毕业论文-基于驻波比的土壤湿度测量研究

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目基于驻波比的土壤湿度测量研究学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化8班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 月日湖南大学毕业设计(论文) 摘要土壤的湿度对于科学地利用水资源，使用农作方式和发展节水型灌溉农业是一个重要的参数，但由于土壤的成分以及结构十分复杂，如何准确地测量其湿度值是一个难题。为了发展节水型新农业，简单，快捷，低成本的测量土壤湿度方式是必不可少的。本文简要综述了当今测量土壤湿度的研究现状，分析了土壤的结构特点并论证了通过测量土壤介电常数可以间接测量土壤的湿度的原理；从理论和测量方面研究了基于驻波比原理开发的测量土壤湿度的方法，在此基础上还对原有文献提供的电路进行简化，研究和开发了土壤湿度测量的系统。此外还使用C#语言编写了上位机以便实时查看数据。实验表明：该测量方法可行，其信号能够随土壤水分的变化而发生明显变化。关键词：驻波比，土壤湿度，介电常数，峰值检波TheoperatororderingprobleminquantumHamiltonianforsomeConstraintsystemsAbstractSoilmoistureisanimportantparameterforthescientificuseofwaterresources,agriculturalpracticesandthedevelopmentofwater-savingirrigationagriculture.Duetothecomplexityofboththesoilcomponentsanditsstructure,itgraduallybecomesanimportantissuetoaccuratelymeasurethesoilmoisture.Inordertodevelopnewwater-savingagriculture,it’sessentialtodevelopasimple,fast,andlow-costwayformeasurements.Thisarticlefirstbrieflyreviewstoday'smeasurementsofsoilmoistureandanalyzesthesoilstructure.Thenitdemonstratesaveryimportantprinciple--bymeasuringthedielectricconstantofsoilmoisture,thesoilmoisturecanbemeasuredindirectly.Meanwhile,basedonboththetheoreticalstudiesandpracticalmeasurements,anewmeasurementwayisdevelopedaccordingtotheSWRmethod.Besides,asimplifiedcircuitisdesignedonthebasisofrecentdocuments.Finally,asoilmoisturemeasurementsystemisdesignedandputintouse.What’smore,theuppercomputerisprogrammedwithC#languageforreal-timedataviewing.Manytimesofexperimentsshowsthatthesignalsgeneratedbythissystemhaveasignificantchangecorrespondingtothesoilmoisture,whichvirtuallydemonstratesthefeasibilityofthemeasurementmethodinthisarticle.湖南大学毕业设计(论文)目录TOC\o"1-3"\h\u23411绪论 湖南大学毕业设计(论文)第页1绪论1.1课题背景及目的中国淡水资源丰富，占全球水资源的6％，居世界第4位，但人均淡水拥有量较低，仅为世界平均水平的1/4，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。