0、引言

我國作為最缺水的國家之一,人均水資源占有量僅僅是世界人均的1/4;然而由于不能合理利用水資源,我國在極度缺水的同時大量浪費了有限的水資源。實時進行土壤水分檢測、及時了解墑情的發生、對墑情做出有效的評估,利于進行有效的抗旱決策和水資源有效分配,使有限的水資源得到優化配置和合理使用。

當前,即時測量土壤水分主要是利用介電物理的方法,其中利用傳輸原理的方法來測定土壤水分是介電特性法技術中的一種。此方法克服了現有方法的局限性,適應了將來測量土壤水分系統自動化程度高、經濟性好、可持續發展以及測量精度高等發展方向的需要。

1、土壤水分測試系統原理

根據電磁原理,自由水、空氣、束縛水以及固體土壤物質等構成了土壤。在1個大氣壓、20℃的標況下,純水的介電常數是80.4,固體土壤物質約為3~7,空氣的僅為1。因此,水分含量的多少很大程度上決定了整個土壤介電常數的大小。

Davis與Topp于1975年首次利用TDR技術來測量土壤的介電常數;1984年,Dalon等人進一步證明了TDR技術可以測量土壤的含水量,自此利用介電常數測量土壤水分的方法得到了迅速發展。主流的介電方法—TDR土壤水分含量測試方法原理如圖1所示。

信號發生器發射波到待測的土壤介質中,根據兩次接受的波\\(即返回波,實線線條表示\\)和反射返回波\\(虛線線條表示\\)之間的時間差來獲得電磁波在介質中的傳播時間,建立反射時間差與介質介電常數之間的關系,從而最終獲得土壤水分含量。實際應用時,由于時間差非常短暫,大約只有幾微秒,測量時細微的誤差將會引起最終獲得水分的很大偏差,因此精度控制比較困難,且設備昂貴。

基于傳輸原理的土壤水分測試系統克服了TDR方法造價昂貴、電路結構復雜的特點,設計了新型的傳感元件\\(即傳輸線\\),通過測量電路的頻率避免了對時間差的測量。傳輸線的幾何結構如圖2所示。為了避免土壤鹽分對測量結果的影響,傳輸線外側包裹了一層絕緣皮。系統用于測量土壤水分含量時,將傳輸下埋設在待測土壤介質中,環形振蕩電路發生振蕩信號,由于接收端信號的頻率與信號的傳播時間有關\\(即與待測土壤的介電常數有關\\),因此確立接收端信號頻率與土壤介電常數之間的關系即可確定土壤上水分含量大小。

2、系統總體結構

土壤水分測試由包括傳感模塊、信號預處理模塊和數據采集處理模塊等部分組成,如圖3所示。方波信號發生器產生的方波振蕩信號通過埋設在待測土壤中的傳輸線傳播,由于土壤介電特性將產生延時,使得方波振蕩信號的頻率變低;方波振蕩信號通過信號預處理模塊進行整形,然后輸入信號采集處理模塊;信號采集處理模塊采集方波振蕩信號的頻率,根據信號頻率與介電常數之間的關系以及土壤介電特性,最終獲得待測土壤水分含量。方波振蕩信號頻率很高,大約幾十兆赫茲,為了滿足快速監測以及實時性需求,采用了美國德州儀器公司的一款高速、高精度的工業控制芯片—TMS320F2812作為核心處理單元。

3、系統硬件設計

3.1傳感模塊

傳感模塊結構圖如圖4所示。方波信號發生器是一種特殊的輸電線路振蕩器,用于產生50~100MHz的方波信號,且振蕩信號頻率隨傳輸線傳輸延時變化而變化。采用Motorola公司生產的一款線接收器MC10H116,它屬于ECL電路元器件,非飽和狀態下的ECL電路,典型的傳輸延遲僅為1.0ns。傳輸線為扁平電纜傳輸線,外層包裹絕緣層,消除土壤介質電導率對測量結果的影響。信號發生器的輸出端與埋設在待測土壤的傳輸線相連接,高頻振蕩信號通過傳輸線傳播。受土壤介電特性的影響,傳播速度與土壤介電常數之間的關系為v=c/k槡a。其中,c表示光速,ka表示土壤介電常數。根據土壤介電特性,干土以及空氣等的介電常數僅為1~4,而水分的介電常數在80左右,這意味著水分含量的多少對土壤的介電特性起決定性作用。由此可知:當含水量變高時,土壤介電常數變大,信號中的方波頻率降低,傳播速率也隨之變小。

3.2信號預處理模塊

此模塊主要由直流偏置、限幅放大以及方波整形3個基本處理電路構成。其功能是對采集到的信號進行預處理,降低頻率測量過程中的干擾,提高測量精度。限幅放大電路采用MAX3645限幅放大器,電路接口圖如圖5所示。

去除過高或過低的電壓信號,保護電路不因為太高或太低的電壓而造成電路工作不正常;然后,信號再經直流偏置電路以及波形整波電路,轉換成3.3V的方波信號;最后再進入DSP,通過其豐富的外設資源完成信號頻率的測量。

3.3TMS320F2812及其外圍接口電路設計

本系統選用精度高且速度高的DSP芯片—TMS320F2812作為核心處理單元。它是近年來美國德州儀器公司主推的芯片,有非?？斓倪\算處理速度,低于6.67ns的極短指令周期和高達150MHz的工作頻率。另外,其輸入輸出電壓為3.3V,1.8V的核心電壓使得它功耗很低。它的操控能力非常全面,總線結構使用的是哈佛總線。2個串行SCI通信接口、3個32位的定時器、串行SPI接口和12位的16通道模數轉換器等構成了此芯片的外圍設備。EVA與EVB模塊是用來控制芯片時間的,1個正交編碼脈沖單元、2個通用定時器、3個捕獲電路和3個脈寬調制單元構成了EVA與EVB模塊。

本系統選用多周期的方法來測量頻率,其多周期原理的電路見圖6,測量頻率的時序圖見圖7。

4、系統軟件設計

初始化、主監控、頻率測量和中斷等模塊構成了本系統基本的軟件設計\\(見圖8\\),其中主監控模塊負責其余各模塊的調用以及合理配置。主監控程序流程圖如圖9所示。頻率測量模塊流程如下:

1\\)計數的功能由定時器T1與T2來實現,負責計數標準與被測信號,同時還必須輸入1給T1的比較值;另外,預設的閘門時間通過T3來完成。

2\\)通過T1的比較處理,輸出的脈寬調制發生突變,利用其上升沿\\(或下降沿\\)觸發T3,使其預設閘門時間。

3\\)T3的計數時間到達后,輸出邏輯0,使上升沿出現后D觸發器輸出邏輯0,從而切斷T1輸出,完成T1脈寬調制的第2次突變。

4\\)事實上的閘門時間即是T1的脈寬調制輸出兩次突變的相隔時間,從而實現了系統頻率的測試。

5、結論

詳細介紹了基于電磁波傳輸原理的土壤水分測試系統的設計方法。該系統具有高精度、低成本、非破壞性和操作簡單的等優點,可適用于各種需要對土壤水分含量檢測的場合,在現代化農業以及農業自動化發展中具有廣闊的應用前景。