一种深层土壤湿度实时测控系统技术方案

一种深层土壤湿度实时测控系统，属于土壤湿度测量技术领域。本系统包括地面部分和井下部分；地面部分包括有供电设备、主控计算机和四芯电缆，四芯电缆中两根为供电线，两根为数据线，供电设备通过四芯电缆给井下部分供电，主控计算机通过四芯电缆对井下部分进行实时控制，实现钻孔内深层土壤层湿度的远程实时测量；井下部分即井下测控装置，其外形结构是空心圆柱体，内部从上到下分为四层；测控装置通过RS485通讯接收来自计算机的控制命令，并将土壤湿度数据和装置的状态信息传送至主控计算机，降低了深层土壤湿度测量的复杂度，提高了测量的灵活性，用户能够在任何直径大于170mm的钻孔中测量各土壤层的湿度参数。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种深层土壤湿度实时测控系统，系统中计算机通过RS485对钻孔内的测控装置进行实时控制，利用FDS120 土壤湿度传感器实现了钻孔内深层土壤湿度的远程实时测量，属于土壤湿度测量

技术介绍
土壤的温度控制各层土壤间的能量输送，调节土壤的热属性，决定了土壤当地热容及土壤导热率。获得当地各层土壤的湿度参数可以促进对当地土壤层的合理利用，与土壤相关的工程和研究一般都需要深层土壤的湿度参数，例如地热钻孔深层土壤热物性的测定、地源换热器钻孔外土壤传热模型的设计、浅层和深层地热能的利用等。 目前测定土壤湿度参数的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定(如烘干称重法)，另一类是原位取样测定(如中子法、Y射线法、时域反射仪法、传感器法)，但这些方法一般只用于表层土壤的湿度测量。而对于深层土壤的湿度测量一般是通过取土钻钻孔并取出土样，再通过烘干法来测量土壤湿度，这种仪器不仅操作繁琐、成本高，精度也无法保障。
技术实现思路
本技术的目的在于克服深层土壤湿度测量大多是离线测量，且操作繁琐、测量精度低、操作繁琐的现状，提出了一种深层土壤湿度实时测控系统。本技术的技术方案如图I和图2所示，包括地面部分和井下部分。特征在于地面部分包括有供电设备I、装有上位机监控程序的主控计算机2和四芯电缆3，四芯电缆3中两根为供电线，两根为数据线，供电设备I通过四芯电缆3给井下部分供电，主控计算机2通过四芯电缆3对井下部分进行实时控制，实现钻孔内深层土壤层11湿度的远程实时测量。井下部分即井下测控装置10，其外形结构是空心圆柱体，内部从上到下分为四层；其中顶层为电源模块9，与四芯电缆3相连，将其中的220V交流电转换为直流电，给装置内各层设备供电；第二层为嵌入式测控系统4，包括CPU中央处理器、湿度信号处理电路、温度采集电路、步进电机驱动电路、电动推杆驱动电路、接近开关及其电压转换电路、电源管理电路、485通讯电路、状态显示电路和键盘，CPU用于接收主控计算机2发来的控制命令及其他各电路送出的信号，产生控制信号控制其他各电路，并经485通讯电路将实时测量数据和状态信息通过四芯电缆3传送至主控计算机2 ;第三层为步进电机5和土壤湿度传感器FDS1208，步进电机固定在装置内部，并通过丝杆传动的方式与土壤湿度传感器相连；第四层为两个电动推杆6和两个固定部件7，两电动推杆固定在装置内部，可移动部分分别与两个固定部件相连，推动固定部件完成装置在钻孔内的固定和取回工作。