一種數字土壤濕度傳感器批量標定儀設計

宋濤，高鵬，徐曉輝，蘇彥莽

（河北工業大學電子信息工程學院，天津 300401）

一種數字土壤濕度傳感器批量標定儀設計

宋濤，高鵬，徐曉輝，蘇彥莽

（河北工業大學電子信息工程學院，天津 300401）

傳統的土壤濕度傳感器普遍存在溫飄、探頭不穩定和批量標定繁瑣等問題，而且在過程中需要對每一個進行手動標定，極大的降低了生產效率．基于水浸式標定方法的數字土壤濕度傳感器批量標定儀，采用一主多從485總線，能同時標定多達100個傳感器．標定儀在標定過程中能夠實時地將標準傳感器測量到的濕度數據發送到485總線上，待測傳感器接收后與自身測量值對比并儲存，多組數據形成一個多點逼近的與標準傳感器一致的電壓值輸出曲線，存儲數值組數越多，曲線越與標準傳感器輸出性能逼近．實驗結果表明，以此方法標定的傳感器輸出電壓相對誤差在±0.1 V以內，效果比較理想．

批量標定；水浸式；485總線；土壤濕度傳感器

隨著農業現代化的進一步深入，新型土壤濕度傳感器層出不窮，而傳統的土壤濕度傳感器普遍存在溫飄、探頭不穩定和批量標定繁瑣等問題，而且傳統土壤濕度傳感器在制作過程中需要每一個進行手動標定，極大地降低了生產效率[1]．水浸式數字土壤濕度傳感器標定儀是在水浸式標定方法的基礎上改進而來的[2]．它適用性廣泛,兼容數字頻域反射式土壤濕度傳感器，方便連接各種預留485總線接口的頻域反射式土壤濕度傳感器進行標定；能夠實現帶微控制器的數字土壤濕度傳感器的自動標定．只需將待測數字土壤濕度傳感器安裝到標定儀即可實現自動找水平、自動分段入水、自動標定的功能．

1 水浸式標定方法

頻域反射式土壤濕度傳感器水浸式標定方法的基本原理是標準土壤濕度傳感器的金屬探頭浸入液體介質中深度不同，相應的測量值就不同，再將需要標定的土壤濕度傳感器和標準土壤濕度傳感器探頭保持入水深度一致，即可調節標定電阻將待測土壤濕度傳感器調整到和標準傳感器輸出一致．實驗證明，頻域反射式土壤濕度傳感器水浸式標定方法的穩定性和重復性都是非常好的，但是受到各種電子元器件性能影響，雖然測量值都是隨著入水深度增大而增大，但不同土壤濕度傳感器的探頭測量電壓輸出曲線都不同，曲線中段斜率也不一樣[3-4]，簡單水浸式標定方法還是不盡人意．

2 標定儀設計原理

數字式土壤濕度傳感器集成了單片機，輸出值通過485總線傳遞出來．采用一主多從485總線的好處在于可同時標定多達100個傳感器，每個傳感器有四顆連線，分別是電源正、電源負、485正、485負，標定時所有傳感器同時連接．標定儀自身有標準土壤濕度傳感器，它在標定過程中實時將測量到的濕度數值發送到485總線上，待標定的傳感器收到這些數值后，與自身當前測量值對比并存儲，多組存儲數值可形成一個多點逼近的與標準傳感器一致的電壓輸出曲線，存儲數值組數越多，曲線越與標準傳感器逼近．若設置10個采樣點，這10個采樣點標準傳感器輸出平均電壓值為Vsi（i=1，2，……10），待測傳感器輸出電壓值為Vci(i=1，2，……10)，則標定完后的傳感器某一點實測電壓Vr和輸出電壓值Vo滿足關系式

為對輸出濕度值進行溫度補償，添加了18B20數字溫度傳感器，采用二元回歸方程對輸出值進行補償[5]

