專利名稱：智能型土壤水分測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于土壤水分監測技術領域，具體涉及一種智能型土壤水分測試儀。
背景技術：
作為世界農業大國的中國來說，施行節水灌溉，尋求高效的土壤水分快速測量技 術尤為重要。中國人口占世界的22%，而淡水資源只占世界總量的8%，人均水資源占有量 僅2300立方米/年，只相當于世界人均的1/4，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國 家之一。我國水資源一方面非常貧乏，另一方面浪費又非常大。農業用水占社會總耗水量 的80 %以上，但有效性很差。目前，中國年灌溉用水量約3800億立方米，有效利用率只有 30% 40%，而先進國家已達70% 80%，中國每立方米水的糧食生產能力不足1公斤，先 進國家已達2. 35公斤。造成這種局面的原因之一就是沒有一種有效的土壤水分測量技術 來保障節水農業技術體系的實施，所以說我國更迫切需要研究開發一種適合在生產中推廣 應用的土壤水分快速測量技術。利用土壤的介電特性來測量土壤含水量是一種行之有效、快速、簡便并且可靠的 方法。土壤的介電特性廣泛地應用于土壤含水量的測量技術中，而且具體實現方法千差萬 另Ij。其中，高頻電容探頭測量土壤含水量、時域反射法(TDR-Time Domain Ref lectometry), 時域傳播法(TDT-Time Domain Transmission)、步頁域分角軍法(FD-FrequencyDomain Decomposition)、駐波法(SWR-Standing Wave-Ratio)等測量方法都屬于基于土壤介電 特性的土壤含水量測量方法。其中，智能型土壤水分傳感器利用的是基于駐波原理的高 頻電子技術，用于通過測量土壤的表觀介電常數從而測量土壤的容積含水量，目前已經 獲得了實用新型專利權，專利號為ZL200820140343.8。智能型土壤水分傳感器輸出的 是0-2. 5V模擬電壓信號，輸出電壓V與土壤容積含水量θ ν之間滿足標定方程θ ν = aQ+aiV+a2V2+a3V3，方程的系數可通過土壤標定試驗確定。為了在田間便攜的移動測量，需要 一種與其配套使用的專用測試儀表，以便快速讀取測量結果。由于智能型土壤水分傳感器輸出的是標準電壓信號，因此可連接到各種帶有差分 輸入的數據采集器、數據采集卡、數據采集模塊等設備，用戶通過編程將電壓值轉換為土壤 容積含水量，如研華的ADAM-4017模擬量采集模塊、PCL-818數據采集卡、NI的PCI-6013數 據采集卡等。可以通過系統集成，構成土壤水分監控系統，對土壤水分進行實時監測。前述所提到的各種通用模擬量采集設備，硬件系統集成簡便，但此方法由于需要 連接到計算機，設備供電也需要通過固定電源，因此僅適用于固定監測，不能用于便攜式的 移動測量，且由于市場上現有的這些設備是通用設備，所以成本高、體積大，不能為用戶測 量土壤水分提供直觀的操作界面，使用不方便。現有的與智能型配套儀表有TSC-IV型土壤水分空間分布測試儀(專利號ZL 200520109707. 2)，該儀表可以測量各個測試點的土壤容積含水量，同時可以通過GPS接收 機采集各個測試點的經緯度，并能存儲所測點的土壤水分和位置信息，通過串口可將數據 傳給計算機進行處理和分析，生成土壤水分空間分布圖。[0007]TSC-IV型土壤水分空間分布測試儀技術性能指標如下1)顯示界面128 X 64 象素 LCD ；2)分辨率0.1%;3) GPS誤差小于10米;4)存儲容量:32K(450點數據)；5)通信接口RS-232 ；6)電源供應鎳氫電池(12V/2500mAh)；7)待機時間大于10小時大于30小時；8)充電時間4小時;9)外形尺寸:290(長)X180(寬)X90(高)mm;10)重量(含電池)約2. 4Kg。盡管TSC-IV型土壤水分空間分布測試儀目前可作為智能型土壤水分傳感器專用 的便攜式儀表，功能強大，但其體積較大、成本本較高。為了滿足不同的測試條件和使用要 求，一種提供能耗更低、體積更小、使用更簡便、成產成本更為低廉的土壤水分測試儀的出 現變得越來越重要。
