机械毕业设计（论文）快速土壤水分测量仪的设计【全套图纸】.doc

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 快速土壤水分测量仪的设计THE DESIGN OF QUICK SOIL MOISTURE MEASURING INSTRUMENT学生姓名：学 号：201041914309年级专业及班级：2010级机械设计制造及其自动化(3)班指导老师及职称： 学 部：理工学部湖南·长沙提交日期：2014年6月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日目 录摘 要1关键词：11 前言21.1 本课题研究的目的和意义21.2 国内外研究现状及分析21.3 本文主要研究内容和创新研究成果32 土壤水分测试方法33 土壤水分测量的基本原理53.1 土壤的基础知识53.2 土壤的介电物理性质53.2.1 介电常数的概念53.2.2 土壤介电物理模型的等效电路53.3 TDR测定土壤水分的工作原理64 系统的硬件和软件设计74.1 系统的总体设计74.2 系统硬件设计84.2.1 土壤水分传感器的选择84.2.2 单片机的选择104.2.3 键盘的选择114.2.4 显示器件的选择124.2.5 A/D转换器的选择124.3 电源的电路设计134.4 系统整体电路原理图134.5 系统软件设计144.5.1 编程语言的选择144.5.2 主功能模块软件设计154.5.3 部分子程序设计165 实验设计与分析175.1 测量精度测试175.1.1 实验材料及方法175.1.2测量结果分析175.2 土壤种类对测量结果的影响185.3 土壤盐分对测量结果的影响196 系统抗干扰和节能设计206.1 抗干扰措施206.2 节能措施217 结论21参考文献22致谢23快速土壤水分测量仪的设计学 生：指导老师：摘 要：土壤水分的测量是科学管理农田水分的必经途径，也是现代农业研究的热点内容之一。精确测量土壤中水分的含量对指导农作物生长、提高农作物的产量和节水灌溉等有着非常重要的作用。本文采用TDR（时域发射法）来测定土壤水分含量。因含水土壤本身是一种由固相、液相以及气相三部分所组成的非均匀多孔电介质，利用电磁波在土壤中的传播速度随介电常数而改变的特性，实现土壤水分传感器和单片机系统之间的信息传递，经处理得到精确的测量结果。基于上述原理设计出快速土壤水分测量仪。关键词：土壤水分；时域发射法； 传感器； 测量仪 全套图纸，加153893706The Design of quick soil moisture measuring instrumentAbstract: Soil moisture is measured scientific management of farmland water necessary way, is one of the hot part of modern agricultural research. Accurate measurement of soil water content in guiding the growth of crops, improving crop yields and water-saving irrigation and so has a very important role. In this paper, TDR (Time Domain Reflectometry) to determine soil moisture content. Because of moisture from the soil itself is a solid, liquid and gas phase consisting of three parts, the non-uniform porous dielectrics, the use of electromagnetic wave propagation velocity in the soil dielectric constant change with the characteristics of soil moisture sensors and realization of SCM system information transfer between treated to obtain accurate measurement results. Based on the above principles to design a rapid soil moisture measuring instrument.Key words: soil moisture; Time Domain Reflectometry; sensor; measuring instrument1 前言1.1 本课题研究的目的和意义水是农作物生长的基本要素之一，同时也是作物有机体的重要组成部分。它不仅影响土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，是构成土壤肥力的一个重要因素；水分作为植物生长发育的必备物质，对于作物生长有着不可替代的作用。因此研究和了解土壤的水分，无论是从理论上还是生产上都有着重要意义。例如，进行施肥、灌溉、耕耘等各种农业措施时，往往需要考虑土壤水分情况，特别是在制定灌溉、排水规划设计时，更需要掌握土壤水分的状况及其动态。