專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種土壤水分測(cè)量?jī)x，特別涉及一種基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
目前常用的土壤含水量常用測(cè)定方法有(1)烘干法，取土樣放入烘箱，烘干至恒重。此時(shí)土壤水分中自由態(tài)水以蒸汽形式全部散失掉，再稱(chēng)重量從而獲得土壤水分含量；(2)中子儀法，將中子源埋入待測(cè)土壤中，中子源不斷發(fā)射快中子，快中子進(jìn)入土壤介質(zhì)與各種原子離子相碰撞，快中子損失能量，從而使其慢化。當(dāng)快中子與氫原子碰撞時(shí)，損失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氫原子就越多，從而慢中子云密度就越大。中子儀測(cè)定水分就是通過(guò)測(cè)定慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定土壤中的水分含量；(3)γ射線透射法，γ射線透射法利用放射源137Cs放射出γ線，用探頭接收γ射線透過(guò)土體后的能量，與土壤水分含量換算得到；(4)頻域反射儀法，是通過(guò)測(cè)量電解質(zhì)常量的變化量測(cè)量土壤的水分體積含量；(5)時(shí)域反射儀法，是依據(jù)電磁波在土壤介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳導(dǎo)常數(shù)如速度的衰減取決于土壤的性質(zhì)，特別是取決于土壤中含水量和電導(dǎo)率；(6)土壤水分傳感器，主要根據(jù)土壤中的水分含量與材料的某些特性有明顯的相關(guān)關(guān)系而制成的傳感器，目前采用的傳感器多種多樣，有陶瓷水分傳感器，電解質(zhì)水分傳感器、高分子傳感器、壓阻水分傳感器、光敏水分傳感器、微波法水分傳感器、電容式水分傳感器等。
在測(cè)定土壤含水量的諸多方法中，烘干法簡(jiǎn)單直觀，但是測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)且采樣時(shí)會(huì)干擾田間土壤水分的連續(xù)性，在田間會(huì)留下的取樣孔，影響土壤水分運(yùn)動(dòng)；中子儀法可以在原地的不同深度上周期性的反復(fù)測(cè)定而不破壞土壤，但是儀器的垂直分辨率較差，表層測(cè)量困難，且輻射危害健康；γ射線透射法與中子儀法具有許多相同的優(yōu)點(diǎn)，且比中子儀的垂直分辨率高，但是γ射線也危害人體健康；現(xiàn)在比較常用的是頻域反射儀法和技術(shù)更先進(jìn)的時(shí)域反射儀法，他們都具有技術(shù)成熟，精度高，便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題與不足，提供一種價(jià)格低廉、測(cè)量速度快、精度高，便于攜帶且對(duì)人體沒(méi)有任何損傷的基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案是一種基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x，其技術(shù)特征主在于，包括一個(gè)單片機(jī)，用來(lái)控制紅光發(fā)射電路和紅外發(fā)射電路發(fā)出紅光和特定波長(zhǎng)的紅外線，并把光探測(cè)器探測(cè)到的反射光強(qiáng)度通過(guò)A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，求得水分值，將水分值編號(hào)后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，同時(shí)將當(dāng)前測(cè)量結(jié)果顯示在液晶顯示器上；一個(gè)RS232接口電路，與PC機(jī)連接輸送數(shù)據(jù)；一個(gè)紅外發(fā)射電路，用來(lái)發(fā)射特定波長(zhǎng)的紅外線，并將紅外線照射在土壤樣品盒中的土壤上；一個(gè)光探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)從聚光系統(tǒng)反射過(guò)來(lái)光的強(qiáng)度，并將信息傳送給單片機(jī)；一個(gè)放置在光探測(cè)器和土壤樣品盒中間的聚光系統(tǒng)，聚集從光發(fā)射從電路和紅外發(fā)射電路發(fā)出的照射測(cè)試樣品被反射光，并將光傳給光探測(cè)器；
一個(gè)土壤樣品盒，放置在聚光系統(tǒng)前邊，用于放置待檢測(cè)的土壤樣品；一個(gè)紅光發(fā)射電路，用來(lái)發(fā)出紅光，并將紅光照射在土壤樣品盒中的土壤上；一個(gè)液晶顯示器、一個(gè)鍵盤(pán)、一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；其中，單片機(jī)的串行口與RS232接口電路、液晶顯示器、紅外發(fā)射電路、光探測(cè)器、紅光發(fā)射電路、鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器連接，聚光系統(tǒng)放置在光探測(cè)器和土壤樣品盒中間。
所述的RS232接口電路是U2的第11端、第9端、第16端、第8端、第13端分別依次連接U1的第34端、第35端、第36端和J5的第2端和第13端；U2的第2端和第4端之間、第5端和第6端之間分別串聯(lián)電容C12和C10；U2的第15與電源VCC和電容C23連接；U2的第3端、第7端分與C22的正極和C21的負(fù)極連接并聯(lián)接入J5的第5端。
所述的紅外發(fā)射電路是三極管Q6的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.2端連接，發(fā)射極與D2和R26連接，D2和R26的另一端連接并與R15和D4連接，R15和D4的另一端相互連接并接地。
