CN2627503Y - 土壤电导率实时检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种土壤电导率实时检测仪，包括主控单元，传感器；所述传感器包括一个绝缘棒和四个探针，绝缘棒以二分之一处为中心对称设有若干个均匀分布的孔，探针以绝缘棒的二分之一处为中心对称安装在绝缘棒的孔中，中间两个探针连接到主控单元中的采样电路输入端，两外侧的探针接传感器电源。本实用新型采用具有特色的传感器结构设计，使得本实用新型既适于大田测量，又可应用于温室栽培等设施农业中，既适用于整地期的农田，又能满足作物生长期的土壤电导率测量。本实用新型所推荐的结构参数，可获得高精度的测量结果。

Description

土壤电导率实时检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种检测仪器，特别是涉及一种用于土壤电导率实时检测仪。

背景技术

土壤学的研究结果表明土壤电导率包含了土壤养分与理化特性的丰富信息。例如，土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量，土壤质地结构和孔隙率等参数的大小。有效获取土壤的电导率值，对于确定各种田间参数时空分布的差异有重大意义，从而也为基于信息和知识的现代精细农业的普及推广打下基础。

土壤电导率的测量大致可分为实验室测量和现场测量2大类，实验室测量首先要制备土壤浸提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的电导率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电导率的变化。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，但测量过程繁琐，且耗费较长时间，实时性差，不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量测量的要求。

现场测量则主要是将地球物理勘探中的方法引入到了农田土壤测量中，主要有两种基本设计思路：接触式和非接触式。接触式土壤电导率传感器是一种电极式传感器；非接触式土壤电导率传感器则利用了电磁感应现象检测土壤电导率。但接触式测量在测量时不需要取样，基本不用扰动土体，而且在作物生长前和生长期间都可以设法实现实时测量，很适合现代精细农业关于对农田土壤信息获取的要求。

现有技术中，已有车载式的土壤电导率测量设备，但只适于大块田地使用，对于我国特有的不规则的小块农田不能发挥作用，而且它只能在作物种植前测量，在作物生长期机组无法下地，还有它无法应用于温室、塑料大棚等设施农业中。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提出一种土壤电导率实时检测仪，要求该检测仪便于携带使用，不受作物生长阶段的限制，适合在小块农田、温室、塑料大棚中使用。

本实用新型提出的一种土壤电导率实时检测仪，包括主控单元，传感器；所述传感器包括一个绝缘棒和四个探针，绝缘棒以二分之一处为中心对称设有若干个均匀分布的孔，探针以绝缘棒的二分之一处为中心对称安装在绝缘棒的孔中，中间两个探针连接到主控单元中的采样电路输入端，两外侧的探针接传感器电源。

上述的土壤电导率实时检测仪，所述中间两个探针之间的距离L1为150-300mm；两外侧的两个探针之间的距离L2为450-650mm。

上述的土壤电导率实时检测仪，所述绝缘棒上相邻两孔间的距离L为50mm。

上述的土壤电导率实时检测仪，所述主控单元的采样电路作为输入信号转换电路，包括12位串行A/D转换器MAX187，其变换后的数字信号输出直接送到主控芯片AT89C2051进行处理。

上述的土壤电导率实时检测仪，还包括一个TTL电平与EIA电平的转换芯片MAX232，该芯片的第8脚作为空间定位信息的输入接口；该芯片的第7脚是用于连接外部存储设备的输出接口。

上述的土壤电导率实时检测仪，还包括一个可实时显示测量结果液晶显示模块LCM045，其1、3、4脚分别接到主控芯片AT89C2051的17、18、19脚。

上述的土壤电导率实时检测仪，按键C(采集键)和按键D(存储键)分别通过与非门构成RS触发器接在AT89C2051的第7脚和第8脚。

上述的土壤电导率实时检测仪，供电部分由2块串联的12V可充电电池作为电源，由2块LM317芯片分别构成传感器供电电路和芯片供电电路，以分别向传感器输入端提供满足测量要求的恒定电流和向主控电路板提供5V电源。

本实用新型采用具有特色的传感器结构设计，使得本实用新型既适于大田测量，又可应用于温室栽培等设施农业中，既适用于整地期的农田，又能满足作物生长期的土壤电导率测量。本实用新型所推荐的结构参数，可获得高精度的测量结果。在主控单元上既设计有与上位机(掌上电脑、手提电脑等)的通讯接口，又配备了液晶显示单元，从而可在配备掌上电脑的情况下实现自动记录存储，又可在没有配备电脑的情况下满足手动记录的需求。本实用新型还设有GPS接口，可以实现土壤电导率田间实时检测和测量点空间定位信息实时记录的***集成。整个检测仪重量可控制在5千克之内，方便测量，只需1名操作员，就应该能实现全部的测量及记录功能。

附图说明

图1是本实用新型土壤电导率实时检测仪示意图；

图2是本实用新型土壤电导率实时检测仪结构连接示意图；

图3是本实用新型土壤电导率实时检测仪主控单元的电原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型土壤电导率实时检测仪的基本结构包括主控单元、用来显示主控单元输出结构的显示单元、用来采集土壤电导率信息的传感器，还包括用来存储主控单元输出信息的存储设备，所述存储设备可以是笔记本电脑或者掌上电脑等，或者是移动存储装置，为了记录下被测土壤的所在位置，主控单元上还包括一个用来接收GPS空间定位信号的接口。