我国水资源分布有两大特征：一是降水时间分布不均匀，北方地区降水少，降水变率要比南方大得多，并且出现丰水期和枯水期；二是水资源地区分布不均匀，与经济结构和生产力布局不匹配，长江以北广大地区，人口占全国的47%，耕地面积占全国的65%，而水资源量仅占全国的19%。我国目前的农业用水总量占总供水能力的73.4％（若考虑农村生活用水则占81.7％）。因此我国是一个缺水的国家，农业又占据着大量的宝贵水资源。在中国农业的经营方式大体上是粗放型的，即大肥大水的模式，没有节制性。施肥的量远高于需求量，导致了土壤的板结化以及水资源的污染，灌溉的方式大多是淹盖方式造成了水资源的浪费。在发达国家的农业水利用率已经达到70%-80%，而我国只有40%，因此水资源的节约重点在于农业水资源利用率的提高。如果在进行灌溉之前能够用快速土壤湿度测量仪检测出土壤的含水量在进行适当地灌溉，节水的效果会更加的好。但是土壤是一种十分复杂的物质。它是矿物和有机物的混合组成部分，存在着固体，气体和液体状态，因此土壤通常被视为有多种状态。土壤的组成是由岩石风化而成的矿物质、动植物残骸，微生物分解残体产生的有机质、土壤生物以及水分、空气，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。土壤内部物质种类之多造成了精确测量土壤水分具有较高的难度，如今随之科学技术的发展，土壤水分测量的方法多种多样，研究测量土壤湿度的技术离不开需要一系列与其相关的基础理论支持。在学术界把土壤作为一种非均匀性多孔吸水介质对其开展含水量测量技术的研究，其技术涉及到应用统计学、土壤物理、高频电路、电磁场导论以及微波技术等多种学科知识的并行交叉[1]。1.2国内外研究状况当今土壤湿度的测量技术多种多样，已经从传统的烘干法发展到现在的自动烘干法，射线法，张力计法，中子法等等。1.2.1烘干法烘干法是测量土壤含水量的经典方法，为国际公认的标准方法。其特点是方法简单，测量精度高，对设备要求简单，缺点是检测时间长，不能快速测量。它是利用电烘箱加热被测土壤使水分蒸发的物理原理进行湿度检测。利用被测土壤加热前后重量的变化检测样品含水量，进而可以求出土壤的湿度。其结果可以作为检验其他方法的检测标准，多用于实验室检测，土壤湿度表达式为：式中：--土壤干重（单位：）--土壤湿重（单位：）1.2.2射线法射线法即通过测量射线在土壤中的衰减情况测量土壤含水量。由于水的介电常数特别高，且在超高频范围内存在介电损耗最大值。射线法就是利用超高频能量通过被测土壤产生能量损耗，通过对之后射线探测器进行计数，经过校准后得到土壤的含水量。中子法和计算机断层扫描法使用的仪器设备昂贵，一次性投入比较大，而且在测定表层土壤时的含水量用中子仪不准确，而且测定不同的土壤类型时还需要校正参数，还伴随辐射泄露的危害，因此多用于实验室的研究[2]。根据电磁能量传播的关系，射线在含水物质中的衰减量W(dB)为：式中：M：含水物质的相对水分含量：被测物-空气之间反射系数的模B：含水物质的相数：水的衰减系数：密度因数：材质因数：被测物的厚度1.2.3TDR法TimeDomainReflectrometry(TDR）是1960年左右开发的土壤湿度测量技术，也是现在很多实验室使用的分解率和准确性较高的测量技术。它的检测原理是根据电磁波在介质中的传播速度与介质本身的介电常数有关这一原理研制的。从理论分析和实验验证可证明：电磁波在非真空物质中的传播速度与介质的介电常数存在以下关系：其中：，当，时，此时公式可以化简为由于c是光速是一个常量，只需求出电磁波在介质的传播速度即可求出介质的介电常数，根据这个原理设计出如图所示的TDR工作系统图图：TDR工作系统图在图中，l是土壤探针长度，假设t0时刻电磁波从探针与导线连接处发出，t1时刻返回，则电磁波传播速度为代入式（），可得在1980年，加拿大研究员Topp等将TDR用于含水土壤的介电常数测量研究中，得到了很著名的，现在在研究中广泛使用的Topp方程：其中是表示土壤的含水率，或是土壤湿度。根据Topp方程可以获得土壤介电常数与土壤含水率的关系。