便攜式森林土壤探測儀的研究

林夢磊，胡進娣，李爽，薛偉

(東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040)

便攜式森林土壤探測儀的研究

林夢磊，胡進娣，李爽，薛偉*

(東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040)

為了方便及時檢測土壤各因子的變化，為林地選擇合適的樹種提供依據(jù)，本文提供一種便攜式森林土壤探測儀。本探測儀應(yīng)用機械電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)，將SHT11溫濕度傳感器、pH傳感器及應(yīng)變傳感器與AT89S51單片機以及24位精度的A/DS1232轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)儀器功能單一、操作復雜的問題，達到“一針多用”的效果。最終試驗結(jié)果表明，該便攜式探測儀可在一定范圍內(nèi)同時測量出土壤的溫濕度、pH值(酸堿度)以及貫入阻力(板結(jié)度)，且測量范圍為地面至地下40 cm，響應(yīng)時間≤1 min，測量精度為±0.5%，具有簡單輕便、操作容易、測量快的特點，完全符合設(shè)計要求。該探測儀在森林火災(zāi)過后的土壤檢測、林木生長過程的實時監(jiān)測等方面有著很好地應(yīng)用前景。

土壤探測儀；溫濕度傳感器；pH傳感器；應(yīng)變傳感器

E-mail：nefuxw1962@163.com

0 引言

在林木生長與發(fā)育過程中，林地的土壤環(huán)境起著不可或缺的作用，然而森林大火、人為破壞、水土流失等因素使得林地質(zhì)量大幅度改變，樹木生長在不適宜的土地上不僅產(chǎn)量低、質(zhì)量差而且浪費資源。土壤探測儀無論是對于土壤成分質(zhì)量的監(jiān)測還是對于為樹種選擇相適應(yīng)的林地，都有十分重要的現(xiàn)實價值和意義[1-3]。用現(xiàn)代化的傳感器測試技術(shù)對土壤成分進行性質(zhì)研究，是當前國內(nèi)外林業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覀兤毡檠芯康膬?nèi)容之一。任國強[4]等在Android手機WIFI控制的基礎(chǔ)上研究了土壤比貫入阻力測試裝置，只能用來探測土壤阻力；馮競祥[5]等研究的裝置也只適用于測量土壤的機械阻力；匡宇國[6]等利用智能傳感器SHT11設(shè)計了一種便攜式溫濕度檢測儀。由此可知現(xiàn)有的土壤探測儀多適用于農(nóng)業(yè)方面的檢測且功能較為單一。本文旨在設(shè)計一種適用于林業(yè)的綜合性探測儀器，采用SHT11溫濕度傳感器[7]、pH傳感器和應(yīng)變傳感器，結(jié)合AT89S51單片機[8]以及24位精度的A/DS1232轉(zhuǎn)換器，具有可快速準確地測量出土壤的溫濕度、貫入阻力(板結(jié)度)以及pH值(酸堿度)的優(yōu)點，為林木選擇適宜的林地提供依據(jù)[9-11]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

便攜式森林土壤探測儀由兩部分組成：50～60 cm的探針和手持接收儀。其工作系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要組成部分有溫濕度傳感器SHT11、pH值傳感器、應(yīng)變傳感器、AT89S51型單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、電源、顯示屏幕以及放大電路、發(fā)送電路。系統(tǒng)的工作原理是：探針頭部阻力針在插入土壤的過程中所受到的阻力經(jīng)應(yīng)變傳感器感應(yīng)，進行電路放大后模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換；探針到指定深度穩(wěn)定后，土壤酸堿度信息被pH傳感器接收，經(jīng)信號放大和轉(zhuǎn)換后傳送給AT89S51單片機，不斷變化的外界溫濕度模擬量通過溫濕度傳感器SHT11轉(zhuǎn)換成單片機能夠處理的數(shù)字量，單片機接收綜合性信息并對數(shù)據(jù)整理分類，最后由LCD顯示模塊顯示在接收器主界面上[12-13]。

