專利名稱：高頻電容式土壤濕度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及土壤水分測量技術領域，具體為高頻電容式土壤濕度傳感器。
背景技術：
智能化灌溉控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)對土壤水分的監(jiān)測與控制，該系統(tǒng)的實現(xiàn)需要一種具有高測量精度、高穩(wěn)定性和高可靠性并能實時測量土壤濕度的裝置。目前，土壤水分的測量方法有烘干法、中子法、電阻法、電容法、TDR(時域反射)法和SWR(駐波率)法等。烘干法是比較傳統(tǒng)的方法，雖然其測量精度比較高，但測量周期時間長，不適應實時性測量，無法用于實時灌溉。中子法是利用氫原子對中子源發(fā)射的射線的吸收作用來測量土壤中的水分含量，實時性強，但中子射線會對環(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，間接測量土壤的含水量，測量速度快，但其缺點是對土壤的適應性較差，為了能夠測量比較精確的土壤水分含量，需要為每種土壤建立標定曲線。TDR法測量土壤水分快速，精度高，但其價格相當昂貴，不利于大范圍推廣。SWR法現(xiàn)在使用的范圍比較廣泛，但是其多針式結構不利于插入土壤，易變形，易腐蝕，會給測量帶來誤差。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種能夠實時測量土壤水分
的高頻電容式土壤濕度傳感器。 本實用新型通過以下技術方案實現(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LC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放大電路，其中第一級放大電路可以包括金屬氧化物半導
體場效應管Q2，電阻R5、電阻R6、電阻R7， 二級管Dl、二級管D2和電容C6，第二級放大電路
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。 上述技術方案具有如下優(yōu)點 1.本實用新型采用高頻電容測量技術，通過測量信號頻率，避免了信號失真，保證
3了測量的準確性。 2.本實用新型的電容探頭可以為針狀、平板狀或圓筒狀，擴大了其使用范圍。[0015] 3.本實用新型采用高性能、高精度的單片機技術，完成頻率信號的計算處理，保證了水分數(shù)據(jù)的計算和測量精度。

圖1為本實用新型實施例的土壤濕度傳感器的系統(tǒng)結構示意圖； 圖2為圖1所示實施例中高頻電路的原理圖； 圖3為圖1所示實施例中放大電路的原理圖； 圖4為圖1所示實施例中電源模塊的原理圖； 圖5為圖1所示實施例中整形分頻電路的原理圖； 圖6為圖1所示實施例中處理器的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的保護范圍。 依照本實用新型實施例的高頻電容式土壤濕度傳感器的系統(tǒng)結構示意圖如圖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LC振蕩電路，由2N2222A型號的三極管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LC振蕩電路提供合適的靜態(tài)工作點；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振蕩電路的頻率計算公式如下/ = ") 其中丄=Ll，在Cp沒有接入電路時，LC振蕩電路中的電容為 丄+丄+丄
C2 C3 C4
由于電容C2遠遠大于電容C4的容值，電容C3遠遠大于電容C4的容值，所以電容C2， C3對振蕩頻率的影響可以忽略不計。當電容探頭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LC振蕩電路的振蕩頻率降低，為80腿z 120腿z。[0027] 實驗表明，當振蕩頻率超過30MHz時，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，當頻率超過lOOMHz時，土壤水分受土壤種類的影響也比較小，所以，本電路設計的振蕩頻率為120MHz。 土壤含水量的多少會引起土壤介電常數(shù)的變化，進而影響電容探頭Cp的變化，電容Cp的變化又會引起振蕩頻率的變化。因此，可以通過測量電路的振蕩頻率來測量土壤的水分含量。[0028] 放大電路的原理圖如圖3所示，包括串聯(lián)的兩級放大電路，第一級放大電路包括 MOSFET (金屬氧化物半導體場效應管)Q2 (其型號例如為2SK241)，電阻R5、 R6、 R7， 二級管 Dl、二級管D2和電容C6。電阻R5、 R6和R7為放大電路提供靜態(tài)工作點，二級管Dl、 D2為 放大電路提供溫度補償，電容C6起濾波作用。第二級放大電路包括三極管Q3(其型號例如 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，使其工作在線形放大區(qū)，電容C7、C8起到隔直流作用。通過兩級放大電路， 把高頻小信號放大，以便在整形分頻電路對頻率信號進行整形和分頻。 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用于對頻率信號進行整形，芯片SN74F161用于對頻率信號進行分頻。 處理器的原理圖如圖6所示，為C8051F930單片機。其作用是對分頻后的頻率信 號進行采集和處理，然后輸出。 圖1所示實施例的系統(tǒng)的連接關系例如為如圖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。 需要說明的是，上述實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。 本實施例的工作原理為當電容探頭插入土壤中時，土壤充當電容探頭的兩極板 之間的電介質(zhì)，土壤水分的改變會使兩極板之間的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，進而使得電容探頭 的電介質(zhì)發(fā)生改變，進而會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改變高頻電路的振蕩頻率。高頻電路將頻率信號發(fā)送給放大電路進行 放大，然后經(jīng)過整形分頻電路進行整形和分頻后轉換為可以被處理器采集的頻率信號，然 后，處理器對頻率信號進行處理輸出，這樣就通過測量頻率信號的變化間接測量到了土壤 水分的含量。 由以上實施例可以看出，本實用新型的實施例通過采用高頻電容測量技術，通過 測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量了土壤的水分含量，且該傳 感器分辨率高、適應性強、成本低，應用范圍廣。 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改 進和變型也應視為本實用新型的保護范圍。
權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LC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. 如權利要求1至4之任一項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. 如權利要求1至4之任一項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. 如權利要求1至4之任一項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放大電路，其中，第一級放大電路包括金屬氧化物半導體場效應管Q2，電阻R5、電阻R6、電阻R7， 二級管Dl、二級管D2和電容C6，第二級放大電路包括三極。
專利摘要本實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。本實用新型能夠實現(xiàn)對土壤水分的實時測量，且分辨率高、適應性強、成本低，應用范圍廣。
文檔編號G01N27/22GK201464410SQ20092011003
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權日2009年7月8日
發(fā)明者孫剛, 王紀華, 申長軍, 趙春江, 邢振, 鄭文剛, 鮑鋒 申請人:北京市農(nóng)林科學院