其关系如图所示图：土壤含水率与介电常数的关系1.2.4中子法高速运动的快中子与物质发生碰撞时会发生方向的变化并造成能量的损失，衰减变成慢中，由于被测物中含水量不同因此产生的衰减也不同，这是因为水中含有大量的氢原子，而氢原子对中子的能量损失作用远大于对其他原子，因此可以通过测定慢中子的数量来测定煤粉的含水量。但是中子水分仪必须由人工标定，精度受土壤密度、体积影响较大。不过这个方法的优点在于能够较快速的测量土壤湿度，它还具有不破坏土壤结构和不影响农作物正常生长等优点。主要缺点是设备的价格昂贵，而且这种方法如果屏蔽不好。容易造成射线泄露，以致污染环境，危害人体健康，中子法在有些发达国家已被禁止使用。1.3论文的构成及研究内容本文拟从以下几个方面对含水土壤的介电特性进行系统的理论探讨和实验研究。1.根据介质物理学的有关研究结果作为本研究的理论基础，分析土壤的介电特性。2.利用无线电工程中的传输线理论及驻波比的原理研究出土壤介电常数的测量方法，并根据理论设计出线性度好，测量范围宽的土壤湿度测量计。3.不同结构的土壤探针阻抗的计算方法在土壤湿度测量研究过程中是一个重要的难点。分析探针阻抗数学模型不仅能为基于驻波比原理的土壤湿度测量技术的电路设计提供可靠的理论依据，而且能用于TDR和FD等其它测试方法的土壤探针阻抗计算。4.设计制作相应系统并进行相应的调试。5.对测量数据进行分析，验证设计系统的可靠性及精度。2土壤湿度测量基本理论分析2.1土壤介电特性图1：土壤的内部组成自然界物质的存在方式有固态，液态，气态。而含水土壤的存在方式却是固态，液态，气态三种方式的混合态。本身就具有了复杂性，它的微观结构如图1所示：图1：土壤的内部组成土壤里面的空气存在于土壤颗粒之间，如果土壤颗粒之间的水分增多则土壤内部的空气含量也会降低。不同性质的土壤其蓄水能力不同，如粘质土壤里面的大孔隙少，毛图2：常见材料的介电常数管空隙多，蓄水能力强，空气含量往往很低。结构良好的土壤，孔隙密度高，而且多是大孔隙，所以空气含量也高。在土壤中水，空气与土壤颗粒间的介电常数各不相同，尤其是水的介电常数特别大，与其他两者差异巨大。图2是一些介电材料的介电常数：图2：常见材料的介电常数由于水的介电常数特别大，在温度16℃时的介电常数为81，空气的介电常数约为l，土壤颗粒的介电常数约为2～3。可见在一定的频率范围内，水的介电常数比空气和土壤颗粒的介电常数大的多，含水土壤的介电常数主要由土壤含水量来决定，因此可以通过测量含水土壤在一定频率下的介电常数来达到测量土壤湿度的目的。本文中的介电常数通常指的是相对介电常数。在交变电场中，物质的介电常数是用复数形式所表示的，其实部表示物质的储能特性，虚部表示物质的耗能特性，复介电常数的频谱特性可用Debye方程描述[]：将复介电常数的实部与虚部分离，可得出复介电常数实部与虚部各自的频谱特性，--复介电常数--复介电常数的实部--复介电常数的虚部--电磁的频率--介电损耗峰值的频率--当外电场的频率为低频时物质的静态介电常数，反映了介质的松弛损耗。--当外电场频率达到无穷大时的介电常数，反映了介质的位移极化的贡献。从公式上可知，介电常数与测试的频率有关，此外介电常数还与温度有关。表2.1展示的是水在不同温度下的介电常数。温度（℃）介电常数ε087.90585.901083.952080.18图3：水在不同温度下的介电常数图3：水在不同温度下的介电常数由此可见介电常数ε不仅与外电场频率的有关，同时也与温度高低有关。例如，Hasted(1973)发现水的相对静态介电常数与温度(℃)的关系式为（2.1）所以，严格地说在讨论介电常数的测量问题时，温度的影响因素也必须一同考虑。根据含水土壤的介质特性我们可以得出其介电常数的大致表达式：（2.2）式中，，分别表示土壤中气、固、液三态物质的介电常数，，，分别表示气、固、液三态物质的容积比例系数。显然，通过分析Debye方程可知，不同的测试频率的对测量的结果也有一定的影响，在不同的频率测试下，复介电常数的实部和虚部所起的作用各不相同。此外含水土壤的介电损耗与土壤的盐分、水分、有机质和压实度都相关。现有的研究显示，当测试频率高于30MHz时，水的复介电常数的虚部将显著降低，这时起主要作用的是介电常数的实部，为了让水的复介电常数的实部起主要作用以便于测试土壤的含水量，测量频率的选择应在30MHz以上才能进行实验，否则土壤电导率将对土壤含水率测量结果产生不利影响。在此之前已有从事介电物理学研究的学者对含水土壤介电行为的频率特性做了大量的实验研究。