專利名稱：高頻電容式土壤濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及土壤水分測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體為高頻電容式土壤濕度傳感器。
背景技術(shù)：
智能化灌溉控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)與控制，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要一種具有高測(cè)量精度、高穩(wěn)定性和高可靠性并能實(shí)時(shí)測(cè)量土壤濕度的裝置。目前，土壤水分的測(cè)量方法有烘干法、中子法、電阻法、電容法、TDR(時(shí)域反射)法和SWR(駐波率)法等。烘干法是比較傳統(tǒng)的方法，雖然其測(cè)量精度比較高，但測(cè)量周期時(shí)間長(zhǎng)，不適應(yīng)實(shí)時(shí)性測(cè)量，無(wú)法用于實(shí)時(shí)灌溉。中子法是利用氫原子對(duì)中子源發(fā)射的射線的吸收作用來(lái)測(cè)量土壤中的水分含量，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但中子射線會(huì)對(duì)環(huán)境和人類造成傷害。電阻法和電容法是利用土壤的介電特性，間接測(cè)量土壤的含水量，測(cè)量速度快，但其缺點(diǎn)是對(duì)土壤的適應(yīng)性較差，為了能夠測(cè)量比較精確的土壤水分含量，需要為每種土壤建立標(biāo)定曲線。TDR法測(cè)量土壤水分快速，精度高，但其價(jià)格相當(dāng)昂貴，不利于大范圍推廣。SWR法現(xiàn)在使用的范圍比較廣泛，但是其多針式結(jié)構(gòu)不利于插入土壤，易變形，易腐蝕，會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量土壤水分
的高頻電容式土壤濕度傳感器。 本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) —種高頻電容式土壤濕度傳感器，包括電源模塊、高頻電路、放大電路、整形分頻電路和處理器；高頻電路、放大電路，整形分頻電路以及處理器依次串聯(lián)；高頻電路包括電容探頭Cp。 其中，高頻電路、放大電路、整形分頻電路、處理器分別與電源模塊相連接。 高頻電路可以為L(zhǎng)C振蕩電路，在電容探頭Cp接入LC振蕩電路之前，LC振蕩電
路的振蕩頻率為120MHz。在電容探頭接入LC振蕩電路之后，LC振蕩電路的振蕩頻率為
80腿z 120腿z。電容探頭Cp可以為針狀、平板狀和圓筒狀中的一種。 電源模塊可以包括串聯(lián)的集成芯片LM317和集成芯片AS1117。LC振蕩電路可以包括三極管Ql、電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、電容
C2、電容C3、電容C4、電感Ll以及電容探頭Cp。 放大電路可以包括兩級(jí)放大電路，其中第一級(jí)放大電路可以包括金屬氧化物半導(dǎo)
體場(chǎng)效應(yīng)管Q2，電阻R5、電阻R6、電阻R7， 二級(jí)管Dl、二級(jí)管D2和電容C6，第二級(jí)放大電路
可以包括三極管Q3，電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11，以及電容C7、電容C8。 整形分頻電路可以包括集成芯片SN74AHCT14和集成芯片SN74F161。處理器可以
為C8051F930單片機(jī)。 上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.本實(shí)用新型采用高頻電容測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)頻率，避免了信號(hào)失真，保證
3了測(cè)量的準(zhǔn)確性。 2.本實(shí)用新型的電容探頭可以為針狀、平板狀或圓筒狀，擴(kuò)大了其使用范圍。[0015] 3.本實(shí)用新型采用高性能、高精度的單片機(jī)技術(shù)，完成頻率信號(hào)的計(jì)算處理，保證了水分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算和測(cè)量精度。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的土壤濕度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示實(shí)施例中高頻電路的原理圖； 圖3為圖1所示實(shí)施例中放大電路的原理圖； 圖4為圖1所示實(shí)施例中電源模塊的原理圖； 圖5為圖1所示實(shí)施例中整形分頻電路的原理圖； 圖6為圖1所示實(shí)施例中處理器的原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。 