【文章內(nèi)容簡介】 微生物 通過光照抑菌滅菌后得到的養(yǎng)料等。液體物質(zhì)主要指 土壤水分 。氣體是存在于 土壤孔隙 中的空氣。土壤中這三類物質(zhì)構(gòu)成了一個矛盾的統(tǒng)一體，其中以液態(tài)土壤水分?jǐn)?shù)量較多。在一定條件下，它們互相聯(lián)系，互相制約，為 作物 提供必需的生活條件， 是 土壤肥力 的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外土壤而且還是一個疏松多孔體，其中布滿著大大小小蜂窩狀的孔隙。直徑 毫米的土壤孔隙叫 毛管孔隙 。存在于土壤毛管孔隙中的 水分 能被作物直接吸收利用，還能溶解和輸送土壤 養(yǎng)分 。 土壤的介電物理性質(zhì) 介電常數(shù)的概念 介電常數(shù)指在同一 電容器 中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值，又稱電容率或 相對電容率 。表示電介質(zhì)在電場中貯存 靜電能 的相對能力。介電常數(shù)愈小絕緣性愈好。 空氣 和 CS2 的ε值分別為 和 左右， 而土壤水分的ε值特別大， 10℃時為 ， 比其它物質(zhì)的介電常數(shù)大得多，土壤中主要成分的介電常數(shù)如下 表 1 所示。 因此，土壤的介電常數(shù)主要由水來決定，通過測量土壤介電常數(shù)可以達(dá)到 間接 測量土壤水分的目的。 表 1 土壤主要成分的介電常數(shù)一覽表 Table 1 A list of the main ponent of the dielectric constant of the soil 成分名稱 空氣 水 冰 玄武巖 花崗巖 干月巴士 干砂土 干 壤土 介電常數(shù) 1 83 3 12 79 土壤介電常數(shù)影響的因素很多，但土壤各成分的介電常數(shù)和相對含量是主要因素 ， 6 同時 在 適當(dāng)時候也必須考慮溫度的影響。 土壤介電物理模型的等效電路 在介質(zhì)物理學(xué)中，根據(jù) 介電材料分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可將電介質(zhì)分為典型的三大類：非極性電介質(zhì)，極性電介質(zhì)和離子性電介質(zhì)?，F(xiàn)有關(guān)資料證實含水土壤屬于介于極性電介質(zhì)與離子性點(diǎn)之間的一類電介質(zhì)。 與非極性電介質(zhì)相比，極性電介質(zhì)和離子性電介質(zhì)的特點(diǎn)之一是它的介電常數(shù)ε較大，一般處于 之間。無論何種介電材料 ， 它 的物理 通用 模型都可以用如圖 1 所示的 RC 并聯(lián)等效電路來描述。 圖 1 土壤電介質(zhì)測量模型的等效電路 An equivalent circuit model to measure soil dielectric figure 由上圖可知，通過矢量電壓表可以得到電壓和相角， 查閱相關(guān)資料，根據(jù)探針導(dǎo)納的計算公式 為： 其中： i— 探針上的電流 u— 電容兩端產(chǎn)生的幅 值 ? — 相角 由信號源可得到電流，利用上述公式可以計算出導(dǎo)納的大小，進(jìn)一步得到電導(dǎo) G和電容 C，由此得出介電常數(shù)的實部分量和虛部分量。當(dāng)探針的結(jié)構(gòu)一定時，探針的阻抗取決于被測物質(zhì)的介電常數(shù)。而土壤的介電常數(shù)主要取決于土壤含水量，可以通過探針的阻抗測量測得土壤含水率 。 TDR 測定土壤水分 的工作原理 TDR 法 通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來確定土壤介電常數(shù)，進(jìn)而計算?jeuiY? 7 出土壤含水量 。 其工作原 理 為 信號源發(fā)射的電磁波，經(jīng)過同軸傳輸線，到達(dá)土壤探頭，然后返回信號 源；在傳輸線上，入射波和反射波疊加形成駐波，駐波的波峰和波谷形成電壓差Δ V，Δ V 與探頭的阻抗 Z 相關(guān)，而阻抗 Z 又與土壤的介電常數(shù)ε相關(guān)，通常介電常數(shù)ε與土壤的容積含水率 V? 存在函數(shù)關(guān)系，如式（ 1）所示： 362422 ???? ???? ?????????V （ 1） 由此，根據(jù)電壓差Δ V 便可得出土壤容積含水率。通常， FDS－ 100 型輸出電壓與土壤含水率的關(guān)系曲線如圖 2 所示，其函數(shù)關(guān)系如式（ 2）所示。 xy ? (2) 式中 ： x — 輸出電壓（ V） y — 土壤濕度 圖 2 電壓與土壤含水率的關(guān)系曲線 The relation curve between voltage and soil water content 4 系統(tǒng)的 硬件和軟件 設(shè)計 系統(tǒng)的總體設(shè)計 土壤水分測量儀的關(guān)鍵部分是以單片機(jī)為核心的檢測系統(tǒng)。