本项目利用STC89C52单片机控制2个IDT公司生产的HS3001温湿度传感器和一个PTC加热模块组成热脉冲测含水量模块，通过施加短时低热量热脉冲，使得被测土壤先升温再降温，由高精度HS3001温湿度传感器定时测量土壤温度的变化值，最后基于理想半无限空间热脉冲传导理论，估算土壤体积含水量。该模块具有如下特点：（1）利用热脉冲可以间接测量土壤体积含水量，热脉冲时间控制在60-120s，总线热量控制在1000Jm-1以内，测量周期约300s，具有短时连续监测的优势；（2）在非加热模式下，可以直接获取土壤温湿度，在降雨入渗和水位变化是可以直接监测湿度变化；（3）加热模块还可以为温湿度传感器升温除湿，以增强深埋土壤高湿度环境下长期工作性能；（4）单片机内置T0定时器精确1s定时，T1定时器串口发送数据，定时测量误差很小。

1. HS3001温湿度传感器

本项目使用的HS3001如图1所示。该传感器具有如下特点：相对湿度测量精度±1.5%RH，正常工作范围10-90%RH，14位转换精度，温度测量:±0.2℃, 正常工作范围-10 - +80℃，14位转换精度，宽工作电压2.3-5.5V，低能耗，标准IIC数据接口。

图1 焊接的HS3001传感器

2. STC89C52单片机

 

图2 STC89C52单片机开发板

项目才有的单片机和开发板如图2所示。开发板支持USB程序下载（宏晶科技STC52单片机），开发板供电模式为：电脑USB供电（USB接口）和外部5V电源供电（DC-005电源座）。STC89C52单片机具有如下特点：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

3. PTC加热模块

 

图3 PTC恒温发热模块

项目采用的加热模块如图3所示。它具有体积小，电阻值10Ω，最大恒温50℃。

4. 土壤含水量测量模块

图4 PTC恒温发热模块

将2个HS3001与加热模块捆绑连接，然后置于被测土壤中，通过施加60-120s左右热脉冲，观测土壤升降温情况，以便换算土壤体积含水量。

1. 定时功能实现

采用T0定时器进行1s精确定时。首先进行串口T1和T0定时器初始化，程序如下:

 

T0定时中断程序如下，其中为了弥补计数误差，TL0每次修正了2个计数，即TL0 += 0x69。

 

2. 串口通讯功能实现

串口通讯初始化见上一节，项目中只需单工模式，即只使用发送，不用读取。发送模块程序如下：

 

 

3. IIC通讯功能实现

void SHT2x_init()

{

    sda1=1;

    scl1=1;

    sda2=1;

    scl2=1;

}

 

void start1(void)

{

    sda1=1;

    delay2us();

    scl1=1;

    delay2us();

    sda1=0;

    delay2us();

    scl1=0;

    delay2us();

}

void stop1(void)

{

    scl1=0;

    sda1=0;

    delay2us();

    delay2us();

    scl1=1;

    sda1=1;

    delay2us();

    delay2us();

 

}

void ACK1 (void)

{

    scl1=0;

sda1=0;

    delay2us();

 

    scl1=1;

    delay2us();

    scl1=0;

}

void noACK1 (void)

{

    scl1=0;

    sda1=1;

    delay2us();

    scl1=1;

    delay2us();

    scl1=0;

}

bit getACK1(void)

{

unsigned char ucErrTime=0;

sda1=1;

delay2us();   //释放总线

//SDA_IN();      //SDA设置为输入

scl1=1;

    delay2us();

while(sda1)

{

ucErrTime++;

if(ucErrTime>250)

{

stop1();

return 1;

}

}

scl1=0;//时钟输出0    

return 0;  

}

void send1(uchar DATA)

{

    uchar Bit_Counter=8;

 

scl1=0;

    while(Bit_Counter>0)

    {

 

        sda1=(bit)(DATA&0x80);

        DATA<<=1;

 

        scl1=1;

        delay2us();

        scl1=0;

        delay2us();

 

        Bit_Counter--;

    }

 

}

unsigned char Read1()

{

    unsigned char x=0,y=8;

 

    sda1=1;

 

    while(y>0)

    {

        scl1=0;

        delay2us();

        scl1=1;

        delay2us();

 

 

        if(sda1)

            x=x|0x01;

        else

            x=x&0xfe;

 

 

        scl1=0;

        delay2us();

 

        if(y>1)

            x=x<<1;

 

        y--;

    }

 

    return x;

}

4. HS3001读数功能实现

#define add_w 0x88   //传感器地址 + 写操作

#define add_r 0x89   //传感器地址 + 读操作

sbit sda1=P0^1;//数据线

sbit scl1=P1^1;//时钟线

// 1 湿度测量

// 启动》发送地址+写操作》接收ACK》湿度测量命令》接收ACK》启动》发送地址+读操作》...

