便携式森林土壤探测仪的研究

林梦磊，胡进娣，李爽，薛伟

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

便携式森林土壤探测仪的研究

林梦磊，胡进娣，李爽，薛伟*

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

为了方便及时检测土壤各因子的变化，为林地选择合适的树种提供依据，本文提供一种便携式森林土壤探测仪。本探测仪应用机械电子控制技术、传感器技术以及通信技术，将SHT11温湿度传感器、pH传感器及应变传感器与AT89S51单片机以及24位精度的A/DS1232转换器相结合，解决了传统仪器功能单一、操作复杂的问题，达到“一针多用”的效果。最终试验结果表明，该便携式探测仪可在一定范围内同时测量出土壤的温湿度、pH值(酸碱度)以及贯入阻力(板结度)，且测量范围为地面至地下40 cm，响应时间≤1 min，测量精度为±0.5%，具有简单轻便、操作容易、测量快的特点，完全符合设计要求。该探测仪在森林火灾过后的土壤检测、林木生长过程的实时监测等方面有着很好地应用前景。

土壤探测仪；温湿度传感器；pH传感器；应变传感器

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0 引言

在林木生长与发育过程中，林地的土壤环境起着不可或缺的作用，然而森林大火、人为破坏、水土流失等因素使得林地质量大幅度改变，树木生长在不适宜的土地上不仅产量低、质量差而且浪费资源。土壤探测仪无论是对于土壤成分质量的监测还是对于为树种选择相适应的林地，都有十分重要的现实价值和意义[1-3]。用现代化的传感器测试技术对土壤成分进行性质研究，是当前国内外林业领域专家们普遍研究的内容之一。任国强[4]等在Android手机WIFI控制的基础上研究了土壤比贯入阻力测试装置，只能用来探测土壤阻力；冯竞祥[5]等研究的装置也只适用于测量土壤的机械阻力；匡宇国[6]等利用智能传感器SHT11设计了一种便携式温湿度检测仪。由此可知现有的土壤探测仪多适用于农业方面的检测且功能较为单一。本文旨在设计一种适用于林业的综合性探测仪器，采用SHT11温湿度传感器[7]、pH传感器和应变传感器，结合AT89S51单片机[8]以及24位精度的A/DS1232转换器，具有可快速准确地测量出土壤的温湿度、贯入阻力(板结度)以及pH值(酸碱度)的优点，为林木选择适宜的林地提供依据[9-11]。

1 系统硬件设计

便携式森林土壤探测仪由两部分组成：50～60 cm的探针和手持接收仪。其工作系统原理如图1所示。其主要组成部分有温湿度传感器SHT11、pH值传感器、应变传感器、AT89S51型单片机、A/D转换器、电源、显示屏幕以及放大电路、发送电路。系统的工作原理是：探针头部阻力针在插入土壤的过程中所受到的阻力经应变传感器感应，进行电路放大后模拟量与数字量转换；探针到指定深度稳定后，土壤酸碱度信息被pH传感器接收，经信号放大和转换后传送给AT89S51单片机，不断变化的外界温湿度模拟量通过温湿度传感器SHT11转换成单片机能够处理的数字量，单片机接收综合性信息并对数据整理分类，最后由LCD显示模块显示在接收器主界面上[12-13]。

