一種數(shù)字土壤濕度傳感器批量標(biāo)定儀設(shè)計(jì)

宋濤，高鵬，徐曉輝，蘇彥莽

（河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

一種數(shù)字土壤濕度傳感器批量標(biāo)定儀設(shè)計(jì)

宋濤，高鵬，徐曉輝，蘇彥莽

（河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

傳統(tǒng)的土壤濕度傳感器普遍存在溫飄、探頭不穩(wěn)定和批量標(biāo)定繁瑣等問(wèn)題，而且在過(guò)程中需要對(duì)每一個(gè)進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)定，極大的降低了生產(chǎn)效率．基于水浸式標(biāo)定方法的數(shù)字土壤濕度傳感器批量標(biāo)定儀，采用一主多從485總線，能同時(shí)標(biāo)定多達(dá)100個(gè)傳感器．標(biāo)定儀在標(biāo)定過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)地將標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)量到的濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到485總線上，待測(cè)傳感器接收后與自身測(cè)量值對(duì)比并儲(chǔ)存，多組數(shù)據(jù)形成一個(gè)多點(diǎn)逼近的與標(biāo)準(zhǔn)傳感器一致的電壓值輸出曲線，存儲(chǔ)數(shù)值組數(shù)越多，曲線越與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出性能逼近．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以此方法標(biāo)定的傳感器輸出電壓相對(duì)誤差在±0.1 V以?xún)?nèi)，效果比較理想．

批量標(biāo)定；水浸式；485總線；土壤濕度傳感器

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步深入，新型土壤濕度傳感器層出不窮，而傳統(tǒng)的土壤濕度傳感器普遍存在溫飄、探頭不穩(wěn)定和批量標(biāo)定繁瑣等問(wèn)題，而且傳統(tǒng)土壤濕度傳感器在制作過(guò)程中需要每一個(gè)進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)定，極大地降低了生產(chǎn)效率[1]．水浸式數(shù)字土壤濕度傳感器標(biāo)定儀是在水浸式標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的[2]．它適用性廣泛,兼容數(shù)字頻域反射式土壤濕度傳感器，方便連接各種預(yù)留485總線接口的頻域反射式土壤濕度傳感器進(jìn)行標(biāo)定；能夠?qū)崿F(xiàn)帶微控制器的數(shù)字土壤濕度傳感器的自動(dòng)標(biāo)定．只需將待測(cè)數(shù)字土壤濕度傳感器安裝到標(biāo)定儀即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找水平、自動(dòng)分段入水、自動(dòng)標(biāo)定的功能．

1 水浸式標(biāo)定方法

頻域反射式土壤濕度傳感器水浸式標(biāo)定方法的基本原理是標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度傳感器的金屬探頭浸入液體介質(zhì)中深度不同，相應(yīng)的測(cè)量值就不同，再將需要標(biāo)定的土壤濕度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度傳感器探頭保持入水深度一致，即可調(diào)節(jié)標(biāo)定電阻將待測(cè)土壤濕度傳感器調(diào)整到和標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出一致．實(shí)驗(yàn)證明，頻域反射式土壤濕度傳感器水浸式標(biāo)定方法的穩(wěn)定性和重復(fù)性都是非常好的，但是受到各種電子元器件性能影響，雖然測(cè)量值都是隨著入水深度增大而增大，但不同土壤濕度傳感器的探頭測(cè)量電壓輸出曲線都不同，曲線中段斜率也不一樣[3-4]，簡(jiǎn)單水浸式標(biāo)定方法還是不盡人意．

2 標(biāo)定儀設(shè)計(jì)原理

數(shù)字式土壤濕度傳感器集成了單片機(jī)，輸出值通過(guò)485總線傳遞出來(lái)．采用一主多從485總線的好處在于可同時(shí)標(biāo)定多達(dá)100個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器有四顆連線，分別是電源正、電源負(fù)、485正、485負(fù)，標(biāo)定時(shí)所有傳感器同時(shí)連接．標(biāo)定儀自身有標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度傳感器，它在標(biāo)定過(guò)程中實(shí)時(shí)將測(cè)量到的濕度數(shù)值發(fā)送到485總線上，待標(biāo)定的傳感器收到這些數(shù)值后，與自身當(dāng)前測(cè)量值對(duì)比并存儲(chǔ)，多組存儲(chǔ)數(shù)值可形成一個(gè)多點(diǎn)逼近的與標(biāo)準(zhǔn)傳感器一致的電壓輸出曲線，存儲(chǔ)數(shù)值組數(shù)越多，曲線越與標(biāo)準(zhǔn)傳感器逼近．若設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，這10個(gè)采樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出平均電壓值為Vsi（i=1，2，……10），待測(cè)傳感器輸出電壓值為Vci(i=1，2，……10)，則標(biāo)定完后的傳感器某一點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓Vr和輸出電壓值Vo滿足關(guān)系式

