、模数转换电路、485通信电路；该装置是集土壤温度、土壤水分、土壤电导率测量为一体的检测装置，传感器的一端设有接线端，接线端由三根探针组成，分别为左、中和右路探针，三根探针位置相互平行，采用三叉状探针结构，方便快速的将传感器植入土壤，实现传感器的固定，结构简单，且成本低廉，能同时测出土壤中的水分、温度及电导率，缩短了对土壤温度、水分及电导率的测量时间，提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及土壤检测技术领域，具体涉及土壤温度、水分和电导率测量装置。
背景技术
土壤温度是指地面以下土壤中的温度，主要指与植物发育直接有关的地面下浅层的温度。土壤温度影响着植物的生长发育和土壤的形成，土壤中各种生物化学过程，如生物活动引起的生物化学过程和非化学过程，都受土壤温度的影响，温度过高过低都会使种植物受损。
土壤水是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，植物种植离不开对土壤水分的测量。土壤水分类型分为四种，其有效性各不相同：①吸湿水，干土从空气中吸附水汽所保证的水，对植物无效；②膜状水，土壤颗粒表面所吸附的水分，对植物来说属于弱有效水分；③毛管水，是土壤毛管孔隙所吸附的水，它又根据是否与地下水相连分为毛管悬着水(未相连)与毛管支持水(与地下水相连)，对植物来说最珍贵；④重力水，多余水，是在土壤充气空隙中的水分，很快会流出，对植物基本无效，因此若能有效测出土壤中的含水量，在一定程度上，必然能促进种植物的生长。
现有技术中对土壤含水率的检测方法很多，如采集土壤样品称重的烘干称重法，能得出土壤的质量含水率和体积含水率。依据土壤含水率不同，其电阻也不同的电阻法。依据土壤含水率不同，其介电常数也不同的，由此发展出的频域分解法、时域分解法、驻波率法、电容法等，以测量土壤的介电常数，从而推算出土壤含水率。
土壤的电导率是土壤的一个重要参量，它与土壤质地、含盐量、有机物水平、阳离子交换水平、土壤压实度等影响作物产量的特性有着很好的相关性。因此，土壤电导率信息的获取对于确定各种田间参数空间分布的差异具有重要的意义。
目前，对土壤电导率的测量可分为实验室测量和现场测量两大类。土壤电导率的实验室测量具有较高的精度，但测量过程繁琐、耗时长、实时性差。土壤电导率的现场测量，有基于电磁感应原理的非接触式设计和基于“电流-电压法”的接触式设计。非接触式利用电磁感应原理，利用仪器产生交变电流，再用植入土壤中的线圈来感应土壤中磁场的变化，通过所测磁场的变化来表征土壤电导率值。而接触式的设计，则是通过电极激励产生恒定的电流，通过待测的土壤后，由于土壤介质不同，电导率的不同使得采集到的电压不同，由此获取土壤的电导率。
现有技术中往往对土壤温度、水分和电导率通过对应的仪器进行分别测量，以得出土壤中的温度、水分和电导率的数值，再对数值进行分析比对，此种测量成本高，耗时长，且容易出现误差，以造成对种植物的损坏。
发明内容
本发明提供一种土壤温度、水分和电导率测量装置，该装置是集土壤温度、土壤水分、土壤电导率测量为一体的检测装置，该装置结构简单，成本低廉，能同时测出土壤中的水分温度及电导率的同时达到数据准确的效果，大大缩短了对土壤温度、水分及电导率的测量时间，提高了测量效率。
为了实现上述发明目的，本发明提出了一种土壤温度、水分和电导率测量装置，主要包括传感器单元、数据采集和处理单元及MCU；所述传感器单元主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器和土壤电导率传感器；所述数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号发生电路、信号处理电路、模数转换电路、485通信电路；
所述电压转换电路与外部直流电源相连，将外部直流电源提供的直流电进行电压转换电路转换后分别提供给信号发生电路、MCU、信号处理电路及485通信电路；