图1 探测仪系统原理图Fig.1 Theoretical structure of soil detector

1.1 SHT11温湿度传感器

SHT11温湿度传感器属于SHT1×系列。传感器将传感元件和信号处理电路归集在一块微型电路板上，输出完全标定的信号。传感器在同一个芯片上同时包括测温原件以及测量湿度的敏感元件，两者结合在一起构成单一的个体，减少了测量误差，具有面积小、功效高的特点。SHT11作为各类应用的首选具有以下优点：①测量精度高并且可以得出精确的露点；②信号较强，具有超高的长期稳定性；③具有工业标准的总线界面；④相对温湿度为全校准数字输出；⑤体积小。传感器默认的测量分辨率为温度14位，湿度12位，但是可通过编程发送命令降低至12位和8位[14-17]。另外如果传感器在非正常状态下工作发生暂时性的信号漂移，当恢复到正常工作状态后，传感器会缓慢的自动恢复到校正状态，不需人为调试[18]。该传感器符合了回应快、抗干扰能力强质量优秀的特点。结合上述SHT11型传感器的特点以及便携式土壤探测仪的用途，本仪器采用SHT11型传感器。25℃时相对湿度最大误差数据见表1；温度最大误差数据见表2。

表1 25℃时相对湿度最大误差 %RH

表2 温度最大误差 ℃

1.2 pH传感器

土壤的酸碱度通常用pH值来表示，是作为选择造林树种最为关键的条件。虽然林木的抗酸碱能力要远远高于草本植物，但在强酸强碱性土壤中树种被破坏的事例也不在少数。

便携式森林土壤探测仪采用复合pH电极探测土壤的酸碱度。测量时可将仪器直接插入土壤中，土壤中的H+与电极发生电化学反应，导致电极两侧形成电势差。在传感器正常使用时，pH值与电压呈反比关系。电信号经放大电路调节至单片机可接收的范围，以保证单片机能够正常采集pH传感器传回的电压信号。放大后的输出信号与单片机P0.0接口相连，将数据传送到接收仪显示。pH采集电路如图2所示。因为传感器外部具有金属保护外壳，可避免灰尘等外界的影响，准确度较高。

图2 pH采集电路Fig.2 pH acquisition circuit

1.3 应变传感器

一般情况下，板结度大的土壤会影响树木根系的生长，树根会呈现分散状态。本文研究的仪器可以通过测量贯入土壤的阻力来反映土壤不同深度的板结度，经试验测得不同深度土壤阻力数据见表3。

表3 不同深度土壤阻力Tab.3 Different depth of soil resistance

在探针头部阻力针处配置有光电传感器和应变传感器等。光电传感器安装在探针接近端部的地方，用于检测探针贯入土壤的速度和深度；应变传感器放置在阻力针与上部金属外壳交接处，用于测量贯入土壤的阻力，进而获得土壤压实程度的空间分布信息。仪器采用的是电阻式应变片，它是将被测件上产生的应变变化转化为电信号的原件，是压阻式应变传感器的重要组成部分。应变片粘着在金属外壳内部。在插入土壤的过程中，探针受力发生形变，电阻应变片也随之发生形变，使得应变片阻值发生变化，进而导致电压发生变化。将电信号经过放大电路再经A/D转换器处理，最终由单片机传输到显示仪。但是这个电信号往往很微弱，并且容易受到噪声以及失调的影响，所以在对输出信号进行数字化处理之前，除了要对其进行放大，最重要的是进行失调处理，以便与A/D转换器的输入范围相匹配。应变传感器的调理电路如图3所示。

图3 应变传感器调理电路Fig.3 Strain sensor conditioning circuit

1.4 AT89S51单片机

AT89S51单片机具有3种封装方式(PDIP、PLCC、TQFP)，其中最常用的是PDIP封装。其中芯片共有40个引脚，包括主电源引脚2根、外接晶振引脚2根、控制引脚4根以及可编程输入/输出引脚32根，其中AT89S51的P0、P1.0、P1.1、P2.3和P2.6端口为数码管显示控制。主要排布如图4所示。

便携式土壤探测仪之所以选择AT89S51型单片机为核心部件，是因为它具有以下优点：①低功耗，可通过软件设置省电模式；②当处于掉电模式时可冻结振荡器而保存RAM数据，从而不会导致因突发情况使数据丢失；③工作频率为33 MHz，具有较高的工作效率，从而具有更快的计算速度；④内部集成看门狗计时器，不需要外接看门狗计时器电路，简单方便；⑤具有超高的加密算法，使得程序的保密性大大加强[19-20]。A/D转换器与放大电路的连接原理如图5所示。