實用新型內容(一)要解決的技術問題本實用新型要解決的技術問題是提供一種體積小、操作簡便、功能全面的智能型 土壤水分測試儀，以期與智能型土壤水分傳感器或其他類似的土壤水分傳感器配套使用， 以便快速、實時地采集傳感器輸出的電壓信號，將其轉換為數字量，并按照標定方程計算出 土壤容積含水量，通過輸出設備顯示給用戶。(二)技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提供一種智能型土壤水分測試儀，包括面板外 殼、內部電路系統、土壤水分傳感器、輸入輸出系統；所述面板外殼表面設有傳感器接口、輸入輸出系統接口以及串行通信接口 ；所述內部電路系統主要由微控制器、通信接口電路以及電源系統集成設置于所述 面板外殼內部；所述土壤水分傳感器通過所述傳感器接口與所述數模轉換電路相連接；所述輸入輸出系統通過所述輸入輸出系統接口與所述微控制器相連接。所述微控制器為單片機，內部集成復位電路以及數模轉換電路。所述通信接口電路連接所述微控制器，并通過所述串行通信接口與上位PC機連接通信。所述內部電路系統還包括振蕩電路；所述微控制器集成設有振蕩電路接口 ； 所述振蕩電路通過所述振蕩電路接口連接所述微控制器。所述內部電路系統還包括數據存儲器；所述微控制器集成設有存儲器接口 ；所述數據存儲器通過所述存儲器接口連接所述微控制器。[0035]所述內部電路系統還包括實時時鐘；所述微控制器集成設有時鐘接口 ；所述實時時鐘通過所述時鐘接口連接所述微控制器。所述電源系統包括電源控制電路、電池以及充電電路；所述微控制器集成設有電源控制電路接口以及電池接口 ；所述電源控制電路連接所述電池并通過所述電源控制電路接口與所述微控制器 相連接； 所述電池為可充電電池，連接所述充電電路并通過所述電池接口與所述微控制器 相連接。所述輸入輸出系統包括顯示器、狀態指示電路以及鍵盤電路；所述輸入輸出系統接口包括顯示接口、狀態指示電路接口以及鍵盤電路接口 ；所述顯示器通過所述顯示接口連接所述微控制器；所述狀態指示電路通過所述狀態指示電路接口連接所述微控制器；所述鍵盤電路通過所述鍵盤電路接口連接所述微控制器。所述顯示器為液晶顯示器。(三)有益效果依照本實用新型技術方案所得到的土壤水分測試儀，是與智能型土壤水分傳感器 配套使用的智能儀表，在供電電源、模擬量信號的測試范圍與接口方面都與目前的土壤水 分傳感器更匹配，與市場通用的各種數據采集設備相比，其具體具備如下幾點特征1、通過傳感器接口可良好的與智能型土壤水分傳感器配套連接使用；2、通過設置獨立的微控制器單元，可提供功能強大的中央控制結構，作為系統的 核心部分，微控制器可完成系統的運算及控制，實現程序的運行管理、數據存儲以及外圍接 口電路的控制等等功能；3、通過采用電源控制電路_可充電電池-充電電路的電源供給結構，使得該測試 儀不僅可自行進行快速充電，并且可結合微控制器對電源輸出進行實時需求調控以及電壓 轉換；電源系統結合微控制單元的方案使得該測試儀可作為便攜式移動測量工具脫離 上位PC機以及固定電源獨立使用，用戶可手持儀表在田間不同的測試點移動地進行測量；4、通過設置獨立的數據存儲器可提供大容量的數據存儲功能，結合實時時鐘系統 可同時保存與測量結果相關的測量深度和測量時間；5、通過設置液晶顯示器_狀態指示電路_鍵盤電路的輸入輸出系統結構，可使得 該測試儀極其方便地用于測量過程中，使得數據輸出界面更為友好，輸入的操作更為便捷， 實現的功能更為豐富；儀表的顯示器提供更豐富的信息，不僅可以顯示土壤水分的讀數，而且可以顯示 測量深度、系統時間、電池電量的狀態，并且可以瀏覽保存的歷史記錄；6、可通過通信接口電路與上位PC機進行數據通信，用戶可通過上位機軟件對儀表的標定方程參數進行修改，以滿足測量不同質地土壤的需要。
