畢業(yè)論文-基于駐波比的土壤濕度測量研究

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目基于駐波比的土壤濕度測量研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣工程及其自動化8班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 月日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 摘要土壤的濕度對于科學(xué)地利用水資源，使用農(nóng)作方式和發(fā)展節(jié)水型灌溉農(nóng)業(yè)是一個重要的參數(shù)，但由于土壤的成分以及結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如何準(zhǔn)確地測量其濕度值是一個難題。為了發(fā)展節(jié)水型新農(nóng)業(yè)，簡單，快捷，低成本的測量土壤濕度方式是必不可少的。本文簡要綜述了當(dāng)今測量土壤濕度的研究現(xiàn)狀，分析了土壤的結(jié)構(gòu)特點并論證了通過測量土壤介電常數(shù)可以間接測量土壤的濕度的原理；從理論和測量方面研究了基于駐波比原理開發(fā)的測量土壤濕度的方法，在此基礎(chǔ)上還對原有文獻(xiàn)提供的電路進行簡化，研究和開發(fā)了土壤濕度測量的系統(tǒng)。此外還使用C#語言編寫了上位機以便實時查看數(shù)據(jù)。實驗表明：該測量方法可行，其信號能夠隨土壤水分的變化而發(fā)生明顯變化。關(guān)鍵詞：駐波比，土壤濕度，介電常數(shù)，峰值檢波TheoperatororderingprobleminquantumHamiltonianforsomeConstraintsystemsAbstractSoilmoistureisanimportantparameterforthescientificuseofwaterresources,agriculturalpracticesandthedevelopmentofwater-savingirrigationagriculture.Duetothecomplexityofboththesoilcomponentsanditsstructure,itgraduallybecomesanimportantissuetoaccuratelymeasurethesoilmoisture.Inordertodevelopnewwater-savingagriculture,it’sessentialtodevelopasimple,fast,andlow-costwayformeasurements.Thisarticlefirstbrieflyreviewstoday'smeasurementsofsoilmoistureandanalyzesthesoilstructure.Thenitdemonstratesaveryimportantprinciple--bymeasuringthedielectricconstantofsoilmoisture,thesoilmoisturecanbemeasuredindirectly.Meanwhile,basedonboththetheoreticalstudiesandpracticalmeasurements,anewmeasurementwayisdevelopedaccordingtotheSWRmethod.Besides,asimplifiedcircuitisdesignedonthebasisofrecentdocuments.Finally,asoilmoisturemeasurementsystemisdesignedandputintouse.What’smore,theuppercomputerisprogrammedwithC#languageforreal-timedataviewing.Manytimesofexperimentsshowsthatthesignalsgeneratedbythissystemhaveasignificantchangecorrespondingtothesoilmoisture,whichvirtuallydemonstratesthefeasibilityofthemeasurementmethodinthisarticle.湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)目錄TOC\o"1-3"\h\u23411緒論 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁1緒論1.1課題背景及目的中國淡水資源豐富，占全球水資源的6％，居世界第4位，但人均淡水擁有量較低，僅為世界平均水平的1/4，在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。我國水資源分布有兩大特征：一是降水時間分布不均勻，北方地區(qū)降水少，降水變率要比南方大得多，并且出現(xiàn)豐水期和枯水期；二是水資源地區(qū)分布不均勻，與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力布局不匹配，長江以北廣大地區(qū)，人口占全國的47%，耕地面積占全國的65%，而水資源量僅占全國的19%。我國目前的農(nóng)業(yè)用水總量占總供水能力的73.4％（若考慮農(nóng)村生活用水則占81.7％）。