圖1 探測儀系統(tǒng)原理圖Fig.1 Theoretical structure of soil detector

1.1 SHT11溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器屬于SHT1×系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路歸集在一塊微型電路板上，輸出完全標定的信號。傳感器在同一個芯片上同時包括測溫原件以及測量濕度的敏感元件，兩者結(jié)合在一起構(gòu)成單一的個體，減少了測量誤差，具有面積小、功效高的特點。SHT11作為各類應(yīng)用的首選具有以下優(yōu)點：①測量精度高并且可以得出精確的露點；②信號較強，具有超高的長期穩(wěn)定性；③具有工業(yè)標準的總線界面；④相對溫濕度為全校準數(shù)字輸出；⑤體積小。傳感器默認的測量分辨率為溫度14位，濕度12位，但是可通過編程發(fā)送命令降低至12位和8位[14-17]。另外如果傳感器在非正常狀態(tài)下工作發(fā)生暫時性的信號漂移，當恢復到正常工作狀態(tài)后，傳感器會緩慢的自動恢復到校正狀態(tài)，不需人為調(diào)試[18]。該傳感器符合了回應(yīng)快、抗干擾能力強質(zhì)量優(yōu)秀的特點。結(jié)合上述SHT11型傳感器的特點以及便攜式土壤探測儀的用途，本儀器采用SHT11型傳感器。25℃時相對濕度最大誤差數(shù)據(jù)見表1；溫度最大誤差數(shù)據(jù)見表2。

表1 25℃時相對濕度最大誤差 %RH

表2 溫度最大誤差 ℃

1.2 pH傳感器

土壤的酸堿度通常用pH值來表示，是作為選擇造林樹種最為關(guān)鍵的條件。雖然林木的抗酸堿能力要遠遠高于草本植物，但在強酸強堿性土壤中樹種被破壞的事例也不在少數(shù)。

便攜式森林土壤探測儀采用復合pH電極探測土壤的酸堿度。測量時可將儀器直接插入土壤中，土壤中的H+與電極發(fā)生電化學反應(yīng)，導致電極兩側(cè)形成電勢差。在傳感器正常使用時，pH值與電壓呈反比關(guān)系。電信號經(jīng)放大電路調(diào)節(jié)至單片機可接收的范圍，以保證單片機能夠正常采集pH傳感器傳回的電壓信號。放大后的輸出信號與單片機P0.0接口相連，將數(shù)據(jù)傳送到接收儀顯示。pH采集電路如圖2所示。因為傳感器外部具有金屬保護外殼，可避免灰塵等外界的影響，準確度較高。

圖2 pH采集電路Fig.2 pH acquisition circuit

1.3 應(yīng)變傳感器

一般情況下，板結(jié)度大的土壤會影響樹木根系的生長，樹根會呈現(xiàn)分散狀態(tài)。本文研究的儀器可以通過測量貫入土壤的阻力來反映土壤不同深度的板結(jié)度，經(jīng)試驗測得不同深度土壤阻力數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同深度土壤阻力Tab.3 Different depth of soil resistance

在探針頭部阻力針處配置有光電傳感器和應(yīng)變傳感器等。光電傳感器安裝在探針接近端部的地方，用于檢測探針貫入土壤的速度和深度；應(yīng)變傳感器放置在阻力針與上部金屬外殼交接處，用于測量貫入土壤的阻力，進而獲得土壤壓實程度的空間分布信息。儀器采用的是電阻式應(yīng)變片，它是將被測件上產(chǎn)生的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電信號的原件，是壓阻式應(yīng)變傳感器的重要組成部分。應(yīng)變片粘著在金屬外殼內(nèi)部。在插入土壤的過程中，探針受力發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變，使得應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，進而導致電壓發(fā)生變化。將電信號經(jīng)過放大電路再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理，最終由單片機傳輸?shù)斤@示儀。但是這個電信號往往很微弱，并且容易受到噪聲以及失調(diào)的影響，所以在對輸出信號進行數(shù)字化處理之前，除了要對其進行放大，最重要的是進行失調(diào)處理，以便與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相匹配。應(yīng)變傳感器的調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 應(yīng)變傳感器調(diào)理電路Fig.3 Strain sensor conditioning circuit

1.4 AT89S51單片機

AT89S51單片機具有3種封裝方式(PDIP、PLCC、TQFP)，其中最常用的是PDIP封裝。其中芯片共有40個引腳，包括主電源引腳2根、外接晶振引腳2根、控制引腳4根以及可編程輸入/輸出引腳32根，其中AT89S51的P0、P1.0、P1.1、P2.3和P2.6端口為數(shù)碼管顯示控制。主要排布如圖4所示。