我国气候类型复杂多样，大陆性气候强，季风气候显著，降水在区域分布不均、月与月之间差异很大，大体呈现夏秋多，冬春少，东南向西北逐渐递减的特点。每年在不同的地区都会发生不同程度的旱灾和洪涝，危害农作物生长，造成作物减产或绝收。作为世界农业大国的中国来说，农业得到了迅速的发展，取得了以占世界7%的耕地养活了世界22%人口的举世瞩目的成就。当前，制约着我国农业发展的主要因素是水资源的严重不足，我国水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，居世界第109位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。另外，我国水资源地区分布极其不平衡，81%的水资源集中分布在长江流域及其以南的地方。长江以北地区耕地和人口分别占全国的64%和45%，而水资源仅占全国的19%，人均占有量517立方米，相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20，水资源的占有量和地区生产发展极不适应。我国水资源现状主要表现为一方面短缺、水污染严重，另一方面水资源浪费大，有效利用率低。中国现有有效灌溉面积8.1亿亩中，95%以上仍采用传统漫灌技术。渠道输水损失以及田间深层渗漏损失的水资源达灌溉用水量的70%，先进的国家远远低于这个比例。造成这种现状的主要原因是由于没有一种有效快速的土壤水分测量技术来指导农业生产。土壤含水量的测量是开展土壤中水分运动，土壤水与作物的生长关系及水的利用效率等研究的基础性工作。因此，设计出快速土壤水分测量仪，对指导农业生产具有极为重要的的意义。1.2 国内外研究现状及分析针对土壤水分快速测量的方法，国内外专家学者做了大量的研究工作，特别是国外的学者这方面起步较早，研究成果相对较多。在国外，1907年，Buckingham提出了利用毛细管原理测量土壤水分，而后1922年Gardner等报道了相关的内容，并把测量装置命名为张力计。1939年，Shaw-Bauer利用埋入土壤的热电线电阻阻值的变化研究土壤水分的快速测量。1950年，Belender提出了利用种子衰减快速测试土壤水分含量的方法。1976年，Topp和Davis首先将时域反射法用于土壤水分测量中，并逐步形成了比较完整的土壤水分测试系统。1983年，Hainsworth等人开始利用X射线论证土壤水分测量的可行性。1991年，Whalley在实验室用近红外线的方法测量土壤的含水量，取得了非常不错的研究成果。同样在国内，虽然对于土壤水分测量技术的研究起步比较晚，随着科技工作者的不断努力，也取得相当可观的成绩。已经由最初的烘干法测试土壤水分发展到利用各种传感器或者射线等科学方法实现快速、无损伤的测量土壤含水量。1960年，我国开始使用射线透视法测量土壤的含水量。1982年，开始利用阻坑方法测试土壤含水量。此外，国内高校和科研机构都有从事土壤水分含量测试技术和方法研究。例如，中国科学院南京土壤研究所是最早从事土壤水分研究的科研机构；西北农林科技大学马孝义等用介电方法测量土壤水分做了大量的研究；随着信息技术的快速发展，各种传感器都有其较为成熟的产品，不同原理的传感器各有其自身的特点。所以精度高、速度快、价格低和少标定的土壤水分测定技术一直是近些年来主要研究的方向。本论文根据土壤介电常数并利用水分传感器理论知识，以ATMAGE16单片机为核心的微机控制系统，研制快速土壤水分测量仪，实验表明：该土壤水分测量仪受土壤中的盐分含量和温度的影响较小，输出数据稳定，成本低，适用于大多数土壤类型的测量。1.3 本文主要研究内容和创新研究成果本文将以土壤介电特性测量为切入点，能实时采集土壤的水分，快速输出测量结果。具体内容有以下几点：（1）完成土壤水分采集电路的设计；（2）单片机系统的设计，以及相关数据处理算法设计；（3）实物的制作，相关的实验数据，测量精度达到95%以上，响应速度2S；2 土壤水分测试方法土壤是一种非均质、多相、分散和颗粒化的多孔系统，由于物理特性复杂、空间变异大，造成了水分测量的难度。土壤的水分测量涉及到应用数学、土壤物理、介质物理、电磁场理论和微波技术等多个学科和国民经济的许多领域，与工农业生产密切相关。实现土壤水分的快速测量又要考虑到检测实时性要求，这无疑会更增加其技术难度。测量土壤的水分含量必须充分考虑到土壤重量、土壤质地、土壤结构和土壤含盐量等因素。土壤水分测量方法的研究经历了漫长的道路，测定方法尽管很多种，但大致可以归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定（如烘干称重法、实容法等），另外一类是定位取样测定（如中子法，Karl Fischer法，射线法，核磁共振法，时域反射法），不同的方法各有优缺点。在此，本论文只对几种常用的土壤水分测量方法加以介绍。（1）称重法：又称烘干法，即取土样放入烘箱，烘干至恒重。此时土壤水分中自由态水以蒸汽形式全部散失掉，再称重量从而获得土壤水分含量。烘干法还有红外法、酒精燃烧法和烤炉法等一些快速测定法。此方法简单直观，但是测量不具备连续性。并且采样会干扰田间土壤水分的连续性， 在田间会留下的取样孔，会切断作物的某些根并影响土壤水分运动。