基于FDR的土壤含水率检测仪的设计开题报告.pdf

1.选题的目的和意义 水是生命之源，是一切生物存在的基本保证。水是干旱区最重要的控制因素（唐立松、 张佳宝和程心俊 2002 ），是植物生存的主要限制因子（刘发民，张应华和仵彦卿 2002 ）。随 着全球人口数量的急剧增加，水在农业上工业上使用量都急剧增加，造成了全世界范围内水 资源短缺问题的急剧恶化。农业作为人类生存最为重要的基本产业也面临着前所未有的水资 源危机。水资源稀少导致越来越多的研究工作者将目光投向了节水灌溉这一领域。所以发展 节水灌溉型现代化农业势在必行，而且通过实时测量土壤水分含量反映农作物成长情况是未 来农业的发展方向。 中国作为世界上人口最多的国家，其粮食问题尤为重要。由于中国平原面积相对于总体 面积来说比较少，农村人口数量很大，在全国范围内推广大型机械化农业还不太现实，而西 北干旱半干旱地区面积很大，水的制约因素尤为明显，精细农业已经成为中国现代化农业发 展的必要阶段。精细农业是指基于变异的田间管理手段。传统农业认为农田管理是均一的， 就是在施肥管理上都是用统一量来进行。实际上，农田中是存在很大差别的，传统农业的做 法有很大弊端，第一浪费了资源，第二破坏了环境。精细农业本身是一种可持续发展的管理 方式，为了完成这一目标必须有以下三个方面的工作：一是田间数据；二是作业决策；三是 机器完成。这三方面中的第一方面尤为重要，只有将田间数据实时地精确地采集出来，才能 对农业系统做出正确的决策，才能使得机械执行获得效益最大化。科技发展使得传感器技术 日益成熟，在实时性和精确性都有大幅度提高，使得精细农业和自动化农业越来越容易实现。 土壤含水率是精细农业中的一项重要指标，是土壤中水分的直观反映，在节水灌溉系统 中有着非常重要的意义。根据精细农业的概念，一块耕地的水分情况不是均一的，而是存在 很大的差距。通过实时测量不同子地域的土壤含水率，控制不同子地域灌溉系统来保证植物 所必须的水分，以达到最优生长。土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况，对土壤 水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持研究工作中的一个基础工作（李 兴涛，尹盟毅，赵晓峰，等 2010 ）。 土壤含水率检测方法已经发展了半个多世纪，而且对土壤含水率检测的研究仍然在继续， 越来越多测量技术的出现使得土壤含水率检测方法日益完善。1922 年，Gardner 就开始从事 张力计快速测定非饱和土壤张力的研究；1939 年，ShawBauer 开始利用埋入土壤的热电线 电阻变化进行土壤水分快速测量的研究；1950 年，中子衰减法开始被应用于快速测量土壤 含水量；1976 年，Topp 和 Davis 首先将时域反射法引入土壤水分快速测量的研究；1983 年， Hainsworth 试验利用 X 射线快速测量土壤湿度；1991 年，Whalley 利用近红外的方法快速测 量土壤含水量取得了一定的研究成果（马涛 2008 ）。以上都是国外学者对于土壤含水率检测 技术研究出的突出成果。土壤含水率检测可以分为三类：一类是直接测量土壤含水率，也叫 做直接法。比如烘干法、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法 TDR （时域反射法：Time Domain Reflectometry ）、FDR （频域反射法：Frequency Domain Reflectometry ）等；另一类 是测量土壤的基质势，如张力计法、电阻块法、干湿计法等；第三类是非接触式的间接方法， 如远红外遥测法、地面热辐射测量法、声学方法等。烘干法主要缺点是无法在线快速测量， 测量的周期长；对于土壤有一定的破坏作用。中子仪法难以测量浅层土壤含水量，而且极易 造成射线泄露污染环境。张力计法的测量范围很大程度上受土质影响，而且存在严重的滞后 和回环影响测量速度。近红外反射法受土壤表面粗糙程度和土壤表面水分孔隙充满状况的影 响，同时对土壤深层含水量测量需要对土壤开槽。在这些方法中，TDR 、FDR 等都可以进 行土壤含水率连续性测量，但是利用 TDR 方法制作的测量仪非常昂贵。FDR 有着低廉简便、 快速准确、连续测定的优点，但是制约因素较多，对于测量土壤含水率有一定难度。总之， FDR 可以方便快捷的得到连续的土壤含水率，但是在适用性上有一定的欠缺，测量之前要 进行与烘干法对比标定校准，来减小误差。研究 FDR 土壤含水率检测仪是因为其他方法缺 点都很难克服，无法满足土壤含水率检测的需要。 单片机作为非常成熟的简单控制芯片，和 FDR 技术相结合具有很大的使用价值。本设 计旨在开发一款基于单片机并运用 F