图4 AT89S51单片机引脚图Fig.4 AT89S51 micro controller pin diagram

图5 A/D转换器与放大电路的连接原理Fig.5 The connection principle of A/D converter and amplifier circuit

1.5 采集电路

在进行数据的采集时，选用的是A/DS1232转换器，其精度高达24位精度。转换器与单片机P2.2端口相连用于数据的读入，与P2.1和P2.3端口用作转换器的转换控制。在A/D转换器中设置启动位、使能位及测试位使其处于正常工作模式。且A/D转换器内部有环境温度湿度检测传感器和低噪声的可变增益放大器，操作板上低噪声PGA可以提供使用者选择的有1、2、64或者128的增益，所以可以支持的满量程差动输入电压为±19.5 mv、±39 mv、±1.25 v或±2.5 v。ADS1232的组成结构如图6所示。

1.6 报警装置和LCD显示屏

为了使用者更好的了解仪器的工作状态，仪器在探针的头部设置一个报警装置，当仪器未探测到数据、所测数据超过仪器设定上限或没有达到下限时，警报器中的红色发光二极管就会不断闪烁，这样就可以提醒工作人员对仪器进行及时的维修。

LCD显示屏主要原理是通过电流刺激液晶分子产生点、线、面与背部灯管相配合构成画面。它较省电，不产生高温，而且画面比较柔和，不伤眼。本文所采用的用于数据显示的显示屏是点阵式液晶显示器ACM12864。它由行驱动器、列驱动器和128×64全点阵液晶显示器组成。LCD的驱动电压范围是3～6 V，以适应单片机的5V工作电压。

图6 ADS1232基本组成结构框图Fig.6 Basic structure of ADS1232

1.7 系统硬件性能指标

外形尺寸：探针长50～60 cm，半径2 cm。显示仪尺寸：14 cm×6 cm×3 cm。界面直径：5.5 mm×2.5 mm。回应时间：≤1min。工作温度：-10～35℃。工作湿度：10%～80%RH。工作电源：3.6 V。

2 系统软件的设计

作为一个完整的系统，不仅要有完善的硬件系统，还要有一个更加强大的软件系统与之相配合。在进行软件设计时采用的是模块化程序结构，主要分为主程序(初始化子程序、土壤因子采集子程序、发送子程序以及液晶显示子程序)和从机程序(报警程序、数据存储程序及响应程序)。其中，主程序主要用于各子程序相关信息的设定及通信处理；初始化程序包括通信初始化、采集累计数据初始化和输出端口初始化；土壤因子采集子程序包括对土壤温湿度的感应、对土壤贯入阻力及酸碱度的采集；液晶显示子程序主要完成的是测量数据的读取与显示。从机程序主要配合主程序工作，在系统工作时，如果中间中断信号无法工作，系统会自动诊断故障原因并开启报警系统，当从机程序接收到主程序发送的命令时，会以最快速度做出响应，以达到完美配合。系统程序如图7所示。

图7 系统程序结构图Fig.7 System program structure

3 便携式森林土壤探测仪的整体构造

便携式土壤探测仪整体结构分为两个部分，探针部分和手持接收仪。探针部分长约50～60cm，主要包括：位于头部的阻力针；内部的温湿度传感器、pH传感器、应变传感器、连接电路；尾部的报警显示灯和数据线插口。其中阻力针呈锥形，大大减小了探针插入土壤时的阻力；报警显示灯由发光二极管制成，用于仪器异常情况的报警；数据线插口用于连接探针和接收仪，进行数据传输。手持接收仪包括LCD显示屏、放大电路、光电传感器等。具有显示、存储、打印功能。手持仪结构如图8所示，图中4个箭头分别是向上、向下、向左和向右移动游标到想要选择的项目上，退出键则是退出当前状态。便携式土壤探测仪的工作过程如下：