// ...接收ACK》测量时间延时》读取高位数据》ACK》读取低位数据》NO_ACK》停止。

// 计算结果。返回结果。

void RHT_Result1(void)

{

    start1();

    send1(add_w);

    while(getACK1());//从机应答

    stop1();

    delay4ms();

 

start1();

    send1(add_r);

    while(getACK1());//从机应答

BUFh[0]=Read1()&0x3F;  

    ACK1();

BUFh[1]=Read1();

    ACK1();

    BUFt[0]=Read1();

    ACK1();

    BUFt[1]=Read1()&0xFC;

    noACK1();

    stop1();

}

void Convert_HS3001(void)

{

unsigned char TEMP1[7]; //用于记录温度

unsigned char HUMI1[7]; //用于记录湿度

unsigned char j;

unsigned long tem1,hum1;

float tem,hum; 

tem=165.0f*(float)((BUFt[0]<<8)|BUFt[1])/16383.0f/4.0f-40.0f; //摄氏度

hum=100.0f*(float)((BUFh[0]<<8)|BUFh[1])/16383.0f;

BUFt[0]=0;

BUFt[1]=0;

BUFh[0]=0;

BUFh[1]=0;

tem1=(unsigned long)(tem*10); //摄氏度

hum1=(unsigned long)(hum*10);

if(tem1<0)TEMP1[0]=0x2D;//温度小于零，则数值前面加‘-’负号

else TEMP1[0]=0x20;//温度大于等于零，则数值前面加空格

     TEMP1[1]=tem1/1000+'0';     //温度百位

if (TEMP1[1]==0x30) TEMP1[1]=0x20;

TEMP1[2]=tem1%1000/100+'0';     //温度十位

if (TEMP1[2]==0x30 && TEMP1[1]!=0x30) TEMP1[2]=0x20;

   TEMP1[3]=tem1%100/10+'0';//温度个位

      TEMP1[4]=0x2e;//小数点

   TEMP1[5]=tem1%10+'0';//温度小数点后第一位

   TEMP1[6]=0x20;//最后一位为空格

for(j=0;j<7;j++)

{

1. 湿细砂热脉冲温度升降

将传感器模块埋入重力含水量10.4%的细砂中10cm，分别施加120s和60s热脉冲，传感器升降温曲线如图6所示。从图中可以看出微量热脉冲对土体扰动小，升温曲线有很好的一致性。

 

图6 w=10.4%湿砂热脉冲温度升降曲线

2. 干细砂热脉冲温度升降

再将传感器模块埋入重力含水量0.13%的细砂中10cm，分别施加240s和120s热脉冲，传感器升降温曲线如图7所示。从图中可以看出微量热脉冲对土体扰动小，升温曲线有很好的一致性。湿砂和干砂升降温曲线比较如图8所示，显示升降温曲线斜率有较大差别。

 

图7 w=0.13%湿砂热脉冲温度升降曲线

 

图8 湿砂和干砂热脉冲温度升降曲线比较

3. 半无限空间热脉冲传导理论

均质各向同性半无限空间匀速热传导基本方程（Carslaw & Jaeger 1959, p13）如下：                           [1]

其中α是热扩散系数（m²/s），U是流速（m/s）。当半无限空间一无限长线热源加热有限时间，即产生一热脉冲，其理论解如下（Carslaw & Jaeger 1959, p258）：

                                   [2]

其中Q是热量（m²℃），Q=q/ρc，q输入线强度（J/m），ρc是体积比容。当传感器距离热源位置r_m温度升到最大ΔT_m时，对公式[2]求导数可得：

                                           [3]

Campbell等（1991）给出土的体积比容ρc与最大温升有关，即

                               [4]

其中ρ_w是水的密度，c_w是水的比热，θ是土的体积含水量，ρ_b是土的总密度，c_m是土颗粒的比热。给定热脉冲q=I²Rt，I是加热电流，R是加热模块电阻，t是加热时间，实测最大温升ΔT_m和传感器距离热源的位置r_m之后，就公式[4]可以计算出土的体积含水量θ，如公式[5]所示。

                                      [5]

4. 初步数据整理

部分实测湿砂温度升降原始数据如下表：