圖1為本實用新型實施例所提供的智能型土壤水分測試儀的操作面板以及儀表外形結構圖；圖2為本實用新型實施例所提供的智能型土壤水分測試儀的內部電路系統的組成結構以及其與輸入輸出系統的連接示意圖；圖3為本實用新型實施例所提供的智能型土壤水分測試儀操作使用流程圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、內容、和優點更加清楚，
以下結合附圖和實施例，對本實 用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型 的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。實施例本實施例首先具體描述本實用新型技術方案所提供的智能型水分測試儀的結構 特征。如圖1所示，所述智能型土壤水分測試儀，包括面板外殼111、內部電路系統、土壤 水分傳感器、輸入輸出系統；所述面板外殼表面設有傳感器接口 107、輸入輸出系統接口以及串行通信接口 109 ；結合圖1及圖2所示，所述內部電路系統集成微控制器、通信接口電路、振蕩電路、 數據存儲器、實時時鐘以及電源系統，設置于所述面板外殼111內部；所述土壤水分傳感器結合專用測試桿，，通過所述傳感器接口與所述數模轉換電 路相連接，可以快速測量表層以下1米內不同深度的土壤容積含水量；所述微控制器采用NXP公司的P89LPC925型單片機，內部集成復位電路、數模轉換 電路以及電路系統中其余各類系統模塊的接口功能單元，是整個系統的核心部分，完成系 統的運算和控制，實現程序的運行管理、數據存儲以及外圍接口電路的控制等功能。所述通信接口電路采用單通道RS-232收發器MAX3221，連接微控制器，并通過所 述串行通信接口 109與上位PC機連接通信，用配套的上位機軟件可以接收儀表保存的數據 并進行編輯和處理。所述振蕩電路通過振蕩電路接口連接微控制器，采用3. 6864MHz晶振。所述數據存儲器通過存儲器接口連接微控制器，采用Microchip公司的I2C接口 的非易失性存儲器24LC32A，容量4K字節。記錄土壤水分的測量結果，包括土壤水分、測量 深度以及測量時間，最多可存儲500組數據。所述實時時鐘通過時鐘接口連接微控制器。采用NXP公司I2C接口的PCF8563芯 片，作為系統的實時時鐘，土壤水分測量的同時提供測量時間。所述電源系統包括電源控制電路、電池以及充電電路；所述電源控制電路連接電池并通過電源控制電路接口與微控制器相連接，電源控 制電路采用LM1086-ADJ低壓差線性電源，將電池的輸出電壓轉換為3. 3V電壓為整個系統 供電。同時光耦合繼電器控制電源的通斷，實現自動關機功能；所述電池為4節1800mAH的NiMH(鎳氫)可充電電池，連接充電電路并通過電池接口與微控制器相連接。所述充電電路是MAX712電池充電管理芯片組成的充電電路，可根據電池的特性智能快速充電，可在150分鐘內充滿電，電池充滿電后，儀表可以持續工作10 15小時。所述輸入輸出系統通過所述輸入輸出系統接口與所述微控制器相連接。所述輸入輸出系統包括顯示器、狀態指示電路以及鍵盤電路；所述顯示器為液晶顯示器，采用4位7段EDM1190A液晶顯示模塊，此段模塊帶有 驅動電路，通過串行顯示接口連接微控制器；所述狀態指示電路采用2個發光二極管電路，分別指示電池的電量以及充電狀 態，通過狀態指示電路接口連接微控制器；所述鍵盤電路采用3個獨立的觸摸鍵盤，在低電平狀態下有效，通過鍵盤電路接 口連接微控制器。