設(shè)計出來的土壤水分測量系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)儲存等功能。主要由五大部分組成，其中 土壤 水分 傳感器 實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)信號的功能， 使各種土壤水分參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬信號 ， 然后進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換， 將外部測量信息通過電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的輸入和控制的 數(shù)字信號 ，并經(jīng)單片 機(jī)內(nèi)部處理程序的運(yùn)算分析將結(jié)果反饋給顯示電路，通過顯示器顯示土壤含水率 ，完成對土壤水分的測量 。同時該系統(tǒng)擁有儲存數(shù)據(jù)的功能， 8 能將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)全部儲存于數(shù)據(jù)庫中方便測試完后查閱。鍵盤和顯示器組成人機(jī)聯(lián)系的部件，其作用是保 證用戶操作者和儀器之間的聯(lián)系，使得儀器更加人性化。 另外，本系統(tǒng)中也 設(shè)計了抗干擾電路和節(jié)能電路，有利于保證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及達(dá)到 降低能源的損失與浪費(fèi) 的目的。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 3 所示 ： 圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 框 圖 Block diagram of the system 系統(tǒng)硬件設(shè)計 土壤水分傳感器 的選擇 20 世紀(jì) 80 年代， TDR 法在土壤水分的測量方面受到重視。 Topp 等提出土壤體積含水率與土壤復(fù)介電常數(shù)的實部呈單值函數(shù)，同時指出， TDR 法不受土壤鹽分的影響；Hilhorst 進(jìn)一步提出在某一理想測試頻率下，土壤復(fù)介電常數(shù)的實部可確定土壤水分，虛部可確 定土壤電導(dǎo)率； Sun Yurui 等采用 100 MHz 測試頻率，研制了 FDS 系列水 分傳感器。 經(jīng)過了多年的發(fā)展， 該系列水分傳感器能夠測量土壤、基質(zhì)等多孔介質(zhì)的含水率。 其中 FDS 系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示 ： 圖 4 TDR型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 The structure of TDR sensor 9 本文 根據(jù)設(shè)計要求 采用 FDS－ 100 土壤水分傳感器， 由 100ＭＨｚ的高頻信號源、標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜和土壤探頭組成。探頭由直徑為 3mm 的 3 根不銹鋼針構(gòu)成，鋼針采用優(yōu)質(zhì)材料，可經(jīng)受長期電解，可經(jīng)受土壤中的酸 堿腐蝕。探頭采用三針結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為是一段幾何形狀非規(guī)則的傳輸線，土壤作為其電介質(zhì)，通過傳輸線來分析土壤的導(dǎo)電情況。另外，為了使整個傳感器體積縮小，傳感器的外形設(shè)計成單手操作使用型，外殼材料采用耐腐蝕性塑料壓模制成。 具有以下性能特點(diǎn)： （ 1） 測量參數(shù)：土壤容積含水率 （ 2） 單位： %(m3/m3) （ 3） 量程： 0～ 100% （ 4） 探針長度： （ 5） 探針直徑： 3mm （ 6） 探針材料：不銹鋼 （ 7） 密封材料：環(huán)氧樹脂 （ 8） 測量精度： 177。3% （ 9） 工作溫度范圍： 40℃ ～ 85℃ （ 10） 工作電壓： 5～ 12V（電壓型） 12～ 24V（電流型 （ 11） 工作電流： 21～ 26mA，典型值 21mA（電壓型） （ 12） 測量主頻： 100Ｍ h （ 13） 電壓型 0～ DC （ 14） 電流型 0～ 20mA （ 15） 測量穩(wěn)定時間： 2 秒 （ 16） 響應(yīng)時間：＜ 1 秒 （ 17） 測量區(qū)域：以中央探針為中心，圍繞中央探針的直徑為 7cm、高為 7cm 的圓柱體 （ 18） 電纜長度： 米 (標(biāo)配 ) 其 土壤濕度傳感器 實物如下圖 5 所示： 10 圖 5 FDS－ 100土壤水分傳感器 FDS100 soil moisture sensor 該傳感器 廣泛應(yīng)用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、科學(xué)試驗等場領(lǐng)域。 