测定土壤湿度及其应用

2008 年 北 京 市
大 学 生 物 理 实 验 竞 赛
项 目 说 明
参 赛 学 校
参 赛 题 目
组 队 负 责 人
组 队 成 员
北 京 邮 电 大 学
运 用 电 阻 — 频 率 转 换 (R-F 转 换 ) 电
路 测 定 土 壤 湿 度 及 其 应 用
李 腾
高 睿 鹏 、 李 阳
北 京 市 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 组 委 会 制
2009 年 2 月

参 赛 题 目 运 用 电 阻 — 频 率 转 换 (R-F 转 换 ) 电 路 测 定 土 壤 湿 度 及 其
应 用
负 责 人 姓 名 性 别 出 生 年 月 专 业 年 级
李 腾 男 1988.8.5 应 用 数 学 大 三
手 机 ,email
13811367101,litengsonic@hotmail.com
队 员 姓 名 性 别 出 生 年 月 专 业 年 级
高 睿 鹏 男 1988.7.23 通 信 工 程 大 三
李 阳 男 1988.5.9 应 用 物 理 大 三
设 计 原 理 与 方 法
湿 润 的 土 壤 含 有 一 定 的 水 分 和 电 解 质 , 具 有 一 定 的 导 电 性 , 其 电 阻 率 ( 或 电 导 率 )
与 湿 度 有 关 。 在 土 壤 中 插 入 两 个 电 极 , 测 量 其 电 阻 的 大 小 , 就 可 以 计 算 土 壤 的 湿 度 。
一 般 采 用 交 流 电 桥 法 测 量 土 壤 的 电 阻 , 但 不 能 实 现 自 动 测 量 。 我 们 使 用 废 弃 耳 机 插 头
作 为 土 壤 电 极 , 采 用 电 阻 — 频 率 转 换 电 路 , 将 土 壤 中 两 电 极 间 的 电 阻 转 换 成 振 荡 的 电
信 号 , 振 荡 频 率 与 土 壤 电 阻 的 大 小 有 关 , 测 量 信 号 的 频 率 就 可 以 得 到 土 壤 的 湿 度 , 能
够 连 续 、 实 时 自 动 监 测 土 壤 的 湿 度 。
利 用 此 方 法 , 我 们 还 设 计 了 一 个 自 动 浇 灌 系 统 , 实 现 了 花 盆 土 壤 湿 度 的 实 时 监 控 ,
当 湿 度 低 于 设 定 值 后 , 系 统 自 动 控 制 水 泵 浇 水 。 考 虑 到 中 午 日 照 较 强 时 不 能 浇 水 , 因
此 增 加 硅 光 电 池 测 量 环 境 光 强 。 由 于 不 同 温 度 下 测 量 结 果 有 一 些 偏 差 , 所 以 采 用 热 敏
电 阻 测 量 气 温 以 校 正 湿 度 。
1. 湿 度 、 光 强 和 温 度 的 测 量 :
(1) 利 用 不 同 湿 度 的 土 壤 电 阻 值 不 同 ( 即 湿 度 越 大 , 电 阻 值 越 小 ) 来 测 量 土 壤 湿 度 。 由
土 壤 电 阻 和 电 容 构 成 RC 振 荡 电 路 , 土 壤 电 阻 改 变 时 振 荡 信 号 的 频 率 也 随 之 变
化 , 测 量 信 号 的 频 率 就 可 以 计 算 土 壤 的 湿 度 。 土 壤 电 极 使 用 常 用 的 3.5mm 耳
机 插 头 , 成 本 低 , 不 生 锈 , 且 电 极 间 距 恒 定 , 长 期 置 于 土 壤 中 可 以 稳 定 工 作 ,
可 以 避 免 一 般 探 针 电 极 因 土 壤 干 湿 变 化 时 间 距 改 变 而 引 起 的 误 差 。
(2) 采 用 硅 光 电 池 测 量 环 境 光 照 强 度 。
(3) 用 热 敏 电 阻 测 量 环 境 温 度 。
2. 系 统 控 制
用 单 片 机 采 集 湿 度 、 温 度 和 光 强 信 号 , 通 过 光 耦 继 电 器 控 制 水 泵 工 作 , 在 湿 度
值 低 于 设 定 值 且 光 照 不 强 时 系 统 自 动 开 启 浇 灌 设 施 。 采 用 液 晶 显 示 中 文 菜 单 方 式 进
行 系 统 设 置 和 采 集 的 湿 度 、 温 度 、 光 强 信 号 。
系 统 的 组 成 框 图 如 图 1。
1

