专利名称：高频电容式土壤湿度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及土壤水分测量技术领域，具体为高频电容式土壤湿度传感器。
背景技术：
智能化灌溉控制系统在农业生产中实现对土壤水分的监测与控制，该系统的实现需要一种具有高测量精度、高稳定性和高可靠性并能实时测量土壤湿度的装置。目前，土壤水分的测量方法有烘干法、中子法、电阻法、电容法、TDR(时域反射)法和SWR(驻波率)法等。烘干法是比较传统的方法，虽然其测量精度比较高，但测量周期时间长，不适应实时性测量，无法用于实时灌溉。中子法是利用氢原子对中子源发射的射线的吸收作用来测量土壤中的水分含量，实时性强，但中子射线会对环境和人类造成伤害。电阻法和电容法是利用土壤的介电特性，间接测量土壤的含水量，测量速度快，但其缺点是对土壤的适应性较差，为了能够测量比较精确的土壤水分含量，需要为每种土壤建立标定曲线。TDR法测量土壤水分快速，精度高，但其价格相当昂贵，不利于大范围推广。SWR法现在使用的范围比较广泛，但是其多针式结构不利于插入土壤，易变形，易腐蚀，会给测量带来误差。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种能够实时测量土壤水分
的高频电容式土壤湿度传感器。 本实用新型通过以下技术方案实现 —种高频电容式土壤湿度传感器，包括电源模块、高频电路、放大电路、整形分频电路和处理器；高频电路、放大电路，整形分频电路以及处理器依次串联；高频电路包括电容探头Cp。 其中，高频电路、放大电路、整形分频电路、处理器分别与电源模块相连接。 高频电路可以为LC振荡电路，在电容探头Cp接入LC振荡电路之前，LC振荡电
路的振荡频率为120MHz。在电容探头接入LC振荡电路之后，LC振荡电路的振荡频率为
80腿z 120腿z。电容探头Cp可以为针状、平板状和圆筒状中的一种。 电源�？榭梢园ù募尚酒琇M317和集成芯片AS1117。LC振荡电路可以包括三极管Ql、电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容Cl、电容
C2、电容C3、电容C4、电感Ll以及电容探头Cp。 放大电路可以包括两级放大电路，其中第一级放大电路可以包括金属氧化物半导
体场效应管Q2，电阻R5、电阻R6、电阻R7， 二级管Dl、二级管D2和电容C6，第二级放大电路
可以包括三极管Q3，电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11，以及电容C7、电容C8。 整形分频电路可以包括集成芯片SN74AHCT14和集成芯片SN74F161。处理器可以
为C8051F930单片机。 上述技术方案具有如下优点 1.本实用新型采用高频电容测量技术，通过测量信号频率，避免了信号失真，保证
3了测量的准确性。 2.本实用新型的电容探头可以为针状、平板状或圆筒状，扩大了其使用范围。[0015] 3.本实用新型采用高性能、高精度的单片机技术，完成频率信号的计算处理，保证了水分数据的计算和测量精度。
图1为本实用新型实施例的土壤湿度传感器的系统结构示意图； 图2为图1所示实施例中高频电路的原理图； 图3为图1所示实施例中放大电路的原理图； 图4为图1所示实施例中电源�？榈脑硗迹� 图5为图1所示实施例中整形分频电路的原理图； 图6为图1所示实施例中处理器的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的保护范围。 依照本实用新型实施例的高频电容式土壤湿度传感器的系统结构示意图如图1所示。该高频电容式土壤湿度传感器包括电源�？�101，以及分别与电源模块101连接的高频电路102、放大电路103、整形分频电路104和处理器105 ;高频电路102、放大电路103、整形分频电路104以及处理器105依次串联。 其中，高频电路102的电路原理图如图2所示，为LC振荡电路，由2N2222A型号的三极管Q1，电阻R1、R2、R3和R4，电容Cl、 C2、 C3、 C4、电感Ll以及电容探头Cp组成，Cp为电容探头，例如为针状。电阻R1、R2、R3和R4为LC振荡电路提供合适的静态工作点；电容C2和C3确定LC振荡电路的正反馈系数，正反馈系数的比值范围可以为1/2 1/8 ;C1为耦合电容；电感L1和电容C4保证在电容探头Cp接入LC振荡电路前振荡频率为120MHz。LC振荡电路的频率计算公式如下/ = ") 其中丄=Ll，在Cp没有接入电路时，LC振荡电路中的电容为 丄+丄+丄
C2 C3 C4
由于电容C2远远大于电容C4的容值，电容C3远远大于电容C4的容值，所以电容C2， C3对振荡频率的影响可以忽略不计。当电容探头Cp接入LC振荡电路后，LC振荡电路中的电容为C = C4+Cp，由公式(1)可知，此时LC振荡电路的振荡频率降低，为80腿z 120腿z。[0027] 实验表明，当振荡频率超过30MHz时，振荡频率主要受土壤水分含量的影响，而受土壤盐分的影响很�。逼德食齦OOMHz时，土壤水分受土壤种类的影响也比较�。裕镜缏飞杓频恼竦雌德饰�120MHz。 土壤含水量的多少会引起土壤介电常数的变化，进而影响电容探头Cp的变化，电容Cp的变化又会引起振荡频率的变化。因此，可以通过测量电路的振荡频率来测量土壤的水分含量。[0028] 放大电路的原理图如图3所示，包括串联的两级放大电路，第一级放大电路包括 MOSFET (金属氧化物半导体场效应管)Q2 (其型号例如为2SK241)，电阻R5、 R6、 R7， 二级管 Dl、二级管D2和电容C6。