便攜式森林土壤探測儀的研究

林夢磊，胡進娣，李爽，薛偉

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

便攜式森林土壤探測儀的研究

林夢磊，胡進娣，李爽，薛偉*

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

為了方便及時檢測土壤各因子的變化，為林地選擇合適的樹種提供依據，本文提供一種便攜式森林土壤探測儀。本探測儀應用機械電子控制技術、傳感器技術以及通信技術，將SHT11溫濕度傳感器、pH傳感器及應變傳感器與AT89S51單片機以及24位精度的A/DS1232轉換器相結合，解決了傳統儀器功能單一、操作復雜的問題，達到“一針多用”的效果。最終試驗結果表明，該便攜式探測儀可在一定范圍內同時測量出土壤的溫濕度、pH值(酸堿度)以及貫入阻力(板結度)，且測量范圍為地面至地下40 cm，響應時間≤1 min，測量精度為±0.5%，具有簡單輕便、操作容易、測量快的特點，完全符合設計要求。該探測儀在森林火災過后的土壤檢測、林木生長過程的實時監測等方面有著很好地應用前景。

土壤探測儀；溫濕度傳感器；pH傳感器；應變傳感器

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0 引言

在林木生長與發育過程中，林地的土壤環境起著不可或缺的作用，然而森林大火、人為破壞、水土流失等因素使得林地質量大幅度改變，樹木生長在不適宜的土地上不僅產量低、質量差而且浪費資源。土壤探測儀無論是對于土壤成分質量的監測還是對于為樹種選擇相適應的林地，都有十分重要的現實價值和意義[1-3]。用現代化的傳感器測試技術對土壤成分進行性質研究，是當前國內外林業領域專家們普遍研究的內容之一。任國強[4]等在Android手機WIFI控制的基礎上研究了土壤比貫入阻力測試裝置，只能用來探測土壤阻力；馮競祥[5]等研究的裝置也只適用于測量土壤的機械阻力；匡宇國[6]等利用智能傳感器SHT11設計了一種便攜式溫濕度檢測儀。由此可知現有的土壤探測儀多適用于農業方面的檢測且功能較為單一。本文旨在設計一種適用于林業的綜合性探測儀器，采用SHT11溫濕度傳感器[7]、pH傳感器和應變傳感器，結合AT89S51單片機[8]以及24位精度的A/DS1232轉換器，具有可快速準確地測量出土壤的溫濕度、貫入阻力(板結度)以及pH值(酸堿度)的優點，為林木選擇適宜的林地提供依據[9-11]。

1 系統硬件設計

便攜式森林土壤探測儀由兩部分組成：50～60 cm的探針和手持接收儀。其工作系統原理如圖1所示。其主要組成部分有溫濕度傳感器SHT11、pH值傳感器、應變傳感器、AT89S51型單片機、A/D轉換器、電源、顯示屏幕以及放大電路、發送電路。系統的工作原理是：探針頭部阻力針在插入土壤的過程中所受到的阻力經應變傳感器感應，進行電路放大后模擬量與數字量轉換；探針到指定深度穩定后，土壤酸堿度信息被pH傳感器接收，經信號放大和轉換后傳送給AT89S51單片機，不斷變化的外界溫濕度模擬量通過溫濕度傳感器SHT11轉換成單片機能夠處理的數字量，單片機接收綜合性信息并對數據整理分類，最后由LCD顯示模塊顯示在接收器主界面上[12-13]。

圖1 探測儀系統原理圖Fig.1 Theoretical structure of soil detector

1.1 SHT11溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器屬于SHT1×系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路歸集在一塊微型電路板上，輸出完全標定的信號。傳感器在同一個芯片上同時包括測溫原件以及測量濕度的敏感元件，兩者結合在一起構成單一的個體，減少了測量誤差，具有面積小、功效高的特點。SHT11作為各類應用的首選具有以下優點：①測量精度高并且可以得出精確的露點；②信號較強，具有超高的長期穩定性；③具有工業標準的總線界面；④相對溫濕度為全校準數字輸出；⑤體積小。傳感器默認的測量分辨率為溫度14位，濕度12位，但是可通過編程發送命令降低至12位和8位[14-17]。另外如果傳感器在非正常狀態下工作發生暫時性的信號漂移，當恢復到正常工作狀態后，傳感器會緩慢的自動恢復到校正狀態，不需人為調試[18]。該傳感器符合了回應快、抗干擾能力強質量優秀的特點。結合上述SHT11型傳感器的特點以及便攜式土壤探測儀的用途，本儀器采用SHT11型傳感器。25℃時相對濕度最大誤差數據見表1；溫度最大誤差數據見表2。

