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利用熱脈沖測量土壤含水量

本項目利用STC89C52單片機控制2個IDT公司生產(chǎn)的HS3001溫濕度傳感器和一個PTC加熱模塊組成熱脈沖測含水量模塊，通過施加短時低熱量熱脈沖，使得被測土壤先升溫再降溫，由高精度HS3001溫濕度傳感器定時測量土壤溫度的變化值，最后基于理想半無限空間熱脈沖傳導理論，估算土壤體積含水量。該模塊具有如下特點：（1）利用熱脈沖可以間接測量土壤體積含水量，熱脈沖時間控制在60-120s，總線熱量控制在1000Jm-1以內(nèi)，測量周期約300s，具有短時連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢；（2）在非加熱模式下，可以直接獲取土壤溫濕度，在降雨入滲和水位變化是可以直接監(jiān)測濕度變化；（3）加熱模塊還可以為溫濕度傳感器升溫除濕，以增強深埋土壤高濕度環(huán)境下長期工作性能；（4）單片機內(nèi)置T0定時器精確1s定時，T1定時器串口發(fā)送數(shù)據(jù)，定時測量誤差很小。

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團隊介紹

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團隊成員

張華 負責人

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項目簡介
本項目利用STC89C52單片機控制2個IDT公司生產(chǎn)的HS3001溫濕度傳感器和一個PTC加熱模塊組成熱脈沖測含水量模塊，通過施加短時低熱量熱脈沖，使得被測土壤先升溫再降溫，由高精度HS3001溫濕度傳感器定時測量土壤溫度的變化值，最后基于理想半無限空間熱脈沖傳導理論，估算土壤體積含水量。該模塊具有如下特點：（1）利用熱脈沖可以間接測量土壤體積含水量，熱脈沖時間控制在60-120s，總線熱量控制在1000Jm-1以內(nèi)，測量周期約300s，具有短時連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢；（2）在非加熱模式下，可以直接獲取土壤溫濕度，在降雨入滲和水位變化是可以直接監(jiān)測濕度變化；（3）加熱模塊還可以為溫濕度傳感器升溫除濕，以增強深埋土壤高濕度環(huán)境下長期工作性能；（4）單片機內(nèi)置T0定時器精確1s定時，T1定時器串口發(fā)送數(shù)據(jù)，定時測量誤差很小。
硬件說明

1. HS3001溫濕度傳感器

本項目使用的HS3001如圖1所示。該傳感器具有如下特點：相對濕度測量精度±1.5%RH，正常工作范圍10-90%RH，14位轉(zhuǎn)換精度，溫度測量:±0.2℃, 正常工作范圍-10 - +80℃，14位轉(zhuǎn)換精度，寬工作電壓2.3-5.5V，低能耗，標準IIC數(shù)據(jù)接口。

圖片1.png


圖1 焊接的HS3001傳感器


2. STC89C52單片機

圖片2.png 





圖2 STC89C52單片機開發(fā)板


項目才有的單片機和開發(fā)板如圖2所示。開發(fā)板支持USB程序下載（宏晶科技STC52單片機），開發(fā)板供電模式為：電腦USB供電（USB接口）和外部5V電源供電（DC-005電源座）。STC89C52單片機具有如下特點：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。

3. PTC加熱模塊

圖片3.png 

圖3 PTC恒溫發(fā)熱模塊

項目采用的加熱模塊如圖3所示。它具有體積小，電阻值10Ω，最大恒溫50℃。

4. 土壤含水量測量模塊



圖片4.png



圖4 PTC恒溫發(fā)熱模塊

將2個HS3001與加熱模塊捆綁連接，然后置于被測土壤中，通過施加60-120s左右熱脈沖，觀測土壤升降溫情況，以便換算土壤體積含水量。


軟件說明

1. 定時功能實現(xiàn)

采用T0定時器進行1s精確定時。首先進行串口T1和T0定時器初始化，程序如下:

圖片5.png 

T0定時中斷程序如下，其中為了彌補計數(shù)誤差，TL0每次修正了2個計數(shù)，即TL0 += 0x69。

圖片6.png 

2. 串口通訊功能實現(xiàn)

串口通訊初始化見上一節(jié)，項目中只需單工模式，即只使用發(fā)送，不用讀取。發(fā)送模塊程序如下：

圖片7.png 

 

3. IIC通訊功能實現(xiàn)

void SHT2x_init()

{

    sda1=1;

    scl1=1;

    sda2=1;

    scl2=1;

}

 

void start1(void)

{

    sda1=1;

    delay2us();

    scl1=1;

    delay2us();

    sda1=0;

    delay2us();

    scl1=0;

    delay2us();

}

void stop1(void)

{

    scl1=0;

    sda1=0;

    delay2us();

    delay2us();

    scl1=1;

    sda1=1;

    delay2us();

    delay2us();

 

}

void ACK1 (void)

{

    scl1=0;

sda1=0;

    delay2us();

 

    scl1=1;

    delay2us();

    scl1=0;

}

void noACK1 (void)

{

    scl1=0;

    sda1=1;

    delay2us();

    scl1=1;

    delay2us();

    scl1=0;

}

bit getACK1(void)

{

unsigned char ucErrTime=0;

sda1=1;

delay2us();   //釋放總線

//SDA_IN();      //SDA設置為輸入

scl1=1;

    delay2us();

while(sda1)

{

ucErrTime++;

if(ucErrTime>250)

{

stop1();

return 1;

}

}

scl1=0;//時鐘輸出0    

return 0;  

}

void send1(uchar DATA)

{

    uchar Bit_Counter=8;

 

scl1=0;

    while(Bit_Counter>0)

    {

 

        sda1=(bit)(DATA&0x80);

