一種土壤濕度檢測的方法和電路設計

摘 要： 土壤濕度檢測是自動灌溉控制系統中的一個關鍵因素。通過恒流源作用下的土壤探針試驗，得到能夠反應土壤濕度變化趨勢的電阻和電容組合模型。根據該模型指出土壤濕度的信號采樣應該是盡量接近瞬態過程的初始值，并設計了檢測電路，實現濕度?脈沖寬度的轉換，利用捕捉脈沖寬度的方法能夠精確得到濕度值，同時針對濕度變化非線性曲線給出了自動控制系統中的檢測控制策略，經過實際試驗，設計的控制系統具有良好的穩定型和區分精度。

關鍵詞： 土壤濕度檢測； 組容模型； 檢測電路設計； 控制策略

中圖分類號： TN78?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0125?03

土壤濕度，又稱土壤含水率，是植物生長的一個重要影響因素，在園林花卉、蔬菜大棚等自動灌溉控制系統中，土壤濕度檢測準確和穩定是控制系統成功的關鍵。現有的土壤濕度測定方法基本都屬于電信號測量方式，即土壤作為載體通過電信號時，電信號的特性發生一定的改變。但實際土壤的結構和成分非常復雜，土壤是固相、液相、氣相共同組成的物質[1]，這些物質處于一種微弱的平衡之中。當探測頭插入土壤或電信號通過時，土壤中的平衡被改變，從而使得測量的準確性和穩定度較差。如何在測量過程中能夠保證穩定性和精度，是電信號測量土壤濕度的關鍵問題。

1 恒流源作用下土壤濕度模型

設計試驗土壤濕度檢測的結構如圖1，采用直徑約 1 mm，長100 mm的不銹鋼針作為土壤探針，探針間距離100 mm。當控制開關開通時，恒流源輸出穩定電流（0.5 mA），通過土壤在兩根探針間輸出電壓波形，得到圖2中的電壓瞬態變化曲線。如果測量不同濕度的土壤就可以得到圖2的曲線簇。

從圖2中可以得出以下結論：

（1）在恒流源作用下土壤濕度越大，輸出電壓波形的瞬態過程越長，輸出電壓幅度變化越大。

（2）在恒流源作用下不同土壤濕度情況下，當達到新的平衡時，輸出電壓的大小趨向數值相同。

（3）在恒流源作用下瞬態過程中土壤濕度越大，輸出電壓的初始值越小；土壤濕度越小，輸出電壓的初始值越大。

理論上土壤濕度檢測的電學模型可以用一個阻容網絡進行模擬[2]，在恒流源作用下常用的阻容電路（如圖3所示）很難解釋上述的結論，因此將電學模型修改為如圖4的阻容模型電路來進行解釋。

結合上述結論，對于圖4的阻容等效網絡在恒流源作用下可以得出：

（1）輸出電壓波形符合電容充電的曲線趨勢；

（2）由于不同濕度時，輸出電壓在一定時間穩定后趨向數值一致，可知R0在不同的土壤濕度時基本變化很小；

（3）土壤濕度越大，輸出電壓的初始值越小，由于電容通電“瞬間”導通的原理，可知R1隨著土壤濕度的增加而減小；

（4）土壤濕度越大，輸出電壓波形的瞬態過程越長，可知C隨著土壤濕度的增加而增加，而且R1C也增大。

從阻容等效網絡的物理意義上講，可以認為R0代表了土壤樣本的結構和基本成分，具有一定的穩定性；R1代表了土壤固相、液相和氣相的物理變化，當濕度變化時，三者的比例發生變化，其導電性能變化；C代表土壤的電化學反應，當濕度變化時電解質的活躍程度變化，同時電流輸入時，將會產生一些電解反應。

2 土壤濕度檢測電路設計

從恒流源土壤濕度檢測的分析可知，在實際信號采樣中當電流輸入后輸出信號到達基本穩定時，其檢測結果很難反應出濕度的區別，同時電流的輸入打破了土壤的微弱平衡，其特性可能會發生變化，造成信號自身對測量的干擾。因此信號的采樣應該位于輸出電壓曲線的初始值附近，才能準確反應土壤濕度的變化，同時由于電流作用時間短，電解反應的干擾基本不會出現。

實際采樣電路如圖5所示，在恒流源開通時，利用標準鋸齒波電壓與土壤探針輸出電壓在運放組成的比較電路中產生矩形脈沖，通過斯密特觸發電路整形后進行脈寬捕捉和檢測[3]，得到代表此時輸出電壓大小的矩形波脈寬，得到數據后系統立刻關閉脈寬捕捉功能和恒流源。

從理論上，鋸齒波的頻率越高，系統所捕捉的第一個脈寬越接近探針輸出電壓的初始值。實際上由于在較小恒流源電流作用下，輸出電壓波形的穩定時間基本都在100 ms以上，因此在實際使用中綜合系統捕捉脈寬軟件的技術實現可設計鋸齒波的頻率100 Hz以上即可。在實際制作中金屬探針插入泥土后，對于泥土會產生一定擾動，土壤中的自由離子向金屬表面運動，影響檢測準確性。因此為了保證測試的穩定性，探針的金屬表面與土壤接觸不能太大，同時為了保證探針的插入深度，可采用絕緣材料包裹金屬探針的方式[4] ，金屬探針露出與土壤直接接觸的針長短在1～1.5 cm為宜。測試時應先將探針插入土壤后一定時間（10～15 min）后進行。

圖6顯示實際制作的電路（鋸齒波頻率為100 Hz）在土壤濕度增加時脈沖寬度的變化情況，其濕度?脈沖寬度曲線具有函數單調性。圖7為同一濕度下不同時間段脈沖寬度變化，其穩定性較好。

3 基于土壤濕度檢測的控制系統策略

由于同一土壤在不同濕度時其檢測數據曲線具有一定非線性，為了提高檢測的精度，控制系統CPU（單片機等）可以采用分段線性擬合的方法來實現較高的檢測精度[5?8]（見圖8）。

在系統工作之前，先利用樣本土壤進行濕度數值預置，如5%，10%，15%，…，控制系統利用這些樣本檢測到的脈寬數值進行分段線性擬合曲線，生成分段脈寬?濕度函數。在實際測量時，將檢測到的脈寬數據對應相應區間函數進行運算，即可得到相應的土壤濕度值。同時由于實際上土壤的濕度變化不會很快，因此可采用定期采樣（間隔幾分鐘左右）的方式來進行工作。

在測量不同土壤時，應先清除原有預置值，重新進行樣本土壤濕度預置，生成新的分段脈寬?濕度函數進行工作。

4 結 語

本文所建立的恒流源作用下土壤濕度電學模型較好地表現了土壤濕度變化時探針阻抗變化的特性趨勢，根據本文設計電路和控制策略制作的土壤濕度檢測自動控制系統，經過在農業蔬菜大棚自動澆灌控制系統[9]和陽臺花園自動澆灌控制系統中的應用和實踐，土壤濕度檢測穩定度和區分度比較良好。由于土壤的結構非常復雜，成分之間的相互反應多種多樣，土壤中的微弱平衡很容易受到外界的干擾（如溫度變化等）[10]，如何提高抗干擾還有待進一步深入研究。

參考文獻

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