（农业电气化与自动化专业论文）车载式土壤电导率测量系统的开发.pdf

摘要 土壤信息采集是精细农业技术体系中的重要环节，由于土壤电导率信息是多种影响农作物生 长因素的综合体现，所以土壤电导率信息的获取尤为重要。本课题开发的基于“电流一电压”四 端法测量原理的车载土壤电导率测量系统，能够满足大田土壤电导率快速测量的需要，该系统包 括交流恒流源产生电路、信号调理电路和数据采集器三个主要部分。 从测量土壤电导率的实际需要出发，设计了幅值大小可调的稳幅交流电流源，该电流源能够 输出1 0 u a l2 m a 电流，在负载电阻为最大负载电阻的2 3 ( 该负载电阻使得输出正弦信号处于 正常与失真的临界点) 时，电流源变化幅度不大于1 5 。数据采集器采用的微处理器是a r m 7 核的l p c 2 1 1 9 ，该微处理器自带4 路1 0 位a d 以及c a n 控制器。数据采集器采用平均值滤波方 式进行数据处理；数据存储采用u s b 2 0 协议的u s b 接口，并通过该接口进行u 盘存储；接收 的g p s 数据为r m c 数据格式；c a n 数据通讯利用的是l p c 2 1 1 9 自带的c a n 控制器，该控制器 可工作在p e l i c a n 模式支持c a n 2 0 b 协议。 通过室内试验及室外试验，标定了传感器输出电压信号与被检测土壤电导率之间的关系；检 测了稳幅交流电流源的稳定度、传感器的重复性、系统的稳定性与可靠性；揭示了在土壤容积含 水率大于3 2 0 时系统所测内侧土壤电导率可以用来预测土壤含盐量的可行性。 关键词：土壤电导率，车载，“电流一电压”四端法，a r m 7 核，c a n 通讯 a b s t r a c t s o i li n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n e s p e c i a l l ys o i le l e c t r i c a lc o a d u c t i v i t yd a t aa c q u i s i t i o n ，i sa ni m p o r t a n ts t e p i n p r e c i s i o na g r i c u l t u r e s o l le l e c t r i c a lc o n d u e t i v i t yc a nr e f i e c tk i n d so ff a c t o r sw h i c ha f f e c tc r o p g r o w i n g i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ff a s tm e a s u r i n gs o i lc o n d u c t i v i t y o nt h ef a r m ，w eh a v e d e v e l o p e das y s t e mo fm e a s u r i n gs o i lc o n d u c t i v i t yl o a d e db yt r a c t o rb a s e do i lt h em e t h o do ff o u r - p o l e p a s s e db yc u r r e n t t h es y s t e mi sm a i n l ym a d eu po ft h ec i r c u i to fp r o d u c i n ga cc o n s t a n tc u r r e n kt h e c i r c u i to f a d j u s t i n gs i g n a la n dd a t a - c o l l e c t o r i no r d e rt os a r i s f yt h ed e m a n do fs o i l t e s t ，t h ea cc o n s t a n tc u r r e n td e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa d j u s t a b l e t h ea cc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec a np r o d u c el o l l a 1 2 m ac u r r e n tw h o s ef l u c t u a t i n gi sl e s st h a n l5 w h e n1 0 a d r e s i s t a n c ec h a n g ef r o m0qt o2 3o ft h em a x i m u ml o a d r e s i s t a n c e w h e nl o a d - r e s i s t a n c e e x c e s s e st h em a x i m u ml o a d - r e s i s t a n c e t h eo u l 【p u ts i g n a lb e c o m e sa n a m o q o h i c t h em i c r o - p r o c e s s o ro f d a t a c o l l e c t o r i