因此我國是一個缺水的國家，農(nóng)業(yè)又占據(jù)著大量的寶貴水資源。在中國農(nóng)業(yè)的經(jīng)營方式大體上是粗放型的，即大肥大水的模式，沒有節(jié)制性。施肥的量遠(yuǎn)高于需求量，導(dǎo)致了土壤的板結(jié)化以及水資源的污染，灌溉的方式大多是淹蓋方式造成了水資源的浪費。在發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)水利用率已經(jīng)達(dá)到70%-80%，而我國只有40%，因此水資源的節(jié)約重點在于農(nóng)業(yè)水資源利用率的提高。如果在進行灌溉之前能夠用快速土壤濕度測量儀檢測出土壤的含水量在進行適當(dāng)?shù)毓喔?，?jié)水的效果會更加的好。但是土壤是一種十分復(fù)雜的物質(zhì)。它是礦物和有機物的混合組成部分，存在著固體，氣體和液體狀態(tài)，因此土壤通常被視為有多種狀態(tài)。土壤的組成是由巖石風(fēng)化而成的礦物質(zhì)、動植物殘骸，微生物分解殘體產(chǎn)生的有機質(zhì)、土壤生物以及水分、空氣，氧化的腐殖質(zhì)等組成。固體物質(zhì)包括土壤礦物質(zhì)、有機質(zhì)和微生物通過光照抑菌滅菌后得到的養(yǎng)料等；液體物質(zhì)主要指土壤水分；氣體是存在于土壤孔隙中的空氣。土壤內(nèi)部物質(zhì)種類之多造成了精確測量土壤水分具有較高的難度，如今隨之科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土壤水分測量的方法多種多樣，研究測量土壤濕度的技術(shù)離不開需要一系列與其相關(guān)的基礎(chǔ)理論支持。在學(xué)術(shù)界把土壤作為一種非均勻性多孔吸水介質(zhì)對其開展含水量測量技術(shù)的研究，其技術(shù)涉及到應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)、土壤物理、高頻電路、電磁場導(dǎo)論以及微波技術(shù)等多種學(xué)科知識的并行交叉[1]。1.2國內(nèi)外研究狀況當(dāng)今土壤濕度的測量技術(shù)多種多樣，已經(jīng)從傳統(tǒng)的烘干法發(fā)展到現(xiàn)在的自動烘干法，射線法，張力計法，中子法等等。1.2.1烘干法烘干法是測量土壤含水量的經(jīng)典方法，為國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。其特點是方法簡單，測量精度高，對設(shè)備要求簡單，缺點是檢測時間長，不能快速測量。它是利用電烘箱加熱被測土壤使水分蒸發(fā)的物理原理進行濕度檢測。利用被測土壤加熱前后重量的變化檢測樣品含水量，進而可以求出土壤的濕度。其結(jié)果可以作為檢驗其他方法的檢測標(biāo)準(zhǔn)，多用于實驗室檢測，土壤濕度表達(dá)式為：式中：--土壤干重（單位：）--土壤濕重（單位：）1.2.2射線法射線法即通過測量射線在土壤中的衰減情況測量土壤含水量。由于水的介電常數(shù)特別高，且在超高頻范圍內(nèi)存在介電損耗最大值。射線法就是利用超高頻能量通過被測土壤產(chǎn)生能量損耗，通過對之后射線探測器進行計數(shù)，經(jīng)過校準(zhǔn)后得到土壤的含水量。中子法和計算機斷層掃描法使用的儀器設(shè)備昂貴，一次性投入比較大，而且在測定表層土壤時的含水量用中子儀不準(zhǔn)確，而且測定不同的土壤類型時還需要校正參數(shù)，還伴隨輻射泄露的危害，因此多用于實驗室的研究[2]。根據(jù)電磁能量傳播的關(guān)系，射線在含水物質(zhì)中的衰減量W(dB)為：式中：M：含水物質(zhì)的相對水分含量：被測物-空氣之間反射系數(shù)的模B：含水物質(zhì)的相數(shù)：水的衰減系數(shù)：密度因數(shù)：材質(zhì)因數(shù)：被測物的厚度1.2.3TDR法TimeDomainReflectrometry(TDR）是1960年左右開發(fā)的土壤濕度測量技術(shù)，也是現(xiàn)在很多實驗室使用的分解率和準(zhǔn)確性較高的測量技術(shù)。它的檢測原理是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)本身的介電常數(shù)有關(guān)這一原理研制的。從理論分析和實驗驗證可證明：電磁波在非真空物質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)存在以下關(guān)系：其中：，當(dāng)，時，此時公式可以化簡為由于c是光速是一個常量，只需求出電磁波在介質(zhì)的傳播速度即可求出介質(zhì)的介電常數(shù)，根據(jù)這個原理設(shè)計出如圖所示的TDR工作系統(tǒng)圖圖：TDR工作系統(tǒng)圖在圖中，l是土壤探針長度，假設(shè)t0時刻電磁波從探針與導(dǎo)線連接處發(fā)出，t1時刻返回，則電磁波傳播速度為代入式（），可得在1980年，加拿大研究員Topp等將TDR用于含水土壤的介電常數(shù)測量研究中，得到了很著名的，現(xiàn)在在研究中廣泛使用的Topp方程：其中是表示土壤的含水率，或是土壤濕度。根據(jù)Topp方程可以獲得土壤介電常數(shù)與土壤含水率的關(guān)系。