        DATA<<=1;

 

        scl1=1;

        delay2us();

        scl1=0;

        delay2us();

 

        Bit_Counter--;

    }

 

}

unsigned char Read1()

{

    unsigned char x=0,y=8;

 

    sda1=1;

 

    while(y>0)

    {

        scl1=0;

        delay2us();

        scl1=1;

        delay2us();

 

 

        if(sda1)

            x=x|0x01;

        else

            x=x&0xfe;

 

 

        scl1=0;

        delay2us();

 

        if(y>1)

            x=x<<1;

 

        y--;

    }

 

    return x;

}

4. HS3001讀數(shù)功能實現(xiàn)

#define add_w 0x88   //傳感器地址 + 寫操作

#define add_r 0x89   //傳感器地址 + 讀操作

sbit sda1=P0^1;//數(shù)據(jù)線

sbit scl1=P1^1;//時鐘線

// 1 濕度測量

// 啟動》發(fā)送地址+寫操作》接收ACK》濕度測量命令》接收ACK》啟動》發(fā)送地址+讀操作》...

// ...接收ACK》測量時間延時》讀取高位數(shù)據(jù)》ACK》讀取低位數(shù)據(jù)》NO_ACK》停止。

// 計算結(jié)果。返回結(jié)果。

void RHT_Result1(void)

{

    start1();

    send1(add_w);

    while(getACK1());//從機應答

    stop1();

    delay4ms();

 

start1();

    send1(add_r);

    while(getACK1());//從機應答

BUFh[0]=Read1()&0x3F;  

    ACK1();

BUFh[1]=Read1();

    ACK1();

    BUFt[0]=Read1();

    ACK1();

    BUFt[1]=Read1()&0xFC;

    noACK1();

    stop1();

}

void Convert_HS3001(void)

{

unsigned char TEMP1[7]; //用于記錄溫度

unsigned char HUMI1[7]; //用于記錄濕度

unsigned char j;

unsigned long tem1,hum1;

float tem,hum; 

tem=165.0f*(float)((BUFt[0]<<8)|BUFt[1])/16383.0f/4.0f-40.0f; //攝氏度

hum=100.0f*(float)((BUFh[0]<<8)|BUFh[1])/16383.0f;

BUFt[0]=0;

BUFt[1]=0;

BUFh[0]=0;

BUFh[1]=0;

tem1=(unsigned long)(tem*10); //攝氏度

hum1=(unsigned long)(hum*10);

if(tem1<0)TEMP1[0]=0x2D;//溫度小于零，則數(shù)值前面加‘-’負號

else TEMP1[0]=0x20;//溫度大于等于零，則數(shù)值前面加空格

     TEMP1[1]=tem1/1000+'0';     //溫度百位

if (TEMP1[1]==0x30) TEMP1[1]=0x20;

TEMP1[2]=tem1%1000/100+'0';     //溫度十位

if (TEMP1[2]==0x30 && TEMP1[1]!=0x30) TEMP1[2]=0x20;

   TEMP1[3]=tem1%100/10+'0';//溫度個位

      TEMP1[4]=0x2e;//小數(shù)點

   TEMP1[5]=tem1%10+'0';//溫度小數(shù)點后第一位

   TEMP1[6]=0x20;//最后一位為空格

for(j=0;j<7;j++)

{

演示效果

1. 濕細砂熱脈沖溫度升降

將傳感器模塊埋入重力含水量10.4%的細砂中10cm，分別施加120s和60s熱脈沖，傳感器升降溫曲線如圖6所示。從圖中可以看出微量熱脈沖對土體擾動小，升溫曲線有很好的一致性。

圖片9.png 

圖6 w=10.4%濕砂熱脈沖溫度升降曲線

2. 干細砂熱脈沖溫度升降

再將傳感器模塊埋入重力含水量0.13%的細砂中10cm，分別施加240s和120s熱脈沖，傳感器升降溫曲線如圖7所示。從圖中可以看出微量熱脈沖對土體擾動小，升溫曲線有很好的一致性。濕砂和干砂升降溫曲線比較如圖8所示，顯示升降溫曲線斜率有較大差別。

圖片10.png 

圖7 w=0.13%濕砂熱脈沖溫度升降曲線

圖片11.png 

圖8 濕砂和干砂熱脈沖溫度升降曲線比較

3. 半無限空間熱脈沖傳導理論

均質(zhì)各向同性半無限空間勻速熱傳導基本方程（Carslaw & Jaeger 1959, p13）如下：圖片12.png                           [1]

其中α是熱擴散系數(shù)（m2/s），U是流速（m/s）。當半無限空間一無限長線熱源加熱有限時間，即產(chǎn)生一熱脈沖，其理論解如下（Carslaw & Jaeger 1959, p258）：

圖片13.png                                   [2]

其中Q是熱量（m2℃），Q=q/ρc，q輸入線強度（J/m），ρc是體積比容。當傳感器距離熱源位置rm溫度升到最大ΔTm時，對公式[2]求導數(shù)可得：

圖片14.png                                           [3]

Campbell等（1991）給出土的體積比容ρc與最大溫升有關，即

圖片15.png                               [4]

其中ρw是水的密度，cw是水的比熱，θ是土的體積含水量，ρb是土的總密度，cm是土顆粒的比熱。給定熱脈沖q=I2Rt，I是加熱電流，R是加熱模塊電阻，t是加熱時間，實測最大溫升ΔTm和傳感器距離熱源的位置rm之后，就公式[4]可以計算出土的體積含水量θ，如公式[5]所示。

圖片16.png                                      [5]

4. 初步數(shù)據(jù)整理

部分實測濕砂溫度升降原始數(shù)據(jù)如下表：

1.png

2.png

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