專利名稱：管式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，具體涉及一種管式土壤水分測試儀。
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 別。其中，高頻電容探頭測量土壤含水量、時域反射法(TDR-Time Domain Reflectometry), 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，管式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對同一位置不同深度剖面的土壤容積含水 量進行測量。測量時傳感器與土壤無直接接觸，插入埋設在土壤中的PVC導管內進行測 量。目前已經申請了實用新型專利，申請號=200920006398. 4。管式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 = a(l+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，以滿足對田間的不同監測點 (田間預先埋設好PVC測試管的位置)不同深度剖面的土壤水分快速測試的要求。由于管式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。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。所以關于與管式土壤水分傳感器相配套使用的水分測試儀，目 前在國內相關技術領域處于空白狀態。
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、功能全面的管式土 壤水分測試儀，以期與管式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管式土壤水分測試儀，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數模轉換電路、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。所述數模轉換電路內部集成4路10位I2C接口的模數轉換芯片。所述微控制器為單片機，內部集成復位電路。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。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。所述土壤水分傳感器為管式土壤水分傳感器。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。[0035](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，是與管式土壤水分傳感器配 套使用的智能新型儀表，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管式土 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管式土壤水分傳感器配套連接使用，同時也可兼容 針式土壤水分傳感器；2、采用與現有技術不同的電路實現方案，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、通過采用獨立的數模轉換電路，提高了數模轉換的分辨率，保證了更高的測量 精度；4、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；5、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；6、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；7、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管式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管式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及圖4為本實用新型實施例所提供的管式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管式水分測試儀的結構特 征。如圖1所示，所述管式土壤水分測試儀，包括面板外殼113、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 112、輸入輸出系統接口以及串行通信接口 111 ；結合圖1及圖2所示，所述內部電路系統集成數模轉換電路、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113內部；所述土壤水分傳感器為管式土壤水分傳感器，插入預先埋設好的PVC導管，通過 所述傳感器接口與所述數模轉換電路相連接；所述數模轉換電路采用4路10位I2C接口的MAXl 137芯片，將傳感器模擬信號轉 換為數字信號并傳送給微控制器，分辨率達到1. 6mV，確保了測量精度。所述微控制器采用NXP公司的P89LPC936型單片機，內部集成復位電路以及電路 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 111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24LC64A，容量8K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1000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，采用分辨率為160X64的點陣LM1920S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，具有中文和英文雙語顯示界所述狀態指示電路采用1個發光二極管電路，分別指示電池的充電狀態，通過狀 態指示電路接口連接微控制器；所述鍵盤電路采用6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；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；功能鍵103 選擇要設置或修改的項目，被選中的項目在液晶屏上反白顯 示；向上鍵104 對選中的參數增加或切換，也可用于向前翻頁；向下鍵105 對選中的參數 減小或切換，也可用于向后翻頁；確定鍵106 執行選中項目；取消鍵107 放棄選中項目， 或返回上級操作；LCD液晶顯示屏108 顯示系統信息和操作提示；充電指示燈109 充電狀 態的指示燈；充電電源插口 110 充電電源適配器的插口 ；串行接口 111 :RS-232通信接口 ； 傳感器接口 112 土壤水分傳感器的插口。該測試儀的技術性能指標如下1)顯示界面LCD ；2)分辨率I6OXM ；3)存儲容量8K(1000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。下面結合圖1、圖3以及圖4來具體描述該管式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功能鍵進行程序設置；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；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，測量者選擇按下功能鍵，則存在如下幾種情況在第一次按下功能鍵時，測試儀將開啟深度設置程序進行傳感器測試深度的設 置；在第二次按下功能鍵時，測試儀將開啟時間設置程序調整實時時鐘系統；在第三次按下功能鍵時，測試儀將開啟語言設置程序選擇顯示語言的語種；在第四次按下功能鍵時，測試儀將開啟保存記錄查詢程序；之后的過程依次重復；[0096]步驟5 若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，測 試者按下取消鍵，測試儀將退出當前應用程序，進入待機狀態。綜上所述，該儀表的微控制器采用了功能更強的P89LPC936型單片機；數模轉換 電路沒有采用單片機內置的8位AD，而是采用外部擴展的10位數模轉換器，提高了儀表的 模數轉換的分辨率，使測量精度更高；儀表的顯示界面采用了 160X64的點陣液晶屏，因此 可以顯示更豐富的信息，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 以及電池電量的狀態，并且可以瀏覽保存的歷史記錄；儀表的存儲容量增大到8K，可以存 儲1000組測量數據。因此比現有的水分測試儀表而言，功能更強、性能更優。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。
權利要求一種管式土壤水分測試儀，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數模轉換電路、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所述的管式土壤水分測試儀，其特征在于，所述數模轉換電路內部集 成4路10位I2C接口的模數轉換芯片。
3.如權利要求1所述的管式土壤水分測試儀，其特征在于，所述微控制器為單片機，內 部集成復位電路。
4.如權利要求1所述的管式土壤水分測試儀，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。
5.如權利要求4所述的管式土壤水分測試儀，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。
6.如權利要求4所述的管式土壤水分測試儀，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。
7.如權利要求4所述的管式土壤水分測試儀，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。
8.如權利要求4所述的管式土壤水分測試儀，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。
9.如權利要求1所述的管式土壤水分測試儀，其特征在于，所述土壤水分傳感器為管 式土壤水分傳感器。
10.如權利要求1所述的管式土壤水分測試儀，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。
專利摘要本實用新型涉及一種管式土壤水分測試儀，屬于領域土壤水分監測技術領域。本實用新型所提供的管式土壤水分測試儀，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數模轉換電路、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。該測試儀與管式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G01N27/00GK201716282SQ20102013208
公開日2011年1月19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