表1 25℃時相對濕度最大誤差 %RH

表2 溫度最大誤差 ℃

1.2 pH傳感器

土壤的酸堿度通常用pH值來表示，是作為選擇造林樹種最為關鍵的條件。雖然林木的抗酸堿能力要遠遠高于草本植物，但在強酸強堿性土壤中樹種被破壞的事例也不在少數。

便攜式森林土壤探測儀采用復合pH電極探測土壤的酸堿度。測量時可將儀器直接插入土壤中，土壤中的H+與電極發生電化學反應，導致電極兩側形成電勢差。在傳感器正常使用時，pH值與電壓呈反比關系。電信號經放大電路調節至單片機可接收的范圍，以保證單片機能夠正常采集pH傳感器傳回的電壓信號。放大后的輸出信號與單片機P0.0接口相連，將數據傳送到接收儀顯示。pH采集電路如圖2所示。因為傳感器外部具有金屬保護外殼，可避免灰塵等外界的影響，準確度較高。

圖2 pH采集電路Fig.2 pH acquisition circuit

1.3 應變傳感器

一般情況下，板結度大的土壤會影響樹木根系的生長，樹根會呈現分散狀態。本文研究的儀器可以通過測量貫入土壤的阻力來反映土壤不同深度的板結度，經試驗測得不同深度土壤阻力數據見表3。

表3 不同深度土壤阻力Tab.3 Different depth of soil resistance

在探針頭部阻力針處配置有光電傳感器和應變傳感器等。光電傳感器安裝在探針接近端部的地方，用于檢測探針貫入土壤的速度和深度；應變傳感器放置在阻力針與上部金屬外殼交接處，用于測量貫入土壤的阻力，進而獲得土壤壓實程度的空間分布信息。儀器采用的是電阻式應變片，它是將被測件上產生的應變變化轉化為電信號的原件，是壓阻式應變傳感器的重要組成部分。應變片粘著在金屬外殼內部。在插入土壤的過程中，探針受力發生形變，電阻應變片也隨之發生形變，使得應變片阻值發生變化，進而導致電壓發生變化。將電信號經過放大電路再經A/D轉換器處理，最終由單片機傳輸到顯示儀。但是這個電信號往往很微弱，并且容易受到噪聲以及失調的影響，所以在對輸出信號進行數字化處理之前，除了要對其進行放大，最重要的是進行失調處理，以便與A/D轉換器的輸入范圍相匹配。應變傳感器的調理電路如圖3所示。

圖3 應變傳感器調理電路Fig.3 Strain sensor conditioning circuit

1.4 AT89S51單片機

AT89S51單片機具有3種封裝方式(PDIP、PLCC、TQFP)，其中最常用的是PDIP封裝。其中芯片共有40個引腳，包括主電源引腳2根、外接晶振引腳2根、控制引腳4根以及可編程輸入/輸出引腳32根，其中AT89S51的P0、P1.0、P1.1、P2.3和P2.6端口為數碼管顯示控制。主要排布如圖4所示。

便攜式土壤探測儀之所以選擇AT89S51型單片機為核心部件，是因為它具有以下優點：①低功耗，可通過軟件設置省電模式；②當處于掉電模式時可凍結振蕩器而保存RAM數據，從而不會導致因突發情況使數據丟失；③工作頻率為33 MHz，具有較高的工作效率，從而具有更快的計算速度；④內部集成看門狗計時器，不需要外接看門狗計時器電路，簡單方便；⑤具有超高的加密算法，使得程序的保密性大大加強[19-20]。A/D轉換器與放大電路的連接原理如圖5所示。

