基于微波法的快速测量交通道路土壤含水率的装置

李久超++李少岩++郭帅++孙学志++刘晓峰++张竟风

摘 要：快速测量土壤含水率装置是通过微波法对土壤进行水分的蒸发，通过单片机传感器可以随着土壤含水率的多少来控制装置的功率，既高效的利用了能源又保护了装置。本装置具有检测快速、设备体积小、设备成本低、应用范围广的特点。

关键词：微波装置；51单片机；传感器

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）29-0020-02

微波法快速测量交通道路土壤含水率的装置可以取代现有的传统测量方法。现在的路基、路床设计已经从以往的坚固性为主延伸到“透气、疏水、坚固耐用”的综合性指标，但是土壤的含水性是一个路面不可忽视的因素，而且现在的含水率检测技术诸如“张力计法、酒精烘烤法、风干土样法、中子法、电阻法”等方式。国内外最常用的只有烘干法与酒精燃烧法，烘干法需要八小时将土壤烘干，耗时非常长，延长了工期。酒精法虽然可以快速测得土壤含水量，但结果很不准确，对结果有很大影响。国内外土壤含水率的检测方法还存在很多问题，需要进一步研究。此装置可以有效地解决这些问题。而且土壤含水率对交通有很大的影响，因此研究基于微波法快速准确测量土壤含水率的装置具有广阔的应用前景。

1 总体设计

本文设计的装置是将原有的传统烘干法与酒精法由微波法代替，从而在测量土壤湿度上发生质的飞跃，解决了设备笨重，测量不准确的问题，此设计更加智能化，通过电气设备的连接实现了装置的数字化，而且周围环境对其影响很小。硬件的选择本着经济可靠的设计原则，设计了基于微波法的快速测量交通道路土壤含水率的装置。控制系统构成如图1所示，其由开关控制模块，微波装置模块，功率控制，湿度传感器模块等组成。工作时，将土壤放入装置中，通过微波进行土壤的蒸发工作，随着土壤中水分的减少，由湿度传感器收集信号反馈到单片机中减小功率，既节约了能源又保护了机器。当土壤中湿度与大气湿度相同时，由传感器反馈信号将功率减少到零，使装置停止工作，再由天平测量前后土壤质量之差，计算公式如下，从而实现利用微波法测量土壤含水率。

η=■×100%

2 模块工作原理

（1）单片机模块

51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，随着Flash rom技术的发展，8004单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。由于其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“经典”。此装置具有广阔应用前景。

（2）湿度传感器模块

环境湿度测试仪是一种用于环境湿度自动监测控制的设备。本传感器电路简单，调试方便，监测准确，精度高[2]。本设计采用的是频率输出式。 湿度频率转换电路采用NE555定时器，成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。本电路与湿敏电容HS1100和电阻等构成多谐振荡器，通过恰当设置电路中的电阻值，输出方波，实现湿度监测量向频率信号的转换，通过频率信号的高低我们就可以得知环境湿度，最后与土壤湿度相比较再反馈到功率的大小。

3 软件设计

该装置通过检测tlc555与湿敏电容HS1100和电阻等构成多谐振荡器传递过来的方波信号，运用单片机内部的计数器功能，对50ms方波数进行计数，并且运用单片机内部的定时器功能，设置一个50ms的中端，经计算可以得出方波信号的频率，该频率经计算可以得出此时所检测的湿度值，当达到环境湿度值时，通过单片机自动控制继电器断开，使微波控制电路停止工作，达到停止的目的[3]。

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit KA =P3^3；

uchar tem0，tem1； //用于存放50ms中所记脉冲个数的高低字节

uint f=0； //频率初值

void Init_timer（）

{

TMOD=0x51； //定时器1在方式1下工作16位计数器 定时器0在方式1下工作16位定时器

TL0=0x00； //定时器0初值 定时50000us

TH0=0x4C；

TL1=0x00； //定时器1清零

TH1=0x00；

ET0=1； //使能定时器0中断

ET1=1； //使能定时器1中断

EA=1； //使能总中断

TR0=1； //开始计时

TR1=1；

}

void tran（）

{

f=tem1；

f=（f<<8）|tem0； //计算出50ms中所记脉冲个数

f=f*20； //50ms*20=1000ms=1s 1秒钟所记脉冲个数等于频率

}

void main（）

{

KA=0；// 开启继电器

if（f<=6667）

KA=1；//当频率小于6667HZ时关闭继电器

}

4 结束语

设计的微波法测量土壤湿度装置有效地解决了传统设备耗时长，精度不高的问题。本装置检测快速、方便、操作简单，缩短施工工期且设备体积小，可以便捷携带，进行现场测量，其灵活性可以对各种状况适应，更好的发挥了其工作性能。

参考文献：

[1]李琳，杜倩，梁素钰，等.苏打碱土植物根际土壤微生物与土壤理化特征的关系[J].森林工程，2015，31（04）：5-9.

[2]晏鸣霄，夏振清，王攀婷，等.南瓮河湿地保护区土壤有机碳、含水率和pH的变化分布[J].森林工程，2015，31（04）：22-25.

[3]徐闖.季冻区边坡表层粉质粘土力学指标影响因素室内试验研究[J].森林工程，2015，31（03）：146-150.

[4]钟健波.壤墒情信息采集终端设计研究[J].科技创新与应用，2014（21）：57-58.