Hasted(1973)．Hilhost和Dirksen(1994)以及Santamarina和Klein(1998)等先后都发表了相关的研究报告。从Hastedt[]和Hilhost与Dirksen[]提供的实验结果可以知道当使用低频段(f<1MHz)的测试频率时，含水土壤介电常数的，即虚部分量起主要作用。当使用的测试频率增加时，的作用显著下降，因此在测量土壤电导率通常选在测试频率低于1MHz的频段。此外Hilhost和Dirksen的实验结果则还进一步表明，对于粘粒、粉粒和沙粒，它们介电常数的实部分量，随着测试频率的不同而存在着明显的差异。但是在100～500MHz范围内，三种土壤介电特性行为十分的相似。所以，Hilhost和Dirksen的结论是使用100～500MHz测试频段对各种不同类型土壤介电特性的测量受到土壤质地变化因素的影响最小。因为是第一次借助高频的方法进行测量，且考虑到现有的参考资料及设备的成本，所以本文选用了100MHz的频率进行测量。2.2基于驻波比的快速土壤湿度测量方法由传输线理论可知，由信号源产生的正弦波通过同轴电缆传递到探针时，由于同轴电缆的阻抗与探针的阻抗不匹配，导致有部分信号被反射回来，此时反射波与入射波叠加在传输线上形成了驻波，造成线上有的地方信号幅值强，有的信号幅值弱。测量装置如图4所示，它主要由振荡器，同轴电缆，探针三部分组成。振荡器的频率是100MHz，同轴电缆的特征阻抗为50欧姆，探针为同心四针结构。由电磁场理论可知：电磁波在真空中传播速度为光速，其频率与波长成反比。当振荡器发出100MHz的信号在同轴电缆中传播时，由于同轴电缆中填充的介质材料的介电常数一般为4～5，相对磁导率=1，由公式可知，其信号传播速度是光速的一半左右，对应波长约为1．5米。由于测量装置采用的同轴电缆长度可以和电磁波波长相比较，因此在分析电路中的信号传播时候需要采用分布电路来分析。图4：传感器组成示意图根据无线电工程的传输线理论[4],可将整个测量装置等效成如图5所示电路。图4：传感器组成示意图图5：测量装置等效电路图5：测量装置等效电路在图5中，Z表示传输线的阻抗，Eg表示信号源电动势，Rg表示信号源内阻，ZL表示探针阻抗，即为负载阻抗，R1，G1和C1表示传输线上的分布电阻，电导和电容。该等效电路图把均匀传输线看做是由一系列的集总元件构成，并将传输线划分为许多的微分段，由于分布参数在同轴电缆是均匀分布，且线元长度极短，故可用一个Γ型网络进行等效。在Z轴任意点z取微元，即可得到该点的电压与电流的微分方程。（）（）令为同轴电缆单位长度的阻抗（欧姆），为同轴电缆单位长度的导纳。再令，其中为导电媒质中波传播常数，用来表示电压或电流行波沿传输线行进过程中的衰减和相移的参量，称为衰减常数，表示在导电媒质中电磁波衰减的快慢，单位是，称为相移常数，表示波在传播过程中相位改变的快慢，单位是。再由（）（）两式做二次微分便可得到传输线的电报方程：这是常系数二阶线性微分方程，其通解为：（）（）（）（）定义传输线的特性阻抗：（）将（）代入（），可得再由边界条件确定。根据传输线的两个端点可知在负载端Z=0处有，将其代入上式可得：可得，其中表示同轴电缆的特性阻抗，表示探针的特性阻抗在此，得到了反射系数，它表示在传输线上距终端(负载端)X距离处的反射波与入射波电压向量(或电流向量)之比。在式（）中的实部是电压的瞬态表达式，将代入可得：由于本文使用的同轴电缆可视为无损传输线，因此，故有因此当位于负载端（Z=0）时，电压的峰峰值：令，则此时可获得在四分之一波长处的电压峰峰值：其中A表示信号源的幅值，通过这几条公式的推导表明但传输线的长度为四分之一波长时，驻波的波峰与波谷位于传输线的两端，此时两端电压差最大，因此在实际设计中同轴电缆常取四分之一波长的长度。两端的电压峰峰值差为：因此当信号源的幅值一定时，传输线两端的电压峰峰值由反射系数决定，在传输线理论中又可以用驻波比的方式表示：通过公式的推导可知，传输线两端的信号电压峰峰值差由反射系数决定，而反射系数的大小是由传输线阻抗与探针阻抗的匹配程度决定的，当两者相差越大时，反射系数越大，两端的电压峰峰值差就越大，由于探针的阻抗与土壤的湿度有关，由此可以得到土壤湿度与电压峰峰值差的关系，通过检波的方式对两端的电压做差就可以测量土壤的湿了。