s l p c 2 1 1 9 w h o s ec o r e i s a i l m 7 t h e m i c r o p r o c e s s o r i n c l u d e s f o u r c h a n n e l s l o - b j t a d ， c a nc o n t r o l l e r d a t a - c o l l e c t o r sd a t ai sd i s p o s e du s i n gt h ew a yo f t h ea v e r a g et of i l t e r , d a t ai ss t o r e db y f l a s hd i s kw h i c hc o n f o r m st ot h eu s b 2 0p r o t o c 0 1 t h ed a t ao f g p ss i g n a ir e c e i v e di sr m cf o r m a t t h e s y s t e mu s e sc a nc o n t r o l l e re m d e d d e di nl p c 2 1 1 9t oc o m m u n i c a t ew i t hp c t h ec o n t r o l l e rw o r k e di n p e l i c a nm o d e lc a l ls u p p o r t t h ec a n2 0p r o t o c 0 1 w ed e m a r c a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g eo f s e n s o ra n ds o i le l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ；e x a m i n e d t h es t a b i l i z a t i o no f t h ea cc o n s t a n tc u r r e n t ，t h er e p e t i t i o no f t h es e n s o r ，a n dt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m ；a n dd i s c o v e r e dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h ei n n e r - s i d es o i le l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yt o f o r e c a s tt h ec o n t a i no fs a l ti ns o i lw h e nt h er a t eo fc u b a g em o i s t u r ei ns o i le x c e s s e s3 2 b yo u t e r e x p e r i m e n ta n di n n e re x p e r i m e n t k e yw o r d s ：s o i lc o n d u c t i v i t y ，t r a c t o r - m o u n t e d ，f o u r - e l e c t r o d em e t h o d ，a r m 7 ，c a nc o n t r o l l e r l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加眦标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 彳臂 时圊：“年目? f 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 暂 时问：嘭年历俑 时间： 玉石年6 月疗日 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 精细农业的技术思想 第一章绪论 2 0 世纪后半叶世界农业的高速发展，除了依靠生物遗传育种技术的进步，耕地和灌溉面积的 扩大以外，基本上是依赖化肥、农药等化学产品投入的大量增加和机械动力与矿物能源大量投入 的条件下获得的。这种高能耗和化学物质过量投入的农业管理，引起了水土流失、土壤板结和酸 碱性失衡，导致化肥与除草剂在土壤和地下水以及农产品中富集，使环境受到污染、农产品品质 下降，并带来全球性环境恶化、资源日益短缺与生物多样性损失等诸多问题。所有这些说明传统 的农业生产管理方式，己不再适应当今社会发展的要求。 为了解决传统农业生产管理方式不必科学性带来的严重环境污染与生产力之间的矛盾，利用 在知识经济时代信息技术的迅速发展与普及，在九十年代初一些发达国家开始“精细农业”技术 体系的研究与实践，并提出了一种具有创新意义的技术思想。该技术已经引起相关行业的广泛关 注。“精细农业”思想的提出是基于“生物所赖以生存的环境资源的时空变异性”这一自然界的 客观现实”j ，所以它的技术思想核心，是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素( 如土 壤结构、地形、肥力、含水量、病虫害等) 在空间分布和时间上的差异性，分析产生这些差异的原 因，采取适当的调控措施，区别对待，按需实施定位管理( 图1 1 ) 。 