CN109187652A - 一种带usb口的盆栽土湿度表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带USB口的盆栽土湿度表，主要由装在带USB接口的电路板上的泥土湿度检测电路、3位数字电压表模块组成，还包括用于连接泥土湿度传感电极碳棒的碳棒连接线。关键部分采用交流激励测泥土电阻的高交流电压读取电路、设计了廉价使用方便的湿度传感碳棒连接线，可让每盆种植都插上这种碳棒连接线，用本发明提出的带USB口的盆栽土湿度表即可根据监测湿度值浇水。特别还有针对种子发芽、育苗的偏干燥型泥土湿度控制，具备了多点湿度均匀性监测功能。

Description

一种带USB口的盆栽土湿度表

技术领域

本发明涉及种植设备领域，尤其涉及一种带USB口的盆栽土湿度表。

背景技术

花盆自动浇水控制装置多见于临时搭建的测控系统或定时定量浇水装置，专业领域则以农业灌溉设备为主。便携、使用简单的家用小巧型泥土湿度监控设备很少见到。虽然最近也有用印刷电路板带芯片的泥土湿度检测插片设计出来，但它易被泥土腐蚀、连线多、成本高、不适合快餐盒或奶茶杯这种小盆密植型未来家庭趣味种植的大量、长期应用。

发明内容

针对上述不足，本发明利用随处可得的USB口移动电源，结合现有的数字电压表模块设计了泥土湿度检测电路，构建了一个简易实用的带USB口的盆栽土湿度表。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种带USB口的盆栽土湿度表，主要由装在带USB接口的电路板上的泥土湿度检测电路、3位数字电压表模块组成，还包括带USB口的移动电源或5V充电器和用于连接泥土湿度传感电极碳棒的碳棒传感电极连线；

碳棒传感电极连线由两根泥土湿度传感电极碳棒及两根碳棒传感电极连线与一个碳棒连接线插头依次连接而成，每盆都带有一个碳棒传感电极连线，即每个盆栽土中都插两根泥土湿度传感电极碳棒；浇水时或想了解盆栽土湿度时，只要将碳棒连接线插头与泥土湿度检测电路连接即可；

所述泥土湿度检测电路的输出端接3位数字电压表模块的测电压端，泥土湿度检测电路的+5V端和数字电压表模块的正电压输入端均经USB插口接移动电源或5V充电器的正输出端，泥土湿度检测电路的负端、数字电压表模块的负端连接在一起，作为接地点；

所述泥土湿度检测电路包括时基电路NE555、二极管D、二极管D5、电阻R4、电阻R5、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C5、电容C、电容C1；NE555的2、6脚及电容C5、电阻R4、电阻R5的一端连接在一起，电阻R5另一端接二极管D5的正极，二极管D5的负极、电阻R4另一端以及NE555的3脚连接在一起，NE555的8脚与电阻R1一端连接在一起接USB接口的+5V端；电阻R1另一端、电阻R0一端以及NE555的7脚连接在一起，电阻R0另一端分别与接隔直电容C一端和整流二极管D正极连接在一起，记为T点，隔直电容C的另一端接泥土湿度传感电极碳棒的一极，泥土湿度传感电极碳棒的另一极、电容C5的另一端、NE555的1脚、滤波电容C1一端以及负载电阻R2一端均接地，峰值整流二极管D的负端、电阻R2的一端、滤波电容C1的一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接3位数字电压表模块的测电压端；

所述泥土湿度传感电极碳棒的结构为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该导电金属圈压接或焊接碳棒传感电极连线，并在该导电金属圈外涂敷树脂或塑封；

或所述泥土湿度传感电极碳棒的工艺为碳棒的一端头电镀一层金属，在该金属镀层焊接碳棒传感电极连线，并对该金属镀层及焊接线根部包敷塑胶或灌封树脂。

进一步的，所述泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，接3位数字电压表模块的测电压端，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