交 流 供 电 系
统
按
键
7.2V 锂 电 池 组
湿 度 传 感 器
温 度 传 感 器
R-F
Mega8
单 片 机
LCD 显 示 屏
光 强 传 感 器
12V, 1A
控 制 信 号
图 1 系 统 组 成 框 图
实 验 仪 器 与 装 置
一 、
系 统 组 成
整 个 浇 灌 系 统 由 主 机 、 湿 度 传 感 器 、 温 度 传 感 器 、 光 强 传 感 器 、 水 泵 等 组 成 , 如
下 图 所 示 。
图 2 系 统 实 物 图
二 、
主 机
系 统 主 机 包 括 单 片 机 、 按 键 、 交 流 供 电 系 统 、LCD 显 示 屏 及 辅 助 电 路 构 成 。 各 部
2

分 电 路 图 如 下 :
1. 湿 度 、 温 度 、 光 强 各 探 头 的 接 口 电 路 。
2. 水 泵 控 制 电 路 。
3. 单 片 机 及 LCD 显 示 屏 电 路 。
4. 交 直 流 转 换 稳 压 电 路 。
图 4 温 度 及 光 强 测 量 电 路
图 3 湿 度 测 量 电 路
图 5 水 泵 控 制 电 路
图 6 单 片 机 及 显 示 模 块 电 路
3

图 7 交 直 流 转 换 稳 压 电 路
三 、
参 数 设 置
1、 湿 度 设 定 : 根 据 植 物 种 类 、 土 壤 种 类 来 设 置 湿 度 值 的 上 、 下 限 。 当 土 壤 的 湿 度 值 ≥
湿 度 上 限 值 时 , 不 论 温 度 、 光 强 如 何 , 系 统 停 止 浇 灌 ( 此 时 土 壤 湿 度 已 到 饱 和 状 态 )。
当 土 壤 的 湿 度 值 < 湿 度 下 限 值 时 ( 此 时 土 壤 干 燥 、 植 物 缺 水 ), 系 统 再 根 据 温 度 与 光
强 的 设 定 值 决 定 是 否 浇 灌 。
2、 温 、 光 设 定 : 当 土 壤 的 湿 度 值 < 湿 度 下 限 值 时 ( 湿 度 满 足 浇 灌 条 件 ), 此 时 , 若 土
壤 的 温 度 值 < 温 度 下 限 值 , 系 统 启 动 浇 灌 设 施 开 始 浇 灌 。 夏 季 时 , 土 壤 温 度 过 高 ( 温
度 值 ≥ 温 度 下 限 值 ), 实 施 浇 灌 容 易 烧 伤 植 物 , 故 此 时 系 统 再 根 据 光 强 的 设 定 值 , 决
定 是 否 浇 灌 , 当 光 强 值 ≥ 光 强 下 限 值 ( 如 白 天 ), 系 统 不 进 行 浇 灌 。 当 光 强 值 < 光 强
下 限 值 ( 如 夜 晚 ), 启 动 浇 灌 水 泵 开 始 浇 灌 。
3、 开 、 停 设 定 : 浇 灌 时 , 为 了 让 土 壤 有 一 个 渐 缓 吸 收 水 分 的 过 程 , 系 统 可 设 定 浇 灌
时 间 长 度 与 停 止 时 间 长 度 。 这 样 浇 、 停 交 替 进 行 , 同 时 湿 度 传 感 器 实 时 对 土 壤 湿 度 进
行 测 定 以 决 定 浇 灌 过 程 是 否 继 续 进 行 , 以 免 土 壤 的 湿 度 过 大 , 不 利 于 植 物 生 长 。
4、 控 制 设 定 : 系 统 可 将 浇 灌 方 式 设 定 为 根 据 湿 度 的 上 限 值 终 止 浇 灌 , 也 可 设 定 为 根
据 时 间 长 度 来 终 止 浇 灌 。
测 量 数 据 与 分 析
首 先 , 由 于 湿 度 定 标 难 度 很 到 , 在 一 般 实 验 室 条 件 下 难 以 做 到 , 因 此 我 们 的 实 验
数 据 都 是 相 对 , 无 量 纲 , 也 没 有 验 证 是 否 满 足 线 性 关 系 。 但 是 , 从 实 际 测 量 的 数 据 来
看 , 其 精 度 足 够 满 足 日 常 使 用 和 长 时 间 工 作 的 需 要 。
图 8 是 我 们 连 续 测 量 一 个 刚 浇 完 水 的 花 盆 中 土 壤 中 湿 度 的 变 化 规 律 , 每 6 个 小 时
记 录 一 次 数 据 。 从 图 中 可 以 看 出 , 湿 度 的 衰 减 基 本 满 足 负 指 数 规 律 。
4