所述信号发生电路与信号处理电路相连，所述信号发生电路通过土壤介质的介电常数对土壤水分传感器充电；
所述信号处理电路将土壤水分传感器上储存的电量变化情况，通过信号处理电路的运算处理，转换为模拟电压值输出；
所述模数转换电路与信号处理电路相连；信号处理电路输出的模拟量，通过信号处理电路模数转换后，转换为数字信号，进行数据的存储和传送；
所述485通信电路与MCU相连，采集到的温度、水分和电导率的数值，通过485通信电路进行数据的传送；
所述土壤温度传感器的一端连有485传输线及电源线，温度传感器的另一端设有传感器接线端，接线端由三根探针组成，分别为左路探针、中路探针和右路探针，三根探针位置相互平行设置形成“川”字型三叉状探针结构，所述中路探针位于中间；
所述土壤水分传感器由位于中路探针左侧的左路探针及中路探针的地线组成或者由位于中路探针右侧的右路探针及中路探针的地线组成，土壤水分传感器上储存的电量，与土壤的介电常数和单位含水量成正比；
所述土壤电导率传感器由左路探针或者右路探针以外的两个探针组成，双探针用于土壤电导率的测定，双探针上分别设有螺柱，所述双探针阵列设置在所述螺柱上。采用三叉状探针结构，能够方便快速的将土壤水分传感器植入土壤，实现土壤传感器的固定，进而有效地对土壤中的水分进行测量，该结构简单易实施，且成本比较低。
作为本发明的优选，所述土壤温度传感器的测定方式为，温度传感器采用高精度的热敏电阻，该热敏电阻直接感知待测土壤的温度变化，通过对热敏电阻分压电路的电压值的测定，转换为对应的温度值。热敏电阻温度传感器易于连接，响应速度快，可有效减少测量时间；制造成本低，有利于市场的推广及应用；体积小，占地面积小，避免对土地资源的占用。
作为本发明的优选，还包括微处理器，所述土壤水分传感器的测定方式为，通过电磁场原理测定土壤周围介质的介电常数，信号发生电路提供70Mhz的振荡电磁波，通过土壤介质的介电常数对传感器充电，传感器电容上储存的电量与土壤的介电常数和单位含水量成正比，通过微处理器对充电电压的测量，输出土壤水分值。采用70M的振荡信号发生器，***电路简单，性能稳定可靠，频率易于控制。
作为本发明的优选，所述土壤电导率传感器的测定方式为，通过对两个电极施加不同的电流，测定两个电极间的阻抗，土壤电导率等于阻抗的倒数乘以单位常数(电极间距离/电极面积)，以得出土壤电导率值。
作为本发明的优选，所述数据采集和处理单元还包括，直流电源的滤波电路及485通信电路的滤波电路；所述直流电源的滤波电路与所述电压转换电路相连，所述485通信电路的滤波电路电连在485通信电路的一端，485通信电路的滤波电路的一端连接在采集设备上。采用485通信电路进行数据传输，可实现远距离传输，结合手持式或固定式手持式设备，能实现现场快速的数据采集和展示；或者采用固定式有线/无线远传设备，结合平台的软件设计，能将土壤温度、水分、电导率的参数，在平台上进行分析和展示。
作为本发明的优选，所述信号发生电路是振荡信号发生电路，振荡电路采用低频振荡信号发生器。低频振荡信号发生器安全可靠，防止热敏电阻的功耗导致的自热对测量准确度的影响。
作为本发明的优选，所述温度传感器采用热敏电阻温度传感器，热敏电阻设置在靠近三叉状探针的电路板底部。热敏电阻位于靠近三叉状探针的电路板底部，能最直观反映土壤温度的变化情况。
作为本发明的优选，所述螺柱是不锈钢螺丝。不锈钢螺丝使用成本低，应用范围广，且在室外监测时，经常遭遇雨露等，不锈钢螺丝具有良好的防腐蚀、防锈等功能，使用寿命更长久。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的土壤温度、水分和电导率测量装置，能够方便快速直接得出土壤中的水分、温度和电导率的测量值，避免再对数据进行分析，有效缩短测量时间。