其關(guān)系如圖所示圖：土壤含水率與介電常數(shù)的關(guān)系1.2.4中子法高速運動的快中子與物質(zhì)發(fā)生碰撞時會發(fā)生方向的變化并造成能量的損失，衰減變成慢中，由于被測物中含水量不同因此產(chǎn)生的衰減也不同，這是因為水中含有大量的氫原子，而氫原子對中子的能量損失作用遠(yuǎn)大于對其他原子，因此可以通過測定慢中子的數(shù)量來測定煤粉的含水量。但是中子水分儀必須由人工標(biāo)定，精度受土壤密度、體積影響較大。不過這個方法的優(yōu)點在于能夠較快速的測量土壤濕度，它還具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)和不影響農(nóng)作物正常生長等優(yōu)點。主要缺點是設(shè)備的價格昂貴，而且這種方法如果屏蔽不好。容易造成射線泄露，以致污染環(huán)境，危害人體健康，中子法在有些發(fā)達(dá)國家已被禁止使用。1.3論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容本文擬從以下幾個方面對含水土壤的介電特性進行系統(tǒng)的理論探討和實驗研究。1.根據(jù)介質(zhì)物理學(xué)的有關(guān)研究結(jié)果作為本研究的理論基礎(chǔ)，分析土壤的介電特性。2.利用無線電工程中的傳輸線理論及駐波比的原理研究出土壤介電常數(shù)的測量方法，并根據(jù)理論設(shè)計出線性度好，測量范圍寬的土壤濕度測量計。3.不同結(jié)構(gòu)的土壤探針阻抗的計算方法在土壤濕度測量研究過程中是一個重要的難點。分析探針阻抗數(shù)學(xué)模型不僅能為基于駐波比原理的土壤濕度測量技術(shù)的電路設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)，而且能用于TDR和FD等其它測試方法的土壤探針阻抗計算。4.設(shè)計制作相應(yīng)系統(tǒng)并進行相應(yīng)的調(diào)試。5.對測量數(shù)據(jù)進行分析，驗證設(shè)計系統(tǒng)的可靠性及精度。2土壤濕度測量基本理論分析2.1土壤介電特性圖1：土壤的內(nèi)部組成自然界物質(zhì)的存在方式有固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)。而含水土壤的存在方式卻是固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)三種方式的混合態(tài)。本身就具有了復(fù)雜性，它的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1：土壤的內(nèi)部組成土壤里面的空氣存在于土壤顆粒之間，如果土壤顆粒之間的水分增多則土壤內(nèi)部的空氣含量也會降低。不同性質(zhì)的土壤其蓄水能力不同，如粘質(zhì)土壤里面的大孔隙少，毛圖2：常見材料的介電常數(shù)管空隙多，蓄水能力強，空氣含量往往很低。結(jié)構(gòu)良好的土壤，孔隙密度高，而且多是大孔隙，所以空氣含量也高。在土壤中水，空氣與土壤顆粒間的介電常數(shù)各不相同，尤其是水的介電常數(shù)特別大，與其他兩者差異巨大。圖2是一些介電材料的介電常數(shù)：圖2：常見材料的介電常數(shù)由于水的介電常數(shù)特別大，在溫度16℃時的介電常數(shù)為81，空氣的介電常數(shù)約為l，土壤顆粒的介電常數(shù)約為2～3。可見在一定的頻率范圍內(nèi)，水的介電常數(shù)比空氣和土壤顆粒的介電常數(shù)大的多，含水土壤的介電常數(shù)主要由土壤含水量來決定，因此可以通過測量含水土壤在一定頻率下的介電常數(shù)來達(dá)到測量土壤濕度的目的。本文中的介電常數(shù)通常指的是相對介電常數(shù)。在交變電場中，物質(zhì)的介電常數(shù)是用復(fù)數(shù)形式所表示的，其實部表示物質(zhì)的儲能特性，虛部表示物質(zhì)的耗能特性，復(fù)介電常數(shù)的頻譜特性可用Debye方程描述[]：將復(fù)介電常數(shù)的實部與虛部分離，可得出復(fù)介電常數(shù)實部與虛部各自的頻譜特性，--復(fù)介電常數(shù)--復(fù)介電常數(shù)的實部--復(fù)介電常數(shù)的虛部--電磁的頻率--介電損耗峰值的頻率--當(dāng)外電場的頻率為低頻時物質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù)，反映了介質(zhì)的松弛損耗。--當(dāng)外電場頻率達(dá)到無窮大時的介電常數(shù)，反映了介質(zhì)的位移極化的貢獻(xiàn)。從公式上可知，介電常數(shù)與測試的頻率有關(guān)，此外介電常數(shù)還與溫度有關(guān)。表2.1展示的是水在不同溫度下的介電常數(shù)。溫度（℃）介電常數(shù)ε087.90585.901083.952080.18圖3：水在不同溫度下的介電常數(shù)圖3：水在不同溫度下的介電常數(shù)由此可見介電常數(shù)ε不僅與外電場頻率的有關(guān)，同時也與溫度高低有關(guān)。例如，Hasted(1973)發(fā)現(xiàn)水的相對靜態(tài)介電常數(shù)與溫度(℃)的關(guān)系式為（2.1）所以，嚴(yán)格地說在討論介電常數(shù)的測量問題時，溫度的影響因素也必須一同考慮。根據(jù)含水土壤的介質(zhì)特性我們可以得出其介電常數(shù)的大致表達(dá)式：（2.2）式中，，分別表示土壤中氣、固、液三態(tài)物質(zhì)的介電常數(shù)，，，分別表示氣、固、液三態(tài)物質(zhì)的容積比例系數(shù)。