圖4 AT89S51單片機引腳圖Fig.4 AT89S51 micro controller pin diagram

圖5 A/D轉換器與放大電路的連接原理Fig.5 The connection principle of A/D converter and amplifier circuit

1.5 采集電路

在進行數據的采集時，選用的是A/DS1232轉換器，其精度高達24位精度。轉換器與單片機P2.2端口相連用于數據的讀入，與P2.1和P2.3端口用作轉換器的轉換控制。在A/D轉換器中設置啟動位、使能位及測試位使其處于正常工作模式。且A/D轉換器內部有環境溫度濕度檢測傳感器和低噪聲的可變增益放大器，操作板上低噪聲PGA可以提供使用者選擇的有1、2、64或者128的增益，所以可以支持的滿量程差動輸入電壓為±19.5 mv、±39 mv、±1.25 v或±2.5 v。ADS1232的組成結構如圖6所示。

1.6 報警裝置和LCD顯示屏

為了使用者更好的了解儀器的工作狀態，儀器在探針的頭部設置一個報警裝置，當儀器未探測到數據、所測數據超過儀器設定上限或沒有達到下限時，警報器中的紅色發光二極管就會不斷閃爍，這樣就可以提醒工作人員對儀器進行及時的維修。

LCD顯示屏主要原理是通過電流刺激液晶分子產生點、線、面與背部燈管相配合構成畫面。它較省電，不產生高溫，而且畫面比較柔和，不傷眼。本文所采用的用于數據顯示的顯示屏是點陣式液晶顯示器ACM12864。它由行驅動器、列驅動器和128×64全點陣液晶顯示器組成。LCD的驅動電壓范圍是3～6 V，以適應單片機的5V工作電壓。

圖6 ADS1232基本組成結構框圖Fig.6 Basic structure of ADS1232

1.7 系統硬件性能指標

外形尺寸：探針長50～60 cm，半徑2 cm。顯示儀尺寸：14 cm×6 cm×3 cm。界面直徑：5.5 mm×2.5 mm。回應時間：≤1min。工作溫度：-10～35℃。工作濕度：10%～80%RH。工作電源：3.6 V。

2 系統軟件的設計

作為一個完整的系統，不僅要有完善的硬件系統，還要有一個更加強大的軟件系統與之相配合。在進行軟件設計時采用的是模塊化程序結構，主要分為主程序(初始化子程序、土壤因子采集子程序、發送子程序以及液晶顯示子程序)和從機程序(報警程序、數據存儲程序及響應程序)。其中，主程序主要用于各子程序相關信息的設定及通信處理；初始化程序包括通信初始化、采集累計數據初始化和輸出端口初始化；土壤因子采集子程序包括對土壤溫濕度的感應、對土壤貫入阻力及酸堿度的采集；液晶顯示子程序主要完成的是測量數據的讀取與顯示。從機程序主要配合主程序工作，在系統工作時，如果中間中斷信號無法工作，系統會自動診斷故障原因并開啟報警系統，當從機程序接收到主程序發送的命令時，會以最快速度做出響應，以達到完美配合。系統程序如圖7所示。

圖7 系統程序結構圖Fig.7 System program structure

3 便攜式森林土壤探測儀的整體構造

便攜式土壤探測儀整體結構分為兩個部分，探針部分和手持接收儀。探針部分長約50～60cm，主要包括：位于頭部的阻力針；內部的溫濕度傳感器、pH傳感器、應變傳感器、連接電路；尾部的報警顯示燈和數據線插口。其中阻力針呈錐形，大大減小了探針插入土壤時的阻力；報警顯示燈由發光二極管制成，用于儀器異常情況的報警；數據線插口用于連接探針和接收儀，進行數據傳輸。手持接收儀包括LCD顯示屏、放大電路、光電傳感器等。具有顯示、存儲、打印功能。手持儀結構如圖8所示，圖中4個箭頭分別是向上、向下、向左和向右移動游標到想要選擇的項目上，退出鍵則是退出當前狀態。便攜式土壤探測儀的工作過程如下：