所述的稳压管为正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管或2.2V、3.3V的贴片稳压管。

进一步的，一些品种还包括4路检测，每路一根泥土湿度传感电极碳棒，各路分时轮换显示；还包括四选一集成电路CD4052和STC15单片机；从T点接CD4052公共端(A)13脚，(A0)12脚、(A1)14脚、(A2)15脚、(A3)11脚分别接4路的隔直电容C及湿度传感电极碳棒(20)，两选择脚(S0)10脚、(S1)9脚接单片机两个口，由单片机分时选择4路中的各路轮换；另一根接地的可共用一根泥土湿度传感电极碳棒，也可多根泥土湿度传感电极碳棒并联接地；

若要扩展到8路，用八选一集成电路CD4051，其(S0、S1、S2)选择脚接单片机三个口；碳棒连接线插头采用RJ45网线插头和插座。

进一步的，所述碳棒连接线插头采用空心圆柱型直流电源线公母插头。

本发明的有益效果是：可随时定量检测多盆栽土的湿度值，对干燥型种植和耐湿型种植具有可调整适应性，特别还有针对种子发芽、育苗的偏干燥型泥土湿度控制，具备了多点湿度均匀性监测功能。

因碳棒电极的小巧廉价性，无论是种前预埋、种后长期插入、或反复插拨，都不影响种植管理维护或小盆密植伤根，可让所有盆栽都插上碳棒电极，多盆轮用一个表。

花盆不用底孔了，不漏水，更卫生。

附图说明

图1为带USB口的盆栽土湿度表示意图；

图2为泥土湿度检测电路图；

图3为分时切换4路检测电路图；

图中，1、3位数字电压表模块，2、USB接口，6、碳棒连接线插头，7、碳棒传感电极连线，8、碳棒连接线插孔，14、盆栽土，20、泥土湿度传感电极碳棒。

具体实施方式

带USB口的盆栽土湿度表的工作概况如图1所示。加工一批廉价的碳棒连接线(由两根泥土湿度传感电极碳棒20及碳棒传感电极连线7与一个碳棒连接线插头6依次连接而成)，通常种植都有多盆，每盆盆栽土14都插一副碳棒连接线，当要浇水时或想了解某盆土的湿度时，只要将该盆的碳棒连接线插头6插入该表的碳棒连接线插孔8(即泥土湿度检测电路的碳棒电极连接点)，即可从其上的3位数字电压表模块1看到泥土湿度值。边观察边浇水，除增加兴趣外还可作定量记录，花盆不用底孔了，不漏水，更卫生。

泥土湿度传感电极碳棒20的结构为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该导电金属圈压接或焊接湿度传感电极连线7，并在该导电金属圈外涂敷树脂或塑封；或加工碳棒20的工艺为碳棒的一端头电镀一层金属，在该金属镀层焊接碳棒传感电极连线7，并对该金属镀层及焊接线根部包敷塑胶或灌封树脂。隔绝金属圈及引线被泥土的潮湿环境引起化学反应或氧化。碳棒与泥土的潮湿环境有很好的接触相容性(减小与泥土的接触电阻)，并且碳棒永远不会被氧化或腐蚀掉。

碳棒连接线插头6推荐采用空心圆柱型直流电源线公母插头(5.5X2.1mm或3.5X1.35mm)，它是圆头没有方向，插拨方便，结构牢固，适合反复插拨测量。

两根湿度传感电极碳棒20分开竖直埋在花盆泥土两侧(种植体在两者中心范围，使湿度检测全面均衡。湿度传感电极碳棒也不要紧贴花盆边，泥土干燥收缩时与花盆边整圈是脱开的)。

泥土湿度检测电路、3位数字电压表模块、带USB口的移动电源或5V充电器组成了这种带USB口的盆栽土湿度表。

盆栽土湿度表中的泥土湿度检测电路的输出端接3位数字电压表模块的测电压端，泥土湿度检测电路的+5V端和数字电压表模块1的正电压输入端均接USB口2的+5V端(即移动电源或5V充电器的正输出端)，泥土湿度检测电路的负端和数字电压表模块的负端连接在一起接USB口2的负端，作为接地点。

