太陽能土壤水分監(jiān)測儀的研制

【摘要】：我國水資源緊缺,人均水資源占有率低,同時我國又是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)用水占全國用水的70%,農(nóng)田灌溉耗水占農(nóng)業(yè)用水90%,所以國家必須大力提倡合理灌溉和精量灌溉,這樣不但有利于節(jié)約水資源,同時又能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì),改善生態(tài)環(huán)境。要節(jié)約水資源,首先要對農(nóng)田的土壤水分狀態(tài)實時監(jiān)測。開發(fā)一種節(jié)能,低碳環(huán)保,靈敏度高,性能穩(wěn)定,適用性廣的土壤水分實時監(jiān)測儀,是實現(xiàn)合理灌溉,精量灌溉的基礎(chǔ)和技術(shù)保證。本論文主要開展的工作如下： (1)通過查閱大量文獻,對國內(nèi)外土壤水分測量方法的優(yōu)缺點進行了比較分析,利用高頻電場理論設(shè)計制作了土壤水分傳感器,并對土壤水分傳感器的最佳工作頻率進行了研究,最后選用50MHz高頻信號作為該監(jiān)測系統(tǒng)的信號源,該信號源的工作電壓為5V。 (2)設(shè)計制作了信號采集,調(diào)理以及顯示電路。被測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)通過液晶顯示,同時系統(tǒng)可以實時存儲監(jiān)測到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。 (3)用重慶地區(qū)的黃壤和紫色土,分別對系統(tǒng)進行標(biāo)定。不同含水率條件下,系統(tǒng)測得的電壓值與含水率呈線性關(guān)系,通過MATLAB擬合出黃壤與紫色土含水率的數(shù)學(xué)模型,將其代入MPLAB中燒寫于單片機內(nèi)。該系統(tǒng)可用于監(jiān)測重慶地區(qū)黃壤與紫色土的土壤水分變化。 (4)系統(tǒng)采用太陽能電池間接供電。通過太陽能電池管理電路給鋰電池充電,并利用高效的升壓或降壓模塊達到系統(tǒng)所需要的5V穩(wěn)定直流電壓。系統(tǒng)能實現(xiàn)對鋰電池電壓進行監(jiān)控,當(dāng)供電鋰電池電壓值低于閾值,切換另一塊電池進行供電,并對該電池充電,以確保充分利用太陽能。 (5)利用該監(jiān)測儀在室內(nèi)和野外環(huán)境下,對系統(tǒng)的測量誤差,穩(wěn)定性,可靠性進行了實驗研究,實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)對黃壤土壤水分測量的最大相對誤差9.8%,對紫色土的土壤水分測量的最大相對誤差為9.7%,通過對系統(tǒng)穩(wěn)定性測定表明該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,滿足測量要求。系統(tǒng)具有輕便,便于攜帶,低成本,低功耗的特點,達到設(shè)計目的。 【關(guān)鍵詞】：土壤含水率 太陽能 高頻電場 實時監(jiān)測
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：S152.7
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第1章 文獻綜述9-13
• 1.1 土壤含水率監(jiān)測方法的研究進程9-12
• 1.1.1 烘干法9
• 1.1.2 張力計法9-10
• 1.1.3 中子儀法10
• 1.1.4 介電法10-12
• 1.2 小結(jié)12-13
• 第2章 緒論13-15
• 2.1 研究的背景及意義13
• 2.2 主要內(nèi)容13-14
• 2.3 技術(shù)路線14-15
• 第3章 理論基礎(chǔ)15-19
• 3.1 土壤的介電特性15-16
• 3.2 最佳測試頻率選擇16
• 3.3 探針結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型及其等效電路16-18
• 3.4 小結(jié)18-19
• 第4章 系統(tǒng)設(shè)計19-35
• 4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計和技術(shù)參數(shù)19
• 4.1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計19
• 4.1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)19
• 4.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計19-31
• 4.2.1 監(jiān)測儀探頭結(jié)構(gòu)20-21
• 4.2.2 信號發(fā)生電路與整流電路21-22
• 4.2.3 AD轉(zhuǎn)換與微處理系統(tǒng)電路22-25
• 4.2.4 液晶顯示模塊25
• 4.2.5 太陽能供電系統(tǒng)25-31
• 4.3 軟件設(shè)計31-34
• 4.3.1 主程序流程框圖31-32
• 4.3.2 AD轉(zhuǎn)換程序流程圖32-33
• 4.3.3 數(shù)據(jù)處理子程序33-34
• 4.3.4 太陽能供電模塊程序34
• 4.4 小結(jié)34-35
• 第5章 太陽能土壤水分監(jiān)測儀的標(biāo)定與土壤水分測量35-43
• 5.1 系統(tǒng)標(biāo)定試驗35-36
• 5.2 電壓值與含水率的數(shù)學(xué)模型建立36-38
• 5.2.1 測試結(jié)果處理36
• 5.2.2 最小二乘法原理36-38
• 5.3 系統(tǒng)土壤水分測量及其誤差分析38-41
• 5.3.1 室內(nèi)測量試驗38-39
• 5.3.2 野外測量實驗39-40
• 5.3.3 穩(wěn)定性試驗分析40-41
• 5.4 電源管理41-42
• 5.4.1 鋰電池供電性能測試41-42
• 5.4.2 鋰電池充電性能分析42
• 5.5 小結(jié)42-43
• 第6章 結(jié)論與展望43-45
• 6.1 結(jié)論43
• 6.2 展望43-45
• 參考文獻45-47
• 附錄47-57
• 致謝57-59
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表的論文59

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