一种基于农田测坑的作物需水量测定方法及系统

本发明涉及水位检测电路，具体涉及一种基于农田测坑的作物需水量测定方法及系统。

背景技术：

1、在农田水利科学领域，经常需研究作物需水量对作物生长的影响。作物需水量是指在给定的生长环境中，能取得高产潜力的条件下为满足植株腾腾、棵间腾发、组成植株体所需要的水量，一般认为，作物需水量等同于腾发量。为了精确测定作物需水量，研究其变化规律，需要有精确的作物需水量测定设备。

2、目前国内测定作物需水量的方法与设备都比较落后，普遍采用人工地面观测方法，由试验人员用电测水位计每天定时观测测坑水位。观测时，通过电测水位计自带的轰鸣器报知针尖触水，再由人工读取测针读数，存在一定人为观测误差，且测量精度低；此外由于试验人员频繁靠近测坑周围的作物，造成测坑及附近的观测空间引起测坑及周围的通风、光照等自然状态的改变，可能对作物自然生长状态产生干扰和破坏，且有时测坑封行后，往往难以采用人工观测方法测读水位。

3、为此，需要对田间作物需水量的自动测量方法不断进行完善和改进。国外测定作物需水量一般采用遥测的观测方法，通过在农田测坑内布设精密测量传感器-波导丝，传感器测量数据通过有线或者无线通信方式远程传输至测控中心上位机，经后台进行自动分析处理。该测量方法，不仅大大提高了试验人员的工作效率，且避免了因人工测量需频繁接近农田测坑可能对作物自然生长状态产生干扰和破坏。但是波导丝传感器价格昂贵，难以进行大规模普及应用。

4、玉林师范学校的伍薇等采用基于温度补偿的超声波测距实现农田测坑水位测量，该方法易受空气湿度等因素影响，综合测量精度不高；中国科学院的刘士平等在试验研究站研制开发了蒸渗仪，通过机械称重系统测定作物需水量，测量精度高，但系统结构复杂，依赖大平台，不易在全国灌溉试验基地推广应用。

5、综上所述，有必要在农田测坑作物需水量自动测量技术方面不断进行深入研究，有效解决作物需水量测定精度低、自动化程度不高等问题，研制出普适性的高精度测坑作物需水量自动测量系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于农田测坑的作物需水量测定方法及系统，解决以下技术问题：

2、解决作物需水量测定精度低、自动化程度不高等问题，研制出普适性的高精度测坑作物需水量自动测量系统。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，包括：

5、入水信号检测模块，用于实时反映测针的出入水情况，并转化为可控制的电信号输出，包括入水振荡电路和信号处理电路；

6、功能控制模块，基于mcu设定每时整点，步进电机上电传感器运行，控制测针向水面方向下行，当测针一接触水面时，测针立即上行脱离水面，测针一脱离水面时，又立即下行寻找水面，往复寻找水面10次，取10次水面高程均值作为该测次水位测量值；

7、lcd显示模块，用于显示最近一次的测量时间及水面高程；

8、电机驱动控制模块，用于将mcu输出的脉冲信号通过功放电路控制电机正反转，从而带动步进电机的上下往复运动；

9、时钟存储模块，用于实时存储每一测次的测量日期、时间、水面高程及腾发量。

10、作为本发明进一步的方案：所述入水信号检测模块由振荡、滤波、整形、反相放大四部分组成，所述入水振荡电路由q1~q8共8级npn三级晶体管组成；

11、所述入水振荡电路中引入了振荡调节电位器，振荡的强弱通过调节电位器trw实现；

12、当测针上行或下行过程中针尖未接触水面时，电路输出一个高电平信号至mcu输入/输出端口；

13、当针尖接触水面时，入水振荡电路停振，经滤波、整形、反相信号处理，输出低电平至mcu输入/输出端口，mcu根据检测电路部分输入的高低电平来控制测针上行或下行。