图 8 花 盆 中 土 壤 湿 度 的 变 化 规 律
实 际 使 用 时 , 由 于 不 同 植 物 的 生 态 习 性 不 同 , 需 要 的 湿 度 也 不 一 样 , 因 此 需 根 据
种 植 的 植 物 及 实 际 经 验 设 定 湿 度 的 上 下 限 , 湿 度 低 于 下 限 且 光 照 也 低 于 下 限 时 , 开 始
浇 灌 。 湿 度 达 到 上 限 时 , 停 止 浇 灌 。 表 一 所 列 为 实 际 使 用 时 的 几 组 数 据 , 一 般 喜 阳 、
耐 旱 植 物 湿 度 下 限 值 可 设 为 :10-20 之 间 , 喜 荫 、 喜 湿 润 植 物 湿 度 下 限 值 可 设 为 :25-35
之 间 。
表 1 实 际 使 用 时 的 几 组 数 据
植 物 种 土 壤 湿 度
光 强 度
系 统
类 下 限 上 限 实 测 值 下 限 值 实 测 值 状 态
三 角 梅 10 40 16 10 40 待 机
三 角 梅 10 40 15 10 5 浇 灌
菊 花 15 50 12 10 40 待 机
菊 花 15 50 9 10 5 浇 灌
石 榴 20 45 19 10 40 待 机
石 榴 20 45 40 10 5 待 机
发 财 树 25 50 24 30 25 浇 灌
杜 鹃 30 60 12 30 25 浇 灌
万 年 青 35 65 35 30 25 待 机
结 果 分 析
虽 然 , 本 系 统 由 于 没 有 定 标 , 所 测 数 据 没 有 量 纲 , 但 从 实 际 出 发 , 系 统 测 量 方 法
简 单 实 用 , 能 够 实 现 实 时 监 控 并 长 时 间 稳 定 工 作 , 测 量 精 度 完 全 能 够 满 足 实 际 需 要 。
本 系 统 集 参 考 文 献 [2]、[4]、[6] 的 优 点 于 一 体 , 有 着 独 到 的 创 新 之 处 。 归 结 如 下 :
1. 电 阻 — 频 率 转 换 法 测 量 土 壤 湿 度 原 理 清 楚 , 设 备 简 单 , 实 现 自 动 测 量 , 工 作 稳 定 ,
精 度 足 够 一 般 日 常 生 活 使 用 。
2. 用 常 见 的 耳 机 作 为 土 壤 电 极 , 即 克 服 了 一 般 电 极 在 土 壤 中 距 离 会 改 变 的 缺 点 , 又
5

不 易 腐 蚀 , 可 靠 耐 用 。
3. 可 根 据 植 物 的 种 类 , 设 定 不 同 的 湿 度 值 。
制 作 成 本 ( 明 细 )
器 件 名 称 价 格 ( 元 )
3.5mm 耳 机 10
水 泵
100
AVR 单 片 机 ATmega8
10
时 基 NE555(RC 用 于 湿 度 测 量 ) 0.5
光 耦 继 电 器 2N25
40
三 极 管 0.5
热 敏 电 阻
1
硅 光 电 池
35
充 电 电 池
50
变 压 器
30
整 流 桥
15
三 端 集 成 稳 压 7805
1
电 路 板
10
液 晶 显 示 模 块
300
接 插 件
80
主 机 盒 及 加 工 费
120
导 线 、 电 阻 、 电 容 、 电 源 连 接 线 等 30
总 计
833
结 论
我 们 利 用 一 个 耳 机 为 电 极 , 测 量 了 电 极 间 的 土 壤 电 阻 并 由 此 计 算 出 土 壤 的 湿 度 。 结 合 硅 光 电
池 和 热 敏 电 阻 , 成 功 地 完 成 对 土 壤 湿 度 、 光 强 、 温 度 的 采 集 , 用 单 片 机 综 合 上 述 三 个 指 标 实 现 对
盆 花 的 自 动 浇 灌 , 达 到 了 预 期 的 目 标 。
参 考 文 献
1、 马 潮 、 詹 卫 前 等 编 著 .Atmega8 原 理 及 应 用 手 册 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,2003.3
2、 肖 成 定 . 光 控 自 动 浇 灌 器 [J]. 电 子 制 作 ,2004(2):12-13
3、 王 敏 . 自 动 浇 花 装 置 [J]. 园 林 ,2004(10):42-43
4、 雨 林 . 太 阳 能 作 物 浇 灌 系 统 [J]. 实 用 电 子 文 摘 ,1997(3):35-39
5、 顾 平 . 浇 花 提 示 器 [J]. 现 代 通 信 ,1993(9):21
6

6、 王 峰 . 家 用 智 能 型 浇 灌 系 统 [J]. 家 庭 电 子 ,2005(9):27
7、 彭 东 辉 . 居 家 养 花 快 易 通 [M]. 福 州 : 福 建 科 学 技 术 出 版 社 ,2005.3
7