(2)本发明提供的土壤温度、水分和电导率测量装置，采用外部的直流电源供电，可直接从手持式设备取电进行测量，或者从固定式测量设备的太阳能电池板取电，与传统的在实验室测量相比，现场测量更方便，测量值更准确。
(3)本发明提供的土壤温度、水分和电导率测量装置，电导率测量中，结合了温度的测量传感器，对温度变化带来的电导率的测试数据变动进行了补偿修正，保证了测量结果能准确反映电导率数值，此装置结构简单易操作，有利于市场的推广及应用。
附图说明
图1为本发明土壤温度、水分和电导率测量装置中传感器的结构示意图；
图2为本发明的模块连接示意图；
图3为本发明的电压转换电路图；
图4为本发明中的485通信电路图；
图5为本发明的直流电源滤波电路图；
图6为本发明中的485滤波电路图；
图7为本发明中的信号发生电路图；
图8为本发明中的信号处理电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式就本发明所述的土壤温度、土壤水分、土壤电导率测量装置和方法做进一步说明。
如图1至图8所示，本发明的土壤温度、水分和电导率测量装置，主要包括传感器单元、数据采集和处理单元及MCU；传感器单元主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器和土壤电导率传感器；数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号发生电路、信号处理电路、模数转换电路、485通信电路，电压转换电路与外部直流电源相连，将外部直流电源提供的直流电进行电压转换电路转换后分别提供给信号发生电路、MCU、信号处理电路及485通信电路；信号发生电路与信号处理电路相连，信号发生电路通过土壤介质的介电常数对土壤水分传感器充电；信号处理电路将土壤水分传感器上储存的电量变化情况，通过信号处理电路的运算处理，转换为模拟电压值输出；模数转换电路与信号处理电路相连；信号处理电路输出的模拟量，通过信号处理电路模数转换后，转换为数字信号，进行数据的存储和传送；485通信电路与MCU相连，采集到的温度、水分和电导率的数值，通过485通信电路进行数据的传送。
如图1所示，土壤温度传感器3的一端连有485传输线1及电源线2，温度传感器3的另一端设有传感器接线端，接线端由三根探针组成，分别为左路探针5、中路探针6和右路探针7，三根探针位置相互平行设置形成“川”字型三叉状探针结构，中路探针6位于中间。
土壤水分传感器由位于中路探针6左侧的左路探针5及中路探针6的地线组成或者由位于中路探针6右侧的右路探针7及中路探针6的地线组成，土壤水分传感器上储存的电量，与土壤的介电常数和单位含水量成正比。
土壤电导率传感器由左路探针5或者右路探针7以外的两个探针组成，双探针用于土壤电导率的测定，双探针上分别设有螺柱4，双探针阵列设置在螺柱4上。螺柱4是不锈钢螺丝，不锈钢螺丝使用成本低，应用范围广，且在室外监测时，经常遭遇雨露等，不锈钢螺丝具有良好的防腐蚀、防锈等功能，使用寿命更长久。
土壤温度传感器的测定方式为，温度传感器采用高精度的热敏电阻，该热敏电阻直接感知待测土壤的温度变化，通过对热敏电阻分压电路的电压值的测定，转换为对应的温度值。
温度传感器单元可直接植入土壤中，热敏电阻的阻值，随着温度的变化而变化，对热敏电阻上施加电压，通过分压后，通过A/D采样能够采集到热敏电阻上的电压值，从而计算出热敏电阻的阻值。也可通过查表法或者计算公式，获取土壤的当前温度。
由于热敏电阻直接位于靠近三叉状探针的电路板底部，能最直观反映土壤温度的变化情况，高精度热敏电阻和高精度的分压电阻的选择，保证了采样的精度，同时采用较低的采样电流，防止热敏电阻的功耗导致的自热对测量准确度的影响。
土壤水分传感器的测定方式为，测量装置还包括微处理器，通过电磁场原理测定土壤周围介质的介电常数，信号发生电路提供70Mhz的振荡电磁波，通过土壤介质的介电常数对传感器充电，传感器电容上储存的电量与土壤的介电常数和单位含水量成正比，通过微处理器对充电电压的测量，输出土壤水分值。