探测前，将分开的探针和接收仪用专用数据线连接起来，待其电路连接稳定，按下接收仪的开机键，显示屏上会出现我们可能选择的项目，通过上下箭头定格到校准选项处，按下确定键进入校准界面，此时仪器便会自动清查校准，校准完毕通过“退出”按钮返回主界面。

探测时，选择树木旁已经人为整平的土壤，将探针插入至想要测量的深度，等待探针稳定接收仪界面的数据不再跳动，证明仪器已经开始正常工作。探针内部的多种传感器检测到相应土壤因子的信息，通过单片机传递到接收仪，经放大电路处理以及光电传感器感应最终显示在荧幕上。在检测过程中，如果显示屏一直不出现数据，则探针尾部的报警显示灯便会闪烁不停。

探测结束后，显示屏主界面显示该次探测的最终结果，同时如果需要对数据进行存储，按下保存键即可(最多可保存50组数据)。若需要打印数据，按下列印键，会立刻在显示仪下端打出数据条，并附有日期和具体时间。使用者可以在接收仪“历史记录”中翻查以往数据。显示仪侧方具有连接界面，亦可将数据输入计算机做具体分析。

本显示仪具有一个不同于其他仪器的功能，它可以单独输出所需要的某方面数据。按下单独输出键，然后利用上下两个箭头选择需要的项目。

图8 土壤探测仪的显示仪结构图Fig.8 The structure of the display device of soil detector

4 结论

由于前人研究的成果大都只适用于农业领域的检测且实现功能单一，因此本仪器参照任国强等[4]设计的土壤比贯入阻力测试装置和匡宇国等[6]设计的便携式温湿度检测仪，利用机械电子控制技术、传感器技术以及通信技术研制出一种功能综合的便携式土壤探测仪。成功的将传统仪器的各项功能综合起来，在使用时可以同时检测出土壤的温湿度、pH值以及贯入阻力等土壤因子，且具有结构简单、操作方便，精度高的特点，同时由于其金属保护外壳，减少了传感器因外界湿度，灰尘的影响造成的损坏。经试验，便携式土壤探测仪能够很好地应用于林业领域，实时的检测土壤环境，为林地选择适宜的树种提供依据，使林木的健康生长得到保障，本探测仪在林业领域中将会有很好的发展前景。

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ResearchofPortableForestSoilDetector

Lin Menglei，Hu Jindi，Lishuang，Xuewei*

(College of engineering and technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to detect the change of soil factors conveniently and timely，and to provide the basis for choosing suitable tree species in forest，a portable forest soil detector is provided in this paper.By using mechanical and electronic control technology，sensor technology and communication technology，and combining SHT11 temperature and humidity sensor，pH sensor and strain sensor with AT8951 microcontroller and 24-bit precision A/DS1232 converter，the detector solves the problems of single function and complicated operation of the traditional instrument and achieves the effect of “one needle with multiple purposes”. Finally，the test results show that the portable detector can measure the temperature and humidity，pH value and penetration resistance(compaction degree)of the soil in a certain range，and the measuring range is from ground to underground 40 cm，the response time is less than 1 minute，the measurement accuracy is ±0.5%.The detector has the characteristics of simple，light，easy to operation and fast，which can meets the design requirements.The detector has a good prospect in soil detection after forest fire and real-time monitoring of forest growth process.

Soil detectors；temperature and humidity sensors；pH sensors；strain sensors

S 152；X 859

：A

：1001-005X(2017)05-0056-06

2017-03-31

东北林业大学国家级大学生创新项目(201610225086)

林梦磊，本科生。研究方向：森林工程。

薛伟，博士，教授。研究方向：森林工程。

林梦磊，胡进娣，李爽，等.便携式森林土壤探测仪的研究[J].森林工程，2017，33(5)：56-61.