探測前，將分開的探針和接收儀用專用數據線連接起來，待其電路連接穩定，按下接收儀的開機鍵，顯示屏上會出現我們可能選擇的項目，通過上下箭頭定格到校準選項處，按下確定鍵進入校準界面，此時儀器便會自動清查校準，校準完畢通過“退出”按鈕返回主界面。

探測時，選擇樹木旁已經人為整平的土壤，將探針插入至想要測量的深度，等待探針穩定接收儀界面的數據不再跳動，證明儀器已經開始正常工作。探針內部的多種傳感器檢測到相應土壤因子的信息，通過單片機傳遞到接收儀，經放大電路處理以及光電傳感器感應最終顯示在熒幕上。在檢測過程中，如果顯示屏一直不出現數據，則探針尾部的報警顯示燈便會閃爍不停。

探測結束后，顯示屏主界面顯示該次探測的最終結果，同時如果需要對數據進行存儲，按下保存鍵即可(最多可保存50組數據)。若需要打印數據，按下列印鍵，會立刻在顯示儀下端打出數據條，并附有日期和具體時間。使用者可以在接收儀“歷史記錄”中翻查以往數據。顯示儀側方具有連接界面，亦可將數據輸入計算機做具體分析。

本顯示儀具有一個不同于其他儀器的功能，它可以單獨輸出所需要的某方面數據。按下單獨輸出鍵，然后利用上下兩個箭頭選擇需要的項目。

圖8 土壤探測儀的顯示儀結構圖Fig.8 The structure of the display device of soil detector

4 結論

由于前人研究的成果大都只適用于農業領域的檢測且實現功能單一，因此本儀器參照任國強等[4]設計的土壤比貫入阻力測試裝置和匡宇國等[6]設計的便攜式溫濕度檢測儀，利用機械電子控制技術、傳感器技術以及通信技術研制出一種功能綜合的便攜式土壤探測儀。成功的將傳統儀器的各項功能綜合起來，在使用時可以同時檢測出土壤的溫濕度、pH值以及貫入阻力等土壤因子，且具有結構簡單、操作方便，精度高的特點，同時由于其金屬保護外殼，減少了傳感器因外界濕度，灰塵的影響造成的損壞。經試驗，便攜式土壤探測儀能夠很好地應用于林業領域，實時的檢測土壤環境，為林地選擇適宜的樹種提供依據，使林木的健康生長得到保障，本探測儀在林業領域中將會有很好的發展前景。

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ResearchofPortableForestSoilDetector

Lin Menglei，Hu Jindi，Lishuang，Xuewei*

(College of engineering and technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to detect the change of soil factors conveniently and timely，and to provide the basis for choosing suitable tree species in forest，a portable forest soil detector is provided in this paper.By using mechanical and electronic control technology，sensor technology and communication technology，and combining SHT11 temperature and humidity sensor，pH sensor and strain sensor with AT8951 microcontroller and 24-bit precision A/DS1232 converter，the detector solves the problems of single function and complicated operation of the traditional instrument and achieves the effect of “one needle with multiple purposes”. Finally，the test results show that the portable detector can measure the temperature and humidity，pH value and penetration resistance(compaction degree)of the soil in a certain range，and the measuring range is from ground to underground 40 cm，the response time is less than 1 minute，the measurement accuracy is ±0.5%.The detector has the characteristics of simple，light，easy to operation and fast，which can meets the design requirements.The detector has a good prospect in soil detection after forest fire and real-time monitoring of forest growth process.

Soil detectors；temperature and humidity sensors；pH sensors；strain sensors

S 152；X 859

：A

：1001-005X(2017)05-0056-06

2017-03-31

東北林業大學國家級大學生創新項目(201610225086)

林夢磊，本科生。研究方向：森林工程。

薛偉，博士，教授。研究方向：森林工程。

林夢磊，胡進娣，李爽，等.便攜式森林土壤探測儀的研究[J].森林工程，2017，33(5)：56-61.