基于传输线阻抗变换原理的测量土壤湿度的原理图如图（）所示：图：测试原理图由于传输线的特性阻抗已知，实际传输线两端电压的变化上是由于土壤探针阻抗变化引起的。所以，需要建立土壤探针阻抗计算的数学公式，以便于设计出更好的探针结构。2.3土壤湿度测量探针的设计在上一篇的推导中可知，当同轴电缆的特征阻抗确定时，传输线两端的电压峰峰值差由探针的特征阻抗决定，因此需要对探针的特征阻抗建立数学模型，同时也为了能够设计出更好的探针结构提供理论上的参考。在目前的相关研究文献中，土壤探针结构有单针，双针，四针等不同的结构，具体探针的电位分布形状如图所示：图：不同土壤探针结构的等电位分布。观察图，可知土壤的探针属于多头非规则形状，如果从电磁场理论去推导它的特征表达式将非常困难，因为其边界条件十分复杂不保证存在解析解。不过在1989年澳大利亚学者Zegelin等给出了图，定性的给出了多种结构探针的电位分布图。从图中可看出同轴传输线和平行传输线是不同探针结构中的两个极限，因此多头探针是介于这两者之间的。探针的头数越多，其特性就越接近于同轴电缆，探针头数越少就越接近于平行传输线。因此可先分析同轴传输线和平行传输线的特征阻抗，再通过夹逼定理来估计出多头探针的特征阻抗。根据同轴电缆的特性阻抗计算公式可知[]：式中，R——表示外导体半径；r——表示内导体半径；ε——表示传输线内部绝缘物质的介电常数。双轴电缆的特性阻抗为式中，R——为外导体的半径；r——为内导体的半径；ε——为传输线内绝缘物质的介电常数。因为土壤探针的结构为多头结构，所以存在的关系，因此存在比例系数ξ，使得1<ξ<2，这样多针探头的特性阻抗可以表示为[]：设同轴电缆内的介电常数为，探针内的介电常数为，将代入，在代入式（）即可以得到以下表达式：结合现有的土壤探针设计资料，得到了同心四针结构[]的设计图,该结构具有探针集肤效应小，又不破坏土壤结构，并且在不均匀土壤湿度中测量准确度较高。从式中也可以得出反射率与同轴电缆填充的介电材料的介电常数和土壤的介电常数有关。由于同轴电缆填充的介电材料的介电常数一般为4～5，而含水土壤的介电常数在15-20，且ξ>0，因此反射率，也就是说土壤的湿度增大时反射率增大，在z=0处的电压峰峰值将减小，在处电压峰峰值将增大。由于是初次制作高频电路在实际操作中发现若同时对同轴电缆两端进行检波，电路受外界的干扰较大而且检波模块在处与同轴电缆难以很好连接，因此决定只对z=0处的信号进行检波，在实际测试中具有信号稳定，反应迅速，电路干扰少，操作简单等优点。实际的电路示意图如图所示：图：本文实际采用的电路示意图在同心四针结构的土壤探针设计中遇到了很多问题，主要是缺乏设备的支持。在淘宝上也没有找到类似的结构。因此不得不考虑使用单针结构的探针模型，通过查阅相关文献获得了单针模型的一些资料。图：单针模型单针模型具有结构简单，插入土壤方便对土壤结构破坏性小的优点，但同时由于没有像多头探针那样的吸收电极，单针模型的抗干扰性比较差，在土壤的湿度比较低时很容易受到外界的电磁环境干扰。3基于传输线驻波比的电路设计3.1电路的系统设计土壤的湿度检测电路主要由电源，电路板和同轴电缆与探针组成。其组成如图所示：3.2电路的硬件设计检测电路的硬件系统的构成：：双电源模块：信号源模块：峰值检测模块：AD模块：温度传感器模块：液晶显示模块：单片机模块：上位机模块硬件系统模块关系如图所示，电源模块如图所示：MCU100MHz振荡器MCU100MHz振荡器同轴电缆探针峰值检测AD模块温度检测模块液晶模块按键蓝牙模块图：硬件系统模块关系图12V开关电源12V开关电源双电源模块LM1117-5VKA7909+5V-5V+12V+12V-12V-12V图：电源模块系统图3.1100MHz振荡器电路设计由于在电路中采用的是100MHz高频信号源，为了检测的方便决定制作100MHz信号发生器。信号源的设计要满足尺寸小，不然做出来的板子就会很大，还要求频率稳定以及功率较大。综合这些基本要求和参考一些文献里用过的高频电路，决定使用摩托罗拉公司生产的MC1648。这款芯片体积小，外围电路简单，能在5V或者-5V的电压下工作。它的管脚图如图所示图：MC1648引脚分布图MC1648在工作时需要一个电感和一个电容来组成tank回路，这个回路将提供MC1648的振荡频率。这款芯片的最高工作频率可以达到225MHz，也可工作在9V电压的大功率模式。