基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置

李久超++李少巖++郭帥++孫學志++劉曉峰++張竟風

摘 要：快速測量土壤含水率裝置是通過微波法對土壤進行水分的蒸發，通過單片機傳感器可以隨著土壤含水率的多少來控制裝置的功率，既高效的利用了能源又保護了裝置。本裝置具有檢測快速、設備體積小、設備成本低、應用范圍廣的特點。

關鍵詞：微波裝置；51單片機；傳感器

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0020-02

微波法快速測量交通道路土壤含水率的裝置可以取代現有的傳統測量方法。現在的路基、路床設計已經從以往的堅固性為主延伸到“透氣、疏水、堅固耐用”的綜合性指標，但是土壤的含水性是一個路面不可忽視的因素，而且現在的含水率檢測技術諸如“張力計法、酒精烘烤法、風干土樣法、中子法、電阻法”等方式。國內外最常用的只有烘干法與酒精燃燒法，烘干法需要八小時將土壤烘干，耗時非常長，延長了工期。酒精法雖然可以快速測得土壤含水量，但結果很不準確，對結果有很大影響。國內外土壤含水率的檢測方法還存在很多問題，需要進一步研究。此裝置可以有效地解決這些問題。而且土壤含水率對交通有很大的影響，因此研究基于微波法快速準確測量土壤含水率的裝置具有廣闊的應用前景。

1 總體設計

本文設計的裝置是將原有的傳統烘干法與酒精法由微波法代替，從而在測量土壤濕度上發生質的飛躍，解決了設備笨重，測量不準確的問題，此設計更加智能化，通過電氣設備的連接實現了裝置的數字化，而且周圍環境對其影響很小。硬件的選擇本著經濟可靠的設計原則，設計了基于微波法的快速測量交通道路土壤含水率的裝置。控制系統構成如圖1所示，其由開關控制模塊，微波裝置模塊，功率控制，濕度傳感器模塊等組成。工作時，將土壤放入裝置中，通過微波進行土壤的蒸發工作，隨著土壤中水分的減少，由濕度傳感器收集信號反饋到單片機中減小功率，既節約了能源又保護了機器。當土壤中濕度與大氣濕度相同時，由傳感器反饋信號將功率減少到零，使裝置停止工作，再由天平測量前后土壤質量之差，計算公式如下，從而實現利用微波法測量土壤含水率。

η=■×100%

2 模塊工作原理

（1）單片機模塊

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。該系列單片機的始祖是Intel的8004單片機，隨著Flash rom技術的發展，8004單片機取得了長足的進展，成為應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業測控系統之中。由于其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統，堪稱為一代“經典”。此裝置具有廣闊應用前景。

（2）濕度傳感器模塊

環境濕度測試儀是一種用于環境濕度自動監測控制的設備。本傳感器電路簡單，調試方便，監測準確，精度高[2]。本設計采用的是頻率輸出式。 濕度頻率轉換電路采用NE555定時器，成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。本電路與濕敏電容HS1100和電阻等構成多諧振蕩器，通過恰當設置電路中的電阻值，輸出方波，實現濕度監測量向頻率信號的轉換，通過頻率信號的高低我們就可以得知環境濕度，最后與土壤濕度相比較再反饋到功率的大小。

3 軟件設計

該裝置通過檢測tlc555與濕敏電容HS1100和電阻等構成多諧振蕩器傳遞過來的方波信號，運用單片機內部的計數器功能，對50ms方波數進行計數，并且運用單片機內部的定時器功能，設置一個50ms的中端，經計算可以得出方波信號的頻率，該頻率經計算可以得出此時所檢測的濕度值，當達到環境濕度值時，通過單片機自動控制繼電器斷開，使微波控制電路停止工作，達到停止的目的[3]。

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit KA =P3^3；

uchar tem0，tem1； //用于存放50ms中所記脈沖個數的高低字節

uint f=0； //頻率初值

void Init_timer（）

{

TMOD=0x51； //定時器1在方式1下工作16位計數器 定時器0在方式1下工作16位定時器

TL0=0x00； //定時器0初值 定時50000us

TH0=0x4C；

TL1=0x00； //定時器1清零

TH1=0x00；

ET0=1； //使能定時器0中斷

ET1=1； //使能定時器1中斷

EA=1； //使能總中斷

TR0=1； //開始計時

TR1=1；

}

void tran（）

{

f=tem1；

f=（f<<8）|tem0； //計算出50ms中所記脈沖個數

f=f*20； //50ms*20=1000ms=1s 1秒鐘所記脈沖個數等于頻率

}

void main（）

{

KA=0；// 開啟繼電器

if（f<=6667）

KA=1；//當頻率小于6667HZ時關閉繼電器

}

4 結束語

設計的微波法測量土壤濕度裝置有效地解決了傳統設備耗時長，精度不高的問題。本裝置檢測快速、方便、操作簡單，縮短施工工期且設備體積小，可以便捷攜帶，進行現場測量，其靈活性可以對各種狀況適應，更好的發揮了其工作性能。

參考文獻：

[1]李琳，杜倩，梁素鈺，等.蘇打堿土植物根際土壤微生物與土壤理化特征的關系[J].森林工程，2015，31（04）：5-9.

[2]晏鳴霄，夏振清，王攀婷，等.南甕河濕地保護區土壤有機碳、含水率和pH的變化分布[J].森林工程，2015，31（04）：22-25.

[3]徐闖.季凍區邊坡表層粉質粘土力學指標影響因素室內試驗研究[J].森林工程，2015，31（03）：146-150.

[4]鐘健波.壤墑情信息采集終端設計研究[J].科技創新與應用，2014（21）：57-58.