顯然，通過分析Debye方程可知，不同的測試頻率的對測量的結(jié)果也有一定的影響，在不同的頻率測試下，復(fù)介電常數(shù)的實部和虛部所起的作用各不相同。此外含水土壤的介電損耗與土壤的鹽分、水分、有機質(zhì)和壓實度都相關(guān)?，F(xiàn)有的研究顯示，當(dāng)測試頻率高于30MHz時，水的復(fù)介電常數(shù)的虛部將顯著降低，這時起主要作用的是介電常數(shù)的實部，為了讓水的復(fù)介電常數(shù)的實部起主要作用以便于測試土壤的含水量，測量頻率的選擇應(yīng)在30MHz以上才能進行實驗，否則土壤電導(dǎo)率將對土壤含水率測量結(jié)果產(chǎn)生不利影響。在此之前已有從事介電物理學(xué)研究的學(xué)者對含水土壤介電行為的頻率特性做了大量的實驗研究。Hasted(1973)．Hilhost和Dirksen(1994)以及Santamarina和Klein(1998)等先后都發(fā)表了相關(guān)的研究報告。從Hastedt[]和Hilhost與Dirksen[]提供的實驗結(jié)果可以知道當(dāng)使用低頻段(f<1MHz)的測試頻率時，含水土壤介電常數(shù)的，即虛部分量起主要作用。當(dāng)使用的測試頻率增加時，的作用顯著下降，因此在測量土壤電導(dǎo)率通常選在測試頻率低于1MHz的頻段。此外Hilhost和Dirksen的實驗結(jié)果則還進一步表明，對于粘粒、粉粒和沙粒，它們介電常數(shù)的實部分量，隨著測試頻率的不同而存在著明顯的差異。但是在100～500MHz范圍內(nèi)，三種土壤介電特性行為十分的相似。所以，Hilhost和Dirksen的結(jié)論是使用100～500MHz測試頻段對各種不同類型土壤介電特性的測量受到土壤質(zhì)地變化因素的影響最小。因為是第一次借助高頻的方法進行測量，且考慮到現(xiàn)有的參考資料及設(shè)備的成本，所以本文選用了100MHz的頻率進行測量。2.2基于駐波比的快速土壤濕度測量方法由傳輸線理論可知，由信號源產(chǎn)生的正弦波通過同軸電纜傳遞到探針時，由于同軸電纜的阻抗與探針的阻抗不匹配，導(dǎo)致有部分信號被反射回來，此時反射波與入射波疊加在傳輸線上形成了駐波，造成線上有的地方信號幅值強，有的信號幅值弱。測量裝置如圖4所示，它主要由振蕩器，同軸電纜，探針三部分組成。振蕩器的頻率是100MHz，同軸電纜的特征阻抗為50歐姆，探針為同心四針結(jié)構(gòu)。由電磁場理論可知：電磁波在真空中傳播速度為光速，其頻率與波長成反比。當(dāng)振蕩器發(fā)出100MHz的信號在同軸電纜中傳播時，由于同軸電纜中填充的介質(zhì)材料的介電常數(shù)一般為4～5，相對磁導(dǎo)率=1，由公式可知，其信號傳播速度是光速的一半左右，對應(yīng)波長約為1．5米。由于測量裝置采用的同軸電纜長度可以和電磁波波長相比較，因此在分析電路中的信號傳播時候需要采用分布電路來分析。圖4：傳感器組成示意圖根據(jù)無線電工程的傳輸線理論[4],可將整個測量裝置等效成如圖5所示電路。圖4：傳感器組成示意圖圖5：測量裝置等效電路圖5：測量裝置等效電路在圖5中，Z表示傳輸線的阻抗，Eg表示信號源電動勢，Rg表示信號源內(nèi)阻，ZL表示探針阻抗，即為負(fù)載阻抗，R1，G1和C1表示傳輸線上的分布電阻，電導(dǎo)和電容。該等效電路圖把均勻傳輸線看做是由一系列的集總元件構(gòu)成，并將傳輸線劃分為許多的微分段，由于分布參數(shù)在同軸電纜是均勻分布，且線元長度極短，故可用一個Γ型網(wǎng)絡(luò)進行等效。在Z軸任意點z取微元，即可得到該點的電壓與電流的微分方程。（）（）令為同軸電纜單位長度的阻抗（歐姆），為同軸電纜單位長度的導(dǎo)納。再令，其中為導(dǎo)電媒質(zhì)中波傳播常數(shù)，用來表示電壓或電流行波沿傳輸線行進過程中的衰減和相移的參量，稱為衰減常數(shù)，表示在導(dǎo)電媒質(zhì)中電磁波衰減的快慢，單位是，稱為相移常數(shù)，表示波在傳播過程中相位改變的快慢，單位是。再由（）（）兩式做二次微分便可得到傳輸線的電報方程：這是常系數(shù)二階線性微分方程，其通解為：（）（）（）（）定義傳輸線的特性阻抗：（）將（）代入（），可得再由邊界條件確定。根據(jù)傳輸線的兩個端點可知在負(fù)載端Z=0處有，將其代入上式可得：可得，其中表示同軸電纜的特性阻抗，表示探針的特性阻抗在此，得到了反射系數(shù)，它表示在傳輸線上距終端(負(fù)載端)X距離處的反射波與入射波電壓向量(或電流向量)之比。在式（）中的實部是電壓的瞬態(tài)表達(dá)式，將代入可得：由于本文使用的同軸電纜可視為無損傳輸線，因此，故有因此當(dāng)位于負(fù)載端（Z=0）時，電壓的峰峰值：令，則此時可獲得在四分之一波長處的電壓峰峰值：其中A表示信號源的幅值，通過這幾條公式的推導(dǎo)表明但傳輸線的長度為四分之一波長時，駐波的波峰與波谷位于傳輸線的兩端，此時兩端電壓差最大，因此在實際設(shè)計中同軸電纜常取四分之一波長的長度。兩端的電壓峰峰值差為：因此當(dāng)信號源的幅值一定時，傳輸線兩端的電壓峰峰值由反射系數(shù)決定，在傳輸線理論中又可以用駐波比的方式表示：通過公式的推導(dǎo)可知，傳輸線兩端的信號電壓峰峰值差由反射系數(shù)決定，而反射系數(shù)的大小是由傳輸線阻抗與探針阻抗的匹配程度決定的，當(dāng)兩者相差越大時，反射系數(shù)越大，兩端的電壓峰峰值差就越大，由于探針的阻抗與土壤的濕度有關(guān)，由此可以得到土壤濕度與電壓峰峰值差的關(guān)系，通過檢波的方式對兩端的電壓做差就可以測量土壤的濕了?