一种数字土壤湿度传感器批量标定仪设计

宋涛，高鹏，徐晓辉，苏彦莽

（河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401）

一种数字土壤湿度传感器批量标定仪设计

宋涛，高鹏，徐晓辉，苏彦莽

（河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401）

传统的土壤湿度传感器普遍存在温飘、探头不稳定和批量标定繁琐等问题，而且在过程中需要对每一个进行手动标定，极大的降低了生产效率．基于水浸式标定方法的数字土壤湿度传感器批量标定仪，采用一主多从485总线，能同时标定多达100个传感器．标定仪在标定过程中能够实时地将标准传感器测量到的湿度数据发送到485总线上，待测传感器接收后与自身测量值对比并储存，多组数据形成一个多点逼近的与标准传感器一致的电压值输出曲线，存储数值组数越多，曲线越与标准传感器输出性能逼近．实验结果表明，以此方法标定的传感器输出电压相对误差在±0.1 V以内，效果比较理想．

批量标定；水浸式；485总线；土壤湿度传感器

随着农业现代化的进一步深入，新型土壤湿度传感器层出不穷，而传统的土壤湿度传感器普遍存在温飘、探头不稳定和批量标定繁琐等问题，而且传统土壤湿度传感器在制作过程中需要每一个进行手动标定，极大地降低了生产效率[1]．水浸式数字土壤湿度传感器标定仪是在水浸式标定方法的基础上改进而来的[2]．它适用性广泛,兼容数字频域反射式土壤湿度传感器，方便连接各种预留485总线接口的频域反射式土壤湿度传感器进行标定；能够实现带微控制器的数字土壤湿度传感器的自动标定．只需将待测数字土壤湿度传感器安装到标定仪即可实现自动找水平、自动分段入水、自动标定的功能．

1 水浸式标定方法

频域反射式土壤湿度传感器水浸式标定方法的基本原理是标准土壤湿度传感器的金属探头浸入液体介质中深度不同，相应的测量值就不同，再将需要标定的土壤湿度传感器和标准土壤湿度传感器探头保持入水深度一致，即可调节标定电阻将待测土壤湿度传感器调整到和标准传感器输出一致．实验证明，频域反射式土壤湿度传感器水浸式标定方法的稳定性和重复性都是非常好的，但是受到各种电子元器件性能影响，虽然测量值都是随着入水深度增大而增大，但不同土壤湿度传感器的探头测量电压输出曲线都不同，曲线中段斜率也不一样[3-4]，简单水浸式标定方法还是不尽人意．

2 标定仪设计原理

数字式土壤湿度传感器集成了单片机，输出值通过485总线传递出来．采用一主多从485总线的好处在于可同时标定多达100个传感器，每个传感器有四颗连线，分别是电源正、电源负、485正、485负，标定时所有传感器同时连接．标定仪自身有标准土壤湿度传感器，它在标定过程中实时将测量到的湿度数值发送到485总线上，待标定的传感器收到这些数值后，与自身当前测量值对比并存储，多组存储数值可形成一个多点逼近的与标准传感器一致的电压输出曲线，存储数值组数越多，曲线越与标准传感器逼近．若设置10个采样点，这10个采样点标准传感器输出平均电压值为Vsi（i=1，2，……10），待测传感器输出电压值为Vci(i=1，2，……10)，则标定完后的传感器某一点实测电压Vr和输出电压值Vo满足关系式

为对输出湿度值进行温度补偿，添加了18B20数字温度传感器，采用二元回归方程对输出值进行补偿[5]

式(3)中Uo为补偿后的输出电压值，U为FDR土壤湿度传感器输出的电压值，UT为温度传感器测量值．

图1标定仪包括传感器探头阵列、水平调整臂、传感器固定架、水平板、水槽等部分．标准传感器固定于固定架四角，利用水平板将待测传感器和标准传感器探头保持在同一平面上，然后撤走水平板，开始自动标定程序．调整臂可调整前后、左右角度，传感器固定架可上下移动，调整电机安装于调整臂内部．

经多方面对比，采用18 B20作为温度传感器，在10～+85℃时其精度为±0.5℃．选用一款测量准确的频域反射式土壤湿度传感器作为标准传感器，通过测量其入水深度与输出电压曲线，20℃下得到如图2所示曲线，由图可知，若选取十个线性折点进行采样，在相邻两个线性折点之间的曲线可认为是一条直线，其关系式(2)和补偿式(3)可由单片机程序生成．在采集到相应曲线段的电压之后，单片机处理并输出数字信号，还可通过D/A转换输出对应的模拟电压值．

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

土壤湿度传感器批量标定仪功能框图如图3所示，包括控制模块、驱动模块、三轴调整电机、标准传感器单元、通信模块、待测传感器几个部分，如图3所示．

图1 标定仪示意图Fig.1Calibrator schematic diagram

图2 标准传感器水浸式测试输出曲线Fig.2Standard sensor output against insert depth

标定程序启动后，控制模块会驱动电机使传感器探头阵列缓慢浸入水中，在传感器探头阵列刚接触水面的时候，四角的标准传感器会传送数据至控制模块，以土壤湿度5%作为入水点，控制模块调整水平电机，使四角的标准传感器都达到5%的测量值，此时为入水测量准备．然后控制模块继续驱动电机使传感器探头阵列缓慢入水，在标准传感器的4个传感器平均值达到10%时发送测量值到控制模块，控制模块通过通信模块将这些数值传送给待测传感器，待测传感器将这些数值和自己当前测量值进行对比存储．控制模块继续驱动电机使传感器探头阵列缓慢入水，在标准传感器的4个传感器平均值达到20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时分别重复以上操作．完成后待测传感器共存储10组数据，相邻两组数据之间按线性处理．系统所需电压由12V开关电源和LM2596电源模块提供．

