土壤电位测量仪的创新设计

土壤电位测量仪的创新设计

黄余娜 1 刘帅 杨明鑫 廖欢 晏梅秀

天津职业技术师范大学 电子工程系 天津 300202

摘要：土壤电位测量仪是一种用途极广的电压测量装置，本文在传统的测定土壤电位电压表基础上采取了GPRS模块，并且改变了转换芯片，使得精度比普通电压表更高，接下来，将对系统总体设计，实现方法等进行简单阐述。

关键词：土壤电位测量仪；GPRS；

一、土壤电位测量仪的一般作用及实现方法

1、一般作用

土壤电位测量仪就是测定土壤中的电位差的数字电压表利用测得的土壤电位差与杂散电流的关系，实现对土壤的监测保护的装置，可以实现测定压差与电流的功能，是一种常见的测量仪器。 土壤电位测量仪同我国其他电子测量仪器一样，经过了一个很长时间的发展，历史悠久，但是在当前这个信息发展迅速的时代。土壤电位测量仪的一般作用还是没有改变， 它还是一种测量电压的仪器，并没有其他崭新的功能。

2、一般实现方法

该仪器一般是采用将接地模拟信号的电压值通过Cu / CuS04参比电极测量，然后再模拟电压用设计的数字电压表转换成数字电压显示。一般的具体实现方法是将便携式Cu/CuSO4电极体放到土壤表面，使CuSO4电极的最下端和土壤有接触，（前提是将Cu/CuSO4参比电极插入水中放置24小时），在测量过程中最大可能的靠近埋在土壤中的地下管道，这样做可以很大程度的减小管地电位的影响。它的测量的距离大约为1米，接下来就可以进行电位测量，在测量时用本设计的数字电压表代替毫伏表，数字电表的一端连接参比电极引线，另一端连接测试端。在电位测试过程中电压表将自动转换为毫伏档，最后读取数据，这就是土壤电位仪的一般工作方法。

二、土壤电位测量仪的创新设计点

1、性能

精度是电表的灵魂，试问一个精度极差的电表怎么能适用于高精度的现代化工业呢？因此，我们提出高精度，这是土壤电位仪的创新点也是它必须的性能，任何一个仪表都需要高精度，这不仅仅是仪表本身所代表的意义，也是这个时代赋予它的意义，我们即将面临的时代是一个崭新的，数字化的，智能的时代，基于现在的仪表基本上都具有了数据输出功能，这也就意味着，我们的仪器本身所测量的数据必须达到极高的精度，才可以满足现当代的需求。土壤电位测量仪可使用高精度的ICL7135转换芯片，让测量精度比普通电压表更高。（框架如图1）

建议使用ICL7135芯片作为本系统的中央处理单元的原因是：ICI7135接口比较丰富，具有很强大的功能，它共28个引脚，是4位双积分A/D转换芯片,可以输出±20000个的数字量,同时与微机接口也十分方便等优点，所以采用ICL7135芯片来构架土壤电位仪的中央处理单元。

对于ICL7135来说它的优点是：精度高，价格低。时钟频率与它的转换速度有关系，每一个转换的周期都是由:自校准，正向积分,反向积分，和过零检测四个阶段组成,10001个脉冲的即是自校准,正向积分的都脉冲是10000个。一直到电压为零，只有反向积分。对应的从正向积分开始计时的脉冲个数，我们可以用模拟量来表示脉冲个数，直到减到10000。这是从反向积分为零停止计时为准的。

2、远程监控

为了保证人员的安全和节约大量的人力成本，类似土壤电位测量仪一类的测量仪表，需要具备野外作业远程监控的功能，即通过网络模块将仪器所测得的数据与服务器相连，实现对离散作业点的远程监控，才能达到信息化时代的解放人力的功能，土壤电位测量仪未来必须达到的一点，这也是所以仪器仪表所必备的，因为在这么一个，信息爆炸的时代，时间，与人力的成本都相当高，我们应该利用通信与信息工程技术，来共同解决当前面临的人员成本问题，以期达到更加省时省力的作用，在面向全球化的过程中，仪器仪表同样也需要通过通信技术，来形成一个整体，适应全球网络化的需求，我们的仪器所测得的数据可以通过GPRS模块传输到服务器，从而可以将处在偏远地区的设备与服务器相连接，可以实现对离散工作点的远程监控。

3、小型化

小型化，便携式是当前仪表发展的必然趋势，也是当前时代对于仪器仪表使用的一种需求，在微型电子如此突飞猛进的时代，对于仪器仪表的微型化，不光是当前的测量需求，也是技术发展的必然要求，电表若器件精简，部件密度大，就可在保持数据准确情况下实现仪器的小型化。电子仪器的小型化和微型化不仅是应对当前的社会变革，也是应对虚拟仪器的广泛应用的一种优点的吸收，通过电子仪器的小型化，微型化可以使电子仪器的应用范围更加广阔，摆脱臃肿繁琐仪器的日常使用限制，这也是时代的要求。

本次土壤电位测量仪的小型化是基于上面的电压采集和ICL7135芯片，共同实现的，在保证精度和远程监控的实现，通过工艺手段实现小型化。让仪器实现便携功能。同时我们也采用部分器件贴片化和原理图优化的方法来解决主电路板过于庞大的问题，通过采用以上方法，轻松实现土壤电位测量仪的小型化，并且在此基础上实现便携式，完成土壤电位测量仪的设计，使得该仪器拥有更大的使用空间和使用范围。

三、土壤电位测量仪的现实意义

通过讨论我们可以让设备在基础的土壤电位测量仪上有了崭新的创新设计点，在原有的仪器测量基础上添加了全新的通信功能，就可以实现远程的数据的交互和数据的监控功能了。因此，让这个传统的仪器有了崭新的监控功能，可以实现更多功能。上述就是本文为什么探讨的土壤电位测量仪的创新的原因了。通过本方案设计出的土壤电位测量仪精度高莲误差率小，所测得的数据可以通过GPRS模块传输至服务器，可以将处在偏远地区的设备与服务器相连接起来，从而实现对离散作业点的远程监控，以达到节省人力的功能，该设计有成本低廉、性能稳定、可靠性好、输入阻抗高、过载能力强，能显示0到2伏的电压，并能在毫伏与伏之间自动切换等优点，对与生产和科研相关的电压测量具有极其重要的实际意义与使用价值。通过本文，我们可以衍生更多的仪器仪表的改良，创新。

参考文献

[1]张爽.双积分型A/D转换器中的自动校零技术[J].科技资讯,2012(14):36-37.

1 黄余娜（2000-），女（汉族），安徽宣城人。本科生，2017年就读天津职业技术师范大学，本科专业应用电子技术教育。Tel：15056311157.E-mail：1171046405@qq.com。