式(3)中Uo為補償后的輸出電壓值，U為FDR土壤濕度傳感器輸出的電壓值，UT為溫度傳感器測量值．

圖1標定儀包括傳感器探頭陣列、水平調整臂、傳感器固定架、水平板、水槽等部分．標準傳感器固定于固定架四角，利用水平板將待測傳感器和標準傳感器探頭保持在同一平面上，然后撤走水平板，開始自動標定程序．調整臂可調整前后、左右角度，傳感器固定架可上下移動，調整電機安裝于調整臂內部．

經多方面對比，采用18 B20作為溫度傳感器，在10～+85℃時其精度為±0.5℃．選用一款測量準確的頻域反射式土壤濕度傳感器作為標準傳感器，通過測量其入水深度與輸出電壓曲線，20℃下得到如圖2所示曲線，由圖可知，若選取十個線性折點進行采樣，在相鄰兩個線性折點之間的曲線可認為是一條直線，其關系式(2)和補償式(3)可由單片機程序生成．在采集到相應曲線段的電壓之后，單片機處理并輸出數字信號，還可通過D/A轉換輸出對應的模擬電壓值．

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

土壤濕度傳感器批量標定儀功能框圖如圖3所示，包括控制模塊、驅動模塊、三軸調整電機、標準傳感器單元、通信模塊、待測傳感器幾個部分，如圖3所示．

圖1 標定儀示意圖Fig.1Calibrator schematic diagram

圖2 標準傳感器水浸式測試輸出曲線Fig.2Standard sensor output against insert depth

標定程序啟動后，控制模塊會驅動電機使傳感器探頭陣列緩慢浸入水中，在傳感器探頭陣列剛接觸水面的時候，四角的標準傳感器會傳送數據至控制模塊，以土壤濕度5%作為入水點，控制模塊調整水平電機，使四角的標準傳感器都達到5%的測量值，此時為入水測量準備．然后控制模塊繼續驅動電機使傳感器探頭陣列緩慢入水，在標準傳感器的4個傳感器平均值達到10%時發送測量值到控制模塊，控制模塊通過通信模塊將這些數值傳送給待測傳感器，待測傳感器將這些數值和自己當前測量值進行對比存儲．控制模塊繼續驅動電機使傳感器探頭陣列緩慢入水，在標準傳感器的4個傳感器平均值達到20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時分別重復以上操作．完成后待測傳感器共存儲10組數據，相鄰兩組數據之間按線性處理．系統所需電壓由12V開關電源和LM2596電源模塊提供．

控制核心采用Silicon公司的C8051F340單片機，其雙串口結構適合總線通信，一路連接標準數字土壤傳感器和待測傳感器，另一路作為擴展連接上位機可監測整個標定過程．若使用模擬輸出的標準傳感器，則將4個模擬傳感器連接到單片機的內部12位A/D的相應端口[6]．系統可將標準傳感器數據進行記錄，可直接標定待測傳感器而不用每次都依賴標準傳感器，因為溫度影響，標準傳感器數據需要在一定溫差之后更新．ULN2804芯片配合繼電器電路作為三軸電機的啟停和正反轉控制．LM2596和AMS1117獲得12V、5V和3.3V直流電壓供不同電路使用．環境溫度測量使用18B20單總線數字溫度傳感器，設計預留了8路DA輸出端口．

圖3 標定儀功能框圖Fig.3Calibrator control system diagram

圖4 標定儀控制系統電路Fig.4Calibrator control system circuit

3.2 軟件設計

系統上電后，先要獲取當前環境溫度和檢測存儲芯片中標準數據是否有效，一般在溫差超過5℃時就需要重新獲取這個標準數據[7]．若數據有效則直接對待測傳感器標定，若當前溫度值與存儲數據溫度值相差超過5℃，則需要提示用戶安裝標準傳感器重新獲取標準數據．系統軟件設計主要有3部分，傳感器陣列水平調整和標定過程是控制系統完成的，待測傳感器還要執行自身數據和標準數據的對比和存儲，并將這些數據處理得到一個分段線性曲線，以便在標定完成后能夠輸出比較準確的土壤濕度測量值．控制系統的軟件流程圖如圖5所示．