14、作为本发明进一步的方案：所述测针上通时引入的电流为10khz高频低压交流信号。

15、作为本发明进一步的方案：所述入水振荡电路采用磁芯线圈，线圈绕组比tl1:tl2:tl3=25:50:33。

16、作为本发明进一步的方案：所述功能控制模块中：

17、开机时，测针自动上行，直至触碰到上限基准开关，然后下行自动寻找水面，接触水面后往复测量水面高程10次，并将测量时间和水面均值存入固态存储器；

18、当测针下行一直未寻找到水面，且测针触碰到限位开关时，则步进电机立即上行至上限基准开关停止。

19、作为本发明进一步的方案：所述功能控制模块采集水位测量值的过程为：

20、计算公式为：

21、hi=h-li

22、h=sum(h1+h2+h3+...+h10)/10

23、其中h为上限开关基准点高程，l为螺杆行程，i为常数且i∈[1,10]；

24、取任意两个整点时段测量的水面高程hi和hj对比分析，计算出相应间隔时间内测坑内作物腾发量e=hi-hj。

25、作为本发明进一步的方案：所述电机驱动控制模块中：

26、采用继电器对电机进行控制，到达设定的整点时间后，继电器闭合，步进电机上电，延时1s后，电机运行，系统开始测量工作；定义mcu的p1.0~p1.3为电机驱动功能i/o端口。

27、作为本发明进一步的方案：所述时钟存储模块包括时钟电路和存储电路：

28、所述时钟电路设计选用ds12887时钟芯片搭建高精度实时时钟系统；

29、所述存储电路设计选用ds1225芯片，ds1225的cs1，cs2利用一个反相器来使选通信号同步，在数据查询和数据清除的操作上均设有密码，如果密码输入与系统设置不符，则操作失败。

30、一种基于农田测坑的作物需水量测定方法，应用于上述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，包括以下步骤：

31、以ds12887时钟芯片为时间基准，功能控制模块按照预定时间，基于mcu输出i/o命令至电机驱动控制模块，带动步进电机运转，驱动测针下行寻找水面，往复寻找水面10次；

32、入水信号检测模块测量水面高程，测量完毕后，将测量时间及水面高程存储于存储器sram，同时测针上行至上限基准开关处，步进电机掉电停止运行，lcd显示模块显示本次测量时间及水面高程均值。

33、本发明的有益效果：

34、本发明研制了一种适用于灌溉试验研究的农田测坑作物需水量测量系统，系统设计采用主机与传感器独立式设计，主机设定传感器每日每时整点自动测量测坑水位，并与上一小时整点测量的测坑水位进行对比分析，自动计算并显示出这一小时测坑的腾发量，通过系统上位机采集软件每日每时整点遥测传感器，获取测坑每日各整点时间段腾发量数据，经后台软件分析处理，可掌握作物全天腾发量的变化规律，为深入研究作物需水量提供了有效手段。

技术特征：

1.一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述入水信号检测模块由振荡、滤波、整形、反相放大四部分组成，所述入水振荡电路由q1~q8共8级npn三级晶体管组成；

3.根据权利要求2所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述测针上通时引入的电流为10khz高频低压交流信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述入水振荡电路采用磁芯线圈，线圈绕组比tl1:tl2:tl3=25:50:33。

5.根据权利要求1所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述功能控制模块中：

6.根据权利要求1所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述功能控制模块采集水位测量值的过程为：

7.根据权利要求1所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述电机驱动控制模块中：

8.根据权利要求1所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，所述时钟存储模块包括时钟电路和存储电路：

9.一种基于农田测坑的作物需水量测定方法，应用于权利要求1-7任一项所述的一种基于农田测坑的作物需水量测定系统，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于农田测坑的作物需水量测定方法及系统，属于水位检测电路技术领域，具体包括：实时采集测针的出入水情况，并转化为可控制的电信号输出；基于MCU设定每时整点，步进电机上电传感器运行，控制测针向水面方向下行，当测针一接触水面时，测针立即上行脱离水面，测针一脱离水面时，又立即下行寻找水面，取10次水面高程均值作为该测次水位测量值；通过LCD显示最近一次的测量时间及水面高程；将MCU输出的脉冲信号通过功放电路控制电机正反转，从而带动步进电机的上下往复运动；实时存储每一测次的测量数据；本发明通过自身获取测坑每日各整点时间段腾发量数据，为深入研究作物需水量提供了有效手段。

技术研发人员：万浩平,游文荪,龚羊庆,杨楠,邹俊,周志维,陈斌,李昌垣
受保护的技术使用者：江西省水利科学院（江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/2