（2）中子法：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大时，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量，可以在原地的不同深度上周期性的反复测定而不破坏土壤，但是仪器的垂直分辨率较差，表层测量困难，且辐射危害健康。（3）射线法：与中子仪类似，射线透射法利用放射源137Cs放射出线，用探头接收射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到。射线法与中子仪法具有许多相同的优点，且比中子仪的垂直分辨率高，但是射线也危害人体健康；（4）土壤水分传感器法：目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器，电解质水分传感器、高分子传感器、压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器等。传感器法测定土壤水分的精度受传感器的设计、工艺制造等方面的影响，现在还处在进一步研制阶段。（5）时域反射法：即TDR（Time Domain Reflectometry）法，它是依据电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率。TDR其优点是测量速度快，操作简便，精确度高，能达到0.5%，可连续测量，既可测量土壤表层水分，也可用于测量剖面水分既可用于手持式的时实测量，也可用于远距离多点自动监测，测量数据易于处理。（6）频域反射法：即FDR（Frequency Domain Reflectometry）法，该系统是通过测量电解质常量的变化量测量土壤的水分体积含量，这些变化转变为与土壤湿度成比例的毫伏信号。如英国产的Thetaprobe水分测量就是利用这项技术，其优点是测量精度高，价格便宜，既可以单点测量也可以多点测量垂直深度的一段剖面。 以上六种土壤水分测定方法各有其特点，在实际操作过程中，我们要有所抉择，多方面考虑，达到设计规定的要求，再确定具体使用哪种测定方法。3 土壤水分测量的基本原理3.1 土壤的基础知识土壤是由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物（固相物质）以及水分（液相物质）、空气（气相物质），氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体，其中以液态土壤水分数量较多。在一定条件下，它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。另外土壤而且还是一个疏松多孔体，其中布满着大大小小蜂窝状的孔隙。直径0.001-0.1毫米的土壤孔隙叫毛管孔隙。存在于土壤毛管孔隙中的水分能被作物直接吸收利用，还能溶解和输送土壤养分。3.2 土壤的介电物理性质3.2.1 介电常数的概念介电常数指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，又称电容率或相对电容率。表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。介电常数愈小绝缘性愈好。空气和CS2的值分别为1.0006和2.6左右，而土壤水分的值特别大，10时为 83.83，比其它物质的介电常数大得多，土壤中主要成分的介电常数如下表1所示。因此，土壤的介电常数主要由水来决定，通过测量土壤介电常数可以达到间接测量土壤水分的目的。表1 土壤主要成分的介电常数一览表Table 1 A list of the main component of the dielectric constant of the soil成分名称 空气 水 冰 玄武岩 花岗岩 干月巴士 干砂土 干壤土 介电常数 1 83 3 12 7-9 3.5 2.5 2.68土壤介电常数影响的因素很多，但土壤各成分的介电常数和相对含量是主要因素，同时在适当时候也必须考虑温度的影响。 3.2.2 土壤介电物理模型的等效电路在介质物理学中，根据介电材料分子化学结构的不同可将电介质分为典型的三大类：非极性电介质，极性电介质和离子性电介质。现有关资料证实含水土壤属于介于极性电介质与离子性点之间的一类电介质。与非极性电介质相比，极性电介质和离子性电介质的特点之一是它的介电常数较大，一般处于2.6-80之间。无论何种介电材料，它的物理通用模型都可以用如图1所示的RC并联等效电路来描述。图1 土壤电介质测量模型的等效电路Fig.1 An equivalent circuit model to measure soil dielectric figure由上图可知，通过矢量电压表可以得到电压和相角，查阅相关资料，根据探针导纳的计算公式为：其中：i探针上的电流u电容两端产生的幅值相角由信号源可得到电流，利用上述公式可以计算出导纳的大小，进一步得到电导G和电容C，由此得出介电常数的实部分量和虚部分量。当探针的结构一定时，探针的阻抗取决于被测物质的介电常数。而土壤的介电常数主要取决于土壤含水量，可以通过探针的阻抗测量测得土壤含水率。3.3 TDR测定土壤水分的工作原理TDR法通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤介电常数，进而计算出土壤含水量。