CC BY
182
Библиографический список
1. Болотов А.Г., Беховых Ю.В, Семёнов Г.А. Определение теплофизических свойств капиллярно-пористых тел импульсным методом с использованием технологии визуального программирования // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2010. — С. 37-40.
2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. — М.: Агропромиздат, 1986. — 416 с.
3. Архангельская Т.А. Закономерности пространственного распределения температуры почв в комплексном почвенном покрове: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — М., 2008. — 50 с.
4. Макарычев С.В. Теплофизические свойства почв Юго-Западной Сибири: авто-реф. дис. ... д-ра биол. наук. — М., 1993. — 34 с.
+ + +
УДК 631.436 А.Г. Болотов
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИИ 1^ГСЕ
Ключевые слова: температура почвы, датчик температуры, 1-Wire сеть, многоточечный измеритель температуры почвы.
Введение
Одним из основных факторов, определяющих функционирование и продуктивность агроэкосистем, является температура почвы. При исследовании вариабельности температурного режима почвенного покрова возникает необходимость синхронного измерения температуры на одинаковых глубинах в разных точках экспериментального участка, разнесенных на значительном расстоянии. Применение традиционных методик и приборов накладывает ограничение по времени перемещения экспериментатора от одной точки к другой, при этом температура, особенно верхних слоев, может измениться.
Одним из способов решить эту проблему является применение технологии 1-Wire, которая в настоящее время получила широкое распространение в различных сферах. Оптимальные метрологические характеристики, удачное аппаратно-конструктивное решение, возможность объединения в распределенную сеть на фоне доступной цены делают привлекательным применение цифровых датчиков при измерениях температуры почвы в полевых условиях.
1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару и даже обычный телефонный провод. Такие кабели при их прокладке не требуют нали-
чия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300 м [1].
В качестве датчиков температуры были выбраны микросхемы DS18B20 фирмы Мах^ [2] как наиболее совершенные. Микросхема преобразует температуру в цифровой код, не требует калибровки и позволяет измерять температуру окружающей среды от -55 до +125°С. В интервале -10...+85°С производитель гарантирует абсолютную погрешность измерения не хуже ±0,5°С. Каждый экземпляр микросхемы имеет уникальный номер, что позволяет подключать к одной линии практически любое число таких приборов. Ограничивающими факторами является в основном только общее время, затрачиваемое на последовательный опрос всех датчиков, подключенных к сети, и мощность источника питания.
Целью исследования являлось изучение возможности применения технологии 1-Wire для синхронного измерения температуры на одинаковых глубинах в разных точках экспериментального участка, разнесенных на значительном расстоянии. Учитывая достоинства 1-Wire технологии, была поставлена задача по разработке и созданию многоточечного измерителя температуры почвы в полевых условиях.
Объект и методы исследований
Объектом исследований были цифровые датчики температуры DS18B20 фирмы Мах^ [2]. Предметом исследования служило создание полевого многоточечного измерителя температуры почвы на основе 1-Wire интерфейса.
Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 11 (97), 2012
29
Результаты исследований
Датчики температуры DS18B20, объединенные в 1-Wire сеть, расположены в низкотеплопроводной ПВХ трубке (зонде), заполненной теплоизоляционным материалом. Для обеспечения теплового контакта фронтальная сторона датчика находится снаружи зонда. Количество датчиков зависит от глубины исследуемого почвенного профиля и составляет пять, семь или девять штук для двадцатисантиметрового, одно- и двухметрового слоя соответственно. Число подключенных температурных датчиков прибор определяет автоматически.
25 20 15 10 5 0
2 3 4 5 6
Рис. 1. Зависимость тока потребления от напряжения питания прибора в режиме сохранения энергии
30 25 20 15 10
3 3,5 4 4,5 5 5,5
Рис. 2. Зависимость тока потребления от напряжения питания прибора в рабочем режиме
В качестве источника питания использованы аккумуляторы с напряжением 4,8 В (4 шт/1,2 В). Для уменьшения энергопотребления прибор основную часть времени находится в режиме сохранения энергии, потребляемый ток в котором равняется 15 цА при напряжении питания 4,8 В (рис. 1). В рабочем состоянии прибор находится несколько миллисекунд, для того чтобы запустить процесс преобразования температура-код и считать эту информацию в
микроконтроллер с выдачей на жидкокристаллический индикатор. При этом потребляемый ток равняется 26 тА при напряжении питания 4,8 В (рис. 2).
Считывание информации с датчиков происходит начиная с младших серийных номеров к старшим, по мере их возрастания, поэтому при изготовлении зондов датчики располагаются в таком же порядке. Такой подход упрощает использование прибора, не требуя дополнительной идентификации датчиков в процессе эксплуатации. При использовании нескольких зондов одновременно, а также при добавлении новых зондов в устройстве предусмотрены дополнительные цифровые входы, позволяющие автоматически переключать зонды, не задумываясь об их взаимозаменяемости и повторяемости. Работой датчиков и жидкокристаллического индикатора WH0802A фирмы Winstar [3] управляет 8-разрядный AVR-микроконтроллер ATmega8 производства фирмы Atmel [4].
Время измерения температуры с одного зонда, состоящего из девяти датчиков, составляет около 5 сек. Разрешающую способность преобразования температуры можно выбирать из следующего ряда значений: 0,5; 0,25; 0,125 и 0,0625°С. Погрешность измерения температуры почвы не превысила ±0,2°С в диапазоне +10...+60°C.
Выводы
1. Технология 1-Wire позволяет значительно упростить разработку и создание приборов многоточечного мониторинга почвенных температур в полевых условиях.
2. Использование датчиков температуры DS18B20 позволяет достичь оптимальных метрологических параметров при доступной цене.
3. Разработанный измеритель температуры почвы на основе 1-Wire интерфейса позволяет существенно расширить возможности исследования вариабельности температурного режима почв.
Библиографический список
1. Что такое 1-Wire? // http://www. elin.ru/1-Wire/?topic=whatis.
2. DS18b2o Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer.- http:// datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS18B20. pdf.
3. 8x2 Character WH0802A // http: //www.winstar.com.tw/products_detail.php ?CID=17.
4. 8-bit AVR with 8K Bytes In-System Programmable Flash ATmega8 // http://www.atmel.com/dyn/resources/ prod_documents/ doc2486.pdf.
ЗО
Вестник Алтайского государственного аграрного университета № ii (97), 20i2