便攜式土壤探測儀之所以選擇AT89S51型單片機為核心部件，是因為它具有以下優(yōu)點：①低功耗，可通過軟件設(shè)置省電模式；②當處于掉電模式時可凍結(jié)振蕩器而保存RAM數(shù)據(jù)，從而不會導致因突發(fā)情況使數(shù)據(jù)丟失；③工作頻率為33 MHz，具有較高的工作效率，從而具有更快的計算速度；④內(nèi)部集成看門狗計時器，不需要外接看門狗計時器電路，簡單方便；⑤具有超高的加密算法，使得程序的保密性大大加強[19-20]。A/D轉(zhuǎn)換器與放大電路的連接原理如圖5所示。

圖4 AT89S51單片機引腳圖Fig.4 AT89S51 micro controller pin diagram

圖5 A/D轉(zhuǎn)換器與放大電路的連接原理Fig.5 The connection principle of A/D converter and amplifier circuit

1.5 采集電路

在進行數(shù)據(jù)的采集時，選用的是A/DS1232轉(zhuǎn)換器，其精度高達24位精度。轉(zhuǎn)換器與單片機P2.2端口相連用于數(shù)據(jù)的讀入，與P2.1和P2.3端口用作轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換控制。在A/D轉(zhuǎn)換器中設(shè)置啟動位、使能位及測試位使其處于正常工作模式。且A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有環(huán)境溫度濕度檢測傳感器和低噪聲的可變增益放大器，操作板上低噪聲PGA可以提供使用者選擇的有1、2、64或者128的增益，所以可以支持的滿量程差動輸入電壓為±19.5 mv、±39 mv、±1.25 v或±2.5 v。ADS1232的組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.6 報警裝置和LCD顯示屏

為了使用者更好的了解儀器的工作狀態(tài)，儀器在探針的頭部設(shè)置一個報警裝置，當儀器未探測到數(shù)據(jù)、所測數(shù)據(jù)超過儀器設(shè)定上限或沒有達到下限時，警報器中的紅色發(fā)光二極管就會不斷閃爍，這樣就可以提醒工作人員對儀器進行及時的維修。

LCD顯示屏主要原理是通過電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面與背部燈管相配合構(gòu)成畫面。它較省電，不產(chǎn)生高溫，而且畫面比較柔和，不傷眼。本文所采用的用于數(shù)據(jù)顯示的顯示屏是點陣式液晶顯示器ACM12864。它由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器和128×64全點陣液晶顯示器組成。LCD的驅(qū)動電壓范圍是3～6 V，以適應(yīng)單片機的5V工作電壓。

圖6 ADS1232基本組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Basic structure of ADS1232

1.7 系統(tǒng)硬件性能指標

外形尺寸：探針長50～60 cm，半徑2 cm。顯示儀尺寸：14 cm×6 cm×3 cm。界面直徑：5.5 mm×2.5 mm?；貞?yīng)時間：≤1min。工作溫度：-10～35℃。工作濕度：10%～80%RH。工作電源：3.6 V。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

作為一個完整的系統(tǒng)，不僅要有完善的硬件系統(tǒng)，還要有一個更加強大的軟件系統(tǒng)與之相配合。在進行軟件設(shè)計時采用的是模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要分為主程序(初始化子程序、土壤因子采集子程序、發(fā)送子程序以及液晶顯示子程序)和從機程序(報警程序、數(shù)據(jù)存儲程序及響應(yīng)程序)。其中，主程序主要用于各子程序相關(guān)信息的設(shè)定及通信處理；初始化程序包括通信初始化、采集累計數(shù)據(jù)初始化和輸出端口初始化；土壤因子采集子程序包括對土壤溫濕度的感應(yīng)、對土壤貫入阻力及酸堿度的采集；液晶顯示子程序主要完成的是測量數(shù)據(jù)的讀取與顯示。從機程序主要配合主程序工作，在系統(tǒng)工作時，如果中間中斷信號無法工作，系統(tǒng)會自動診斷故障原因并開啟報警系統(tǒng)，當從機程序接收到主程序發(fā)送的命令時，會以最快速度做出響應(yīng)，以達到完美配合。系統(tǒng)程序如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖Fig.7 System program structure