泥土湿度检测电路、3位数字电压表模块1、USB接口2以及碳棒连接线插孔8简单地装在一个小电路板上，做成小电路板模块，将其插在常用USB口充电宝、USB口移动电源、或USB口充电器上工作，很灵活精简方便。特别是若充电宝是一节圆柱型锂电池18650构成的长条形移动电源，在一端头平面设USB 5V输出口的，手握操作及插上拨下更方便。

泥土湿度的有效检测是该湿度表的关键，除泥土湿度检测的稳定性、可靠性这种基本要求外，还要求抗干扰、可多路可切换、方便数值调整。

泥土湿度检测电路选用图2所示的交流激励测泥土电阻的高交流电压读取法，其中包括了带阻方波源、多路可切换交流激励输出、弱峰值整流、湿度工作段示值调整功能：

图2中时基电路NE555构成无稳态电路，NE555在3脚输出矩形波，NE555的3脚输出接电阻R4对C5充放电，还并联了R5串D5支路，是为了调节使T点方波信号的底部导通时间小于上部截止时间，更利于用作泥土湿度检测。

NE555的7脚放电管集电极接电阻R1到+5V，同时7脚集电极经保护电阻R0到T点，即R0另一端接隔直电容C、及峰值整流二极管D正极，得到了底部总为0V的方波输出点T(从0V起始，顶部高度随湿度变。并适合CD4052作多路切换)，C的另一端(作为交流激励输出端)接泥土湿度传感电极碳棒20的一极(也就是两根碳棒传感电极连线7及插头6、插座8中的一极)，泥土湿度传感电极碳棒20的另一极接地。

峰值整流二极管D的负端接电阻R2、滤波电容C1的并联电路到地，该端即为泥土湿度检测电路的检测电压输出点，接3位数字电压表模块测电压端，3位数字电压表模块的读数对应于泥土湿度(对5V供电，3位数字电压表模块在小于10V时，小数点后有两位精度)。

各元件功能要点如下：

两根湿度传感电极碳棒20插入泥土中形成电阻，经隔直电容C接在方波输出点T，成为负载，泥土越湿，电阻越小，T点方波输出电压越低，方波底部0V由放电管导通保证，方波顶部高度靠放电管截止时由R1上拉。因此R1就是交流激励电压的内阻，R1越大，接近恒流源，越适合测干燥沙土的干燥度，即提高干燥段的区分度(除适合沙漠植物外，更大的需求是怕过湿的发芽、育苗)，所以称“带阻方波源”。D、C1、R2构成的峰值整流电路用来读T点方波顶部高度的电压值(变稳定的直流电压值)，但峰值整流电路的缺点是怕毛剌干扰，好在一方面放电管导通在底部，引起的毛剌干扰对峰值整流电路无作用，另一方面要R2无穷大才是理想的峰值整流电路，而这里用R2来调整输出电压，使所测泥土的干燥值落在显示值的高位，对5V电源来说，当泥土已经很干了，但示值才2V左右，那就要增加R2，提高以提高输出电压；或泥土并未很干，但示值已到4V以上，那就要减小R2，降低输出电压，所以称“湿度工作段示值调整”。因此一般R2为几十K(C1为小于0.47uF)，并不是真正的“峰值整流”，而兼有低通滤波效果(抗干扰)，所以称“弱峰值整流”。R0为保护电阻，防止两根碳棒碰在一起时，因放电管导通，C的放电电流烧毁放电管。