其工作原理为信号源发射的电磁波，经过同轴传输线，到达土壤探头，然后返回信号源；在传输线上，入射波和反射波叠加形成驻波，驻波的波峰和波谷形成电压差V，V与探头的阻抗Z相关，而阻抗Z又与土壤的介电常数相关，通常介电常数与土壤的容积含水率存在函数关系，如式（1）所示： （1）由此，根据电压差V便可得出土壤容积含水率。通常，FDS100型输出电压与土壤含水率的关系曲线如图2 所示，其函数关系如式（2）所示。 (2)式中：输出电压（V）土壤湿度图2 电压与土壤含水率的关系曲线Fig.2 The relation curve between voltage and soil water content4 系统的硬件和软件设计4.1 系统的总体设计土壤水分测量仪的关键部分是以单片机为核心的检测系统。设计出来的土壤水分测量系统可实现数据采集、数据分析、数据处理、数据显示和数据储存等功能。主要由五大部分组成，其中土壤水分传感器实现采集数据信号的功能，使各种土壤水分参数转换为模拟信号，然后进行AD转换，将外部测量信息通过电路转换成单片机的输入和控制的数字信号，并经单片机内部处理程序的运算分析将结果反馈给显示电路，通过显示器显示土壤含水率，完成对土壤水分的测量。同时该系统拥有储存数据的功能，能将所有监测数据全部储存于数据库中方便测试完后查阅。键盘和显示器组成人机联系的部件，其作用是保证用户操作者和仪器之间的联系，使得仪器更加人性化。另外，本系统中也设计了抗干扰电路和节能电路，有利于保证测量系统的稳定性以及达到降低能源的损失与浪费的目的。系统结构如图3所示：图3 系统结构框图Fig.3 Block diagram of the system4.2 系统硬件设计4.2.1 土壤水分传感器的选择20世纪80年代，TDR法在土壤水分的测量方面受到重视。Topp等提出土壤体积含水率与土壤复介电常数的实部呈单值函数，同时指出，TDR法不受土壤盐分的影响；Hilhorst进一步提出在某一理想测试频率下，土壤复介电常数的实部可确定土壤水分，虚部可确定土壤电导率；Sun Yurui等采用100 MHz测试频率，研制了FDS系列水分传感器。经过了多年的发展，该系列水分传感器能够测量土壤、基质等多孔介质的含水率。其中FDS系列产品的结构示意图如图4所示：图4 TDR型传感器结构示意图Fig.4 The structure of TDR sensor本文根据设计要求采用FDS100土壤水分传感器，由100的高频信号源、标准同轴电缆和土壤探头组成。探头由直径为3mm的3根不锈钢针构成，钢针采用优质材料，可经受长期电解，可经受土壤中的酸碱腐蚀。探头采用三针结构，可认为是一段几何形状非规则的传输线，土壤作为其电介质，通过传输线来分析土壤的导电情况。另外，为了使整个传感器体积缩小，传感器的外形设计成单手操作使用型，外壳材料采用耐腐蚀性塑料压模制成。具有以下性能特点：（1） 测量参数：土壤容积含水率 （2） 单位：%(m3/m3)（3） 量程：0100%（4） 探针长度：5.3cm（5） 探针直径：3mm（6） 探针材料：不锈钢（7） 密封材料：环氧树脂（8） 测量精度：±3%（9） 工作温度范围：-4085（10） 工作电压：512V（电压型） 1224V（电流型（11） 工作电流：2126mA，典型值21mA（电压型）（12） 测量主频：100h（13） 电压型01.875V DC（14） 电流型020mA（15） 测量稳定时间：2秒（16） 响应时间：1秒（17） 测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体（18） 电缆长度：1.5米(标配)其土壤湿度传感器实物如下图5所示： 图5 FDS100土壤水分传感器Figure.5 FDS-100 soil moisture sensor该传感器广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。具有以下优点：（1）本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。 （2）外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。 （3）测量精度高，性能可靠，确保正常工作。响应速度快，数据传输效率高。4.2.2 单片机的选择单片机是系统的控制核心，它的性能关系到整个系统的好坏。因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。总的来说应该选用可靠性好、价格适中、能够持续稳定运行和具有较高的性能的单片机。本文选用ATMEGA16单片机作为测量电路的控制和运算单元，能完全满足上述要求。ATMEGA16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器，内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。