依照本實(shí)用新型實(shí)施例的高頻電容式土壤濕度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該高頻電容式土壤濕度傳感器包括電源模塊101，以及分別與電源模塊101連接的高頻電路102、放大電路103、整形分頻電路104和處理器105 ;高頻電路102、放大電路103、整形分頻電路104以及處理器105依次串聯(lián)。 其中，高頻電路102的電路原理圖如圖2所示，為L(zhǎng)C振蕩電路，由2N2222A型號(hào)的三極管Q1，電阻R1、R2、R3和R4，電容Cl、 C2、 C3、 C4、電感Ll以及電容探頭Cp組成，Cp為電容探頭，例如為針狀。電阻R1、R2、R3和R4為L(zhǎng)C振蕩電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；電容C2和C3確定LC振蕩電路的正反饋系數(shù)，正反饋系數(shù)的比值范圍可以為1/2 1/8 ;C1為耦合電容；電感L1和電容C4保證在電容探頭Cp接入LC振蕩電路前振蕩頻率為120MHz。LC振蕩電路的頻率計(jì)算公式如下/ = ") 其中丄=Ll，在Cp沒(méi)有接入電路時(shí)，LC振蕩電路中的電容為 丄+丄+丄
C2 C3 C4
由于電容C2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容C4的容值，電容C3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容C4的容值，所以電容C2， C3對(duì)振蕩頻率的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)電容探頭Cp接入LC振蕩電路后，LC振蕩電路中的電容為C = C4+Cp，由公式(1)可知，此時(shí)LC振蕩電路的振蕩頻率降低，為80腿z 120腿z。[0027] 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)振蕩頻率超過(guò)30MHz時(shí)，振蕩頻率主要受土壤水分含量的影響，而受土壤鹽分的影響很小，當(dāng)頻率超過(guò)lOOMHz時(shí)，土壤水分受土壤種類的影響也比較小，所以，本電路設(shè)計(jì)的振蕩頻率為120MHz。 土壤含水量的多少會(huì)引起土壤介電常數(shù)的變化，進(jìn)而影響電容探頭Cp的變化，電容Cp的變化又會(huì)引起振蕩頻率的變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量電路的振蕩頻率來(lái)測(cè)量土壤的水分含量。[0028] 放大電路的原理圖如圖3所示，包括串聯(lián)的兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大電路包括 MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)Q2 (其型號(hào)例如為2SK241)，電阻R5、 R6、 R7， 二級(jí)管 Dl、二級(jí)管D2和電容C6。電阻R5、 R6和R7為放大電路提供靜態(tài)工作點(diǎn)，二級(jí)管Dl、 D2為 放大電路提供溫度補(bǔ)償，電容C6起濾波作用。第二級(jí)放大電路包括三極管Q3(其型號(hào)例如 為2SC2570)，電阻R8、R9、R10、R11，以及電容C7、C8。電阻R8、R9、R10、R11為Q3提供合適 的靜態(tài)工作點(diǎn)，使其工作在線形放大區(qū)，電容C7、C8起到隔直流作用。通過(guò)兩級(jí)放大電路， 把高頻小信號(hào)放大，以便在整形分頻電路對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行整形和分頻。 電源模塊的原理圖如圖4所示，電源模塊采用集成芯片LM317和AS1117組成，其 作用是為整個(gè)傳感器提供電能。 整形分頻電路的原理圖如圖5所示，包括高速集成芯片SN74AHCT14和SN74F161。 芯片SN74AHCT14用于對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行整形，芯片SN74F161用于對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行分頻。 處理器的原理圖如圖6所示，為C8051F930單片機(jī)。其作用是對(duì)分頻后的頻率信 號(hào)進(jìn)行采集和處理，然后輸出。 圖1所示實(shí)施例的系統(tǒng)的連接關(guān)系例如為如圖2至圖6所示，電源模塊中集成芯 片LM317輸出+5V電壓，該+5V電壓通過(guò)穩(wěn)壓二極管D6輸入到芯片AS1117的輸入端，并與 整形分頻電路中的集成芯片SN74AHCT14和SN74F161各自的Vcc引腳相連；電源模塊中集 成芯片AS1117輸出+3. 3V電壓，該+3. 3V電壓引腳與處理器的VDD/DC+引腳相連；高頻電 路和放大電路中的Vcc引腳可以輸入+5乂或者+3. 3V，若為+5V則與電源模塊中集成芯片 LM317的輸出引腳相連，若為+3. 