论文导读：土壤物理学的研究结果表明土壤电导本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息，因此土壤电导的实时测量具有非常重要的现实意义。目前，国内土壤电导的测量还仅局限于单点测量，国外澳作公司利用总线技术设计出了分布土壤电导监测系统，它代表了目前世界的先进水平。如果土壤电导监测系统再加上无线收发模块，就可以组成无线传感器网络，实现对大范围土壤电导的监测。
关键词：土壤电导，监测系统，传感器网络
土壤物理学的研究结果表明土壤电导本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息，因此土壤电导的实时测量具有非常重要的现实意义。目前，国内土壤电导的测量还仅局限于单点测量，国外澳作公司利用总线技术设计出了分布土壤电导监测系统，它代表了目前世界的先进水平。免费论文网。但是这个系统要用电缆联结成为一个小网络，田间布线太多，而且费用高昂。为此，本文设计了一种适合于大范围多点测量且造价低廉的土壤电导监测系统。免费论文网。
该土壤电导监测系统主要由双环形土壤电导探头、双极性脉冲电压源、集成运放器、程控放大器、A/D转换器和单片机等电路组成。
1 传感器探头的设计
自行设计一对弧形的电极，弧形电极紧贴在一个圆柱形的绝缘材料上，埋入待测土壤中，此时测量的土壤电导为以电极为中心向外辐射的一个圆形区域的电导，可以更有代表性地反映其所在深度的电导。这种传感器探头的优点是造价低廉，适合土壤电导的大范围测量。
2 激励信号的选择
为避免电极极化，激励信号拟采用双极性脉冲间歇电压信号，如图1所示。
由于在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电流同值反向，被测系统中那种介质极化现象就得以削弱。再者通过系统软件的控制，经放大器放大输出的电压信号Vo在被采样时已经稳定。由于A/D采样点位于电压波形稳定后的平坦部位，在这一段时间内系统相当于受到一个恒定直流电压信号的激励，被测电压信号不再需要复杂的处理，相敏调解、滤波等环节就可以省略，这样既简化了系统的结构，又提高了数据采集速度。
3 单片机的选择
选用ATMEL公司的AT-mega16单片机，作为传感器节点的主控芯片，主要原因如下：
（1）其内部已经嵌入了8通道10位高精度ADC转换器，不必再买A/D转换芯片，节省了开销。
（2）AVR系列单片机都支持ISP（In-System Programming），只要一根ISP下载线就可以方便地在线修改程序，开发设备简单方便。
（3）片内设有上电复位和内部RC振荡电路，无需扩展任何元件就可以自成最小系统，只要接通电源就可以工作。
（4）Mega 16 单片机有内置的TWI（Two-Wire Interface）总线，方便扩展存储芯片，节省了设计存储程序的时间。
4 土壤电导转换电路的选择
土壤电导的测量电路主要有电阻分压法、集成运放输入法。
电阻分压法只用一个合适的固定电阻R与土壤电阻Rx串联就可以了，是最简单的测量电路。
当Rx>>R时，
 （1）
式中Gx为被测土壤电导，可以看出，当Rx>>R时，输出电压与电导成线性关系。但是当Rx>>R时，电阻R上分得的电压就会非常的小，用单片机进行A/D转换并采集时就会有一定的误差；如果选取的R阻值与Rx接近，则输出的电压与电导之间不呈线性关系。
集成运放输入法是典型的反相输入比例放大电路。
根据反相比例放大电路原理：
 （2）
式中Gx为被测土壤电导，从公式2.4可以看出，输出电压与电导成线性关系。
上述所期望的表达式是将集成运放按理想模型得到的，如果考虑实际运放，相对误差会达到10-6 数量级，因此只要稍微注意筛选器件，由运放造成的误差可以不予考虑。
比较上面两种测试电路，方法一虽然简单，成本低，但在选择R上要进行误差分析。方法二在测试过程中只需考虑传感器本身的误差，而不必考虑采集信号的电路所带来的误差，因此本系统采用集成运放输入法电路作为采集信号电路。
5 程控放大器电路的设计
土壤含水量从风干土含水量到饱和含水量，土壤电导的变化范围很大，这使得单片机采集到的信号要么很弱、要么达到饱和，造成很大的误差或者过载。为此本系统采用程控放大器AD526来保证测量精度。免费论文网。AD526是一种单端可编程增益放大器，可提供二进制数1、2、4、8、16的精密增益数字控制。为了使测量范围更宽、测量结果更准确，本系统采用两片AD526级联的方式作为增益放大器，级联后的放大倍数为1、4、16、64、256，依次增大4倍。
AT-mega16的采集电压范围为0~5V，当被测电压太小或者太大都会导致误差增大，所以设置最佳测量电压范围大约为1~4V，对应的ADC值为200~820。增益设置程序的规则如下：每次把采集到的ADC值和最佳范围的端值进行比较，当在200~820之间时，就把该次ADC值作为实际测量值；大于820时，并且增益值不为1就缩小4倍，重新采集，直到采集的ADC值在最佳范围内；如果大于820且增益值为1，就把该次ADC值作为实际测量值；小于200时，并且增益值不等于256就增大4倍，重新采集，直到采集的ADC值在最佳范围内；如果小于200且增益值为256，就把该次ADC值作为实际测量值。
6土壤电导监测系统的工作原理
双环形电导探头上含有一对金属电极薄片，该电极对通过绝缘线分别与激励源电路的输出端和反向放大电路的输入端相连。当单片机发出启动双极性脉冲间歇电压源的控制信号后，被测土壤受到激励，被测信号通过转换电路，把电导信号转换成电压信号，传递到可编程增益放大器的输入端，经程控放大后被单片机自带的A/D转换电路采集，存入单片机。激励源的正、反、0V切换、程控放大器的增益设置等均由单片机完成。测得的信号通过串口通讯电路送至上位机进行数据处理。
7 结语
自行设计的土壤电导监测系统制作容易、造价低廉，特别适合于大范围土壤电导的测量。如果土壤电导监测系统再加上无线收发模块，就可以组成无线传感器网络，实现对大范围土壤电导的监测。
参考文献
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