；趥鬏斁€阻抗變換原理的測量土壤濕度的原理圖如圖（）所示：圖：測試原理圖由于傳輸線的特性阻抗已知，實際傳輸線兩端電壓的變化上是由于土壤探針阻抗變化引起的。所以，需要建立土壤探針阻抗計算的數(shù)學(xué)公式，以便于設(shè)計出更好的探針結(jié)構(gòu)。2.3土壤濕度測量探針的設(shè)計在上一篇的推導(dǎo)中可知，當(dāng)同軸電纜的特征阻抗確定時，傳輸線兩端的電壓峰峰值差由探針的特征阻抗決定，因此需要對探針的特征阻抗建立數(shù)學(xué)模型，同時也為了能夠設(shè)計出更好的探針結(jié)構(gòu)提供理論上的參考。在目前的相關(guān)研究文獻(xiàn)中，土壤探針結(jié)構(gòu)有單針，雙針，四針等不同的結(jié)構(gòu)，具體探針的電位分布形狀如圖所示：圖：不同土壤探針結(jié)構(gòu)的等電位分布。觀察圖，可知土壤的探針屬于多頭非規(guī)則形狀，如果從電磁場理論去推導(dǎo)它的特征表達(dá)式將非常困難，因為其邊界條件十分復(fù)雜不保證存在解析解。不過在1989年澳大利亞學(xué)者Zegelin等給出了圖，定性的給出了多種結(jié)構(gòu)探針的電位分布圖。從圖中可看出同軸傳輸線和平行傳輸線是不同探針結(jié)構(gòu)中的兩個極限，因此多頭探針是介于這兩者之間的。探針的頭數(shù)越多，其特性就越接近于同軸電纜，探針頭數(shù)越少就越接近于平行傳輸線。因此可先分析同軸傳輸線和平行傳輸線的特征阻抗，再通過夾逼定理來估計出多頭探針的特征阻抗。根據(jù)同軸電纜的特性阻抗計算公式可知[]：式中，R——表示外導(dǎo)體半徑；r——表示內(nèi)導(dǎo)體半徑；ε——表示傳輸線內(nèi)部絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)。雙軸電纜的特性阻抗為式中，R——為外導(dǎo)體的半徑；r——為內(nèi)導(dǎo)體的半徑；ε——為傳輸線內(nèi)絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)。因為土壤探針的結(jié)構(gòu)為多頭結(jié)構(gòu)，所以存在的關(guān)系，因此存在比例系數(shù)ξ，使得1<ξ<2，這樣多針探頭的特性阻抗可以表示為[]：設(shè)同軸電纜內(nèi)的介電常數(shù)為，探針內(nèi)的介電常數(shù)為，將代入，在代入式（）即可以得到以下表達(dá)式：結(jié)合現(xiàn)有的土壤探針設(shè)計資料，得到了同心四針結(jié)構(gòu)[]的設(shè)計圖,該結(jié)構(gòu)具有探針集膚效應(yīng)小，又不破壞土壤結(jié)構(gòu)，并且在不均勻土壤濕度中測量準(zhǔn)確度較高。從式中也可以得出反射率與同軸電纜填充的介電材料的介電常數(shù)和土壤的介電常數(shù)有關(guān)。由于同軸電纜填充的介電材料的介電常數(shù)一般為4～5，而含水土壤的介電常數(shù)在15-20，且ξ>0，因此反射率，也就是說土壤的濕度增大時反射率增大，在z=0處的電壓峰峰值將減小，在處電壓峰峰值將增大。由于是初次制作高頻電路在實際操作中發(fā)現(xiàn)若同時對同軸電纜兩端進行檢波，電路受外界的干擾較大而且檢波模塊在處與同軸電纜難以很好連接，因此決定只對z=0處的信號進行檢波，在實際測試中具有信號穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，電路干擾少，操作簡單等優(yōu)點。實際的電路示意圖如圖所示：圖：本文實際采用的電路示意圖在同心四針結(jié)構(gòu)的土壤探針設(shè)計中遇到了很多問題，主要是缺乏設(shè)備的支持。在淘寶上也沒有找到類似的結(jié)構(gòu)。因此不得不考慮使用單針結(jié)構(gòu)的探針模型，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得了單針模型的一些資料。圖：單針模型單針模型具有結(jié)構(gòu)簡單，插入土壤方便對土壤結(jié)構(gòu)破壞性小的優(yōu)點，但同時由于沒有像多頭探針那樣的吸收電極，單針模型的抗干擾性比較差，在土壤的濕度比較低時很容易受到外界的電磁環(huán)境干擾。3基于傳輸線駐波比的電路設(shè)計3.1電路的系統(tǒng)設(shè)計土壤的濕度檢測電路主要由電源，電路板和同軸電纜與探針組成。其組成如圖所示：3.2電路的硬件設(shè)計檢測電路的硬件系統(tǒng)的構(gòu)成：：雙電源模塊：信號源模塊：峰值檢測模塊：AD模塊：溫度傳感器模塊：液晶顯示模塊：單片機模塊：上位機模塊硬件系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖所示，電源模塊如圖所示：MCU100MHz振蕩器MCU100MHz振蕩器同軸電纜探針峰值檢測AD模塊溫度檢測模塊液晶模塊按鍵藍(lán)牙模塊圖：硬件系統(tǒng)模塊關(guān)系圖12V開關(guān)電源12V開關(guān)電源雙電源模塊LM1117-5VKA7909+5V-5V+12V+12V-12V-12V圖：電源模塊系統(tǒng)圖3.1100MHz振蕩器電路設(shè)計由于在電路中采用的是100MHz高頻信號源，為了檢測的方便決定制作100MHz信號發(fā)生器。信號源的設(shè)計要滿足尺寸小，不然做出來的板子就會很大，還要求頻率穩(wěn)定以及功率較大。