為對(duì)輸出濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，添加了18B20數(shù)字溫度傳感器，采用二元回歸方程對(duì)輸出值進(jìn)行補(bǔ)償[5]

式(3)中Uo為補(bǔ)償后的輸出電壓值，U為FDR土壤濕度傳感器輸出的電壓值，UT為溫度傳感器測(cè)量值．

圖1標(biāo)定儀包括傳感器探頭陣列、水平調(diào)整臂、傳感器固定架、水平板、水槽等部分．標(biāo)準(zhǔn)傳感器固定于固定架四角，利用水平板將待測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器探頭保持在同一平面上，然后撤走水平板，開(kāi)始自動(dòng)標(biāo)定程序．調(diào)整臂可調(diào)整前后、左右角度，傳感器固定架可上下移動(dòng)，調(diào)整電機(jī)安裝于調(diào)整臂內(nèi)部．

經(jīng)多方面對(duì)比，采用18 B20作為溫度傳感器，在10～+85℃時(shí)其精度為±0.5℃．選用一款測(cè)量準(zhǔn)確的頻域反射式土壤濕度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，通過(guò)測(cè)量其入水深度與輸出電壓曲線，20℃下得到如圖2所示曲線，由圖可知，若選取十個(gè)線性折點(diǎn)進(jìn)行采樣，在相鄰兩個(gè)線性折點(diǎn)之間的曲線可認(rèn)為是一條直線，其關(guān)系式(2)和補(bǔ)償式(3)可由單片機(jī)程序生成．在采集到相應(yīng)曲線段的電壓之后，單片機(jī)處理并輸出數(shù)字信號(hào)，還可通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出對(duì)應(yīng)的模擬電壓值．

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器批量標(biāo)定儀功能框圖如圖3所示，包括控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、三軸調(diào)整電機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器單元、通信模塊、待測(cè)傳感器幾個(gè)部分，如圖3所示．

圖1 標(biāo)定儀示意圖Fig.1Calibrator schematic diagram

圖2 標(biāo)準(zhǔn)傳感器水浸式測(cè)試輸出曲線Fig.2Standard sensor output against insert depth

標(biāo)定程序啟動(dòng)后，控制模塊會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使傳感器探頭陣列緩慢浸入水中，在傳感器探頭陣列剛接觸水面的時(shí)候，四角的標(biāo)準(zhǔn)傳感器會(huì)傳送數(shù)據(jù)至控制模塊，以土壤濕度5%作為入水點(diǎn)，控制模塊調(diào)整水平電機(jī)，使四角的標(biāo)準(zhǔn)傳感器都達(dá)到5%的測(cè)量值，此時(shí)為入水測(cè)量準(zhǔn)備．然后控制模塊繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使傳感器探頭陣列緩慢入水，在標(biāo)準(zhǔn)傳感器的4個(gè)傳感器平均值達(dá)到10%時(shí)發(fā)送測(cè)量值到控制模塊，控制模塊通過(guò)通信模塊將這些數(shù)值傳送給待測(cè)傳感器，待測(cè)傳感器將這些數(shù)值和自己當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比存儲(chǔ)．控制模塊繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使傳感器探頭陣列緩慢入水，在標(biāo)準(zhǔn)傳感器的4個(gè)傳感器平均值達(dá)到20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時(shí)分別重復(fù)以上操作．完成后待測(cè)傳感器共存儲(chǔ)10組數(shù)據(jù)，相鄰兩組數(shù)據(jù)之間按線性處理．系統(tǒng)所需電壓由12V開(kāi)關(guān)電源和LM2596電源模塊提供．

控制核心采用Silicon公司的C8051F340單片機(jī)，其雙串口結(jié)構(gòu)適合總線通信，一路連接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字土壤傳感器和待測(cè)傳感器，另一路作為擴(kuò)展連接上位機(jī)可監(jiān)測(cè)整個(gè)標(biāo)定過(guò)程．若使用模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，則將4個(gè)模擬傳感器連接到單片機(jī)的內(nèi)部12位A/D的相應(yīng)端口[6]．系統(tǒng)可將標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可直接標(biāo)定待測(cè)傳感器而不用每次都依賴(lài)標(biāo)準(zhǔn)傳感器，因?yàn)闇囟扔绊懀瑯?biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)需要在一定溫差之后更新．ULN2804芯片配合繼電器電路作為三軸電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)控制．LM2596和AMS1117獲得12V、5V和3.3V直流電壓供不同電路使用．環(huán)境溫度測(cè)量使用18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，設(shè)計(jì)預(yù)留了8路DA輸出端口．