所述的一個(gè)紅光發(fā)射電路是三極管Q5的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.1端連接，發(fā)射極與D1和R16連接，D1和R16的另一端連接并與R10和D3連接，R10和D3的另一端相互連接并接地。
本發(fā)明的基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x科學(xué)理論依據(jù)紅外線水分傳感器是一種利用一定波長(zhǎng)近紅外線照射被測(cè)物體時(shí)不同水分對(duì)具吸收程度不同的原理制成的。理論和實(shí)踐都證明，被測(cè)物體的含水率與吸收量有明顯的相關(guān)性。僅用一個(gè)波長(zhǎng)的紅外線測(cè)量，由于被測(cè)物體的散射，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，采用不被水分吸收的其它一種波長(zhǎng)的紅外線進(jìn)行對(duì)比，就可以消除誤差，實(shí)現(xiàn)精確的水分測(cè)量。
本發(fā)明的與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)量速度快、精度高；2.本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)一種價(jià)格低廉、便于攜帶且對(duì)人體沒(méi)有任何損傷。


圖1是本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)電路圖。
具體實(shí)施例下邊結(jié)合圖1、圖2具體說(shuō)明本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x系統(tǒng)連接關(guān)系、電路連接關(guān)系及其具體工作原理。
參見(jiàn)圖1來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x，包括單片機(jī)1，RS232接口電路2，液晶顯示器3，紅外發(fā)射電路4，光探測(cè)器5，聚光系統(tǒng)6，測(cè)試樣品7，紅光發(fā)射電路8及鍵盤(pán)9，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器10電路。
其中，單片機(jī)MSP430的串行口1(T1，R1)、P5口之P5.1-P5.4、P4口之P4.2、P6口之P6.1、P4口之P4.1、P2口之P2.0-P2.3、串行口0(T0，R0)分別依次與RS232接口電路2、液晶顯示器3、紅外發(fā)射電路4、光探測(cè)器5、紅光發(fā)射電路8、鍵盤(pán)9、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器10連接；聚光系統(tǒng)放置在光探測(cè)器和土壤樣品盒中間。
本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x工作過(guò)程測(cè)量時(shí)在鍵盤(pán)9上按下測(cè)量按鈕，單片機(jī)1會(huì)按順序先后控制紅光發(fā)射電路8和紅外發(fā)射電路4發(fā)出紅光和特定波長(zhǎng)的紅外線，光線射到測(cè)試樣品7上，其中一部分被測(cè)試樣品7被吸收，另一部分被正反射并通過(guò)聚光系統(tǒng)6到達(dá)光探測(cè)器5，單片機(jī)1把光探測(cè)器5探測(cè)到的反射光強(qiáng)度通過(guò)A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，求得水分值，并把此水分值編號(hào)后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器10中，同時(shí)將當(dāng)前測(cè)量結(jié)果顯示在液晶顯示器3上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器10可以存儲(chǔ)340個(gè)記錄并且在斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。按下鍵盤(pán)電路9上的上、下鍵可以讀出所測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)RS232接口10與PC機(jī)相連將數(shù)據(jù)上傳。在正式測(cè)量土壤水分之前先以白板為測(cè)試對(duì)象，按下鍵盤(pán)上的校正按鈕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正以得出系統(tǒng)誤差。
參見(jiàn)圖2來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x系統(tǒng)電路的連接關(guān)系。
RS232接口電路SP3220EB U2的第11端、第9端、第16端、第8端、第13端分別依次連接U1的第34端、第35端、第36端和J5的第2端和第13端；U2的第2端和第4端之間、第5端和第6端之間分別串聯(lián)電容C12和C10；U2的第15與電源VCC和電容C23連接；U2的第3端、第7端分與C22的正極和C21的負(fù)極連接并聯(lián)接入J5的第5端。
紅外發(fā)射電路三極管Q6的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.2端連接，發(fā)射極與D2和R26連接，D2和R26的另一端連接并與R15和D4連接，R15和D4的另一端相互連接并接地。