图2是本实用新型土壤电导率实时检测仪结构示意图，其中，传感器包含有4根探针和1根开有若干个均匀分布的孔的绝缘棒，孔的布置是以绝缘棒的一半长度为中心，对称分布，图2中给出了具有12个孔的绝缘棒，其外侧的2根探针连接在主控单元的电源端，向大地输入恒定电流，中间的2根探针连接在主控单元的采样电路，以采集表征土壤电导率的电压降信号。

图2的例子里，中间的2根探针之间的距离设为L1，其外侧的2根探针之间的距离设为L2，绝缘棒上以L的间距开有12个探针固定孔，用户可根据农田状况和测试条件，在(150-300mm)和(450-650mm)范围内自由设定L1和L2。

本实用新型中，传感器这样设计适于各种农田状态(包括设施栽培)的测量，即使当农作物已生长较高时，也可方便在垄间测量，以监测作物生长期间土壤电导率的变化。

图3是本实用新型中主控单元的电原理图。

主控单元的作用是数据采集与控制处理，本实用新型选用了AT89C2051芯片作为主控芯片。AT89C2051是具有8051内核的小型单片机，采用20管脚DI P封装模式，除了电源(Vcc)、复位(RST)、地(GND)和外接晶振(XTAL1、XTAL2)这5个管脚外，还可提供15个I/O口供用户使用。本实用新型共使用了其中的10个I/O口，具体使用情况如下：

P1.0：接A/D转换器的串行时钟输入CLCK，在单片机以串行方式读取A/D转换器数据时，向A/D转换器提供移位时钟。

P1.1：接A/D转换器的 CS，作为A/D转换器的启动信号线。

P1.2：接A/D转换器的串行数据输出DOUT。

P1.5：接串行液晶显示模块LCM045的片选信号端 CS。

P1.6：接LCM045的 WR，用来向LCM045传送移位时钟。

P1.7：接LCM045的DATA，用来向LCM045传送数据。

P3.0：作为单片机的串行输入端(RXD)，用于接收来自于GPS的位置数据。

P3.1：作为单片机的串行输出端(TXD)，用于向上位机(笔记本电脑、掌上电脑等)输送数据。

P3.2：作为单片机的外部中断0( INT0)，接采集按键，下跳沿触发，即当检测到由高电平转为低电平的下跳沿时，启动数据采集设备及相应程序。

P3.3：作为单片机的外部中断1( INT1)，接存储按键，下跳沿触发，即当检测到由高电平转为低电平的下跳沿时，启动存储设备和向上位机传送数据的程序。

供电部分由2块串联的12V可充电电池作为电源，由2块LM317芯片分别构成“传感器供电电路”和“芯片供电电路”，以分别向传感器输入端提供满足测量要求的恒定电流(5～100mA可调)和向主控电路板提供5V电源。

由传感器检测到的电压降信号通过主控单元的模拟输入端口，送给了12位串行A/D转换器MAX187，它的分辨率为1mV，被实时转换为数字信号，以便传输、储存和计算。该电压降的最小变化量在毫伏级，具有足够的精度来检测变化细微的土壤电导率；串行通讯方式可以节省单片机的***资源；MAX187还具有采样保持功能，以保证在A/D转换完成之前采样信号不丢失，电路中无需设计采样保持器，可以简化电路设计。

本实用新型配置有液晶显示模块LCM045，可实时显示测量结果。当用户没有配备自动存储和显示的外接设备(掌上电脑、手提电脑等)时，可直接读取液晶显示器的土壤电导率值，然后手动记录测量结果。

为了实现揭示土壤电导率田间空间差异性的目的，要求测试***能够记录位置信息，本实用新型还设有GPS接口，如有必要，可以接收背负式或手持式GPS的NEMA-0183格式数据，也可利用GPS的OEM板，与本实用新型的主控单元共同组成多功能测试***，实现土壤电导率田间实时检测和测量点空间定位信息实时记录的***集成。

本实用新型还设有与上位机(如掌上电脑、手提电脑等)的接口，土壤电导率测量数据和GPS空间定位数据可实时存储在上位机(推荐使用掌上电脑，以实现单人测量)内，存储格式可以方便地采用MS-EXCEL等通用软件处理，在掌上电脑中还安装了基于Windows CE的应用软件，具有实时引导土壤电导率测量和实时显示农田土壤电导率空间分布信息的功能。

本实用新型所述检测仪上设有五个按键(图3中的按键A～按键E)，它们分别是电源开关键、传感器开关键、采集键、存储键和复位键。电源开关键(按键A)控制检测仪总电源的通断，传感器开关键(按键B)用来通断流向传感器的恒定电流，可以在测量的间隙停止给传感器供电，以延长工作时间，复位键(按键E)可使主控单元在意外停机时复位或重新开始。

