基于FDR的土壤含水率检测仪的设计

AAAAAA1.选题的目的和意义水是生命之源，是一切生物存在的基本保证。水是干旱区最重要的控制因素（唐立松、张佳宝和程心俊2002），是植物生存的主要限制因子（刘发民，张应华和仵彦卿2002）。随着全球人口数量的急剧增加，水在农业上工业上使用量都急剧增加，造成了全世界范围内水资源短缺问题的急剧恶化。农业作为人类生存最为重要的基本产业也面临着前所未有的水资源危机。水资源稀少导致越来越多的研究工作者将目光投向了节水灌溉这一领域。所以发展节水灌溉型现代化农业势在必行，而且通过实时测量土壤水分含量反映农作物成长情况是未来农业的发展方向。中国作为世界上人口最多的国家，其粮食问题尤为重要。由于中国平原面积相对于总体面积来说比较少，农村人口数量很大，在全国范围内推广大型机械化农业还不太现实，而西北干旱半干旱地区面积很大，水的制约因素尤为明显，精细农业已经成为中国现代化农业发展的必要阶段。精细农业是指基于变异的田间管理手段。传统农业认为农田管理是均一的，就是在施肥管理上都是用统一量来进行。实际上，农田中是存在很大差别的，传统农业的做法有很大弊端，第一浪费了资源，第二破坏了环境。精细农业本身是一种可持续发展的管理方式，为了完成这一目标必须有以下三个方面的工作：一是田间数据；二是作业决策；三是机器完成。这三方面中的第一方面尤为重要，只有将田间数据实时地精确地采集出来，才能对农业系统做出正确的决策，才能使得机械执行获得效益最大化。科技发展使得传感器技术日益成熟，在实时性和精确性都有大幅度提高，使得精细农业和自动化农业越来越容易实现。土壤含水率是精细农业中的一项重要指标，是土壤中水分的直观反映，在节水灌溉系统中有着非常重要的意义。根据精细农业的概念，一块耕地的水分情况不是均一的，而是存在很大的差距。通过实时测量不同子地域的土壤含水率，控制不同子地域灌溉系统来保证植物所必须的水分，以达到最优生长。土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况，对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持研究工作中的一个基础工作（李兴涛，尹盟毅，赵晓峰，等2010）。土壤含水率检测方法已经发展了半个多世纪，而且对土壤含水率检测的研究仍然在继续，越来越多测量技术的出现使得土壤含水率检测方法日益完善。1922年，Gardner就开始从事张力计快速测定非饱和土壤张力的研究；1939年，ShawBauer开始利用埋入土壤的热电线电阻变化进行土壤水分快速测量的研究；1950年，中子衰减法开始被应用于快速测量土壤含水量；1976年，Topp和Davis首先将时域反射法引入土壤水分快速测量的研究；1983年，Hainsworth试验利用X射线快速测量土壤湿度；1991年，Whalley利用近红外的方法快速测量土壤含水量取得了一定的研究成果（马涛2008）。以上都是国外学者对于土壤含水率AAAAAA检测技术研究出的突出成果。土壤含水率检测可以分为三类：一类是直接测量土壤含水率，也叫做直接法。比如烘干法、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法TDR（时域反射法：TimeDomainReflectometry）、FDR（频域反射法：FrequencyDomainReflectometry）等；另一类是测量土壤的基质势，如张力计法、电阻块法、干湿计法等；第三类是非接触式的间接方法，如远红外遥测法、地面热辐射测量法、声学方法等。烘干法主要缺点是无法在线快速测量，测量的周期长；对于土壤有一定的破坏作用。中子仪法难以测量浅层土壤含水量，而且极易造成射线泄露污染环境。张力计法的测量范围很大程度上受土质影响，而且存在严重的滞后和回环影响测量速度。近红外反射法受土壤表面粗糙程度和土壤表面水分孔隙充满状况的影响，同时对土壤深层含水量测量需要对土壤开槽。