圖3 標(biāo)定儀功能框圖Fig.3Calibrator control system diagram

圖4 標(biāo)定儀控制系統(tǒng)電路Fig.4Calibrator control system circuit

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，先要獲取當(dāng)前環(huán)境溫度和檢測(cè)存儲(chǔ)芯片中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是否有效，一般在溫差超過(guò)5℃時(shí)就需要重新獲取這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)[7]．若數(shù)據(jù)有效則直接對(duì)待測(cè)傳感器標(biāo)定，若當(dāng)前溫度值與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)溫度值相差超過(guò)5℃，則需要提示用戶安裝標(biāo)準(zhǔn)傳感器重新獲取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有3部分，傳感器陣列水平調(diào)整和標(biāo)定過(guò)程是控制系統(tǒng)完成的，待測(cè)傳感器還要執(zhí)行自身數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和存儲(chǔ)，并將這些數(shù)據(jù)處理得到一個(gè)分段線性曲線，以便在標(biāo)定完成后能夠輸出比較準(zhǔn)確的土壤濕度測(cè)量值．控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示．

4 標(biāo)定結(jié)果分析

隨機(jī)抽取標(biāo)定完畢的傳感器進(jìn)行測(cè)量，室溫下得到圖6較好的輸出特性曲線．土壤吸水過(guò)程與脫水過(guò)程得到的土壤水分特征曲線是不一樣的[8]，我們這里只是對(duì)比兩種傳感器的特性，故在室溫下利用稱(chēng)量法（干燥砂壤土和水重量比例）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和標(biāo)定完的傳感器進(jìn)行測(cè)試對(duì)比[9]，發(fā)現(xiàn)誤差控制在±0.1V以?xún)?nèi)（如圖7），效果比較理想，由于2種傳感器采用同種金屬探針，其介質(zhì)電容參數(shù)基本相同，故水浸式標(biāo)定的可行性和可重復(fù)性都比較好．

5 結(jié)束語(yǔ)

水浸式數(shù)字土壤濕度傳感器批量標(biāo)定儀，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果，穩(wěn)定可靠，易于批量標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以此方法標(biāo)定的傳感器相對(duì)誤差在±0.1 V以?xún)?nèi)，極大的改善了現(xiàn)有量產(chǎn)方法．隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，水浸式數(shù)字土壤濕度傳感器標(biāo)定儀有很好的發(fā)展前景，并為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了參考．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化也必將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)．

圖5 控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5Control system flow chart

圖6 標(biāo)定結(jié)果圖Fig.6Calibration results of soil sensor

圖7 誤差對(duì)比結(jié)果Fig.7Error comparison

[1]陳海波，冶林茂，李樹(shù)巖，等．FDR土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的標(biāo)定與檢驗(yàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（11）：104-106．

[2]孫宇瑞．非飽和土壤介電特性測(cè)量理論與方法的研究[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000．

[3]Rassam D W，Williams D J．Adynamic method for determining the soil water characteristiccurve for coarse-grained soils[J]．Geotechnical Testing Journal，2000，23（1）：67-71．

[4]宗睿．一種土壤水分傳感器性能測(cè)試的方法及應(yīng)用[J]．灌溉排水學(xué)報(bào)，2013，32（1）：74-76．

[5]曹美，徐曉輝，蘇彥莽，等．溫度對(duì)FDR土壤濕度傳感器的影響研究[J]．節(jié)水灌溉，2015（1）：17-19，23．

[6]尹杰君，姚旺生，喻濟(jì)兵．基于C8051F340數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（10）：159-161．

[7]高磊，施斌，唐朝生，等．溫度對(duì)FDR測(cè)量土壤體積含水量的影響[J]．冰川凍土，2010，32（5）：964-968．

[8]秦耀東．土壤物理學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[9]任淑娟，孫宇瑞，任圖生．測(cè)量土壤水分特征曲線的復(fù)合傳感器設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，40（5）：56-58，91．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

A design of digital soil humidity sensor batch calibrator

SONG Tao，GAO Peng，XU Xiaohui，SU Yanmang

(School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Lots of traditional soil humidity sensors have problems like temperature drift,instability probe and tedious immense calibration.So we need to do a manual calibration on every sensor in the process,which greatly reduced the productivity.Immense calibration instrument of water-inserting digital soil humidity sensor is based on the water-inserting calibration method,ituses485 bus byone instrumentand 100 sensors at most.Calibrator can send the measuredstandard humidity data to 485 bus in calibration process,contrasting with the measurements of standard soil humidity sensor,and save it.All the measurements will form a voltage output curve which is consistent with standard sensor.The more measurements,the more similarity with the curve of standard sensor.Experimental results show the effect is better:the calibration of the sensor output relative error is within±0.1 V by choosing this method.

immense calibration;water-inserting;485bus;soil humidity sensor

TP 23；S-3

A

1007-2373(2015)03-0026-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.005

2015-01-23

河北省科技支撐計(jì)劃（13210305D）

宋濤（1980-），男（漢族），實(shí)驗(yàn)師．

數(shù)字出版日期：2015-06-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150616.0925.003.html