具有 以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 本傳感器體積小巧化設(shè)計，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，不繡鋼探針保證使用壽命。 （ 2） 外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕。土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。 （ 3） 測量精度高，性能可靠，確保正常工作。響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。 單片機(jī) 的 選擇 單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，它 的性能關(guān)系到整個系統(tǒng)的好壞。因此單片機(jī)的選擇，對所設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)以及功能的擴(kuò)展有著很大的影響。 總 的來說應(yīng)該選用 可靠性 好 、價格適中、能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 和具有較高的性能的單片機(jī)。 本文 選用 ATMEGA16 單片機(jī) 作為測量電路的控制和運(yùn)算單元，能完全滿足上述要求。 ATMEGA16 是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 ， 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元 (ALU)相連接，使得一條指令可以在一個 時鐘周期 內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 數(shù)據(jù)吞吐率 。 主要特性如下： （ 1） 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW) （ 2） 512 字節(jié) EEPROM， 擦寫壽命 :100,000 次 （ 3） 1K 字節(jié) SRAM （ 4） 32 個通用 I/O 口線 （ 5） 32 個通用工作寄存器 ， 用于 邊界掃描 的 JTAG 接口 （ 6） 支持片內(nèi)調(diào)試與編程 （ 7） 三個具有比較模式的靈活的 定時器 /計數(shù)器 (T/C) （ 8） 片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用 串行接口 （ 9） 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 )的 ADC （ 10） 具有片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時器 （ 11） 一個 SPI 串行端口 （ 12） 6種睡眠模式 :空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電 模式、 Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式 11 （ 13） 具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作 （ 14） 40 引腳 PDIP 封裝 ,44 引腳 TQFP 封裝 ,與 44 引腳 MLF 封裝 （ 15） 131 條指令 （ 16） 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 （ 17） 先 進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) （ 18） 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密 （ 19） 具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位 定時器 /計 其外形如下圖 6 所示： 圖 6 ATMEGA16單片機(jī) AT MEGA16 SCM 鍵盤的選擇 鍵盤是人機(jī)交互的主要輸入手段，所以在設(shè)計中必須考慮兩點(diǎn)，第一，鍵盤在觸摸時手感好、 按鍵 靈活方便；第二，靈敏度高、 按鍵穩(wěn) 定可靠。本文設(shè)計采用觸摸式薄膜按鍵，很好地滿足上述兩點(diǎn)的要求。 輸入電路采用 4 個按鍵，鍵盤類型為獨(dú)立鍵盤，各按鍵彼此獨(dú)立 ，每個按鍵占用并行輸入端口的一條端口線， CPU 通過檢測端口線的電頻狀態(tài)，確認(rèn)按鍵是否閉合，并進(jìn)行相應(yīng)處理。 鍵盤與單片機(jī)的接口墊例如下圖 7所示： 12 圖 7 鍵盤與單片機(jī)的接口圖 Keyboar