芯片内部简单的工作原理图如图所示图：芯片工作原理图它的内部电路分布如图所示：单片MC1648的工作频率由外部的tank回路里的电感和电容决定，但在tank回路两端也就是芯片的10和12脚之间有6pF的输入电容，因此在计算时因考虑这部分输入电容。则振荡器的工作频率计算公式为：其中：，是芯片10和12脚的输入电容改变回路的电感和电容值（）即可改变振荡频率，将电容改为变容二极管即可作为可变频率的振荡器。实际的电路设计如下图所示：图：100MHz信号源电路设计图：传输线上的100MHz信号。（示波器带宽为100MHz）图：使用示波器观察振荡电路在进行信号源电路设计时因注意芯片工作电压的稳定，从芯片内部的电路图分析可知芯片输出的高频信号强度与工作电压直接相关，因此在设计中采用了线性稳压芯片作为芯片的工作电源。另外环境的温度也会影响到芯片的振荡频率，因为tank回路里面的电感和电容值会随着环境温度的改变而改变，所以在选材时因尽量选用贴片型号，电容的材质最好是NPO型，这种材料的电容具有温度补偿的功能。3.2峰值检波电路设计MC1648芯片的信号是高频交流信号叠加在直流信号上，从示波器上可观察到信号其实是4V到5V之间振荡，为了获得传输线上的高频信号需要对信号先进行滤波得到高频信号再进行信号的放大。另外由于信号的频率高达100MHz需要用高速运算放大器且带宽高于100MHz才能进行有效地放大。通过参考相关文献后决定采用AD9617高速运算放大器，它的管脚分布如图所示：AD9617适用于闪存转换器，电流-电压转换器，雷达处理器，基带和视频通信，光电二极管，CCD前置放大器。这款运放是一个电流反馈放大器，它采用了专有架构用于产生良好的失真和直流精度。它能实现快速稳定的转换率，高带宽（包括小信号和大信号）和卓越的信号保真度。小信号带宽为190MHz，大信号（4V-Vpp）带宽为150MHz，由于信号源的信号强度为400mV左右属于小信号，因此AD9617适用于该电路。考虑到增益带宽积的影响，运放的放大倍数不能取得太大，在选择反馈电阻的大小时应使用芯片使用手册上所提供的计算公式，此外电路的布局也是十分重要的，再不就是要注意尽量减少寄生电容，以免降低其性能，AD9617使用手册上的同相放大电路设计如图所示：图：对传输线首端的100MHz信号进行滤波和放大所得到的波形图：实际调试电路的照片信号经过放大后就可以进行峰值的检波了，为了使滤波后的直流信号波动范围小，在设计时采用了二次滤波电路，其电路设计如图所示：放大后的信号在正半周通过高频检波二极管给电容充电，在负半周期信号截止截至（二极管的单向导电性），因此这是一个半波检波电路；电容C12通过电阻R6、R8放电，电容C15通过电阻R8放电。高频检波二极管导通压降很小，导通电阻也很小，在计算充电时间常数时不考虑。因此电容C12上的电压可跟随信号的电压，电容的放电时间常数的计算如下：检波电路输入信号的周期为，而两电容的放电时间要远远大于信号的周期，因此信号通过两次滤波后所获得直流电压的波动将非常小，有利于用精密运算放大器进行下一步的差动电压放大，使得数据的变化更加的明显，有利于AD转化器的读取。差动电压的放大电路其实就是减法电路，由于信号经过二次滤波电路后的电压比较小，变化幅度也比较小，如果只是简单地对其进行放大，所获得的有效电压变化范围将很小，除非用16位以上AD转换器否则无法正常读数。为了减少硬件成本，决定用减法电路使得数据地变化范围更大。减法电路中由于要处理的信号比较微弱，放大倍数较高，因此选用OP07作为电路中的运放。Op07芯片是一种需要工作在双电源（最大±18V，最小±3V）环境下的低噪声，非斩波稳零的运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于对微弱信号进行放大的方面。OP07运算放大器的减法电路可按使用手册上所提供的参考电路设计，具体电路如图所示：根据减法电路的分析可知，当R1=R2且R3=R4时，减法电路的放大倍数为R3/R1或R4/R2，因此通过调节电阻的大小即可改变减法电路的放大倍数。在该电路的电阻选材中要注意使用高精度电阻，避免电路出现放大倍数不均匀的现象以及减少温度改变带来的电阻大小的变化。实际电路的实际如图所示：图：减法电路的设计AD转换芯片采用的是PCF8591，它在工作时可以选择内部时钟或是外部时钟，是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS的AD转换芯片。