0、引言
我国作为最缺水的国家之一,人均水资源占有量仅仅是世界人均的1/4;然而由于不能合理利用水资源,我国在极度缺水的同时大量浪费了有限的水资源。实时进行土壤水分检测、及时了解墒情的发生、对墒情做出有效的评估,利于进行有效的抗旱决策和水资源有效分配,使有限的水资源得到优化配置和合理使用。
当前,即时测量土壤水分主要是利用介电物理的方法,其中利用传输原理的方法来测定土壤水分是介电特性法技术中的一种。此方法克服了现有方法的局限性,适应了将来测量土壤水分系统自动化程度高、经济性好、可持续发展以及测量精度高等发展方向的需要。
1、土壤水分测试系统原理
根据电磁原理,自由水、空气、束缚水以及固体土壤物质等构成了土壤。在1个大气压、20℃的标况下,纯水的介电常数是80.4,固体土壤物质约为3~7,空气的仅为1。因此,水分含量的多少很大程度上决定了整个土壤介电常数的大小。
Davis与Topp于1975年首次利用TDR技术来测量土壤的介电常数;1984年,Dalon等人进一步证明了TDR技术可以测量土壤的含水量,自此利用介电常数测量土壤水分的方法得到了迅速发展。主流的介电方法—TDR土壤水分含量测试方法原理如图1所示。
信号发生器发射波到待测的土壤介质中,根据两次接受的波(即返回波,实线线条表示)和反射返回波(虚线线条表示)之间的时间差来获得电磁波在介质中的传播时间,建立反射时间差与介质介电常数之间的关系,从而最终获得土壤水分含量。实际应用时,由于时间差非常短暂,大约只有几微秒,测量时细微的误差将会引起最终获得水分的很大偏差,因此精度控制比较困难,且设备昂贵。
基于传输原理的土壤水分测试系统克服了TDR方法造价昂贵、电路结构复杂的特点,设计了新型的传感元件(即传输线),通过测量电路的频率避免了对时间差的测量。传输线的几何结构如图2所示。为了避免土壤盐分对测量结果的影响,传输线外侧包裹了一层绝缘皮。系统用于测量土壤水分含量时,将传输下埋设在待测土壤介质中,环形振荡电路发生振荡信号,由于接收端信号的频率与信号的传播时间有关(即与待测土壤的介电常数有关),因此确立接收端信号频率与土壤介电常数之间的关系即可确定土壤上水分含量大小。
2、系统总体结构
土壤水分测试由包括传感模块、信号预处理模块和数据采集处理模块等部分组成,如图3所示。方波信号发生器产生的方波振荡信号通过埋设在待测土壤中的传输线传播,由于土壤介电特性将产生延时,使得方波振荡信号的频率变低;方波振荡信号通过信号预处理模块进行整形,然后输入信号采集处理模块;信号采集处理模块采集方波振荡信号的频率,根据信号频率与介电常数之间的关系以及土壤介电特性,最终获得待测土壤水分含量。方波振荡信号频率很高,大约几十兆赫兹,为了满足快速监测以及实时性需求,采用了美国德州仪器公司的一款高速、高精度的工业控制芯片—TMS320F2812作为核心处理单元。
3、系统硬件设计
3.1传感模块
传感模块结构图如图4所示。方波信号发生器是一种特殊的输电线路振荡器,用于产生50~100MHz的方波信号,且振荡信号频率随传输线传输延时变化而变化。采用Motorola公司生产的一款线接收器MC10H116,它属于ECL电路元器件,非饱和状态下的ECL电路,典型的传输延迟仅为1.0ns。传输线为扁平电缆传输线,外层包裹绝缘层,消除土壤介质电导率对测量结果的影响。信号发生器的输出端与埋设在待测土壤的传输线相连接,高频振荡信号通过传输线传播。受土壤介电特性的影响,传播速度与土壤介电常数之间的关系为v=c/k槡a。其中,c表示光速,ka表示土壤介电常数。根据土壤介电特性,干土以及空气等的介电常数仅为1~4,而水分的介电常数在80左右,这意味着水分含量的多少对土壤的介电特性起决定性作用。由此可知:当含水量变高时,土壤介电常数变大,信号中的方波频率降低,传播速率也随之变小。
3.2信号预处理模块
此模块主要由直流偏置、限幅放大以及方波整形3个基本处理电路构成。其功能是对采集到的信号进行预处理,降低频率测量过程中的干扰,提高测量精度。限幅放大电路采用MAX3645限幅放大器,电路接口图如图5所示。
去除过高或过低的电压信号,保护电路不因为太高或太低的电压而造成电路工作不正常;然后,信号再经直流偏置电路以及波形整波电路,转换成3.3V的方波信号;最后再进入DSP,通过其丰富的外设资源完成信号频率的测量。
3.3TMS320F2812及其外围接口电路设计
本系统选用精度高且速度高的DSP芯片—TMS320F2812作为核心处理单元。它是近年来美国德州仪器公司主推的芯片,有非常快的运算处理速度,低于6.67ns的极短指令周期和高达150MHz的工作频率。另外,其输入输出电压为3.3V,1.8V的核心电压使得它功耗很低。它的操控能力非常全面,总线结构使用的是哈佛总线。2个串行SCI通信接口、3个32位的定时器、串行SPI接口和12位的16通道模数转换器等构成了此芯片的外围设备。EVA与EVB模块是用来控制芯片时间的,1个正交编码脉冲单元、2个通用定时器、3个捕获电路和3个脉宽调制单元构成了EVA与EVB模块。
本系统选用多周期的方法来测量频率,其多周期原理的电路见图6,测量频率的时序图见图7。
4、系统软件设计
初始化、主监控、频率测量和中断等模块构成了本系统基本的软件设计(见图8),其中主监控模块负责其余各模块的调用以及合理配置。主监控程序流程图如图9所示。频率测量模块流程如下:
1)计数的功能由定时器T1与T2来实现,负责计数标准与被测信号,同时还必须输入1给T1的比较值;另外,预设的闸门时间通过T3来完成。
2)通过T1的比较处理,输出的脉宽调制发生突变,利用其上升沿(或下降沿)触发T3,使其预设闸门时间。
3)T3的计数时间到达后,输出逻辑0,使上升沿出现后D触发器输出逻辑0,从而切断T1输出,完成T1脉宽调制的第2次突变。
4)事实上的闸门时间即是T1的脉宽调制输出两次突变的相隔时间,从而实现了系统频率的测试。
5、结论
详细介绍了基于电磁波传输原理的土壤水分测试系统的设计方法。该系统具有高精度、低成本、非破坏性和操作简单的等优点,可适用于各种需要对土壤水分含量检测的场合,在现代化农业以及农业自动化发展中具有广阔的应用前景。