用戶可以通過鍵盤在線設置測量深度、系統時間、操作語言、方程系數，也 可以查詢瀏覽保存的歷史數據；為保證在各類土壤(壤土、砂土、粘土、粘壤土等)中測量的 準確性，對特定土壤進行標定，得出標定曲線后，用戶可以對儀表自行設置傳感器的標定參 數；該智能型土壤水分測試儀的技術性能指標如下1)顯示界面4位數字LCD ；2)分辨率0.1%;3)存儲容量4K(500點數據)；4)通訊接口RS-232 ；5)電源供應4節AA鎳氫電池(4. 8V/1800mAh)；6)待機時間10 15小時；7)外形尺寸180(長)X100(寬)X40(厚)mm;8)重量(含電池)約400g。如圖1所示，關于所述測試儀的操作面板、儀表外形結構具體描述如下電源鍵101用于開機及關機；測量/保存鍵102 測量土壤水分；長按2秒時保存 當前的測量數據；刪除鍵103進行記錄刪除操作；深度選擇鍵104進行傳感器深度選擇；狀 態指示燈105顯示運行狀態；充電指示燈106顯示充電狀態；傳感器接口 107 土壤水分傳 感器的插口 ；串行接口 109 :RS-232通信接口 ；IXD液晶顯示屏110 顯示系統信息和操作提
示 ο下面結合圖1、圖3以及圖4來具體描述該智能型土壤水分測試儀操作使用流程。步驟1 在啟動該測試儀的電源后，測試儀進入初始化配置程序，具體包括依次進 行振蕩電路初始化、I/O 口初始化配置、定時器初始化、通用異步接收/發送裝置初始化、數 模轉換電路初始化、鍵盤控制初始化、中斷功能初始化、實時時鐘初始化以及液晶顯示器初 始化等操作，之后測試儀進入待機狀態；步驟2 進入測量現場后，在完成現場保護、中斷標志清除、去抖延時處理之后，測 量者可選擇按下測量鍵進行測量或者按下刪除鍵進行數據刪除或者按下深度鍵進行傳感 器探入深度的設置；步驟3 若在步驟2中，測量者選擇按下測量鍵，則可選擇連續保持按下操作2秒 以上或者在2秒內松開測量鍵；[0097]若選擇連續保持按下操作2秒以上，測試儀將開啟保存數據子程序對測量到的土壤水分信息進行存儲；若選擇2秒內松開測量鍵，測試儀將維持水分測量子程序開啟狀態直至測量過程 結束；步驟4 若在步驟2中，測量者選擇按下刪除鍵，則可選擇連續保持按下操作5秒 以上或者在5秒內松開刪除鍵；若選擇連續保持按下操作5秒以上，測試儀將清空數據子程序；若選擇5秒內松開刪除鍵，測試儀將刪除數據子程序；步驟5 若在步驟2中，測量者選擇按下深度鍵，則存在如下情況若為第一次按下，測試儀將顯示當前測試深度；若不是第一次按下并在按下2秒內松開，測試儀將會調整測量深度加深10厘米；步驟6 若測試者在前述各個步驟中達到預期的水分信息測量或是測試儀設置目 的，則可通過再次按下深度鍵并保持按下操作2秒以上，測試儀將退出當前應用程序，進入 待機狀態。綜上所述，該智能型土壤水分測試儀與TSC-IV型土壤水分空間分布測試儀相比， 智能型土壤水分測試儀的功能除了不能測量經緯度位置信息外，其他功能基本相同，但因 為智能型土壤水分測試儀采用了不同的電路實現方案，儀表的體積小、功耗低、成本低，使 用簡便。例如智能型土壤水分測試儀供電使用4節電池，而TSC-IV型儀表使用10節電池； 智能型土壤水分測試儀約0. 4kg，而TSC-IV型儀表約2. 4kg，因此智能型土壤水分測試儀更 加小型化、低功耗化、智能化，同時也降低了儀表的成本。此外儀表具有土壤標定方程參數 的設置功能，在測量不同土質的土壤水分時，可以根據該土壤的標定方程將方程的系數設 置到儀表中，以提高測量精度，使用更加靈活。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求一種智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述水分測試儀包括面板外殼、內部電路系統、土壤水分傳感器、輸入輸出系統；所述面板外殼表面設有傳感器接口、輸入輸出系統接口以及串行通信接口；所述內部電路系統主要由微控制器、通信接口電路以及電源系統集成設置于所述面板外殼內部；所述土壤水分傳感器通過所述傳感器接口與所述數模轉換電路相連接；所述輸入輸出系統通過所述輸入輸出系統接口與所述微控制器相連接。