土壤电导率传感器的测定方式为，通过对两个电极施加不同的电流，测定两个电极间的阻抗，土壤电导率等于阻抗的倒数乘以单位常数(电极间距离/电极面积)，以得出土壤电导率值。
测量时，土壤水分传感器和土壤电导率传感器共用三叉针，其中土壤电导率传感器采用了两个叉针阵列来测量电导率，两个叉针阵列位于叉状探针的不锈钢螺丝上。若皮肤上的油脂接触到螺丝后会影响电导率的测量精度，因此需要对螺丝进行清洁。在使用前，电导率传感器需先进行校准，使测量精度能达到10％的误差范围。土壤水分传感器采用了三叉针中的另外一个，并结合了中路的电导率探针的地线，组成了土壤水分测量装置。
该测量装置可以水平安装也可以垂直安装，水平安装时，先在土壤中挖凿一个比传感器安装深度深几厘米的坑或沟，再刮掉土壤纵剖面上安装部位的土壤，漏出没有被扰动的土层，然后将将传感器的整个感应部位都***土中，最后回填土壤的时候要安照土壤的自然发生层次，使传感器周围的土壤保持原状密度。垂直安装时，先在地面上钻一个直径4英寸的孔洞，孔洞的深度近似传感器的长度，再用手或者其它工具将位于传感器上的三叉探针***孔洞底部的未被扰动的土壤中，可以采用PVC管作为工具，管子底端刻的凹槽可以用来固定传感器，电缆线放置在管子中，待传感器***固定后，可拿掉PVC管，最后回填土壤时保持土壤的自然容重，注意不要损伤传感器和电缆。
安装过程中还需注意传感器的安装角度，但是由于本发明由于采用叉状探针，所以可以按照试验需要以任意角度***土壤。在取出传感器时，为了避免对附件的电缆造成损毁，造成电路故障，需注意方式及力度。
为了能够测量土壤中不同的待测值，还可在此装置中安装多个传感器，以测量土壤中不同的待测值，电导率传感器测定电导率(EC)是通过激发传感器上的一个螺丝，测定该螺丝与另外一个接地螺丝间的电流强度来实现的。两个螺丝的间距是计算EC的重要参数。如果两个传感器安放的距离太近(小于20cm)，其中一个传感器上被激发螺丝的电流会通过另一个传感器上接地的螺丝，导致错误读数产生。只要地线是接着的，不管什么数采都会面临这种问题。如果试验中传感器不可避免的要离的很近，可以通过安装方式来分隔开各条地线。例如，需要在垂直剖面上的短距离内安装多个传感器时，不要把它们插在同一垂线位置上，而要错开排列，这样就可以满足间距的要求了。
以下是有关土壤水分和土壤电导率测量步骤：
一种土壤水分值测量方法，包括以下步骤：
(1)电压转换电路将外部提供的直流电源转换为3.3V提供给信号发生电路和MCU以及信号处理电路、485通信电路；
(2)信号发生电路产生70M的振荡信号，对土壤水分传感器进行充电，同时传送到信号处理电路；
(3)土壤水分传感器电容上储存的电量，与土壤的介电常数和单位含水量成正比；
(4)信号处理电路将土壤水分传感器上储存的电量转换为模拟信号输出；
(5)模数转换电路将电量值转换为数字信号；
(6)MCU对数字信号进行处理，根据计算公式，转换为相应的土壤水分参数值；
(7)MCU将土壤水分值，通过485传送给外部设备。
一种土壤电导率测量方法，包括以下步骤：
(1)电压转换电路将外部提供的直流电源转换为3.3V提供给MCU以及485通信电路；
(2)MCU对电导率传感器中的A极进行充电；
(3)测量电导率传感器的B极的电平；
(4)MCU对电导率传感器的B极进行充电；
(5)测量电导率传感器A极的电平；
(6)计算(3)和(5)的均值，根据计算公式计算出土壤电导率；
(7)将计算出的土壤电导率，通过485传送给外部设备。
以上所述是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种土壤温度、水分和电导率测量装置，主要包括传感器单元、数据采集和处理单元及MCU；所述传感器单元主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器和土壤电导率传感器；所述数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号发生电路、信号处理电路、模数转换电路、485通信电路，其特征在于：
