CN108195897A - 一种高频振荡土壤湿度测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频振荡土壤湿度测量系统，包括探头、两个振荡器模块、混频器模块、中频低通滤波器模块、分频器模块、单片机和数字显示器。本发明的探头相当于一个可变电容，连接振荡器模块1的振荡回路，该探头能感应土壤湿度变化，故振荡器的振荡频率也随之改变。本发明采用了两个振荡器模块，使二者的振荡信号通过混频器得到的中频信号更加稳定。中频信号经过滤、放大、分频后被单片机接收并计算，得到土壤湿度数据，该数据流入数字显示器并被其显示。本发明不仅提高了测量土壤湿度的精度，同时增强了系统的抗干扰能力。

Description

一种高频振荡土壤湿度测量系统
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，涉及一种高频振荡土壤湿度测量系统。
背景技术
土壤湿度表示土壤干湿程度的物理量，通常用土壤含水量占干土重的百分比表示。土壤湿度过高，降低土壤的通气性；土壤湿度过低，不利于农作物的光合作用。因此土壤湿度测量在农业生产中有着重要的地位。
应用广泛的土壤湿度测量方法有重量法、负电压法。重量法和负电压法需要繁杂的仪器设备，且测量过程复杂。公开号为CN107064243，名为“一种陶土介质电容式土壤基质式测量方法”，采用的是555振荡电路，振荡器输出频率动态范围不高，易受外界环境干扰。
发明内容
为解决现有技术中存在操作复杂、易受外界环境干扰的问题。
本发明采用的技术方案为一种高频振荡土壤湿度测量系统。该系统由探头、振荡器模块1、振荡器模块2、混频器模块、中频低通滤波器模块、中频放大器模块、分频器模块、单片机以及数字显示器组成。
探头与振荡器模块1连接，振荡器模块1和振荡器模块2并联布置，振荡器模块1和振荡器模块2均与混频器模块连接，混频器模块、中频低通滤波器模块、中频放大器模块、分频器模块、单片机以及数字显示器顺次连接，探头埋入待测量的土壤中。
探头是由两块套在材质为聚氟乙烯的空心管的不锈钢金属环构成，探头的两端各引出一根导线连接振荡器模块1的振荡回路。不同的土壤湿度导致土壤的介电常数不同，改变探头的两金属环之间电容量的大小，间接改变振荡器模块1的振荡频率。
振荡器模块1的振荡频率范围为76MHz-78MHz，振荡器模块1的振荡回路由电容C5和电感L1并联组成，探头作为输入端，振荡器模块1的振荡信号经电容C21流入混频器模块的一个输入端。
振荡器模块2的振荡频率为固定值75MHz，振荡回路由电容C13、电容C11和电感L2组成，电容C13、电容C11相串联后再与电感L2并联，振荡器模块2的振荡信号经电容C19流入混频器模块的另一输入端。
混频器模块输出的中频信号频率＝振荡器模块1的振荡信号频率-振荡器模块2的振荡信号频率，范围为1MHz-3MHz，混频器模块的输出端连接中频滤波器的输入端。
中频低通滤波器模块的截止频率为4MHz，特征阻抗为50Ω，由电容C20、电感L3和电容C18组成，电容C20和电容C18相并联，电感L3串联在电容C20和电容C18之间。
中频放大器模块由两个运算放大器组成，运算放大为单电源运算放大器，总的电压放大倍数为100。第一个运算放大器中，电阻R19和电阻R20的作用是将静态工作点提升到电源的一半，电阻R25为反馈电阻。电阻R15降低中频放大器模块输出端流入分频器输入端的电流大小，并联在中频放大器模块和分频器模块之间的通路中。分频器模块对幅度放大后的中频信号进行四分频，且将正弦波信号转化为方波信号。分频信号输出信号频率范围为0.25MHz-1MHz。单片机通过T0端口采集方波信号，并计算其频率，通过P0端口和P2端口连接数字显示器。通过测量各个不同湿度的土壤样本，得到不同的方波频率数据，再用数据拟合的方法，最终获取土壤湿度与方波信号频率的函数关系式。单片机采集方波信号后，通过该函数关系式得到土壤湿度数据，再在数字显示器上显示。数字显示器由一组数码管组成，通过一组位选端口和一组段选端口连接到单片机。