控制核心采用Silicon公司的C8051F340单片机，其双串口结构适合总线通信，一路连接标准数字土壤传感器和待测传感器，另一路作为扩展连接上位机可监测整个标定过程．若使用模拟输出的标准传感器，则将4个模拟传感器连接到单片机的内部12位A/D的相应端口[6]．系统可将标准传感器数据进行记录，可直接标定待测传感器而不用每次都依赖标准传感器，因为温度影响，标准传感器数据需要在一定温差之后更新．ULN2804芯片配合继电器电路作为三轴电机的启停和正反转控制．LM2596和AMS1117获得12V、5V和3.3V直流电压供不同电路使用．环境温度测量使用18B20单总线数字温度传感器，设计预留了8路DA输出端口．

图3 标定仪功能框图Fig.3Calibrator control system diagram

图4 标定仪控制系统电路Fig.4Calibrator control system circuit

3.2 软件设计

系统上电后，先要获取当前环境温度和检测存储芯片中标准数据是否有效，一般在温差超过5℃时就需要重新获取这个标准数据[7]．若数据有效则直接对待测传感器标定，若当前温度值与存储数据温度值相差超过5℃，则需要提示用户安装标准传感器重新获取标准数据．系统软件设计主要有3部分，传感器阵列水平调整和标定过程是控制系统完成的，待测传感器还要执行自身数据和标准数据的对比和存储，并将这些数据处理得到一个分段线性曲线，以便在标定完成后能够输出比较准确的土壤湿度测量值．控制系统的软件流程图如图5所示．

4 标定结果分析

随机抽取标定完毕的传感器进行测量，室温下得到图6较好的输出特性曲线．土壤吸水过程与脱水过程得到的土壤水分特征曲线是不一样的[8]，我们这里只是对比两种传感器的特性，故在室温下利用称量法（干燥砂壤土和水重量比例）对标准传感器和标定完的传感器进行测试对比[9]，发现误差控制在±0.1V以内（如图7），效果比较理想，由于2种传感器采用同种金属探针，其介质电容参数基本相同，故水浸式标定的可行性和可重复性都比较好．

5 结束语

水浸式数字土壤湿度传感器批量标定仪，在实际项目应用中达到预期效果，稳定可靠，易于批量标定，实验结果表明，以此方法标定的传感器相对误差在±0.1 V以内，极大的改善了现有量产方法．随着农业现代化建设的进一步发展，水浸式数字土壤湿度传感器标定仪有很好的发展前景，并为农业现代化提供了参考．农业生产智能化和标准化也必将成为未来农业发展的趋势．

图5 控制系统软件流程图Fig.5Control system flow chart

图6 标定结果图Fig.6Calibration results of soil sensor

图7 误差对比结果Fig.7Error comparison

[1]陈海波，冶林茂，李树岩，等．FDR土壤水分自动监测仪的标定与检验[J]．微计算机信息，2009，25（11）：104-106．

[2]孙宇瑞．非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究[D]．北京：中国农业大学，2000．

[3]Rassam D W，Williams D J．Adynamic method for determining the soil water characteristiccurve for coarse-grained soils[J]．Geotechnical Testing Journal，2000，23（1）：67-71．

[4]宗睿．一种土壤水分传感器性能测试的方法及应用[J]．灌溉排水学报，2013，32（1）：74-76．

[5]曹美，徐晓辉，苏彦莽，等．温度对FDR土壤湿度传感器的影响研究[J]．节水灌溉，2015（1）：17-19，23．

[6]尹杰君，姚旺生，喻济兵．基于C8051F340数据采集系统的设计[J]．计算机与数字工程，2010，38（10）：159-161．

[7]高磊，施斌，唐朝生，等．温度对FDR测量土壤体积含水量的影响[J]．冰川冻土，2010，32（5）：964-968．

[8]秦耀东．土壤物理学[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[9]任淑娟，孙宇瑞，任图生．测量土壤水分特征曲线的复合传感器设计[J]．农业机械学报，2007，40（5）：56-58，91．

[责任编辑 代俊秋]

A design of digital soil humidity sensor batch calibrator

SONG Tao，GAO Peng，XU Xiaohui，SU Yanmang

(School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Lots of traditional soil humidity sensors have problems like temperature drift,instability probe and tedious immense calibration.So we need to do a manual calibration on every sensor in the process,which greatly reduced the productivity.Immense calibration instrument of water-inserting digital soil humidity sensor is based on the water-inserting calibration method,ituses485 bus byone instrumentand 100 sensors at most.Calibrator can send the measuredstandard humidity data to 485 bus in calibration process,contrasting with the measurements of standard soil humidity sensor,and save it.All the measurements will form a voltage output curve which is consistent with standard sensor.The more measurements,the more similarity with the curve of standard sensor.Experimental results show the effect is better:the calibration of the sensor output relative error is within±0.1 V by choosing this method.

immense calibration;water-inserting;485bus;soil humidity sensor

TP 23；S-3

A

1007-2373(2015)03-0026-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.005

2015-01-23

河北省科技支撑计划（13210305D）

宋涛（1980-），男（汉族），实验师．

数字出版日期：2015-06-16数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150616.0925.003.html