主要特性如下：（1） 16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)（2） 512 字节EEPROM，擦写寿命:100,000次（3） 1K字节SRAM（4） 32个通用I/O 口线（5） 32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口（6） 支持片内调试与编程（7） 三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)（8） 片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口（9） 8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC（10） 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器（11） 一个SPI串行端口（12） 6种睡眠模式:空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式（13） 具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作（14） 40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装（15） 131条指令（16） 高性能、低功耗的8位AVR微处理器（17） 先进的RISC 结构（18） 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密（19） 具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计其外形如下图6所示：图6 ATMEGA16单片机Fig.6 ATMEGA16 SCM4.2.3 键盘的选择键盘是人机交互的主要输入手段，所以在设计中必须考虑两点，第一，键盘在触摸时手感好、按键灵活方便；第二，灵敏度高、按键稳定可靠。本文设计采用触摸式薄膜按键，很好地满足上述两点的要求。输入电路采用4个按键，键盘类型为独立键盘，各按键彼此独立，每个按键占用并行输入端口的一条端口线，CPU通过检测端口线的电频状态，确认按键是否闭合，并进行相应处理。键盘与单片机的接口垫例如下图7所示：图7 键盘与单片机的接口图Fig.7 Keyboard and microcontroller interface diagram4.2.4 显示器件的选择前面所设计的是数据采集、数据分析和数据处理装置，实现间接测量的目的，但如果仅有这些测量装置是远远不够的，我们需要将测量的结果显示出来，让人们能够直接观察和操作。这就要依靠人机接口来实现。1602LCD作为显示器件，该显示器体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，能够很好地与ATMEGA16单片机无缝连接。其特性如下：（1）模块最佳工作电压5.0V，对比度可调 （2）内含复位电路（3）提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能（4）有80字节显示数据存储器DDRAM（5）内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM（6）工作电流:2.0mA(5.0V)系统选用了字符型液晶显示器，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。一般1602字符型液晶显示器实物如图8所示 ：图8 液晶显示器实物图Fig.8 LCD monitor physical chart4.2.5 A/D转换器的选择该设计中采用AD7705作为模数转换器，AD7705是AD公司推出的-式转换器，具有2个全差分输入通道，主要利用低频模拟信号的测量。芯片内集成可编程增益放大器，可直接测量传感器送来的微弱模拟信号。利用-转换技术实现了16位无丢失代码性能。具有三线串行接口，可通过软件编程设置增益值、输入信号极性及数据更新速率。具有自校准和系统校准功能，能消除器件本身或系统的增益和位移偏差。适用于智能仪表、工业控制、数据采集等场合。AD7705的主要特性有以下几点：（1）具有16位无丢失代码（2）非线性小于0.003%（3）增益可编程，调整范围为1128（4）输出数据更新率可编程（5）三线串行接口与SPI，QSPI，MICROWIRE及DSP兼容（6）功耗低，工作电压3V时，最大功耗1mW，等待电流最大值m4.3 电源的电路设计单片机和外围电路的正常工作电压是5V。本文依据此要求设计出5V直流稳压电源，以满足系统正常工作需求。电网供电的220V（50Hz）若想得到低压直流输出，需要进行以下几步：第一，必须将电网的高电压通过降压变压器得到5V的交流低电压。第二，降压得到后的交流电压通过整流电路变成直流电压，此时得到的直流电幅度变化大，极其不稳定。第三，脉动大的直流电压需经过滤波和稳压电路才能变成平滑，稳定的直流电压，即将交流成分滤掉，保留直流部分。第四，滤波后的直流电压再通过7805三端稳压集成电路，便可得到基本不受外界干扰的稳定直流电压输出，供给单片机和外围电路使用。其电源总原理电路图如图9所示：图9 电源原理电路图Fig.9 Power supply schematic circuit4.4 系统整体电路原理图本文中的土壤水分测量仪的电路基于ATMEGA16单片机为核心的微机控制系统，该系统电路共分为三个部分，分别是采集电路、单片机接受处理信息数据电路和显示电路。在电路中，为了提高采集电路的可扩展性，一个土壤水分测量仪留有8路传感器端口，可同时采集8种土壤水分参数；8路传感器的信号送入8选1的多路选择开关，被选中的传感器信号送入AD转换器，将模拟电压信号转换为数字信号，再传输至单片机的P0口，经过单片机的运算处理，送入液晶显示，完成土壤含水率的测定。