本发明采用了两个振荡器，当受到外界因素干扰时(供电电源降低，环境温度骤变，电磁波辐射等等)，对这两个振荡器的影响程度相同，输出的振荡信号频率同时变化，当两路振荡信号通过混频器后，外界因素产生的干扰相互抵消，得到中频信号频率保持稳定。本发明将采集方波的信号频率量级提到了MHz，动态变化范围更大。测量湿度的精度更高。本发明的探头相当于一个可变电容，连接振荡器模块1的振荡回路，该探头能感应土壤湿度变化，故振荡器的振荡频率也随之改变。本发明采用了两个振荡器模块，使二者的振荡信号通过混频器得到的中频信号更加稳定。中频信号经过滤、放大、分频后被单片机接收并计算，得到土壤湿度数据，该数据流入数字显示器并被其显示。本发明不仅提高了测量土壤湿度的精度，同时增强了系统的抗干扰能力。
附图说明
图1：系统框架结构图
图2A：振荡器模块电路原理图
图2B：混频器模块和中频低通滤波器模块电路原理图
图2C：中频放大器模块和分频器模块电路原理图
图2D：单片机和数字显示器电路原理图
图3：信号处理流程图
图4：计算湿度软件流程图
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步说明。
图2A是振荡器模块的电路原理图。振荡器采用的型号是MC1648。探头与电容C5串联，再与电感L1并联构成振荡器模块1的振荡回路。振荡回路通过1脚和8脚连接振荡器。电容C3和电容C4作为旁路电容，起到稳定电源电压的作用。4脚为振荡器模块1的输出端。探头测量土壤湿度时电容值为Cd，振荡器内部分布电容为Ce，总的电容值为(C5+Cd+Ce)。则振荡器模块1输出的信号频率为：
振荡器模块2和振荡器模块1不同的是振荡回路中电容C13替代探头，其内部分布电容也为Ce，总的电容为(C11+C13+Ce)。则振荡器模块2输出的信号频率为：
图2B左侧是混频器模块和中频低通滤波器模块电路原理图。混频器采用的型号是MC1496，1脚和10脚分别接收振荡器模块1和振荡器模块2的输出端输出的信号。电容C17串联在混频器输出端与中频低通滤波器之间，作用是隔离直流电压。混频器模块输出端输出的中频信号频率为：
图2B右侧是中频低通滤波器模块电路原理图，采用的是高斯低通滤波器，其截止频率为4MHz，特征阻抗为50Ω，由电容C20、电感L3和电容C18组成，抑制混频器输出端输出的高频信号，只允许中频信号通过。
图2C左侧是中频放大器模块电路原理图，运算放大器采用的是OPA365。两运算放大器连接的器件值相同。电阻R15和电阻R16组合成一个分压电路，将静态工作点提升到电源的一半。电容C22和电容C24起到稳定电源电压的作用。电阻R21限制了运算放大器的输入端的电流大小。电阻R25作为反馈电阻。中频放大器模块的电压放大倍数为：
图2C右侧是分频器模块电路原理图。分频器采用的是74HCT4040，其10脚为分频器模块的输入端，7脚为分频器模块的输出端，将中频信号进行四分频，并且将正弦波信号转化为方波信号。电阻R15限制过高的电流流入分频器的输入端。电容C27可将分频器输出端的高频杂波过滤。分频器输出端的方波频率为：
图2D是单片机和数字显示器电路原理图。单片机采用的是AT89C52，其10脚为T0端口，接收来自分频器输出端输出的方波信号后，通过计算湿度程序(计算湿度程序见说明书图4)处理得到的湿度数据流入数字显示器显示。数字显示器由6个数码管组合而成。1-6脚是位选端口，连接单片机的P2端口，7脚-14脚为段选端口，连接单片机的P0端口。

Claims (8)

1.一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：该系统由探头、振荡器模块1、振荡器模块2、混频器模块、中频低通滤波器模块、中频放大器模块、分频器模块、单片机以及数字显示器组成；
探头与振荡器模块1连接，振荡器模块1和振荡器模块2并联布置，振荡器模块1和振荡器模块2均与混频器模块连接，混频器模块、中频低通滤波器模块、中频放大器模块、分频器模块、单片机以及数字显示器顺次连接，探头埋入待测量的土壤中；
探头是由两块套在材质为聚氟乙烯的空心管的不锈钢金属环构成，探头的两端各引出一根导线连接振荡器模块1的振荡回路；不同的土壤湿度导致土壤的介电常数不同，改变探头的两金属环之间电容量的大小，间接改变振荡器模块1的振荡频率；
振荡器模块1的振荡频率范围为76MHz-78MHz，振荡器模块1的振荡回路由电容C5和电感L1并联组成，探头作为输入端，振荡器模块1的振荡信号经电容C21流入混频器模块的一个输入端；
振荡器模块2的振荡频率为固定值75MHz，振荡回路由电容C13、电容C11和电感L2组成，电容C13、电容C11相串联后再与电感L2并联，振荡器模块2的振荡信号经电容C19流入混频器模块的另一输入端；