嵌入式测控系统4中的信号处理电路由高精度电阻、二极管、电容与CPU连接组成；温度采集电路由数字式温度传感器DS18B20与CPU连接组成；步进电机驱动电路由控制芯片L297、驱动芯片L298与CPU连接组成；电动推杆驱动电路由光电耦合器TLP521-4、驱动芯片L298N与CPU连接组成；接近开关及其电压转换电路由PNP型接近开关TL-Q5MB I经NPN型三极管与CPU连接组成；电源管理电路包括电源监测电路和掉电保护电路，电源监测电路由电源监测芯片TPS3823与CPU连接组成，掉电保护电路由RC回路与CPU连接组成；485通讯电路由RS485接口芯片与CPU连接组成；信号处理电路用于将土壤湿度传感器输出的标准电流信号转换为电压信号，其输出的电压信号交由CPU计算处理得到土壤层的湿度值，并传送至主控计算机；温度采集电路用于实现装置内的温度测量，温度采集频率及精度受CPU控制；步进电机驱动电路用于接受CPU输出的脉冲和方向信号，完成对步进电机的实时控制；电动推杆驱动电路用于接受CPU输出的脉冲信号，完成对电动推杆的实时控制；接近开关及其电压转换电路中接近开关分别安装在电动推杆最外侧和湿度传感器出口内侧，对固定部件和湿度传感器的直线进给位移进行限定，其输出电平信号经电压转换电路处理后交由CPU处理，实现对步进电机和电动推杆的自动控制；电源管理电路用于避免CPU出现上电死机现象并实现嵌入式测控系统运行过程中各设备的状态数据在掉电时的保存；485通讯电路用于将主控计算机2经过四芯电缆3发来的控制命令传给CPU，并将井下测控装置的状态信息和测得的湿度数据通过四芯电缆3上传至主控计算机2，其数据的接受和发送过程受CPU控制。 所述的CPU中央处理器为TI公司的MSP430系列单片机，单片机不同管脚实现不同的功能，通过接插件及排线输入输出信号控制其他各电路工作。所述的信号处理电路中土壤湿度传感器FDS120与CPU的连接为，CPU的P6. O管脚经过精度为1%的电阻R41、滤波电容C41、ESD保护二极管D30与FDS120信号输出端相连，将FDS120输出的电流信号转换为电压信号经过具有A/D功能的P6. O管脚送入CPU进行计算处理获得土壤湿度值；0ther为扩展传感器接口，处理其他输出为4 20mA的传感器信号，通过P6. I管脚送入CPU。测量结束后，将湿度数据通过RS485通讯传送至主控计算机并存储。所述的温度采集电路中温度传感器DS18B20与CPU的连接为，温度传感器DS18B20的DQ管脚通过上拉电阻接至+5V，并与CPU的P2. I管脚相连，由CPU控制温度传感器DS18B20的温度读取频率和精度。所述的步进电机驱动电路中控制芯片L297、驱动芯片L298与CPU的连接为，CPU的P5. O 5. 3管脚分别与L297的4个控制管脚ENABLE、HALF/FULL、CLOCK及CW/CCW相连，L297通过相应管脚与L298相连，L298的outputl 4分别与步进电机的四条控制线相连，实现步进电机的实时控制。测控装置中步进电机通过丝杆传动方式，将逆时针或顺时针的转动转换为前进或后退的动作，推动湿度探针的水平移动，达到与装置外土壤层的紧密接触和脱离。所述的电动推杆驱动电路中光电耦合器TPL521-4、驱动芯片L298N与CPU的连接为，CPU的P4. O 4. 3经过TPL521-4与L298N的INPUTl 4相连，管脚P2. 5、P2. 6分别与 L298N 的 ENABLEA、ENABLEB 相连，L298N 的 0UTPUT1 2、0UTPUT3 4 分别与两电动推杆Ml和M2相连，实现电动推杆的实时控制。测控装置中两个电动推杆的可移动部分分别与两侧的固定部件相连，推动固定部件完成装置在钻孔内的固定和取回工作。所述的接近开关及其电压转换电路中PNP型接近开关与CPU的连接为，三个接近开关TL-Q5MB1的信号输出端输出的高电平信号分别经过电阻R35、R37、R39由三个NPN型三极管的基极B输入，三极管的发射极E分别与CPU的Pl. O、P1. I和Pl. 2管脚相连，CPU根据Pl. O、Pl. I和Pl. 2管脚输入的电平变化，实现对两个电动推杆和步进电机的自动控制。当CPU检测到相应管脚输入高电平时，会引发中断，进入中断处理程序，在中断处理程序中执行相应电动推杆或步进电机停止的操作。