为了测量农作物产量和影响作物生长的环境因素( 如土壤结构、地形、肥力、含水鼍、病虫害 等) 在空间分布和时间上的差异性，直接测量各个因素对于低利润的农业是不现实的，为了降低检 测成本，近年来人们直在寻找一项能够综合反映各因素的指标。 通过检索文献发现，土壤电导率是研究最多的指标之一，土壤电导率之所以成为研究的热点， 是因为它和土壤的众多属性存在很好的关联性。 1 12 土壤电导率的作用 电导率是衡量材料传导电流能力的一种固有属性，该属性类似于材料的其它属性。如：密度、 空隙率。图l 一2 说明了土壤电导率的用处源于砂土具有低电导率，表层土壤具有中电导率、粘土 具有高电导率这样一个事实嘲。 固1 - 1 精细农业技术思想示意图 粘土 表层土壤 咿士 011 01 0 0 1 0 0 0 电导草( , , s i r e ) 图l - 2 土壤各种成分的电导率 因此，在低频输入信号情况下测得电导率与土壤颗粒大小和结构有很强的相关性。土壤电导 率与土壤颗粒大小和结构的相关性如图1 - 3 所示”。 2 图l 一3 土壤电导率与土壤颗粒大小和结构的相关性 土壤电导率除了能够识别土壤结构之外，还和其他的土壤属性相关，这些土壤属性一起决定 了农田的产量： 有机物：有机碳在排水不畅的土壤中积累，造成土壤中的粘土含量同排水顺畅的土壤相比更高”。 阳离子交换能力( c e c ) ：土壤教科书记录了大多数玉米地的c e c 计算方法，如式( 1 。1 ) 所示。 c e c = o 6 x ( 粘土含量) + 2 o ( 有机物含量)( 1 - n 研究证实了土壤电导率与c e c 之间的相关性如图1 - 4 所示| 6 l 。 固i - 4 土壤电导率与c e c 之间的相关性 粘土层深度：粘土呈现的电导率响应已经被精确地用在预测岩土层上面的项层土壤深度上【7 _ 8 】。 水分保持能力水分泄漏能力：干燥地区与过饱和地区具有明显的结构差别，这些差别能够用土 壤电导率来识别。电导率适中的土壤具有适中的土壤结构，并且能够适度地保持水分，这种土壤 的农作物产量晟高1 9 。 盐度：人们利用电导率检测土壤中可溶性盐的剩余量。农用盐度等级所呈现的电导率读数明显高 于非盐土壤的电导率读数【1 o 】 土壤电导率除了和上面的一些土壤属性有明确的相关性之外，土壤电导率与作物产量之间的 关系一直是研究的热点嘲【9 】，但是还没有找到明确的相关性。 3 1 2 国内外的研究现状分析 土壤电导率的测量大致可分为实验室测量和现场测量两大类，实验室测量首先要制备土壤浸 提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的电导率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电导率的变 化。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，也是评价土壤电导率高低的基准， 但测量过程繁琐，且耗费较长时间，实时性差，不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量 测量的要求。 因此，土壤电导率的现场测量技术成为当今国内外研究的一个热点i 】1 - 1 9 , 也取得了很大的科 研进展，目前在发达国家已经部分地应用于农业生产，在精细农业中发挥着越来越重要的作用。 现场测量主要是将地球物理勘探中的方法引入到了农田土壤测量中。主要有两种基本设计思路： 基于电磁感应原理的非接触式设计和基于“电流一电压”四端法的接触式设计。 1 2 1 基于电磁感应原理的非接触式设计 非接触式设计利用了电磁感应原理。如图1 5 所示，非接触式土壤电导率传感器由相距大约 1m 左右的发送线圈和接收线圈构成。首先，向接近地面的发射线圈通入交变电流，产生一个随 时问变化的磁场，称为主磁场；主磁场在土壤中感应出微弱电流，该微弱电流又在土壤中激发出 另一个磁场，称之为副磁场。然后，由接收线圈同时感应主、副磁场的变化。因为主磁场强度和 副磁场强度的比值与电导率呈线性关系，所以，所测土壤的电导率可以方便的求得。该类型产品 的典型代表是加拿大g e o n i e s 公司生产的e m 3 8 。e m 3 8 的产品外型是条状的如图1 6 所示，而且 重量较轻，不用接触土壤，对农田横向扫描即可完成测量。该产品最初是用单人手提进行静态电 导率的，但是，随着g p s 技术的发展，研究人员已经开发出了能使e m 3 8 在移动中测量，并将其 输出的电导率信号与g p s 的位置数据相融合的系统，实现数据的实时采集。 图1 - 5 电磁感应原理图 图1 6e m 3 8 工作图 1 2 2 基于“电流一电压”四端法的接触式设计 接触式设计，运用了较为成熟的“电流一电压”四端法理论。这种理论的应用领域已经逐步 从地球物理勘探扩展到了农田土壤信息采集中，在土壤电导率测量中得到广泛应用。运用“电流 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 一电压”四端法这种理论，在测量土壤电导率时，可以不取样，不搅动土体可以保持原态原位 连续观测同时测量值与土壤浸提液电导率值有着较好的相关性。