基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置

李久超++李少巖++郭帥++孫學(xué)志++劉曉峰++張竟風(fēng)

摘 要：快速測量土壤含水率裝置是通過微波法對土壤進(jìn)行水分的蒸發(fā)，通過單片機(jī)傳感器可以隨著土壤含水率的多少來控制裝置的功率，既高效的利用了能源又保護(hù)了裝置。本裝置具有檢測快速、設(shè)備體積小、設(shè)備成本低、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微波裝置；51單片機(jī)；傳感器

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0020-02

微波法快速測量交通道路土壤含水率的裝置可以取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)測量方法?，F(xiàn)在的路基、路床設(shè)計(jì)已經(jīng)從以往的堅(jiān)固性為主延伸到“透氣、疏水、堅(jiān)固耐用”的綜合性指標(biāo)，但是土壤的含水性是一個(gè)路面不可忽視的因素，而且現(xiàn)在的含水率檢測技術(shù)諸如“張力計(jì)法、酒精烘烤法、風(fēng)干土樣法、中子法、電阻法”等方式。國內(nèi)外最常用的只有烘干法與酒精燃燒法，烘干法需要八小時(shí)將土壤烘干，耗時(shí)非常長，延長了工期。酒精法雖然可以快速測得土壤含水量，但結(jié)果很不準(zhǔn)確，對結(jié)果有很大影響。國內(nèi)外土壤含水率的檢測方法還存在很多問題，需要進(jìn)一步研究。此裝置可以有效地解決這些問題。而且土壤含水率對交通有很大的影響，因此研究基于微波法快速準(zhǔn)確測量土壤含水率的裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的裝置是將原有的傳統(tǒng)烘干法與酒精法由微波法代替，從而在測量土壤濕度上發(fā)生質(zhì)的飛躍，解決了設(shè)備笨重，測量不準(zhǔn)確的問題，此設(shè)計(jì)更加智能化，通過電氣設(shè)備的連接實(shí)現(xiàn)了裝置的數(shù)字化，而且周圍環(huán)境對其影響很小。硬件的選擇本著經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其由開關(guān)控制模塊，微波裝置模塊，功率控制，濕度傳感器模塊等組成。工作時(shí)，將土壤放入裝置中，通過微波進(jìn)行土壤的蒸發(fā)工作，隨著土壤中水分的減少，由濕度傳感器收集信號反饋到單片機(jī)中減小功率，既節(jié)約了能源又保護(hù)了機(jī)器。當(dāng)土壤中濕度與大氣濕度相同時(shí)，由傳感器反饋信號將功率減少到零，使裝置停止工作，再由天平測量前后土壤質(zhì)量之差，計(jì)算公式如下，從而實(shí)現(xiàn)利用微波法測量土壤含水率。

η=■×100%

2 模塊工作原理

（1）單片機(jī)模塊

51單片機(jī)是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8004單片機(jī)，隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8004單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。由于其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“經(jīng)典”。此裝置具有廣闊應(yīng)用前景。

（2）濕度傳感器模塊

環(huán)境濕度測試儀是一種用于環(huán)境濕度自動監(jiān)測控制的設(shè)備。本傳感器電路簡單，調(diào)試方便，監(jiān)測準(zhǔn)確，精度高[2]。本設(shè)計(jì)采用的是頻率輸出式。 濕度頻率轉(zhuǎn)換電路采用NE555定時(shí)器，成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。本電路與濕敏電容HS1100和電阻等構(gòu)成多諧振蕩器，通過恰當(dāng)設(shè)置電路中的電阻值，輸出方波，實(shí)現(xiàn)濕度監(jiān)測量向頻率信號的轉(zhuǎn)換，通過頻率信號的高低我們就可以得知環(huán)境濕度，最后與土壤濕度相比較再反饋到功率的大小。

3 軟件設(shè)計(jì)

該裝置通過檢測tlc555與濕敏電容HS1100和電阻等構(gòu)成多諧振蕩器傳遞過來的方波信號，運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器功能，對50ms方波數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器功能，設(shè)置一個(gè)50ms的中端，經(jīng)計(jì)算可以得出方波信號的頻率，該頻率經(jīng)計(jì)算可以得出此時(shí)所檢測的濕度值，當(dāng)達(dá)到環(huán)境濕度值時(shí)，通過單片機(jī)自動控制繼電器斷開，使微波控制電路停止工作，達(dá)到停止的目的[3]。

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit KA =P3^3；

uchar tem0，tem1； //用于存放50ms中所記脈沖個(gè)數(shù)的高低字節(jié)

uint f=0； //頻率初值

void Init_timer（）

{

TMOD=0x51； //定時(shí)器1在方式1下工作16位計(jì)數(shù)器 定時(shí)器0在方式1下工作16位定時(shí)器

TL0=0x00； //定時(shí)器0初值 定時(shí)50000us

TH0=0x4C；

TL1=0x00； //定時(shí)器1清零

TH1=0x00；

ET0=1； //使能定時(shí)器0中斷

ET1=1； //使能定時(shí)器1中斷

EA=1； //使能總中斷

TR0=1； //開始計(jì)時(shí)

TR1=1；

}

void tran（）

{

f=tem1；

f=（f<<8）|tem0； //計(jì)算出50ms中所記脈沖個(gè)數(shù)

f=f*20； //50ms*20=1000ms=1s 1秒鐘所記脈沖個(gè)數(shù)等于頻率

}

void main（）

{

KA=0；// 開啟繼電器

if（f<=6667）

KA=1；//當(dāng)頻率小于6667HZ時(shí)關(guān)閉繼電器

}

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的微波法測量土壤濕度裝置有效地解決了傳統(tǒng)設(shè)備耗時(shí)長，精度不高的問題。本裝置檢測快速、方便、操作簡單，縮短施工工期且設(shè)備體積小，可以便捷攜帶，進(jìn)行現(xiàn)場測量，其靈活性可以對各種狀況適應(yīng)，更好的發(fā)揮了其工作性能。

參考文獻(xiàn)：

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