綜合這些基本要求和參考一些文獻(xiàn)里用過的高頻電路，決定使用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC1648。這款芯片體積小，外圍電路簡單，能在5V或者-5V的電壓下工作。它的管腳圖如圖所示圖：MC1648引腳分布圖MC1648在工作時需要一個電感和一個電容來組成tank回路，這個回路將提供MC1648的振蕩頻率。這款芯片的最高工作頻率可以達(dá)到225MHz，也可工作在9V電壓的大功率模式。芯片內(nèi)部簡單的工作原理圖如圖所示圖：芯片工作原理圖它的內(nèi)部電路分布如圖所示：單片MC1648的工作頻率由外部的tank回路里的電感和電容決定，但在tank回路兩端也就是芯片的10和12腳之間有6pF的輸入電容，因此在計算時因考慮這部分輸入電容。則振蕩器的工作頻率計算公式為：其中：，是芯片10和12腳的輸入電容改變回路的電感和電容值（）即可改變振蕩頻率，將電容改為變?nèi)荻O管即可作為可變頻率的振蕩器。實際的電路設(shè)計如下圖所示：圖：100MHz信號源電路設(shè)計圖：傳輸線上的100MHz信號。（示波器帶寬為100MHz）圖：使用示波器觀察振蕩電路在進行信號源電路設(shè)計時因注意芯片工作電壓的穩(wěn)定，從芯片內(nèi)部的電路圖分析可知芯片輸出的高頻信號強度與工作電壓直接相關(guān)，因此在設(shè)計中采用了線性穩(wěn)壓芯片作為芯片的工作電源。另外環(huán)境的溫度也會影響到芯片的振蕩頻率，因為tank回路里面的電感和電容值會隨著環(huán)境溫度的改變而改變，所以在選材時因盡量選用貼片型號，電容的材質(zhì)最好是NPO型，這種材料的電容具有溫度補償?shù)墓δ堋?.2峰值檢波電路設(shè)計MC1648芯片的信號是高頻交流信號疊加在直流信號上，從示波器上可觀察到信號其實是4V到5V之間振蕩，為了獲得傳輸線上的高頻信號需要對信號先進行濾波得到高頻信號再進行信號的放大。另外由于信號的頻率高達(dá)100MHz需要用高速運算放大器且?guī)捀哂?00MHz才能進行有效地放大。通過參考相關(guān)文獻(xiàn)后決定采用AD9617高速運算放大器，它的管腳分布如圖所示：AD9617適用于閃存轉(zhuǎn)換器，電流-電壓轉(zhuǎn)換器，雷達(dá)處理器，基帶和視頻通信，光電二極管，CCD前置放大器。這款運放是一個電流反饋放大器，它采用了專有架構(gòu)用于產(chǎn)生良好的失真和直流精度。它能實現(xiàn)快速穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換率，高帶寬（包括小信號和大信號）和卓越的信號保真度。小信號帶寬為190MHz，大信號（4V-Vpp）帶寬為150MHz，由于信號源的信號強度為400mV左右屬于小信號，因此AD9617適用于該電路?？紤]到增益帶寬積的影響，運放的放大倍數(shù)不能取得太大，在選擇反饋電阻的大小時應(yīng)使用芯片使用手冊上所提供的計算公式，此外電路的布局也是十分重要的，再不就是要注意盡量減少寄生電容，以免降低其性能，AD9617使用手冊上的同相放大電路設(shè)計如圖所示：圖：對傳輸線首端的100MHz信號進行濾波和放大所得到的波形圖：實際調(diào)試電路的照片信號經(jīng)過放大后就可以進行峰值的檢波了，為了使濾波后的直流信號波動范圍小，在設(shè)計時采用了二次濾波電路，其電路設(shè)計如圖所示：放大后的信號在正半周通過高頻檢波二極管給電容充電，在負(fù)半周期信號截止截至（二極管的單向?qū)щ娦裕?，因此這是一個半波檢波電路；電容C12通過電阻R6、R8放電，電容C15通過電阻R8放電。高頻檢波二極管導(dǎo)通壓降很小，導(dǎo)通電阻也很小，在計算充電時間常數(shù)時不考慮。因此電容C12上的電壓可跟隨信號的電壓，電容的放電時間常數(shù)的計算如下：檢波電路輸入信號的周期為，而兩電容的放電時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的周期，因此信號通過兩次濾波后所獲得直流電壓的波動將非常小，有利于用精密運算放大器進行下一步的差動電壓放大，使得數(shù)據(jù)的變化更加的明顯，有利于AD轉(zhuǎn)化器的讀取。差動電壓的放大電路其實就是減法電路，由于信號經(jīng)過二次濾波電路后的電壓比較小，變化幅度也比較小，如果只是簡單地對其進行放大，所獲得的有效電壓變化范圍將很小，除非用16位以上AD轉(zhuǎn)換器否則無法正常讀數(shù)。為了減少硬件成本，決定用減法電路使得數(shù)據(jù)地變化范圍更大。減法電路中由于要處理的信號比較微弱，放大倍數(shù)較高，因此選用OP07作為電路中的運放。Op07芯片是一種需要工作在雙電源（最大±18V，最小±3V）環(huán)境下的低噪聲，非斬波穩(wěn)零的運算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于對微弱信號進行放大的方面。OP07運算放大器的減法電路可按使用手冊上所提供的參考電路設(shè)計，具體電路如圖所示：根據(jù)減法電路的分析可知，當(dāng)R1=R2且R3=R4時，減法電路的放大倍數(shù)為R3/R1或R4/R2，因此通過調(diào)節(jié)電阻的大小即可改變減法電路的放大倍數(shù)。在該電路的電阻選材中要注意使用高精度電阻，避免電路出現(xiàn)放大倍數(shù)不均勻的現(xiàn)象以及減少溫度改變帶來的電阻大小的變化。