3 便攜式森林土壤探測儀的整體構(gòu)造

便攜式土壤探測儀整體結(jié)構(gòu)分為兩個部分，探針部分和手持接收儀。探針部分長約50～60cm，主要包括：位于頭部的阻力針；內(nèi)部的溫濕度傳感器、pH傳感器、應(yīng)變傳感器、連接電路；尾部的報警顯示燈和數(shù)據(jù)線插口。其中阻力針呈錐形，大大減小了探針插入土壤時的阻力；報警顯示燈由發(fā)光二極管制成，用于儀器異常情況的報警；數(shù)據(jù)線插口用于連接探針和接收儀，進行數(shù)據(jù)傳輸。手持接收儀包括LCD顯示屏、放大電路、光電傳感器等。具有顯示、存儲、打印功能。手持儀結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖中4個箭頭分別是向上、向下、向左和向右移動游標到想要選擇的項目上，退出鍵則是退出當前狀態(tài)。便攜式土壤探測儀的工作過程如下：

探測前，將分開的探針和接收儀用專用數(shù)據(jù)線連接起來，待其電路連接穩(wěn)定，按下接收儀的開機鍵，顯示屏上會出現(xiàn)我們可能選擇的項目，通過上下箭頭定格到校準選項處，按下確定鍵進入校準界面，此時儀器便會自動清查校準，校準完畢通過“退出”按鈕返回主界面。

探測時，選擇樹木旁已經(jīng)人為整平的土壤，將探針插入至想要測量的深度，等待探針穩(wěn)定接收儀界面的數(shù)據(jù)不再跳動，證明儀器已經(jīng)開始正常工作。探針內(nèi)部的多種傳感器檢測到相應(yīng)土壤因子的信息，通過單片機傳遞到接收儀，經(jīng)放大電路處理以及光電傳感器感應(yīng)最終顯示在熒幕上。在檢測過程中，如果顯示屏一直不出現(xiàn)數(shù)據(jù)，則探針尾部的報警顯示燈便會閃爍不停。

探測結(jié)束后，顯示屏主界面顯示該次探測的最終結(jié)果，同時如果需要對數(shù)據(jù)進行存儲，按下保存鍵即可(最多可保存50組數(shù)據(jù))。若需要打印數(shù)據(jù)，按下列印鍵，會立刻在顯示儀下端打出數(shù)據(jù)條，并附有日期和具體時間。使用者可以在接收儀“歷史記錄”中翻查以往數(shù)據(jù)。顯示儀側(cè)方具有連接界面，亦可將數(shù)據(jù)輸入計算機做具體分析。

本顯示儀具有一個不同于其他儀器的功能，它可以單獨輸出所需要的某方面數(shù)據(jù)。按下單獨輸出鍵，然后利用上下兩個箭頭選擇需要的項目。

圖8 土壤探測儀的顯示儀結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The structure of the display device of soil detector

4 結(jié)論

由于前人研究的成果大都只適用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的檢測且實現(xiàn)功能單一，因此本儀器參照任國強等[4]設(shè)計的土壤比貫入阻力測試裝置和匡宇國等[6]設(shè)計的便攜式溫濕度檢測儀，利用機械電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)研制出一種功能綜合的便攜式土壤探測儀。成功的將傳統(tǒng)儀器的各項功能綜合起來，在使用時可以同時檢測出土壤的溫濕度、pH值以及貫入阻力等土壤因子，且具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，精度高的特點，同時由于其金屬保護外殼，減少了傳感器因外界濕度，灰塵的影響造成的損壞。經(jīng)試驗，便攜式土壤探測儀能夠很好地應(yīng)用于林業(yè)領(lǐng)域，實時的檢測土壤環(huán)境，為林地選擇適宜的樹種提供依據(jù)，使林木的健康生長得到保障，本探測儀在林業(yè)領(lǐng)域中將會有很好的發(fā)展前景。

[1] Kim Y D，Yang Y M，Kang W S，et al.On the design of beacon based wireless sensor network for agricultural emergency monitoring systems[J].Computer Standards&Interfaces，2014，36(2)：288-299.

[2] 饒麗，張明如，劉娟，等.有機磷農(nóng)藥殘留掌上檢測儀的設(shè)計[J].中國科學：化學，2016，46(3)：274-279.