“电流电施”四端法，即测 试系统包括两个电流端和两个电压端。两个电流端提供所需的测量激励信号，通过检测两个电压 端的电位差换算出介电材料的电导率。测量系统的原理图如图l - 7 所示： - 一i ，_ 工2 - ! _ 工i 一 图1 7 基于“电0 缸一电压四端法”的电导率测量原理 由导体的电导率定义可以知道，如果测量对象横截面积与长度确定，则导体的电导率容易求 得。然而，对于大地电导率的测量，它恰恰是一个横截面积和长度都不能确定的复杂测量对象。 经大量的科学研究【2 0 】，可以得到大地的电导率的测量式( 1 2 ) 。 d ：k! ：k l k r 一” ( 1 - 2 ) 通过计算公式容易知道，在稳幅交流电流源输出电流一定的情况下，土壤电导率和电压端电 压降成反比。其中，足是一个与传感器屯板分布有关的系数。 基于此电导率测量原理，国内外不少研究人员都做了积极的探索，并取得了一定的研究成果。 美国堪萨斯州立大学的张乃迁教授运用此测量原理开发了小型实验仪器”，进行了土壤的电导 率和土壤水分的测定取得了良好的效果。中国农业大学精细农业研究中心利用“电流一电压四 端法”理论，开发了便携式土壤电导率测试仪和便携式温室基质电导率测试仪口”，它价格低，操 作方便，具备合理科学的形态结构，较高的测量精度，完整的控制和数据处理程序。大量的试验 结果表明，仪器精度较高，具有良好的实用性，满足农业工程实践的要求。以便携式温室基质电 导率测试仪为例，整个测试仪重4k g ，高1 1 2c m ，在传感器两侧安装了手柄，非常适合在温室大 棚中由单人操作使用。便携式基质电导率测试仪的结构示意图如图i - 8 所示，该仪器在温室中的 工作情况如图1 9 所示。便携式基质电导率测试设备主要是为设施农业的需要而设计的，具有小 型化、精细化的性能特点，尚不能适应当前大田农、中对土壤特性信息及时、大量获取的需要。 因此，对犬田土壤电导率的车载实时测试设备的研究逐渐成为研究人员关注的热点，并取得了一 些理想成果。 磋 固1 8 便携式基质电导率测试仪结构图 囤1 - 9 在温室中针对基质的电导率测试实验 在国外，已经有车载接触式土壤电导率测量设备，典型代表是美国v e r i s 公司生产的 v e r i s 3 1 0 0 ( 图1 1 0 、1 1 1 ) 。该种传感器可以在较短的时间内测量大面积田地的电导率值。v c r i s 3 1 0 0 有一对稳幅交流电流源输出端，两对电压检测端，即共有六个电极，可以同时对土壤的深层和浅 层电导率进行测量。最内侧两电极的电导率测量深度范围是o 2 5c m ，而最外侧两电极测量的深 度范围可以达到0 7 5c m 。接触式土壤电导率测试系统的田问测试结果与非接触式测试系统的测 试结果是非常一致的。接触式传感器虽为接触测量但却不需要取样，基本不用扰动土体，而且在作 物生长前和生长期问都可以设法实现实时测量，同时该类传感器还具有坚实耐用，操作便捷等特 点，很适合现代精细农业对农田土壤信息获取的要求。正因为以上原因，接触式传感器较非接触 式传感器在农田信息测量领域有着更广泛的应用。 囤1 - 1 0v e r i s 3 1 0 0 工作图图l - 1 1v e r i s 3 1 0 0 传感电极 但是，v e r i s 系列传感器价格昂贵，且一些关键部件容易损坏，不太适宜在国内的大范围推广。 目前，国内就车载式土壤电导率测试系统的研究很少，还处于跟踪学习国外成熟技术的起步阶段， 距离产品的商品化还有很长的路要走。 1 3 课题研究内容及目标 1 3 ，1 研究目标 本课题的具体目标就是对国内外土壤电导率测试技术研究现状进行深入分析和全面总结，吸 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 收各类系统的优点、克服其不足，并在此基础上结合我国精细农业田间实际应用的需要，开发具 备先进性和新颖性，拥有自主知识产权的，基于六柱式电极传感器的车载电导率快速测量设备， 为精细农业的发展做出贡献。 1 3 2 研究内容 1 设计一套土壤电导率测量传感器 2 进行传感器标定。检、狈4 传感器的重复性。 3 设计一套数据采集器，该数据采集器能够与上位机进行c a n 通讯、进行u 盘存储、接收g p s 数据和进行数据处理。 4 利用本文设计的传感器和数据采集器完成测量系统。， 5 利用拖拉机搭载测量系统进行田间试验，并对测试出的数据进行分析，对测量系统进一步改 进。 1 3 ，3 技术路线 通过查阅文献获知开发土壤电导率传感器存在的技术难点，以及一些注意事项，在设计的过 程中尽量避免前人犯下的错误，并着手解决其中存在的难点吲。 在掌握这些要点之后再设计传感器，对设计好的传感器进行重复性测试。数据采集器主要采 取以下路线： 根据任务要求，数据采集器将采用a r m 7 作为核心处理器进行开发。其中u 盘存储涉及到 海量存储协议，需要编写驱动软件，由于考虑到开发的时间，这一部分打算采用集成了海量存储 协议的u 盘模块来完成。a r m 7 由于是刚刚接触，为了熟悉并掌握这款微处理器，我们将采用购 买实验板的方法。在掌握这款微处理器之后，我们将在此基础上开发出符合自己功能的数据采集 器a 在这两部分均调试成功后，根据电气规则将这两部分整合成一套测量系统，最后对测量系统 进动态试验，在系统的稳定性达到要求之后，对系统的重复性、稳定性、可靠性进行测试。