3V則與電源模塊中集成芯片AS1117的輸出引腳相連。 需要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例中的電容探頭也可以采用其他形狀，例如平板狀或圓 筒狀。 本實(shí)施例的工作原理為當(dāng)電容探頭插入土壤中時(shí)，土壤充當(dāng)電容探頭的兩極板 之間的電介質(zhì)，土壤水分的改變會(huì)使兩極板之間的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而使得電容探頭 的電介質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)使電容探頭的容值改變；而電容探頭作為高頻電路的一部分，電 容探頭容值的變化會(huì)改變高頻電路的振蕩頻率。高頻電路將頻率信號(hào)發(fā)送給放大電路進(jìn)行 放大，然后經(jīng)過(guò)整形分頻電路進(jìn)行整形和分頻后轉(zhuǎn)換為可以被處理器采集的頻率信號(hào)，然 后，處理器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行處理輸出，這樣就通過(guò)測(cè)量頻率信號(hào)的變化間接測(cè)量到了土壤 水分的含量。 由以上實(shí)施例可以看出，本實(shí)用新型的實(shí)施例通過(guò)采用高頻電容測(cè)量技術(shù)，通過(guò) 測(cè)量由電容探頭的容值變化所引起的振蕩頻率的變化間接測(cè)量了土壤的水分含量，且該傳 感器分辨率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，應(yīng)用范圍廣。 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改 進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，包括電源模塊、高頻電路、放大電路、整形分頻電路和處理器；所述高頻電路、所述放大電路，所述整形分頻電路以及所述處理器依次串聯(lián)；所述高頻電路包括電容探頭。
2. 如權(quán)利要求1所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述高頻電路、所述放大電路、所述整形分頻電路、所述處理器分別與電源模塊相連接。
3. 如權(quán)利要求l所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述高頻電路為L(zhǎng)C振蕩電路，在所述電容探頭接入所述LC振蕩電路之前，所述LC振蕩電路的振蕩頻率為120MHz。
4. 如權(quán)利要求3所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，在所述電容探頭接入所述LC振蕩電路之后，所述LC振蕩電路的振蕩頻率為80MHz 120MHz。
5. 如權(quán)利要求1至4之任一項(xiàng)所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述電容探頭為針狀、平板狀和圓筒狀中的一種。
6. 如權(quán)利要求1至4之任一項(xiàng)所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述電源模塊包括集成芯片LM317和集成芯片AS1117。
7. 如權(quán)利要求3或4所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述LC振蕩電路包括三極管Ql、電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1以及所述電容探頭。
8. 如權(quán)利要求1至4之任一項(xiàng)所述的高頻電容式土壤濕度傳感器，其特征在于，所述放大電路包括兩級(jí)放大電路，其中，第一級(jí)放大電路包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管Q2，電阻R5、電阻R6、電阻R7， 二級(jí)管Dl、二級(jí)管D2和電容C6，第二級(jí)放大電路包括三極。
專利摘要本實(shí)用新型涉及高頻電容式土壤濕度傳感器。該土壤濕度傳感器包括電源模塊、高頻電路、放大電路、整形分頻電路和處理器；高頻電路、放大電路，整形分頻電路以及處理器依次串聯(lián)；高頻電路包括電容探頭。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤水分的實(shí)時(shí)測(cè)量，且分辨率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)G01N27/22GK201464410SQ20092011003
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者孫剛, 王紀(jì)華, 申長(zhǎng)軍, 趙春江, 邢振, 鄭文剛, 鮑鋒 申請(qǐng)人:北京市農(nóng)林科學(xué)院