按键C和按键D分别是采集键和存储键，当分别按下这两个键时，他们分别向单片机I/O口的P3.2脚(外部中断0： INT0)和P 3.3脚(外部中断1： INT1)提供由高电平变为低电平转换的阶跃信号， INT0和 INT1均被设为下跳沿触发，当单片机在 INT0(或 INT1)端检测到下跳沿时，将启动数据采集设备及相应程序(或启动存储设备和向上位机传送数据的程序)。

当用手按下功能键时，有时会产生抖动，产生一串脉冲信号，单片机会连续检测到下跳沿，给程序执行带来混乱。因此，为避免手抖动对***运行的影响，本实用新型在按键C和按键D与对应的单片机管脚之间都串联了由与非门构成的R-S触发器，其工作原理为：平时，1端接地，5端接高电平；按下时，5端接地，1端接高电平。所以，按下时1端由0变1，那么输出端3端由1变0，出现下跳沿；当松手后按键会自动弹起，1端接地，5端接高电平，输出端3端恢复高电平。一旦功能键被按下后发生抖动，即5端在高低电平间频繁转换时，就会出现1、5端均为高电平的状态，此时R-S触发器的输出将保持原来的状态不变，也就是3端的输出始终维持低电平，从而消除了功能键抖动对***运行的影响。

P3.0和P3.1分别作为单片机的串行输入端(RXD)和串行输出端(TXD)，分别用于接收来自于GPS的位置数据和向上位机(笔记本电脑、掌上电脑等)输送数据。单片机的工作电平为TTL电平，其范围为0～5V，而上位机，GPS等的串行接口为RS-232C标准接口，工作电平为EIA电平，即逻辑“1”为-15～-3V(通常用-12V)，逻辑“0”为+3～+15V(通常用+12V)。为保证数据的正确传送，实现RS-232C方式下RS-232C标准接口与单片机I/O口之间输入/输出信号电平的匹配，本实用新型在两者之间安装了电平转换芯片(MAX232)，以实现TTL电平与EI A电平之间的相互转换。如图3所示，来自于GPS的信号接在MAX232的管脚8(R2in)，经电平转换后再由管脚9(R2out)传送给单片机；由单片机传送给上位机的信号接在了MAX232的管脚10(T2in)，经电平转换后再由管脚7(T2out)传送给上位机。

总结本实用新型的工作原理如下：

1、开机后，数据采集部分进入等待状态(等待外部中断的出现)。此时，还没有开始数据采集，程序屏蔽外部中断INT1，即存储键无效。在没有按下采集键时，R-S触发器的输出端3端为高电平。

2、按下采集键，R-S触发器的1端由0变1，输出端3由1变0，产生下跳沿，引发外部中断INT0。下跳沿已经产生，所以不用一直按住采集键，按一下松手即可，按键自动弹起，输出由0变1。

3、CPU响应中断，启动A/D转换，开始执行一次采集、处理和显示数据的操作。执行完毕，程序激活外部中断INT1，表明可以执行存储操作。

4、若需要执行存储操作，按下存储键，引发外部中断INT1，执行存储的操作，执行完毕，程序屏蔽外部中断INT1。

若不执行存储操作。可以继续进行采集操作。

程序中设置INT0和INT1为同优先级，意味着采集和存储操作不能相互打断。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种土壤电导率实时检测仪，包括主控单元，传感器；其特征在于，所述传感器包括一个绝缘棒和四个探针，绝缘棒以二分之一处为中心对称设有若干个均匀分布的孔，探针以绝缘棒的二分之一处为中心对称安装在绝缘棒的孔中，中间两个探针连接到主控单元中的采样电路输入端，两外侧的探针接传感器电源。

2、根据权利要求1所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，所述中间两个探针之间的距离L1为150-300mm；两外侧的两个探针之间的距离L2为450-650mm。

3、根据权利要求1所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，所述绝缘棒上相邻两孔间的距离L为50mm。

4、根据权利要求1或2所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，所述主控单元的采样电路作为输入信号转换电路，包括12位串行A/D转换器MAX187，其变换后的数字信号输出直接送到主控芯片AT89C2051进行处理。

5、根据权利要求1或2所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，还包括一个TTL电平与EIA电平的相互转换的转换芯片MAX232，该芯片的第8脚作为空间定位信息的输入接口；该芯片的第7脚是用于连接外部存储设备的输出接口，经电平转换后再由管脚9(R2out)传送给主控单元。

6、根据权利要求5所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，还包括一个可实时显示测量结果液晶显示模块LCM045，其1、3、4脚分别接到主控芯片AT89C2051的17、18、19脚。

7、根据权利要求5所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，采集键和存储键分别通过与非门构成RS触发器接在AT89C2051的第7脚和第8脚。

8、根据权利要求5所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，由主控单元传送给上位机的信号接在所述转换芯片MAX232的管脚10(T2in)，经电平转换后再由管脚7(T2out)传送给上位机。

9、根据权利要求5所述的土壤电导率实时检测仪，其特征在于，供电部分由2块串联的12V可充电电池作为电源，由2块LM317芯片分别构成传感器供电电路和芯片供电电路，以分别向传感器输入端提供满足测量要求的恒定电流和向主控电路板提供5V电源。

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