紅光發(fā)射電路三極管Q5的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.1端連接，發(fā)射極與D1和R16連接，D1和R16的另一端連接并與R10和D3連接，R10和D3的另一端相互連接并接地。
鍵盤(pán)電路按鍵S1，S2，S3，S3的一端相互連接并接地，另一端分別和U1的P2.0，P2.1，P2.3，P2.3及電阻R6，R7，R8，R9的一端連接，電阻R6，R7，R8，R9的另一端相互連接并接地。
電源電路U4的1腳與J1的2腳和電容C7的正極連接，U4的3腳與C6的正極，C8，C13及U3的1腳連接，U4的2腳，C6，C7的負(fù)極，C8的另一腳相互連接并接地。U3的3腳與C14的正極，C20連接，U3的2腳，C14的負(fù)極，C13、C20的另一腳相互連接并接地。圖中所有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為VCC都連接在一起，有接地符號(hào)的位置都連接在一起。J1的1腳接地。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U5的1腳，2腳，3腳，4腳相互連接并接地，U5的5腳分別與U1的T0和R14連接，U5的6腳分別與U1的R0和R13連接，R13和R14另一腳相互連接。
液晶顯示電路J2的1腳，2腳，3腳，4腳，6腳分別與U1的P5.1，P5.2，P5.3，P5.4，R19連接。
光探測(cè)電路放大器X1A的3腳與R1連接，R5的兩端分別與X1A的1腳，2腳連接，光接收管U7的負(fù)極與X1A的2腳連接，U7的正極與分別R1的另一端相互連接并接地。R2的兩端分別與X1A的1腳，X1B的5腳連接，R9的兩端分別與X1B的6腳，7腳，R3連接，R3的另一端接地。X1B的7腳與U1的P6.1連接。
蜂鳴器電路三極管Q4的發(fā)射極與U6連接，集電極與電源和R4連接，基極和R12，R14的另一端連接，R12的另一端和U1的P1.4連接。
晶振電路晶振Y1兩端分別與C9，C11，U1的52，53腳連接，C9，C11的另一端相互連接并接地。
其它U1的7腳同時(shí)與C1，C3的正極連接，C1的另一端和C3的負(fù)極相互連接并接地。U1的64腳同時(shí)與C4，C5的正極連接；C4的另一端，C5的負(fù)極，U1的62腳，63腳相互連接并接地。
權(quán)利要求
1.一種基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x，其特征在于，由分別與單片機(jī)(1)的串行口連接的RS232接口電路(2)、液晶顯示器(3)、紅外發(fā)射電路(4)、光探測(cè)器(5)、紅光發(fā)射電路(8)、鍵盤(pán)(9)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(10)和放置在光探測(cè)器(5)和土壤樣品盒(7)中間聚光系統(tǒng)(6)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水分測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的RS232接口電路2是U2的第11端、第9端、第16端、第8端、第13端分別依次連接U1的第34端、第35端、第36端和J5的第2端和第13端；U2的第2端和第4端之間、第5端和第6端之間分別串聯(lián)電容C12和C10；U2的第15與電源VCC和電容C23連接；U2的第3端、第7端分與C22的正極和C21的負(fù)極連接并聯(lián)接入J5的第5端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水分測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的紅外發(fā)射電路4是三極管Q6的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.2端連接，發(fā)射極與D2和R26連接，D2和R26的另一端連接并與R15和D4連接，R15和D4的另一端相互連接并接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水分測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的一個(gè)紅光發(fā)射電路8是三極管Q5的集電極與電源VCC連接，基極與U1的第P4.1端連接，發(fā)射極與D1和R16連接，D1和R16的另一端連接并與R10和D3連接，R10和D3的另一端相互連接并接地。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于紅外輻射的土壤水分測(cè)量?jī)x，由分別與單片機(jī)的串行口連接的RS232接口電路、液晶顯示器、紅外發(fā)射電路、光探測(cè)器、紅光發(fā)射電路、鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和放置在光探測(cè)器和土壤樣品盒中間聚光系統(tǒng)組成。本發(fā)明的測(cè)量?jī)x利用一定波長(zhǎng)近紅外線照射被測(cè)物體時(shí)不同水分對(duì)其吸收程度不同的原理制成的。本發(fā)明的土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)量速度快、精度高、價(jià)格低廉、便于攜帶且對(duì)人體沒(méi)有任何損傷，有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101017133SQ20061010489
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者楊青, 楊術(shù)明, 邢振, 李勇軍, 王宏斌, 安云飛, 劉志杰, 趙友亮, 李敏通, 候俊才 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)