2.如權利要求1所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述微控制器為單片機， 內部集成復位電路以及數模轉換電路。
3.如權利要求1所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述通信接口電路連接 所述微控制器，并通過所述串行通信接口與上位PC機連接通信。
4.如權利要求3所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述內部電路系統還包 括振蕩電路；所述微控制器集成設有振蕩電路接口； 所述振蕩電路通過所述振蕩電路接口連接所述微控制器。
5.如權利要求3所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述內部電路系統還包 括數據存儲器；所述微控制器集成設有存儲器接口 ； 所述數據存儲器通過所述存儲器接口連接所述微控制器。
6.如權利要求3所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述內部電路系統還包 括實時時鐘；所述微控制器集成設有時鐘接口；所述實時時鐘通過所述時鐘接口連接所述微控制器。
7.如權利要求3所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述電源系統包括電源 控制電路、電池以及充電電路；所述微控制器集成設有電源控制電路接口以及電池接口；所述電源控制電路連接所述電池并通過所述電源控制電路接口與所述微控制器相連接；所述電池為可充電電池，連接所述充電電路并通過所述電池接口與所述微控制器相連接。
8.如權利要求1所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述輸入輸出系統包括 顯示器、狀態指示電路以及鍵盤電路；所述輸入輸出系統接口包括顯示接口、狀態指示電路接口以及鍵盤電路接口 ； 所述顯示器通過所述顯示接口連接所述微控制器； 所述狀態指示電路通過所述狀態指示電路接口連接所述微控制器； 所述鍵盤電路通過所述鍵盤電路接口連接所述微控制器。
9.如權利要求8所述的智能型土壤水分測試儀，其特征在于，所述顯示器為液晶顯示器ο
專利摘要本實用新型涉及一種智能型土壤水分測試儀，屬于領域土壤水分監測技術領域。本實用新型所提供的智能型土壤水分測試儀，包括面板外殼、內部電路系統、土壤水分傳感器、輸入輸出系統；所述面板外殼表面設有傳感器接口、輸入輸出系統接口以及串行通信接口；所述內部電路系統主要由微控制器、通信接口電路以及電源系統集成設置于所述面板外殼內部；所述土壤水分傳感器通過所述傳感器接口與所述數模轉換電路相連接；所述輸入輸出系統通過所述輸入輸出系統接口與所述微控制器相連接。該測試儀與智能型土壤水分傳感器配套使用，可快速、實時采集傳感器輸出電壓信號，并轉換為數字量，按照標定方程計算出土壤容積含水量，通過輸出設備顯示給用戶。
文檔編號G01N27/00GK201600342SQ201020132078
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者馮磊, 王一鳴 申請人:中國農業大學