【雕爷学编程】Arduino动手做（53）---土壤湿度传感器模块2_arduino土壤湿度传感器代码

37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验五十三：土壤湿度计检测模块 机器人 智能小车 土壤湿度传感器 SUNLEPHANT

知识点：土壤、水循环和土壤湿度
一、土壤（英文soil）
1、土壤是指地球表面的一层疏松的物质，由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成，能生长植物。土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物、微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物（固相物质）以及水分（液相物质）、空气（气相物质）、氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。

2、土壤里的物质可以概括为三个部分：固体部分、液体部分和气体部分。 土壤矿物质是岩石经过风化作用形成的不同大小的矿物颗粒（砂粒、土粒和胶粒）。土壤矿物质种类很多，化学组成复杂，它直接影响土壤的物理、化学性质，是作物养分的重要来源之一。土壤由矿物质和腐殖质组成的固体土粒是土壤的主体，约占土壤体积的50%，固体颗粒间的孔隙由气体和水分占据。土壤气体中绝大部分是由大气层进入的氧气、氮气等，小部分为土壤内的生命活动产生的二氧化碳和水汽等。土壤中的水分主要由地表进入土中，其中包括许多溶解物质。土壤中还有各种动物、植物和微生物。

3、土壤是一个疏松多孔体，其中布满着大大小小蜂窝状的孔隙。直径0.001～0.1毫米的土壤孔隙叫毛管孔隙。存在于土壤毛管孔隙中的水分能被作物直接吸收利用，同时，还能溶解和输送土壤养分。毛管水可以上下左右移动，但移动的快慢决定于土壤的松紧程度。松紧适宜，移动速度最快，过松过紧，移动速度都较慢。降水或灌溉后，随着地面蒸发，下层水分沿着毛管迅速向地表上升，应在分墒后及时采取中耕、耙、耱等措施，使地表形成一个疏松的隔离层，切断上下层毛管的联系，防止跑墒。“锄头有水”的科学道理就在这里。土壤含水量降至黄墒以下时，毛管水运行基本停止，土壤水分主要以气化方式向大气扩散丢失。这时进行镇压（碾地），使地表形成略为紧实的土层，一方面可以接通已断的毛细管，使底墒借毛管作用上升；另一方面可减少大孔隙，防止水汽扩散损失，所以群众说“碾子提墒，碾子藏墒”。镇压后耱地，使耕层上再形成一个平整而略松的薄层，保墒效果更好。五、土壤空气土壤空气对作物种子发芽、根系发育、微生物活动及养分转化都有极大的影响。生产上应采用深耕松土、破除扳结、排水、晒田（指稻田）等措施，以改善土壤通气状况，促进作物生长发育。

在19世纪末，俄国土壤学家道库恰耶夫（V. V. Dokuchaisv）从土壤发生学的观点，认为土壤的性质是气候、生物、地形、母质和时间等成土因素综合作用的结果。土壤是发育于地球陆地表面具有一定肥力且能够生长植物的疏松表层（包括海、湖浅水区）。它是地球表面上的附着物，人力可以搬动土壤。

二、水循环（英文water cycle）
1、“水循环”是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地球引力等的作用下，通过水的蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗和径流等环节，不断发生的周而复始的运动过程（水相不断转变的过程） 。例如地面的水分被太阳蒸发成为空气中的水蒸气。而水在地球的状态包括固态、液态和气态。而地球中的水多数存在于大气层、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水会通过一些物理作用，例如：蒸发、降水、渗透、表面的流动和地底流动等，由一个地方移动到另一个地方。如水由河川流动至海洋。由16,17世纪佩罗和马略特发现。

2、水循环是多环节的自然过程，全球性的水循环涉及蒸发、大气水分输送、地表水和地下水循环以及多种形式的水量贮蓄降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最主要环节，这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。

蒸发是水循环中最重要的环节之一。由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动。大气中的水汽主要来自海洋，一部分还来自大陆表面的蒸散发。大气层中水汽的循环是蒸发－凝结—降水—蒸发的周而复始的过程。海洋上空的水汽可被输送到陆地上空凝结降水，称为外来水汽降水；大陆上空的水汽直接凝结降水，称内部水汽降水。一地总降水量与外来水汽降水量的比值称该地的水分循环系数。全球的大气水分交换的周期为10天。在水循环中水汽输送是最活跃的环节之一。

径流是一个地区（流域）的降水量与蒸发量的差值。多年平均的大洋水量平衡方程为：蒸发量=降水量-径流量；多年平均的陆地水量平衡方程是：降水量=径流量+蒸发量。但是，无论是海洋还是陆地，降水量和蒸发量的地理分布都是不均匀的，这种差异最明显的就是不同纬度的差异。

据估计，全球总的循环水量约为496′1012立方米/年，不到全球总储水量的万分之四。在这些循环水中，约有22.4%成为陆地降水，这其中的约三分之二又从陆地蒸发掉了。但总算蒸发量小于降水量，这才形成了地面径流。

3、当前已经把水循环看作为一个动态有序系统。按系统分析，水循环的每一环节都是系统的组成成分，也是一个亚系统。各个亚系统之间又是以一定的关系互相联系的，这种联系是通过一系列的输入与输出实现的。例如，大气亚系统的输出──降水，会成为陆地流域亚系统的输入，陆地流域亚系统又通过其输出──径流，成为海洋亚系统的输入等。以上的水循环亚系统还可以细分为若干更次一级的系统。水循环是地球上最重要的物质循环之一，它实现了地球系统水量、能量和地球生物化学物质的迁移和转换、构成了全球性的连续有序的动态大系统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表形态，制约着地球生态环境的平衡和协调，不断提供再生的淡水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演变和人类可持续发展都意义重大。