电阻R5、 R6和R7为放大电路提供静态工作点，二级管Dl、 D2为 放大电路提供温度补偿，电容C6起滤波作用。第二级放大电路包括三极管Q3(其型号例如 为2SC2570)，电阻R8、R9、R10、R11，以及电容C7、C8。电阻R8、R9、R10、R11为Q3提供合适 的静态工作点，使其工作在线形放大区，电容C7、C8起到隔直流作用。通过两级放大电路， 把高频小信号放大，以便在整形分频电路对频率信号进行整形和分频。 电源�？榈脑硗既缤�4所示，电源�？椴捎眉尚酒琇M317和AS1117组成，其 作用是为整个传感器提供电能。 整形分频电路的原理图如图5所示，包括高速集成芯片SN74AHCT14和SN74F161。 芯片SN74AHCT14用于对频率信号进行整形，芯片SN74F161用于对频率信号进行分频。 处理器的原理图如图6所示，为C8051F930单片机。其作用是对分频后的频率信 号进行采集和处理，然后输出。 图1所示实施例的系统的连接关系例如为如图2至图6所示，电源模块中集成芯 片LM317输出+5V电压，该+5V电压通过稳压二极管D6输入到芯片AS1117的输入端，并与 整形分频电路中的集成芯片SN74AHCT14和SN74F161各自的Vcc引脚相连；电源�？橹屑� 成芯片AS1117输出+3. 3V电压，该+3. 3V电压引脚与处理器的VDD/DC+引脚相连；高频电 路和放大电路中的Vcc引脚可以输入+5乂或者+3. 3V，若为+5V则与电源�？橹屑尚酒� LM317的输出引脚相连，若为+3. 3V则与电源�？橹屑尚酒珹S1117的输出引脚相连。 需要说明的是，上述实施例中的电容探头也可以采用其他形状，例如平板状或圆 筒状。 本实施例的工作原理为当电容探头插入土壤中时，土壤充当电容探头的两极板 之间的电介质，土壤水分的改变会使两极板之间的介质常数发生变化，进而使得电容探头 的电介质发生改变，进而会使电容探头的容值改变；而电容探头作为高频电路的一部分，电 容探头容值的变化会改变高频电路的振荡频率。高频电路将频率信号发送给放大电路进行 放大，然后经过整形分频电路进行整形和分频后转换为可以被处理器采集的频率信号，然 后，处理器对频率信号进行处理输出，这样就通过测量频率信号的变化间接测量到了土壤 水分的含量。 由以上实施例可以看出，本实用新型的实施例通过采用高频电容测量技术，通过 测量由电容探头的容值变化所引起的振荡频率的变化间接测量了土壤的水分含量，且该传 感器分辨率高、适应性强、成本低，应用范围广。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改 进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，包括电源模块、高频电路、放大电路、整形分频电路和处理器；所述高频电路、所述放大电路，所述整形分频电路以及所述处理器依次串联；所述高频电路包括电容探头。
2. 如权利要求1所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述高频电路、所述放大电路、所述整形分频电路、所述处理器分别与电源�？橄嗔�。
3. 如权利要求l所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述高频电路为LC振荡电路，在所述电容探头接入所述LC振荡电路之前，所述LC振荡电路的振荡频率为120MHz。
4. 如权利要求3所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，在所述电容探头接入所述LC振荡电路之后，所述LC振荡电路的振荡频率为80MHz 120MHz。
5. 如权利要求1至4之任一项所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述电容探头为针状、平板状和圆筒状中的一种。
6. 如权利要求1至4之任一项所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述电源�？榘尚酒琇M317和集成芯片AS1117。
7. 如权利要求3或4所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述LC振荡电路包括三极管Ql、电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1以及所述电容探头。
8. 如权利要求1至4之任一项所述的高频电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述放大电路包括两级放大电路，其中，第一级放大电路包括金属氧化物半导体场效应管Q2，电阻R5、电阻R6、电阻R7， 二级管Dl、二级管D2和电容C6，第二级放大电路包括三极。
专利摘要本实用新型涉及高频电容式土壤湿度传感器。该土壤湿度传感器包括电源�？�、高频电路、放大电路、整形分频电路和处理器；高频电路、放大电路，整形分频电路以及处理器依次串联；高频电路包括电容探头。本实用新型能够实现对土壤水分的实时测量，且分辨率高、适应性强、成本低，应用范围广。
文档编号G01N27/22GK201464410SQ20092011003
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者孙刚, 王纪华, 申长军, 赵春江, 邢振, 郑文刚, 鲍锋 申请人:北京市农林科学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