4 標定結果分析

隨機抽取標定完畢的傳感器進行測量，室溫下得到圖6較好的輸出特性曲線．土壤吸水過程與脫水過程得到的土壤水分特征曲線是不一樣的[8]，我們這里只是對比兩種傳感器的特性，故在室溫下利用稱量法（干燥砂壤土和水重量比例）對標準傳感器和標定完的傳感器進行測試對比[9]，發現誤差控制在±0.1V以內（如圖7），效果比較理想，由于2種傳感器采用同種金屬探針，其介質電容參數基本相同，故水浸式標定的可行性和可重復性都比較好．

5 結束語

水浸式數字土壤濕度傳感器批量標定儀，在實際項目應用中達到預期效果，穩定可靠，易于批量標定，實驗結果表明，以此方法標定的傳感器相對誤差在±0.1 V以內，極大的改善了現有量產方法．隨著農業現代化建設的進一步發展，水浸式數字土壤濕度傳感器標定儀有很好的發展前景，并為農業現代化提供了參考．農業生產智能化和標準化也必將成為未來農業發展的趨勢．

圖5 控制系統軟件流程圖Fig.5Control system flow chart

圖6 標定結果圖Fig.6Calibration results of soil sensor

圖7 誤差對比結果Fig.7Error comparison

[1]陳海波，冶林茂，李樹巖，等．FDR土壤水分自動監測儀的標定與檢驗[J]．微計算機信息，2009，25（11）：104-106．

[2]孫宇瑞．非飽和土壤介電特性測量理論與方法的研究[D]．北京：中國農業大學，2000．

[3]Rassam D W，Williams D J．Adynamic method for determining the soil water characteristiccurve for coarse-grained soils[J]．Geotechnical Testing Journal，2000，23（1）：67-71．

[4]宗睿．一種土壤水分傳感器性能測試的方法及應用[J]．灌溉排水學報，2013，32（1）：74-76．

[5]曹美，徐曉輝，蘇彥莽，等．溫度對FDR土壤濕度傳感器的影響研究[J]．節水灌溉，2015（1）：17-19，23．

[6]尹杰君，姚旺生，喻濟兵．基于C8051F340數據采集系統的設計[J]．計算機與數字工程，2010，38（10）：159-161．

[7]高磊，施斌，唐朝生，等．溫度對FDR測量土壤體積含水量的影響[J]．冰川凍土，2010，32（5）：964-968．

[8]秦耀東．土壤物理學[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[9]任淑娟，孫宇瑞，任圖生．測量土壤水分特征曲線的復合傳感器設計[J]．農業機械學報，2007，40（5）：56-58，91．

[責任編輯 代俊秋]

A design of digital soil humidity sensor batch calibrator

SONG Tao，GAO Peng，XU Xiaohui，SU Yanmang

(School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Lots of traditional soil humidity sensors have problems like temperature drift,instability probe and tedious immense calibration.So we need to do a manual calibration on every sensor in the process,which greatly reduced the productivity.Immense calibration instrument of water-inserting digital soil humidity sensor is based on the water-inserting calibration method,ituses485 bus byone instrumentand 100 sensors at most.Calibrator can send the measuredstandard humidity data to 485 bus in calibration process,contrasting with the measurements of standard soil humidity sensor,and save it.All the measurements will form a voltage output curve which is consistent with standard sensor.The more measurements,the more similarity with the curve of standard sensor.Experimental results show the effect is better:the calibration of the sensor output relative error is within±0.1 V by choosing this method.

immense calibration;water-inserting;485bus;soil humidity sensor

TP 23；S-3

A

1007-2373(2015)03-0026-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.005

2015-01-23

河北省科技支撐計劃（13210305D）

宋濤（1980-），男（漢族），實驗師．

數字出版日期：2015-06-16數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150616.0925.003.html