[3] 閆真月，任振輝，程雪.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室LED殺蟲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報，2017，40(1)：102-105.

[4] 任國強，劉鎮(zhèn)業(yè)，李義德，等.土壤比貫入阻力測試裝置研究—基于Android手機WIFI控制[J].農(nóng)機化研究，2017(7)：143-147+174.

[5] 馮競祥，趙新，馬健軍.土壤機械阻力測定研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程，2013，3(2)：1-4.

[6] 匡宇國.智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測儀中的應(yīng)用[J].電子器件，2006，29(4)：1312-1315.

[7] 李丹，孫利新，戴巍，等.森林生境因子無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2014，46(7)：123-128.

[8] 趙亮，王余.基于AT89S51單片機超聲波測距儀器設(shè)計[J].內(nèi)江科技，2009(2)：96-97.

[9] 仝兆景，時俊嶺，李月，等.基于無線通訊技術(shù)脈搏檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2017，25(1)：242-244.

[10] Kumar A，Kumar A，Topkar A，et al.Prototyping and performance study of a single crystal diamond detector for operation at high temperatures[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2017，858(21)：12-17.

[11] 王玉萍，周曉潔，盧瀟，等.土壤緊實度對馬鈴薯根系、匍匐莖、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].中國沙漠，2016，36(6)：1590-1596.

[12] 饒麗，張明如，劉娟，等.有機磷農(nóng)藥殘留掌上檢測儀的設(shè)計[J].中國科學：化學，2016，46(3)：274-279.

[13] 張巖，薛偉，萬威.便捷式綠化闊葉植物鉛含量檢測儀開發(fā)與研制[J].森林工程，2013，29(1)：61-64.

[14] Jackson T，Mansfield K，Saafi M，et al.Measuring soil temperature and moisture using wireless MEMS sensors[J].Measurement，2008，41(4)：381-390.

[15] Han J，Liao X.PLL application research of a broadband MEMS phase detector：Theory，measurement and modeling[J].Solid-State Electronics，2017，132(6)：6-11.

[16] 秦迎春，秦瑞.基于SHT11溫濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20(23)：75-77.

[17] Devaraju J T，Suhas K R，Mohana H K，et al.Wireless portable microcontroller based weather monitoring station[J].Measurement，2015，76(12)：189-200.

[18] Bogdan M.How to use the DHT22 sensor for measuring temperature and humidity with the arduino board[J].ACTA Universitatis Cibiniensis，2016，68(1)：22-25.

[19] 劉暉，楊有泉，鄧素芳，等.基于AT89S51的自走式投餌機械裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2017，30(2)：124-128.

[20] 張勇.基于AT89S51的數(shù)字溫度計設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2017，248(1)：20-22.

ResearchofPortableForestSoilDetector

Lin Menglei，Hu Jindi，Lishuang，Xuewei*

(College of engineering and technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to detect the change of soil factors conveniently and timely，and to provide the basis for choosing suitable tree species in forest，a portable forest soil detector is provided in this paper.By using mechanical and electronic control technology，sensor technology and communication technology，and combining SHT11 temperature and humidity sensor，pH sensor and strain sensor with AT8951 microcontroller and 24-bit precision A/DS1232 converter，the detector solves the problems of single function and complicated operation of the traditional instrument and achieves the effect of “one needle with multiple purposes”. Finally，the test results show that the portable detector can measure the temperature and humidity，pH value and penetration resistance(compaction degree)of the soil in a certain range，and the measuring range is from ground to underground 40 cm，the response time is less than 1 minute，the measurement accuracy is ±0.5%.The detector has the characteristics of simple，light，easy to operation and fast，which can meets the design requirements.The detector has a good prospect in soil detection after forest fire and real-time monitoring of forest growth process.

Soil detectors；temperature and humidity sensors；pH sensors；strain sensors

S 152；X 859

：A

：1001-005X(2017)05-0056-06

2017-03-31

東北林業(yè)大學國家級大學生創(chuàng)新項目(201610225086)

林夢磊，本科生。研究方向：森林工程。

薛偉，博士，教授。研究方向：森林工程。

林夢磊，胡進娣，李爽，等.便攜式森林土壤探測儀的研究[J].森林工程，2017，33(5)：56-61.