在这些方法中，TDR、FDR等都可以进行土壤含水率连续性测量，但是利用TDR方法制作的测量仪非常昂贵。FDR有着低廉简便、快速准确、连续测定的优点，但是制约因素较多，对于测量土壤含水率有一定难度。总之，FDR可以方便快捷的得到连续的土壤含水率，但是在适用性上有一定的欠缺，测量之前要进行与烘干法对比标定校准，来减小误差。研究FDR土壤含水率检测仪是因为其他方法缺点都很难克服，无法满足土壤含水率检测的需要。单片机作为非常成熟的简单控制芯片，和FDR技术相结合具有很大的使用价值。本设计旨在开发一款基于单片机并运用FDR技术的土壤含水率动态监测仪。基于单片机的FDR土壤含水率动态监测仪的开发和应用，解决了土壤水分和盐分浓度快速实时采集问题，对于精细农业的发展有着重要的意义。2.选题的依据2.1频域反射法频域反射仪（FrequencyDomainReflectometry），简称FDR，是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的表观介电常数,来得到土壤容积含水量。土壤中成分非常复杂，主要有四种成分：土壤固体成分、土壤缝隙中的空气、束缚水和自由水。Topp（1980）等人提出时域反射方法，并推出土壤含水率和土壤介电常数有着某种关系，通过统计数学中数值逼近理论的理论分类法找出了不同种类土壤含水量与介电常数间的多项式关系：2242630.53102.92105.5104.310（1）Topp等人的这一公式对于土壤含水率检测具有跨时代的意义，揭开了电磁方法测量土壤水分的时代。当时Topp等人根据电磁波在不同介电常数的介质中传播时其行进速度会有所改变的物理现象提出了时域反射法。土壤中的四种主要成分中水的介电常数最大（79），远远大于其他成分（空气为1、土壤固体为3-7），因此土壤介电常数主要依赖于土壤含水率。FDR法就是运用一个电极插入土AAAAAA壤中形成电容，电极之间的土壤成为电介质，电容和振荡器形成一个调谐电路。其公式如下：2FLC（2）根据调谐电路这一理论，频率和电容建立了联系，当然电容在电极距离、面积都一致的情况下和介电常数有关，介电常数主要由水分决定，这就达到了通过测量频率反映土壤含水率的目的。基于上述原理，FDR传输线上的最大电压（起始电压）oV为：(1)oV（3）其中为振荡器输出的电压振幅，为反射系数。结合处的最大电压jV为：(1)jV（4）振幅差额为：2joVV（5）其中，反射系数为：()()MLMLZZZZ（6）LZ代表传输线的阻抗，MZ代表插入到基质中的探测器的阻抗。同轴传输线的阻抗Z决定于它的物理尺寸和绝缘材料的介电常数。2160ln()Zrr（7）1r和2r分别是信号导体和屏蔽导体的半径。(郭卫华，李波，张新时，等2003)很多研究者都做过土壤含水率与介电常数之间的关系公式，这些公式有很多，都不尽相同，这是由于土质、环境因素和相对误差要求不同造成的。由于FDR方法中土壤含水率与介电常数之间关系因土质不同和不同，所以希望通过实验方法来推导归纳出适合于西北干旱半干旱地区土质的土壤含水率v和介电常数的关系式。运用FDR的土壤水分传感器检测原理是同相检波。由同一正弦波发生器产生的正弦信号作为测试信号源和参考信号源，检波电路由阻抗变换电路和相位变换电路组成，相位变换电路可以精确地得到相位。信号源在阻抗输入通道产生电流zi，在参考通道产生电流ri。通过阻抗变换器将阻抗为xZ的探针接入阻抗输入通道，则探针两端的电压为zu。由于xZ可以等效为一个电容和一个电导的并联，所以它是复数形式，而它的相位将受到参考电流ri的影响，随其变化而变化。原理如图1所示。AAAAAA正弦波发生器信号处理阻抗输入通道参考通道CG1XZY阻抗变换器相位变换器090zuruZruu,ziri图1FDR测量原理Fig1TestingprincipleofFDR参考电流通过一个相位变换器的电阻或电容时，产生一个与阻抗变换器输出电压zu有一定关系的电压ru，这两个电压通过一个乘法器后，得到含有二次谐波的连续正弦信号。