所述电压转换电路与外部直流电源相连，将外部直流电源提供的直流电进行电压转换电路转换后分别提供给信号发生电路、MCU、信号处理电路及485通信电路；
所述信号发生电路与信号处理电路相连，所述信号发生电路通过土壤介质的介电常数对土壤水分传感器充电；
所述信号处理电路将土壤水分传感器上储存的电量变化情况，通过信号处理电路的运算处理，转换为模拟电压值输出；
所述模数转换电路与信号处理电路相连；信号处理电路输出的模拟量，通过信号处理电路模数转换后，转换为数字信号，进行数据的存储和传送；
所述485通信电路与MCU相连，采集到的温度、水分和电导率的数值，通过485通信电路进行数据的传送；
所述土壤温度传感器(3)的一端连有485传输线(1)及电源线(2)，温度传感器(3)的另一端设有传感器接线端，接线端由三根探针组成，分别为左路探针(5)、中路探针(6)和右路探针(7)，三根探针位置相互平行设置形成“川”字型三叉状探针结构，所述中路探针(6)位于中间；
所述土壤水分传感器由位于中路探针(6)左侧的左路探针(5)及中路探针(6)的地线组成或者由位于中路探针(6)右侧的右路探针(7)及中路探针(6)的地线组成，土壤水分传感器上储存的电量，与土壤的介电常数和单位含水量成正比；
所述土壤电导率传感器由左路探针(5)或者右路探针(7)以外的两个探针组成，双探针用于土壤电导率的测定，双探针上分别设有螺柱(4)，所述双探针阵列设置在所述螺柱(4)上。
2.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述土壤温度传感器的测定方式为，温度传感器采用高精度的热敏电阻，该热敏电阻直接感知待测土壤的温度变化，通过对热敏电阻分压电路的电压值的测定，转换为对应的温度值。
3.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：还包括微处理器，所述土壤水分传感器的测定方式为，通过电磁场原理测定土壤周围介质的介电常数，信号发生电路提供70Mhz的振荡电磁波，通过土壤介质的介电常数对传感器充电，传感器电容上储存的电量与土壤的介电常数和单位含水量成正比，通过微处理器对充电电压的测量，输出土壤水分值。
4.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述土壤电导率传感器的测定方式为，通过对两个电极施加不同的电流，测定两个电极间的阻抗，土壤电导率等于阻抗的倒数乘以单位常数(电极间距离/电极面积)，以得出土壤电导率值。
5.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述数据采集和处理单元还包括，直流电源的滤波电路及485通信电路的滤波电路；所述直流电源的滤波电路与所述电压转换电路相连，所述485通信电路的滤波电路电连在485通信电路的一端，485通信电路的滤波电路的一端连接在采集设备上。
6.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述信号发生电路是振荡信号发生电路，振荡电路采用低频振荡信号发生器。
7.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述温度传感器采用热敏电阻温度传感器，热敏电阻设置在靠近三叉状探针的电路板底部。
8.根据权利要求1所述的土壤温度、水分和电导率测量装置，其特征在于：所述螺柱(4)是不锈钢螺丝。
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