實際電路的實際如圖所示：圖：減法電路的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換芯片采用的是PCF8591，它在工作時可以選擇內(nèi)部時鐘或是外部時鐘，是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS的AD轉(zhuǎn)換芯片。它除了有AD功能還有DA功能。具有4個AD模擬輸入、1個DA模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的硬件地址編程由3個地址引腳A0,A1和A2，共有8種地址，因此允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上控制和數(shù)據(jù)信號都是通過I2C總線以串行的方式進行傳輸?shù)?。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8位的AD轉(zhuǎn)換和8位的DA轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。它的內(nèi)部工作原理圖如圖所示：3.3溫度測量電路溫度對介電常數(shù)的影響是不可忽略的，因此需要對空氣和土壤進行溫度的檢測，也有利于對濕度值做溫度矯正。目前獲取溫度的手段非常多，可以用熱敏電阻，集成電路溫度傳感器或是數(shù)字溫度傳感器。為了減少電路的復(fù)雜度，提高溫度獲取的簡便性和精度，決定采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。該傳感器具有以下幾個特點：適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，大多數(shù)的芯片工作電壓也在這個范圍內(nèi)。獨特的單線接口方式，DS18B20在與單片機連接時僅需要一條線路即可實現(xiàn)單片機與DS18B20的雙向通訊。DS18B20數(shù)字溫度傳感器在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在類似一只三極管的集成電路內(nèi)。溫度測量范圍－55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。負(fù)壓特性：當(dāng)電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20數(shù)字溫度傳感器引腳分布圖如圖所示：圖：DS18B20引腳分布圖3.4單片機模塊為了能夠讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，需要一塊單片機來完成這些任務(wù)。在電路中單片機要承擔(dān)讀取AD轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，按鍵的電平以及發(fā)送OLED的顯示數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)?？紤]到檢測電路對速度的要求并不高，加上減少硬件開發(fā)成本的考慮，決定使用傳統(tǒng)的51單片機作為電路的微處理器。該單片機為臺灣宏晶公司的STC89C52單片機，其具體情況如下所示：1.增強型8051單片機，有兩種工作周期可選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

2.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）3.工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz。4.用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)，片上集成512字節(jié)RAM，具有EEPROM功能。5.共3個16位定時器/計數(shù)器。6.通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。7.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）。實際的單片機最小系統(tǒng)工作電路如圖所示：圖：單片機最小系統(tǒng)3.5電源模塊由于高速運算放大器AD9617和OP07運算放大器屬于雙極性運算放大器，它們工作時需要使用正負(fù)電源供電。在本次設(shè)計中使用的是±5V電壓，因此在電路中需要引入雙電源模塊。該模塊為WRA1212CS-2W，具有9V至18V的寬電壓輸入以及帶隔離穩(wěn)壓的±12V輸出，它采用的是SPI封裝，體積小功率密度高內(nèi)部還有欠壓保護，短路保護和過壓保護。它對于需要使用雙電源模塊的工作電路來說是一個不錯的選擇。在獲得了±12V電源后，需要使用線性穩(wěn)壓芯片對其降壓和穩(wěn)壓。采用線性穩(wěn)壓器的原因是這種電源穩(wěn)壓器輸出的紋波比較小，適合對電源質(zhì)量要求比較高的芯片。在100MHz的振蕩器模塊中，根據(jù)MC1648其內(nèi)部的電路設(shè)計可知，電源引腳的電源質(zhì)量直接關(guān)系到輸出的信號質(zhì)量。另外高速運算放大器AD9617對工作電源的穩(wěn)定性要求一樣很高?；诖耍谠O(shè)計中選用了兩款線性穩(wěn)壓器芯片LM1117-5V和KA7909，其中LM1117-5V是把+12V轉(zhuǎn)為+5V，KA7909是把-12V轉(zhuǎn)為-5V。