根据 上述描述，技术路线如图1 1 2 所示： 凰1 - 】2 技术路线示意图 7 第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 2 1 车载式土壤电导率测量系统硬件总体设计 21 1 系统功能分析 车载式土壤电导率测量系统是实现精细农业的重要组成部分。土壤电导率测量系统提供土壤 电导率数据和空问地理位置信息，这些数据用于生成七壤电导率空间分布变异图并利用生成的士 壤电导率空间分布变异图指导变量作业。 车载式土壤电导率测量系统包括传感器电路和数据采集器两部分。传感器电路在土壤电导率 测量系统中用了：给土壤提供激励源，并将土壤中的电导率信息转换成相应的电压信号。数据采集 器用于信号处理和g p s 数据接收，这些信息在田问计算机和台式计算机上通过g i s 软件能够生 成土壤电导率空间分布变异图。车载式土壤电导率测量系统与各部分协同工作原理图如图2 一l 。 图2 - i 车载式土壤电导率测量系统与各部分协同工作原理图 在第一章介绍过，土壤电导率的测量原理主要包括两种：电磁感应原理与“电流一电压”四 端法原理。利用这两种原理制造的典型产品有g e o n i c s e m 3 8 ( 利用电磁感应原理1 和v e r i s 3 1 0 0 ( 利 用“电流一电压”四端法原理) 。e m 3 8 与v e r i s 3 1 0 0 尽管在检测土壤电导率分布准确度上基本是 一样的。但它们之间还是有以下一些差别： l e m 3 8 只能够在播种前和收割后进行铡量，而v e r i s 3 1 0 0 还可以在农作物幼苗期间进行测量。 2 e m 3 8 由于传感电极位于土层表面。测最受空气温度影响比较太，而v e r i s 3 1 0 0 由于传感电极 埋在土壤中，几乎不受空气温度影响。 3 e m 3 8 传感电极由于位于被测土壤表面，测量结果易受传输电缆引入干扰的影响，而v e r i s 3 1 0 0 则无此限制。 根据以上两种原理的测量特点比较，在本课题中采用“电流一电压”凹端法原理进行产品开 发。 在本课题中，土壤电导率测量系统由笔者承担完成，该系统应具有如下些功能： 1 幅值稳定、频率固定的交流电流源产生功能。 2 通过u s b 口与u 盘实现海量存储功能。 3 与田问计算机实现c a n 总线功能 4 系统具备扩展、在线升级等功能。 随着测量仪表朝低能耗、高集成度、低成本的方向发展本次课题采用a r m 7 控制器。该控 制器具有外设功能丰富，功耗低，集成度高等特点，并且随着众多厂家的参与，a r m 7 控制器价 格大幅度降低，综合成本已经接近单片机控制器。除此之外，系统还采用国外农业机械已经普遍 采用的c a n 总线接口。 2 1 2 系统构成 根据系统功能分析提出的要求，系统数据采集器硬件采用以f 思路：以a r m 7 为微控制器， 配置相应的接口电路完成传感器信号采集、u 盘存储、c a n 总线通信、g p s 数据接收、检测信 号显示。电导率测量系统硬件结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统硬件结构框图 交流电流源用于向传感器电极提供激励源。微控制器负贵传感器信号采集与处理，通过串行 线控制数字电位器来实现交流电流源的幅值控制；通过串行线控制液晶显示模块，通过串口连接 u 盘模块将串口数据格式转换成u 盘存储所需要的数据格式，通过c a n 接口与田间计算机实现 c a n 总线通信，通过串口接收g p s 数据。 2 2 传感器电极介绍 本课厝使用的传感器机械部分总长1 8 5c m ，左右两端都有橡胶轮胎车轮，在测量中起着限制 电极入上深度的作用。传感器机械部分与动力机的连接采用悬挂方式，在运输途中或地头转向时， 拖拉机将测试设各提离地面，悬挂在拖拉机上。传感器设计采用“电流一电压”四端法。该方法 具有较好的理论基础，测量值与用溶液法测量出的电导率值有较好的相关性。传感器电极采用六 柱式电极，最外侧一对电极测量土壤深层电导辜值，晟内侧电极测量土壤浅层电导率，而中间一 对电极作为稳幅交流电流源的输出端。在v e r i s 3 1 0 0 传感器中电极的设计采用圆盘设汁，圆盘是 传感器部分的核心部件，用较薄的钢材料制成，容易损坏因此在大酣测量中该传感器对土壤的 品质要求较高鉴于上述原因，在自行开发的传感器中，采用了中耕铲式的电极。电极用高硬度 钢材料制成，电极底部锋利，极柱坚实，适宜在各种土质中稳定工作，而且还具有在作物生长中 9 中国农业大学硕士学位论文 第一章车载式土壤电导率褪4 量系统硬件研究与开发 期进行土壤除草、松土、间苗的中耕功能，充分显示出该电极的优势。电极示意图如图2 - 3 所示。 2 3 传感器激励源设计 圈2 - 3 传感器电极示意囤 根据“电流一电压”四端法测量土壤电导率原理，传感器的激励源是一个幅值恒定的交流电 流源，稳幅交流电流源由基准源、比较电路、输出电路组成。通过查阅文献发现，当信号源频率 为1 0h z 1 5 0k h z 时，土壤电导率测量结果不受信号频率变化的影响，若基准源采用正弦波 以外任何形式的信号，均包含了高于1 5 0 k h z 的信号，为此，在本课题中基准源采用频率为3 0 0h z 的正弦信号。 2 3 1 正弦信号产生电路设计 通过查阅相关资料，发现正弦信号的产生主要有两种方式，一种是采用离散元件按照r c 振 荡电路或是r l 振荡电路产生正弦信号，一种是采用集成函数发生器产生正弦信号。