同时经过单片机通讯口送至无线传输模块，进行无线传输。电路中4路按键用于数据的采集时间间隔、显示参数类型的设置。可以确保证测量的准确性和精确度。计算结果经显示电路接口传送到1602LCD显示器显示数据。系统电路原理图如图9所示：图9 系统整体路原理图Fig.9 The overall road system schematics4.5 系统软件设计4.5.1 编程语言的选择在单片机的编程中，主要有汇编语言和C语言两种编程语言。汇编语言特点是保持机器语言的一致性，直接、简捷，并能像机器指令一样访问、控制计算机的各种硬件设备，具有目标代码简短，占用内存少，执行速度快。但其编译的程序无法在不同的处理器上执行，缺乏可移植性，而且只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，开发效率很低，难于调试，周期长且单调。因此，本文中单片机系统采用C语言。C语言具有简洁紧凑、灵活方便、运算符丰富、数据类型丰富、程序执行效率高和可移植性好等优点。C语言作为通用的高级语言，大幅度提高了单片机系统运行的效率，充分发挥了单片机的性能。4.5.2 主功能模块软件设计单片机和外围电路的执行离不开软件的运作。为了实现单片机采集数据、控制系统和输出数据，当然需要编译相应的软件程序。单片机在之前编译好的软件程序下运行，按照系统设定的参数，才能实现上述功能程序采用模块化设计的编程思想，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。该方法其主要功能是为录入测量值并将其与相应的上下限控制范围进行比较，然后再根据内部的控制运算方法对各控制系统进行开启和关闭的操作。软件主要功能以一个大的循环主程序为中心，其他的各功能模块来共同配合主程序。开始初始化是否外部中断？ 显示数据结束启动A/D数据处理YN本文中的软件模块由主程序，水分传感器测量子程序，显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。在主程序中，初始化各项参数，当按键被按下，测量系统开始工作，其相应的主程序流程如图10所示： N图10 主程序流程图Fig.10 The main program flow chart4.5.3 部分子程序设计（1）键盘程序模块开始初始化有无按键操作？ 结束执行键功能YN。键盘扫描模块主要实现人机交互功能中的输入部分。程序在运行时，不断扫描键盘的状态，当有键按下时，程序就会把键码记录下来，执行键码对应的操作。其流程图如图11所示：图11 键盘程序流程图Fig.11 Keyboard program flow（2）显示程序模块。显示模块可以显示各种参数信息。正常运行时，显示出土壤含水率，保持数据的稳定。程序流程图如下图12所示：开始LCD初始化设置显示地址送显示数据结束 图12 显示程序流程图Fig.12 Display program flowchart5 实验设计与分析5.1 测量精度测试5.1.1 实验材料及方法实验采用湖南农业大学试验田按要求深度和土层的土样，用洛阳铁铲或土钻取出图样，装入铝盒中密封好。用1/10至1/100精度的天平称重记录。为了是测量的误差减小，取约湿土重量为30至50g。打开铝盒盖，将盛放的土样铝盒放在烘烤箱内，逐渐升温到105至110后，再持续恒温6h至8h,使土样完全达到恒重。取出铝盒，放入干燥器内冷却，一般有20分钟即可,再从干燥器内取出铝盒，盖好盖称重。计算土壤含水率采用下列公式：式中：W土壤含水率（占干土重%） 盒+湿土重（g）盒+干土重（g）盒重（g）该方法应注意以下几点：（1）要严格控制好烘箱温度，以105至110为最佳温度，因为温度过高，土壤中的有机物容易炭化，影响精度。温度低了，土壤的水分不能完全跑出，也影响测量结果。（2）各取土层应均匀取土，不能只取一点。取土孔距离不宜变化太大，称重时间不宜过长，以免空气中水蒸气进入土壤中影响测量结果。（3）盛土铝盒使用完之后应清扫干净。根据上述测试方法，分别采集了10不同土壤（粘土）样本，由前面分析可知土壤容重为1.25g/cm3。应用烘干法测量出10个样本土壤的质量含水率，并将其转换为容积含水率，作为精度检测的参考基准；同样也利用本文设计出来的快速土壤水分测量仪测量这10个土壤样本的土壤湿度，将其测试结果与烘干法进行比较，检验自制仪器的测量精度。5.1.2 测量结果分析烘干法测量的数据和快速土壤水分测量仪测试结果如表2所示：表2 精度检测数据Table 2 The precession test data土壤编号烘干法测量值测试值（）精确度129.63330.00098.76225.39626.00097.62325.80726.00099.25%442.36741.00096.77%540.51140.00098.74%619.80020.00098.99%713.86914.00099.05%820.82221.00099.15%913.33314.00095.00%1038.11837.00097.07%从表4.5可以看出，10个土壤样本测试的精度均高于95以上，满足设计的要求，为进一步观察分析烘干法测量的数据与快速土壤水分测量仪测试结果的关系。绘制出曲线图，如图13所示：图13 烘干法测量值与测