植物水分无损监测电容式传感器及其系统研究

论文摘要

我国农业生产过程中,普遍采用监测土壤湿度来间接监测植物的含水情况,由于这种监测技术存在一定的滞后性,容易造成灌溉利用的不合理和水资源浪费。一些发达国家采用直接监测植物体的含水情况来指导精量灌溉,可以达到节水35%、增产40%的效果。我国的水资源十分紧缺,研究植物水分的无损监测技术,以指导农田精量灌溉,对节约淡水资源,提高农业产量均具有十分重要的意义。我国对植物水分的无损监测研究已开展了近十年,研究取得的有效成果是用于叶片厚度测量的机械式微位移传感器,该传感器的测量精度能够达到μm级,但仍然存在如下问题:第一,传感器及测量装置存在缓慢漂移;第二,千分尺机械系统回程误差计入测量值中;第三,叶片厚度测量本身存在误差,会造成与机械误差的积累。为了实现植物水分无损精确监测,同时针对现有技术的不足,本文研究设计了一种基于介质变化的电容式传感器及其监测系统,具体研究内容如下:(1)在分析研究电容传感器工作原理和植物水分分布机理的基础上,确定了变介质电容传感器的研究方案和植物叶片水分的测量部位,同时,比较了各种结构类型电容的性能特点后,选取了便于叶片夹持的平行板电容作为传感电容。(2)设计了一款基于介质变化的电容式植物水分监测传感器,电路中考虑了输出信号和滤波截止频率的可调性,使用方便灵活。电容传感器本身不受环境温度的影响,不存在温度漂移问题。该传感器直接监测植物体内水分,传感器输出电信号直接反映了植物体水分的变化,不存在误差积累问题。(3)用multisim8对设计的传感器电路做了仿真分析,仿真过程对传感器电路各部分做了性能检验、分析和进一步优化。传感器仿真以传感电容的微变化模拟植物水分的微变化,整理仿真数据,得出了植物水分与传感器输出电信号之间的关系式。仿真结果表明,设计的植物水分监测传感器输出电信号与植物水分的变化量之间存在很好的线性关系,电路设计合理。(4)理论上分析了环境温度对植物导电性的影响和环境湿度对传感器电信号的影响,设计了一套综合考虑环境温、湿度影响的植物水分监测系统,以实现对植物水分的实时监测。环境温、湿度因素的考虑使得植物水分监测的准确性进一步提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 植物体水分监测技术研究的现状及发展趋势
• 1.1.1 国外植物体水分监测技术研究的现状
• 1.1.2 国内植物体水分监测技术的研究现状
• 1.1.3 我国植物水分监测目前存在的主要问题
• 1.2 本文主要研究内容
• 2 电容式传感器及其植物体水分测量原理
• 2.1 电容式传感器的工作原理及结构形式
• 2.2 三种类型的电容传感器比较分析
• 2.2.1 空气介质的变间隙式电容传感器及变面积式电容传感器简介
• 2.2.2 基于变介电常数的电容式传感器的工作原理
• 2.3 植物体水分分布机理
• 2.3.1 水势概念
• 2.3.2 水分分布
• 2.4 基于变介电常数的电容式植物水分测量传感器理论分析
• 3 植物含水率监测的理论基础
• 3.1 植物叶水分测量传感器的数学建模
• 3.1.1 一般传感器的数学模型
• 3.1.2 电容极板间三相介质并联、串联的数学建模
• 3.2 小结
• 4 感器电路的研究与设计
• 4.1 检测电路的方案选择
• 4.1.1 电容传感器检测电路的分类
• 4.1.2 各种检测电路分析
• 4.1.3 检测电路性能对比
• 4.1.4 电桥电路的选择和传感器测量系统
• 4.2 激励信号的选择、性能、波形产生
• 4.2.1 激励信号的选择
• 4.2.2 性能介绍和波形发生电路设计
• 4.3 电桥输出放大电路的设计
• 4.3.1 电路选择
• 4.3.2 参数确定
• 4.4 检波整流电路设计
• 4.5 低通滤波电路设计
• 4.5.1 电路的选择
• 4.5.2 参数的确定
• 4.6 直流放大电路设计
• 5 电路仿真
• 5.1 仿真目的及仿真软件
• 5.1.1 仿真目的及意义
• 5.1.2 Multisim8 软件介绍
• 5.2 电路及仿真分析
• 5.2.1 电路分块仿真
• 5.2.2 整体电路仿真原理及结论分析
• 5.3 数据分析处理
• 5.4 小结
• 6 多参数植物水分监测系统设计及研究
• 6.1 植物水分监测影响因素分析及总体设计
• 6.1.1 空气湿度
• 6.1.2 环境温度
• 6.1.3 总体设计
• 6.2 监测电路的硬件实现
• 6.2.1 控制芯片的选型
• 6.2.2 电源电路
• 6.2.3 A/D 转换芯片
• 6.2.4 ADC0809 与AT89S51 接口方式
• 6.2.5 环境温，、湿度数据采集传感器
• 6.3 单片机与上位机的串行通信
• 6.3.1 串口总线接口芯片选型
• 6.3.2 串口通信
• 6.4 系统的软件实现
• 6.4.1 系统主程序设计
• 6.4.2 植物水分传感器输出电压测量程序的设计
• 6.4.3 环境温、湿度传感器测量程序设计
• 6.5 系统抗干扰设计
• 6.5.1 系统硬件抗干扰
• 6.5.2 系统软件抗干扰
• 7 结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 参考文献
• 附录
• 附录1：传感器电路总图
• 附录2：ADC0809 转换程序
• 附录3：串行口中断程序
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况