在电路设计 过程中，对以上两种方式均试验分析过。 lr c 振荡电路改进型电路 r c 振荡电路改进型电路是在r c 振荡电路的基础上对其幅值用一个放大器和场效应管组成 的负反馈加以稳定。其具体的电路如图2 - 4 所示： 反馈电路具体工作如下：t r i 结型场效廊管在这里充当压控可变电阻，它与r 3 、r 4 一起构 成文氏振荡器的负反馈回路，t r l 的电阻越大，负反馈越强。d 2 、d 3 、r 8 、r 9 、r l o 与i c ( 2 2 ) 对 输出振荡电压进行全波整流，在1 c 的1 脚产生负的整流输出电压，经过d l 与r ，、c 4 滤波后获 得一个负的直流电压，该电压与振荡输出的幅值差不多相等。这个负电压加在t r i 的g 极，控 制着t r i 的d - s 极之间的电阻值。振荡输出i 幅度增大，t r l 的g 极电压就越负，t r l 的d s 极 间阻值变大，负反馈增强，使得振荡幅度减小。通过以上的自动调节，使振荡幅度保持稳定，避 免放大器进入非线性区域，从而获得良好的正弦波信号。在仿真软件m u l t i s i m 2 0 0 1 环境下采 用与实际元件参数相同的元件搭建电路( 见附录a 1 ) ，进行仿真获得输出正弦信号总谐波失真 ( t d h ) 1 纵见附录a 2 ) ；但是电路中设计的离散元件较多，系统不便于集成，并且在进行系统装 配时检测的元器件种类及参数增加，不适于批量生产。 j o 中国农业大学硕士学位论文 第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 圈2 - 4r c 振荡电路改进型电路 2 基于集成函数发生嚣i c l 8 0 3 8 的正弦信号产生电路 尽管r c 振荡的改进型电路的器件成本低于函数信号发生器成本，但是考虑到批量生产的原 因，在本课题设计中采用了函数信号发生器i c l 8 0 3 8 来产生正弦信号。 ( 1 ) 1 c l 8 0 3 8 的工作原理 由手册和有关资料可看出，i c l 8 0 3 8 由恒流源j 1 ，最，电压比较器c 】、c 2 和触发器等组成。 其内部原理电路框图如图2 5 。在图2 - 5 中，电压比较器c l 、c 2 门限电压分别为 v r 和 v r ( v r = v c c + v e e ) ，电流 和如的大小可通过外接电阻调节，且1 2 必须大于m 当触发器的q 端输出 为低电平时，它控制开关s 使电流源1 2 断开。而电流源，l 则向外接电容c 充电，使电容两端电 压v c 随时间线性上升，当v c 上升到v c = v r 时，比较器c 1 输出发生跳变，使触发器输出q 端由低电平变为高电平，控制开关s 使电流源厶接通。由于丘，j l ，因此电容c 放电，v c 随时间 线性下降。当v c 下降到v c v ；时比较器c 2 输出发生跳变，使触发器输出端q 又由高电平 变为低电平，1 2 再次断开，l 再次向c 充电，v c 上升时间与下降时间相等。就产生三角波输出 脚3 。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9 、三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2 输出。当i t t 2 2 h 时，v c 上升时间与下降时间不相等，管脚3 输出锯齿波。因此，1 c l 8 0 3 8 能 输出方渡、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。 中国农业大学硕士学位论文第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 州 置【 钾爹一 一人人 q 掣酽童 皇【 迤 伊 陟 一赢 国2 - 58 0 3 8 内部原理电路框图 ( 2 ) 正弦信号产生电路 图2 - 6 为3 0 0 h z 正弦信号产生电路。图中c i ，r i 用于实现低通滤波起到隔直通交的作用， 电阻限3 + r x ) 、( r 4 + r 2 - r x ) 用于实现调节电流源，厶的大小，和方波的占空比，图2 - 7 、2 - 8 分别 是方波占空比为5 0 、8 0 时各输出信号的波形，从图2 - 7 、2 - 8 中可以看出，为r 使得信号的 总谐波失真( t d h ) 最小，( r 3 + r x ) 和( r 4 + r 2 一r x ) 必须相等。r 5 用于调节正弦信号形状，当 r 5 = 8 2k q 时总谐波失真( t d h 0 最小。 十5 v 囤2 - 6 正弦信号产生电路 c 2 与( r 3 + r x ) 用于调节输出正弦信号的频率，该电路产生的信号频率计算公式为式( 2 - 1 ) 。 f = o 3 ( 墨+ p , x ) c 2 】 ( 2 1 ) 9 管脚为方波输出端，输出端为集电极开路形式，一般需要在正电源与9 脚之间外接电阻。 该电路在满足( r 3 + r x ) 和( r 4 + r 2 r x ) 相等r s = 8 2k q 时总谐波失真( t d h ) 1 ，并且函数信号 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 发生器只需外接少量的元器件就可产生正弦信号，其中所使用的元器件只需选用温漂小的器件即 可。