所述的电源管理电路包括电源监测电路和掉电保护电路，电源监测电路中电源监测芯片TPS3823与CPU的连接为，TPS3823的管脚 SET、WDI分别与CPU的RST、P2. O管脚相连，为CPU提供电路初始化和定时监控的功能，避免CPU出现上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深层土壤湿度实时测控系统，包括地面部分和井下部分；其特征在于：地面部分包括有供电设备（1）、主控计算机（2）和四芯电缆（3），四芯电缆（3）中两根为供电线，两根为数据线，供电设备（1）通过四芯电缆（3）给井下部分供电，主控计算机（2）通过四芯电缆（3）对井下部分进行实时控制，实现钻孔内深层土壤层（11）湿度的远程实时测量；井下部分即井下测控装置（10），其外形结构是空心圆柱体，内部从上到下分为四层；其中顶部为电源模块（9），与四芯电缆（3）相连，将其中的220V交流电转换为直流电，给装置内各层设备供电；第二层为嵌入式测控系统（4），包括CPU中央处理器、湿度信号处理电路、温度采集电路、步进电机驱动电路、电动推杆驱动电路、接近开关及其电压转换电路、电源管理电路、485通讯电路、状态显示电路和键盘，CPU中央处理器用于接收主控计算机（2）发来的控制命令及各电路送出的信号，产生控制信号，并经485通讯电路将实时测量数据和状态信息通过四芯电缆（3）传送至主控计算机（2）；第三层为步进电机（5）和土壤湿度传感器FDS120（8），步进电机固定在装置内部，并通过丝杆传动的方式与土壤湿度传感器相连，步进电机带动土壤湿度传感器在土壤中运动；第四层为两个电动推杆（6）和两个固定部件（7），两电动推杆固定在装置内部，可移动部分分别与两个固定部件（7）相连；嵌入式测控系统（4）中的信号处理电路由高精度电阻、二极管、电容与CPU连接组成；温度采集电路由数字式温度传感器DS18B20与CPU连接组成；步进电机驱动电路由控制芯片L297、驱动芯片L298与CPU连接组成；电动推杆驱动电路由光电耦合器TLP521？4、驱动芯片L298N与CPU连接组成；接近开关及其电压转换电路由PNP型接近开关TL？Q5MB1经NPN型三极管与CPU连接组成；电源管理电路包括电源监测电路和掉电保护电路，电源监测电路由电源监测芯片TPS3823与CPU连接组成，掉电保护电路由RC回路与CPU连接组成；485通讯电路由RS485接口芯片与CPU连接组成；信号处理电路用于将土壤湿度传感器输出的标准电流信号转换为电压信号，其输出的电压信号交由CPU计算处理得？到土壤层的湿度值，并传送至主控计算机；温度采集电路用于实现装置内的温度测量，温度采集频率及精度受CPU控制；步进电机驱动电路用于接受CPU输出的脉冲和方向信号，完成对步进电机的实时控制；电动推杆驱动电路用于接受CPU输出的脉冲信号，完成对电动推杆的实时控制；接近开关及其电压转换电路中接近开关分别安装在电动推杆最外侧和湿度传感器出口内侧，对固定部件和湿度传感器的直线进给位移进行限定，其输出电平信号经电压转换电路处理后交由CPU处理，实现对步进电机和电动推杆的自动控制；电源管理电路用于避免CPU出现上电死机现象并实现嵌入式测控系统运行过程中各设备的状态数据在掉电时的保存；485通讯电路用于将主控计算机（2）经过四芯电缆（3）发来的控制命令传给CPU，并将井下测控装置的状态信息和测得的湿度数据通过四芯电缆（3）上传至主控计算机（2），其数据的接受和发送过程受CPU控制。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚庭，姜大伟，廖先旭，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：