它除了有AD功能还有DA功能。具有4个AD模拟输入、1个DA模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的硬件地址编程由3个地址引脚A0,A1和A2，共有8种地址，因此允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上控制和数据信号都是通过I2C总线以串行的方式进行传输的。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8位的AD转换和8位的DA转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。它的内部工作原理图如图所示：3.3温度测量电路温度对介电常数的影响是不可忽略的，因此需要对空气和土壤进行温度的检测，也有利于对湿度值做温度矫正。目前获取温度的手段非常多，可以用热敏电阻，集成电路温度传感器或是数字温度传感器。为了减少电路的复杂度，提高温度获取的简便性和精度，决定采用DS18B20数字温度传感器。该传感器具有以下几个特点：适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，大多数的芯片工作电压也在这个范围内。独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条线路即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。DS18B20数字温度传感器在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在类似一只三极管的集成电路内。温度测量范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。负压特性：当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20数字温度传感器引脚分布图如图所示：图：DS18B20引脚分布图3.4单片机模块为了能够读取数据和处理数据，需要一块单片机来完成这些任务。在电路中单片机要承担读取AD转换芯片的数据，DS18B20的温度数据，按键的电平以及发送OLED的显示数据和无线数据传输的任务。考虑到检测电路对速度的要求并不高，加上减少硬件开发成本的考虑，决定使用传统的51单片机作为电路的微处理器。该单片机为台湾宏晶公司的STC89C52单片机，其具体情况如下所示：1.增强型8051单片机，有两种工作周期可选择，指令代码完全兼容传统8051。

2.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz。4.用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，具有EEPROM功能。5.共3个16位定时器/计数器。6.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。7.工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。实际的单片机最小系统工作电路如图所示：图：单片机最小系统3.5电源模块由于高速运算放大器AD9617和OP07运算放大器属于双极性运算放大器，它们工作时需要使用正负电源供电。在本次设计中使用的是±5V电压，因此在电路中需要引入双电源模块。该模块为WRA1212CS-2W，具有9V至18V的宽电压输入以及带隔离稳压的±12V输出，它采用的是SPI封装，体积小功率密度高内部还有欠压保护，短路保护和过压保护。它对于需要使用双电源模块的工作电路来说是一个不错的选择。在获得了±12V电源后，需要使用线性稳压芯片对其降压和稳压。采用线性稳压器的原因是这种电源稳压器输出的纹波比较小，适合对电源质量要求比较高的芯片。在100MHz的振荡器模块中，根据MC1648其内部的电路设计可知，电源引脚的电源质量直接关系到输出的信号质量。另外高速运算放大器AD9617对工作电源的稳定性要求一样很高。