器件中的数据可根据数据手册选择。尽管r c 振荡的改进型电路的器件成本低于函数信号发 生器成本，但是考虑到批量生产的原因，在本课题设计中采用了函数信号发生器来产生正弦信号。 、厂、厂 、 。 11 一、 、 11 。1 、 i lll 图2 7 方波占空比为5 0 时各输出信号波形囤2 - 8 方波占空比为8 0 时各输出信号波形 2 3 2 稳幅交流电流源设计 在“电流一电压”四端法土壤电导率测量原理中，土壤电导率传感器的测量精度主要取决于 稳幅交流电流源的精度，图2 - 9 是本课题的稳幅交流源电路。通过m u l t i s i m 2 0 0 1 仿真软件( 见 附录a - 3 ) 与搭建电路扳试验，利用电位器变化仿真土壤阻抗变化，随着阻抗在0n r m a xn 之 间变化，电流幅度变化 3 ，其中r m a xn 是输出正弦信号失真时的最大负载。 交流源恒流源电路由三部分构成，分别为基准源、比较与输出。 交流源电路的基准源v s i n 是正弦信号，正弦信号由函数信号发生器芯片i c l 8 0 3 8 配合少量 的元器件产生。 采样电阻( 数字电位器u 6 ) 接在u 5 a 的输出端且与负载串联，其阻值决定输出电流的大小。 u s b 与u s c 接成跟随器，将基准、比较和输出三部分隔离，使基准电压和输出电流更加稳定。 通过仿真实验及电路实验证明该电路的输出稳幅交流电流源的输出电流的大小为：1 0 l l a 1 2 m a ，并且输出电流随输出负载波动小于3 。 该稳幅交流电流源输出阻抗高，输出电流的大小可以通过程序控制数字电位器来控制。由于 交流电流源具有自动调节特点，该系统可以适应土壤电导率变化大的特点，而不需要人为干预内 部系统参数。 图2 - 9 交流恒流源输出电路 1 3 中国农业大学硕士学位论文 第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 2 4 传感器输出信号调理电路设计 信号调理电路能够将从传感器输出的交流小信号转换成最佳大小的直流信号。本系统需要检 测两纽电压，故需要用到两组信号调理电路，一组用于调理内侧电极检测信号，另一组用于调 理外侧电极检测信号。内侧电极检测的信号反映的是浅层土壤电导率的大小，外侧电极检测的信 号反映的是深层土壤电导率大小。图2 1 0 中的信号1 与信号2 是由内侧两个电极或由外侧两个电 极产生。由于信号l 与信号2 的阻抗随着土壤结构及土壤成分的改变，也会产生变化，为了避免 该阻抗变化对后级测量电路带来影响，信号l 与信号2 在进入差分电路前需要经过由跟随器组成 的缓冲级。差分电路用于实现信号1 与信号2 的差输出。传感电极输出的信号为交流信号，在交 流信号测量中常通过测量交流信号的有效值来测量交流信号，所以采集到信号需要经过一级有效 值转换电路，转换为与其有效值等效的直流信号。由于转换出来的信号还比较小，为了减小测量 误差，必须对转换后的信号进行放大。根据上述描述，信号调理电路框图如图2 1 0 所示。 2 4 ，1 差分电路 图2 i o 信号调理电路框图 图2 - l l 用来实现信号v i n + 与v i n - 相减的差分电路，从电路结构上来看，它是反相输入和同 相输入结合的放大电路。在理想的情况下运算放大器的两输入端电压相等，即电路中存在的虚短 现象。运放两端之间存在共模电压。当r l t = r l s 和r 1 9 _ r 2 0 - r 2 l = r 2 2 时，根据虚短现象求得v i n 与 v i n + 、v i n - 之间的关系式( 2 - 2 ) 。 v i n 。1 + 2 r , 7 r m ( v i n + ) 一( v i n - ) 】 + 5 v 图2 - 1 1 差分实现电路 1 4 ( 2 2 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章车载式土壤电导率测量系统硬件研究与开发 由于共模电压的存在，应当采用较高共模抑制比的运放，除此之外还应当考虑运放的偏置电 压，因为以上关系式是在假设输入两端虚短的情况下得出的。在综台以上两方面因素和成本因素 的情况下，本课题采用了运放l m 3 5 8 、o p 0 7 。 该电路具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，适用于信号调理电路前级。 2 4 2 有效值转换电路 有效值转换电路用于将从差分电路输出的交流信号转换成与其真有效值等效的直流电压，真 有效值是交流信号的属性之一+ ，可以反应交流信号的大小。在本课题中有效值转换电路由真有效 值转换芯片a d 5 3 6 配合少量的元器件完成。 1a d 5 3 6 介绍 a d 5 3 6 的管脚排列及内部框图如图2 1 2 所示。内部包括有源整流器( 亦称绝对值电路) ；平方 除法器；镜像电流源；缓冲器b u f 。v d b 为电平屯压输出端。b u f n 、b u f o u t 分别为缓冲器 的输入、输出端。r l 为内部电阻r 2 的引出端，通常与c o m 短接。o u r 为电流输出端，当r l 端 开路时此端输出电流，r l 端接地时则输出电压v o = q o t r r ) ( r 2 k n - 囤 & d 5 3 6 h j 霸 三二淖誊 蒯鬯 倒：。 