混频器模块输出的中频信号频率＝振荡器模块1的振荡信号频率-振荡器模块2的振荡信号频率，范围为1MHz-3MHz，混频器模块的输出端连接中频滤波器的输入端；
中频低通滤波器模块的截止频率为4MHz，特征阻抗为50Ω，由电容C20、电感L3和电容C18组成，电容C20和电容C18相并联，电感L3串联在电容C20和电容C18之间；
中频放大器模块由两个运算放大器组成，运算放大为单电源运算放大器，总的电压放大倍数为100；第一个运算放大器中，电阻R19和电阻R20的作用是将静态工作点提升到电源的一半，电阻R25为反馈电阻；电阻R15降低中频放大器模块输出端流入分频器输入端的电流大小，并联在中频放大器模块和分频器模块之间的通路中；分频器模块对幅度放大后的中频信号进行四分频，且将正弦波信号转化为方波信号；分频信号输出信号频率范围为0.25MHz-0.75MHz；单片机通过T0端口采集方波信号，并计算其频率，通过P0端口和P2端口连接数字显示器；通过测量各个不同湿度的土壤样本，得到不同的方波频率数据，再用数据拟合的方法，最终获取土壤湿度与方波信号频率的函数关系式；单片机采集方波信号后，通过函数关系式得到土壤湿度数据，再在数字显示器上显示；数字显示器由一组数码管组成，通过一组位选端口和一组段选端口连接到单片机。
2.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：两个振荡器均采用的型号是MC1648，探头与电容C5串联，再与电感L1并联构成振荡器模块1的振荡回路；振荡回路通过1脚和8脚连接振荡器；电容C3和电容C4作为旁路电容，起到稳定电源电压的作用；4脚为振荡器模块1的输出端；探头测量土壤湿度时电容值为Cd，振荡器内部分布电容为Ce，总的电容为(C5+Cd+Ce)；则振荡器模块1输出的信号频率为：
。
3.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：振荡器模块2和振荡器模块1不同的是振荡回路中电容C13替代探头，其内部分布电容也为Ce，总的电容为(C11+C13+Ce)；则振荡器模块2输出的信号频率为：
。
4.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：混频器采用的型号是MC1496，1脚和10脚分别接收振荡器模块1和振荡器模块2的输出端输出的振荡信号；电容C17串联在混频器输出端与中频低通滤波器之间，作用是隔离直流电压；混频器模块输出端输出的中频信号频率为：
。
5.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：中频低通滤波器模块电路采用的是高斯低通滤波器，其截止频率为4MHz，特征阻抗为50Ω，由电容C20、电感L3和电容C18组成，抑制混频器输出端输出的高频信号，只允许中频信号通过。
6.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：运算放大器采用的是OPA365；两运算放大器连接的器件值相同；电阻R15和电阻R16组合成一个分压电路，将静态工作点提升到电源的一半；电容C22和电容C24起到稳定电源电压的作用；电阻R21限制了运算放大器的输入端的电流大小；电阻R25作为反馈电阻；中频放大器模块的电压放大倍数为：
。
7.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：分频器采用的是74HCT4040，其10脚为分频器模块的输入端，7脚为分频器模块的输出端，将中频信号进行四分频，并且将正弦波信号转化为方波信号；电阻R15限制过高的电流流入分频器的输入端；电容C27将分频器输出端的高频杂波过滤；分频器输出端的方波频率为：
。
8.根据权利要求1所述的一种高频振荡土壤湿度测量系统，其特征在于：单片机采用的是AT89C52，其10脚为T0端口，接收来自分频器输出端输出的方波信号后，通过计算湿度程序处理得到的湿度数据流入数字显示器显示；数字显示器由6个数码管组合而成；1-6脚是位选端口，连接单片机的P2端口，7脚-14脚为段选端口，连接单片机的P0端口。
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