基于此，在设计中选用了两款线性稳压器芯片LM1117-5V和KA7909，其中LM1117-5V是把+12V转为+5V，KA7909是把-12V转为-5V。它们的电路设计如图所示：图：双电源的电路设计3.6液晶显示模块为了节省PCB板的面积，在设计中采用的是OLED显示器，它具有体积小，高分辨率等特点。在现代电子技术的发展，液晶的显示技术也是突飞猛进，现如今高分辨率的小型液晶显示屏随处可见，我们手中使用的手机屏幕，智能手表的屏幕都使用了小型液晶显示屏。OLED就是新型的液晶显示技术，它采用的有机发光原理使得所需的材料极少，在制作上比采用液体发光的液晶工序少很多，成本也低得多。它采用的主动发光特性，使得OLED几乎没有视角限制，一般可达170度，具有宽视角的特点。它还有其他非常出色的优点在此就不一一列举，本次设计采用的是0.96寸的OLED模块，它可以工作在3.3V-5V，同时兼容两种通信方式：SPI和IIC，更换方式时只需改变一处电路。OLED显示屏还具有多个控制指令，可以控制OLED的对比度、亮度、开关升压电路等指令。它的使用电路如图所示：图：OLED使用电路图3.7上位机模块上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是电脑,屏幕上显示各种信号变化（湿度，光强，温度等），它主要是通过电脑的串口发送数据。上位机一般是通过串口发送数据包给下位机，下位机接收到数据包后按一定的规则经过校验后提取有效指令，再根据指令控制相应的设备。下位机还需要读取设备的状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号后制作成数据包再反馈给上位机。本次的设计与此相似，上位机的编程语言采用的是C#语言，在微软的VS平台上编写和调试。微软公司发布的C#语言是一种面向对象的、运行在.NETFramework之上的高级程序设计语言。C#的语法与Java的语法上具有相似性，它包括了：单一继承性、接口、与Java语言相似的语法和具有编译成中间代码再运行的过程。但是C#语言与Java语言最大的区别在于，它借鉴了Delphi的特点：即与COM（组件对象模型）是直接集成的，而且C#也是微软公司.NETwindows网络框架的主要使用语言。C#从总体上讲它是一种安全的、稳定的、简单的，是从C和C++语言衍生出来的面向对象的高级编程语言。C#语言在继承C和C++语言的强大功能同时去掉了它们一些复杂的特性。C#同时也综合了VB简单的可视化操作以及C++的高运行效率，凭借其强大的操作能力、高雅的语法风格、创新的语句特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。图：上位机的数据记录界面图：上位机的数据曲线绘制界面3.8本章小结本章主要对电路的硬件和软件部分进行了详细的分析。其最终电路的设计成品如图所示：图：电路板总体展示图：测量装置总体展示4实验方案设计及分析本章主要介绍如何测取土壤湿度与AD值的关系，介绍实验所需的设备，采集数据的方法，分析数据的方法等，同时对采样的误差源进行简单的分析。最后总结出土壤湿度与AD值这间的函数关系，用matlab拟合出关系曲线。在实验之前，先进行一些简单测试对电路的设计进行检验。测试对象分别是:空气，干土，手，水并记录其AD值大小。具体的测试图如下所示：空气介电常数约为1干土介电常数约为3水介电常数约为81手介电常数约为50图：实际测试图空气介电常数约为1干土介电常数约为3水介电常数约为81手介电常数约为50其测试结果为：空气--96，干土--109，手--117，水--144.从这个结果可知根据驻波比原理设计的测试介电常数的电路可行，可以做进一步的实验。4.1实验方案设计不同的土壤结构对采用驻波比原理设计的采集电路有不同的影响。比如：土质较为柔软吸水性较好的田土和颗粒物较大，板结比较严重的渣土对检测的结果会有不同的影响。在实际进行试验时，对这种情况的误差分析为：板结性较严重的土壤内部颗粒粘合紧密，吸水性差，结构较硬，而田土则颗粒之间粘合较松，吸水性较强，内部的空气较多有利于植物的根部呼吸。因此板结性的土壤在配置不同湿度样本时很难做到准确。现如今，中国的农田大多采用化肥来增加土壤肥力，往往导致土壤的板结性更加严重。相比之下采用有机肥的农田的土壤结构比较好，土质柔软疏松，吸水性强，