图2 - 1 2a d 5 3 6 的管脚排列及内部框图 2a d 5 3 6 应用 图2 - 1 3 为有效值转换电路，图中c 4 0 、r 组成低通滤波器，用于将信号中的交流信号提取 出来。c 3 9 为平均电容用于减小纹波信号的大小，纹波信号的大小取决于c ，与输入交流信号频 率的大小，在输入信号频率固定的情况下，纹波信号的大小仅取决于c 3 9 的大小。c 3 9 越大，纹波 越小，但是交流信号转换成有效值的时间越长。在设计时应该考虑转换时问和纹波大小。c 4 l ， c 4 2 可以在纹波误差不变的情况下，迅速缩短转换时间。 2 4 3 放大电路 囤2 一1 3 有效值转换实现电路 放大电路用于将小信号放大，图2 1 4 为同枢放大电路，匿中r 2 3 与4 构成反馈电路，电路 增益为2 0 1 0 9 ( r 2 3 + r 2 4 ) r 2 3 。表达式中的r 2 4 为电位器接入电阻。 2 5a d 电路设计 图2 1 4 放大电路 a d 电路用于将传感器输出的模拟信号转换成m c u 可以处理的数字信号。本课题中有两路 信号需要处理，并且为了使信号的检测精度保持较高的性价比，所以在本课题中采用具有烈通道 的1 2 位a d 转换的转换芯片m a x l 4 4 。m a x l 4 4 是m a x i m 公司的产品，该芯片具有工作电压范 围宽、功耗低、体积小等特点。图2 。1 5 是系统中采用的a d 转换电路。图中r z 5 、r 2 6 为限流电 阻，起到保护输入端的作用，c 1 6 、c 】7 、c mc 1 9 、c 2 l ，均为旁路电容，用于消除高频干扰。c 2 0 为储能电容，用于维持基准源稳定。r 2 9 为分压电阻，l m 4 0 4 0 是精密基准源芯片，为a d 芯片提 供转换基准源。 1 6 u 。一 旦 一啬鼢 h 邕 2 6 主控单元设计 图2 - 1 5 a d 转换电路 主控单元用于实现数据处理、外设控制。涉及的外设包括c a n 总线控制器、u 盘模块、串口、 a d 。考虑到电导率测量系统的升级方便性、成本的总体价格、功耗、紧凑性，在本课题中选用 具有a r m 7 内核i 搀l p c 2 1 1 9 作为微控制器。以下就将对l p c 2 1 1 9 芯片及其组成的最小系统作一些 必要的介绍。 2 6 1l p c 2 1 1 9 介绍 l l p c 2 1 1 9 组成及结构 l p c 2 1 1 9 的结构框图和引脚捧列如图2 1 6 。l p c 2 1 1 9 基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s ”c p u ，并带有1 2 8 k b 嵌入高速f l a s h 存储器和1 6 k b 静态数据存储器。除此之外， l p c 2 11 9 还包括了丰富的外设资源，如：多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道、 4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断等。在本次课题中需要用到片上资源有a r m 7 c p u 、1 个定时器、 2 个串口、个i 硒口、1 路c a n 控制器、1 s p 口、大量的s r a m 和r o m 。 图2 - 1 6l p c 2 1 1 9 结构框图 2 结构描述 a r m 7 t d m i s 是一个通用的3 2 位微处理器，它可提供高性能和低功耗。a r m 结构是基于精 简指令集计算机( r i s o 原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得 多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。 由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的 同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 a r m 7 t d m i s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特的结构化策略，它非常适用于那些对 存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。 在t h u m b 后面一。个关键的概念是“超精简指令集”。a r m 7 t d m i s 处理器基本上具有两个 指令集： ( 1 ) 标准3 2 位a r m 指令集 ( 2 ) 1 6 位伽m 8 指令集 t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密度，却仍然保持a r m 的 人多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所不具有的。这是因为t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。 1 r t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相同 a r m 处理器性能的1 6 0 。 2 6 2 最小系统设计 1 电源电路 l p c 2