它們的電路設(shè)計如圖所示：圖：雙電源的電路設(shè)計3.6液晶顯示模塊為了節(jié)省PCB板的面積，在設(shè)計中采用的是OLED顯示器，它具有體積小，高分辨率等特點。在現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，液晶的顯示技術(shù)也是突飛猛進，現(xiàn)如今高分辨率的小型液晶顯示屏隨處可見，我們手中使用的手機屏幕，智能手表的屏幕都使用了小型液晶顯示屏。OLED就是新型的液晶顯示技術(shù)，它采用的有機發(fā)光原理使得所需的材料極少，在制作上比采用液體發(fā)光的液晶工序少很多，成本也低得多。它采用的主動發(fā)光特性，使得OLED幾乎沒有視角限制，一般可達(dá)170度，具有寬視角的特點。它還有其他非常出色的優(yōu)點在此就不一一列舉，本次設(shè)計采用的是0.96寸的OLED模塊，它可以工作在3.3V-5V，同時兼容兩種通信方式：SPI和IIC，更換方式時只需改變一處電路。OLED顯示屏還具有多個控制指令，可以控制OLED的對比度、亮度、開關(guān)升壓電路等指令。它的使用電路如圖所示：圖：OLED使用電路圖3.7上位機模塊上位機是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是電腦,屏幕上顯示各種信號變化（濕度，光強，溫度等），它主要是通過電腦的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機一般是通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)包給下位機，下位機接收到數(shù)據(jù)包后按一定的規(guī)則經(jīng)過校驗后提取有效指令，再根據(jù)指令控制相應(yīng)的設(shè)備。下位機還需要讀取設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后制作成數(shù)據(jù)包再反饋給上位機。本次的設(shè)計與此相似，上位機的編程語言采用的是C#語言，在微軟的VS平臺上編寫和調(diào)試。微軟公司發(fā)布的C#語言是一種面向?qū)ο蟮?、運行在.NETFramework之上的高級程序設(shè)計語言。C#的語法與Java的語法上具有相似性，它包括了：單一繼承性、接口、與Java語言相似的語法和具有編譯成中間代碼再運行的過程。但是C#語言與Java語言最大的區(qū)別在于，它借鑒了Delphi的特點：即與COM（組件對象模型）是直接集成的，而且C#也是微軟公司.NETwindows網(wǎng)絡(luò)框架的主要使用語言。C#從總體上講它是一種安全的、穩(wěn)定的、簡單的，是從C和C++語言衍生出來的面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言。C#語言在繼承C和C++語言的強大功能同時去掉了它們一些復(fù)雜的特性。C#同時也綜合了VB簡單的可視化操作以及C++的高運行效率，憑借其強大的操作能力、高雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語句特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。圖：上位機的數(shù)據(jù)記錄界面圖：上位機的數(shù)據(jù)曲線繪制界面3.8本章小結(jié)本章主要對電路的硬件和軟件部分進行了詳細(xì)的分析。其最終電路的設(shè)計成品如圖所示：圖：電路板總體展示圖：測量裝置總體展示4實驗方案設(shè)計及分析本章主要介紹如何測取土壤濕度與AD值的關(guān)系，介紹實驗所需的設(shè)備，采集數(shù)據(jù)的方法，分析數(shù)據(jù)的方法等，同時對采樣的誤差源進行簡單的分析。最后總結(jié)出土壤濕度與AD值這間的函數(shù)關(guān)系，用matlab擬合出關(guān)系曲線。在實驗之前，先進行一些簡單測試對電路的設(shè)計進行檢驗。測試對象分別是:空氣，干土，手，水并記錄其AD值大小。具體的測試圖如下所示：空氣介電常數(shù)約為1干土介電常數(shù)約為3水介電常數(shù)約為81手介電常數(shù)約為50圖：實際測試圖空氣介電常數(shù)約為1干土介電常數(shù)約為3水介電常數(shù)約為81手介電常數(shù)約為50其測試結(jié)果為：空氣--96，干土--109，手--117，水--144.從這個結(jié)果可知根據(jù)駐波比原理設(shè)計的測試介電常數(shù)的電路可行，可以做進一步的實驗。4.1實驗方案設(shè)計不同的土壤結(jié)構(gòu)對采用駐波比原理設(shè)計的采集電路有不同的影響。比如：土質(zhì)較為柔軟吸水性較好的田土和顆粒物較大，板結(jié)比較嚴(yán)重的渣土對檢測的結(jié)果會有不同的影響。在實際進行試驗時，對這種情況的誤差分析為：板結(jié)性較嚴(yán)重的土壤內(nèi)部顆粒粘合緊密，吸水性差，結(jié)構(gòu)較硬，而田土則顆粒之間粘合較松，吸水性較強，內(nèi)部的空氣較多有利于植物的根部呼吸。因此板結(jié)性的土壤在配置不同濕度樣本時很難做到準(zhǔn)確。現(xiàn)如今，中國的農(nóng)田大多采用化肥來增加土壤肥力，往往導(dǎo)致土壤的板結(jié)性更加嚴(yán)重。相比之下采用有機肥的農(nóng)田的土壤結(jié)構(gòu)比較好，土質(zhì)柔軟疏松，吸水性強，