水循环的地理意义有五方面：
（1）水在水循环这个庞大的系统中不断运动、转化，使水资源不断更新（所谓更新，在一定程度上决定了水是可再生资源）。
（2）水循环维持全球水的动态平衡。
（3）水循环进行能量交换和物质转移。陆地径流向海洋源源不断地输送泥沙、有机物和盐类；对地表太阳辐射吸收、转化、传输，缓解不同纬度间热量收支不平衡的矛盾，对于气候的调节具有重要意义。
（4）造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用，不断塑造地表形态。
（5）水循环可以对土壤的优质产生影响。

三、土壤湿度（英文soil moisture）
1、土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示：土壤含水量=水分重/烘干土重×100%。

土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示，主要受到降水、气温、植被类型及地形条件等因素的影响 。根据土壤相对湿润度®的干旱等级指标，可以分为60%<R为无旱，50 <R≤60为轻度干旱，40 <R≤50为中度干旱，30 <R≤40为重度干旱， R≤30为特别重度干旱。

土壤相对湿度是表征农业旱情的一项重要指标，可以综合反映土壤水分状况和地表水文过程的大部分信息 。根据土壤的相对湿度可以知道，土壤含水的程度，还能保持多少水量，在灌溉上有参考价值。土壤湿度大小影响田间气候，土壤通气性和养分分解，是土壤微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一。

3、土壤湿度受大气、土质、植被等条件的影响。在野外判断土壤湿度通常用手来鉴别，一般分为四级：（1）湿，用手挤压时水能从土壤中流出；（2）潮，放在手上留下湿的痕迹可搓成土球或条，但无水流出；（3）润，放在手上有凉润感觉，用手压稍留下印痕；（4）干，放在手上无凉快感觉，粘土成为硬块。土壤湿度决定农作物的水分供应状况。土壤湿度过低，形成土壤干旱，作用光合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；严重缺水导致作物凋萎和死亡。土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，使作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍，从而影响作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等。土壤水分的多少还影响田间耕作措施和播种质量，并影响土壤温度的高低。

3、在农业气象上，土壤湿度常采用下列方法表示
（1）重量百分数。即土壤水的重量占其干土重的百分数(%)。此法应用普遍，但土壤类型不同，相同的土壤湿度其土壤水分的有效性不同，不便于在不同土壤间进行比较。
（2）田间持水量百分数。即土壤湿度占该类土壤田间持水量的百分数(%)。利于在不同土壤间进行比较，但不能给出具体水量的概念。
（3）土壤水分贮存量。指一定深度的土层中含水的绝对数量，通常以毫米为单位，便于与降水量、蒸发量比较。土壤水分贮存量W（毫米）的计算公式为:W=0.1·h·d·w。式中h是土层厚度，d为土壤容重（克/厘米3）,0.1是单位换算系数，w为土壤湿度（重量百分数）。

4、土壤湿度的测量方法
（1）重量法。取土样烘干，称量其干土重和含水重加以计算。 [1]
（2）电阻法。使用电阻式土壤湿度测定仪测定。根据土壤溶液的电导性与土壤水分含量的关系测定土壤湿度。
（3）负压计法。使用负压计测定。当未饱和土壤吸水力与器内的负压力平衡时，压力表所示的负压力即为土壤吸水力，再据以求算土壤含水量。
（4）中子法。使用中子探测器加以测定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力与土壤含水量有关，借助事先标定，便可求出土壤含水量。
（5）遥感法。通过对低空或卫星红外遥感图象的判读，确定较大范围内地表的土壤湿度。

知识点：土壤湿度传感器模块
一、三线制电阻式土壤湿度传感器模块
1、土壤湿度传感器模块有二个铜条传感器探头。将它们插入土壤时，它们可以检测到水分。土壤湿润，导电性越好，反映出它们之间的电阻越低。土壤干燥，导电性九相对差一点，因此它们之间的电阻越高。它是模拟传感器，因此我们通过模拟输入获得电压值。也可以通过数字接口获取高低电平，一般我们使用的过程中用获取的模拟值。因为土壤的湿度可以分为几个等级，当我们使用土壤湿度传感器做一个自动浇花系统的时候，可以方便使用。

2、电阻式土壤湿度传感器模块电原理图（三线制）

3、三线制模块工作原理
土壤湿度传感器是判断土壤中水分含量的多少来判定土壤的湿度大小。如上图所示，当土壤湿度传感器探头悬空时，三极管基极处于开路状态，三极管截止输出为0；当插入土壤中时由于土壤中水分含量不同，土壤的电阻值就不同，三极管的基极就提供了大小变化的导通电流，三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制，经过发射极的下拉电阻后转换成电压。

4、模块主要参数
（1）电源电压: 3.3v or 5v
（2）输出电压: 0~2.3v
（3）工作电流: 最大20mA
（4）接口定义：1脚信号，2脚地，3脚电源正
（5）使用寿命：1年左右（容易被土壤腐蚀）
（6）模块尺寸: 60x20x5mm
（7）典型参考电压值（测试平台：10位AD，基准电压5V）:
0 ~300 : 干燥土壤
300~700 : 湿润土壤
700~950 : 放到水中（大概数据）

二、四线制电阻式土壤湿度传感器模块
1、模块主要特点
（1）这是一个简易的水分传感器，可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。
（2）灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）
（3）工作电压3.3V-5V
（4）模块双输出模式，数字量输出简单，模拟量输出更精确。
（5）设有固定螺栓孔，方便安装
（6）小板PCB尺寸：3cm * 1.6cm
（7）电源指示灯（红色）和数字开关量输出指示灯（绿色）
（8）比较器采用LM393芯片，工作稳定。