若令sin()zzuUt（8）sin()rruUt（9）这两个信号通过乘法器相乘的结果为sin()sin()cos()cos(2)22zrzrozrzrUUUUuuuUUttt（10）式（10）中前一项为乘法器输出信号的直流分量，后一项为交流分量，其频率为乘法器输入信号的2倍，通过低通滤波器可将其滤掉，则乘法器的输出变为cos()2zroUUU（11）当参考电压幅值rU一定时，乘法器的输出oU是与zU的函数。通过设置参考电路的相位角，使其依次等于0和90，代入式（11）可得：1cos2zrUUU（12）2cos(90)sin22zrzrUUUUU（13）这样，通过参考通道的相位变换就可以计算出探头阻抗xZ的等效电容C和电导G。等效电容C和电导G的大小最终反映到介电常数和电导率上，对土壤水分测量来说，介电常数主要由土壤含水量来决定的。所以，通过探头阻抗xZ的等效电容C和电导G的计算可以求得土壤含水量。其理想频率为20~30MHz之间。2.2技术依据AAAAAA单片机技术经过多年发展到现在已经非常成熟，可以完成功能比较简单的小系统的控制要求，而且价格非常低廉，成为小型设备中必不可少的核心控制芯片。同时，键盘、显示、通信芯片及程序已经普遍。通过集成技术可以将其集中到很小的电路板上，可以随身携带，将上述技术综合可以搭建成一个土壤检测终端。3.国内外研究概况3.1FDR和TDR方法土壤含水率国外研究概况现代技术大都是由国外率先发展起来的，TDR和FDR也是如此。TDR法是利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定土壤含水率。TDT理论模型早在1939年就已建立，最初用于电信业查找电缆断点。（杨胜利，刘洪禄和吴文勇等2009）加拿大科学家Topp、Davis和Annan（1980）发表了土壤水分含量的电磁测定：在同轴传输线的测量（Electromagneticdeterminationofsoilwatercontent:Measurementsincoaxialtransmissionlines），从此揭开了以同轴传输线为测量媒介的时域反射法。其测量频率在20MHz和1GHz范围内，对于不同土壤类型有着不错的效果。1985年，Topp和Davis将其用于农田的水分测定。上文提到了TDR的优势在于与传统土壤水分测定法比较，具有不破坏样本、快速、简单、可连续测定等优点，并且可以实现数据自动采集。在连接电缆的选择方面：1989年Zegelin、White和Jenkins发表了改进应用时域反射计测量土壤含水量和电导率的场探头（Improvedfieldprobesforsoilwatercontentandelectricalconductivitymeasurementusingtimedomainreflectometry）。在文章中指出，由于探头和同轴连接电缆自检的阻抗失配，使得探头遭受到不必要的噪音和信息丢失。为了解决这一难题，他们采用了50同轴电缆直接与3针形TDR探头连接测定，得到了公众的认可。Petersen、Thomsen和Moldrup等于1995年将2针形TDR直接与50同轴电缆连接取得了成功，2针形TDR也得到了迅速的发展。Hook和Livingston将50同轴电缆用75的电视天线代替，并通过实验证明对测定结果没有任何影响。在测针间隔方面：探针直径d和间距s的比必须满足适度（/0.02ds）的要求（PetersenM，ThomsenA，MoldrupP，等1995）。此外，直径和间距与TDR探头准确测定土壤十分的最小埋深有关。测针长度方面：实践中应用TDR进行土壤水分测定时为保证测定结果的精确可靠，探头的探针长度不能太长也不能太短。国外研究者都总结了相关关系式。其实TDR测定速度快捷，使用简单，结果准确，受环境因素影响小等优点深受欢迎，等到了迅速的发展。但是含水量的变化能够显著导致介电常数的改变，由于探针的几何长度有限，对如此短暂的滞后时间进