为监测泥土多点的湿度均匀性，要4路检测时，(见图3)从T点接四选一集成电路CD4052(CD4051可8路)公共端(A)13脚，(A0)12脚、(A1)14脚、(A2)15脚、(A3)11脚分别接4路的隔直电容C串联泥土湿度传感电极碳棒20中的一极，两选择脚(S0)10脚、(S1)9脚接单片机两个口，控制选择接通4路中的某一路。因此仅用一个廉价的四选一通用集成电路CD4052就实现了分时切换4路检测(避免了用四套湿度检测电路加ADC选择)。之所以能用通用的四选一集成电路CD4052，是因为T点方波是非负的(直接用在湿度传感电极碳棒20输入端就不行，此处为交流激励输出点，CD4052不能工作在交流)。

这里再补充作点说明：

⊙不用更简单的直流测湿泥土电阻是为避免湿泥土中碳棒会出现化学电池效应的极化现象，时间一长碳棒极化电位逐渐升高，导致误判为泥土干燥(甚至认为电极脱开)。

⊙采用交流激励测泥土电阻，且还要高交流电压，一是为抗干扰，使泥土湿度传感电极碳棒20到碳棒连接线插头6的连线可在三米以上，只要普通细双股线即可；二是为不用输出放大级(不仅是省一个运放，相关的正负电源配置、滤波电路也都省去了)直接0-20V的3位数字电压表模块。

⊙不同的泥土湿度传感电极碳棒埋法数值是有差异的，不同的尺寸、不同的泥土差异更大。

不过从实际种植实测情况来看，稳定性、一致性还是很满意的，以最严厉的无遮阴夏季曝晒浇水观察为例，对番薯叶、马兰头(这类较耐湿)以常用腐植泥(拌适量土)的松软泥土观察，无论是用透明快餐盒、汤类打包大圆盒、花盆接水外套盒、或大奶茶杯作种植盆，故意选形状大小不一的透明盒是为了观察更直观，且都是无漏水底孔的，节水、卫生；湿度传感电极碳棒长4CM、直径0.4CM，均在土表面直插，两根相距10CM,种植物密植在中间，观察结果基本都是：显示3V左右时必须加水了(植物开始干痿挂下来了。5V供电，最高只有4V左右)；加水到1V开始饱和了(从透明盒可看到出现积水了)。这里用的是松软腐植土，加水在相距10CM的湿度传感电极碳棒的中间，加一点水5分钟后数值就稳定了。湿度传感电极碳棒拨出后再插回数值几乎不变。

若要求加水到饱和(从透明盒可看到有积水)时，读数接近0，可在泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值；或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，接3位数字电压表模块1的测电压端，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值。前一种方法从理论上讲在接近0值时线性很差(所以一般不用)，但在这里有扩展泥土湿度饱和处的读数分辨率的功能。

所述的稳压管为正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管(注意：1V以下的稳压管就用二极管的正向结电压代替)或2.2V、3.3V的贴片稳压管。稍相差一点可再调R2或R1，但调R2或R1对干燥度的高端影响很大，所以调低端用稳压管。

特别针对种子发芽、育苗的偏干燥型泥土湿度控制中的湿度均匀性监测要求，一些品种可扩展成4点检测功能或8点检测功能：

4路检测(见图3)，每路一根泥土湿度传感电极碳棒20。增加四选一集成电路CD4052、STC15单片机(8脚的STC15W104已够用)，从T点接CD4052公共端(A)13脚，(A0)12脚、(A1)14脚、(A2)15脚、(A3)11脚分别接4路的隔直电容C及泥土湿度传感电极碳棒20，两选择脚(S0)10脚、(S1)9脚接单片机两个口P3.x，由单片机分时选择4路中的各路轮换。另一根接地的可共用一根泥土湿度传感电极碳棒20，也可多根湿度传感电极碳棒并联接地(种子发芽、育苗只能在偏干燥的泥土湿度中进行，太干发芽速度极慢、太湿停止发芽并烂掉。要控制这种偏干燥的泥土湿度有一定难度，因泥土干裂其均匀性往往很差。所以需要根据对泥土的关注点多插湿度传感电极碳棒观察其各点的均匀分布情况。选点插湿度传感电极碳棒时要注意各对湿度传感电极碳棒间的距离要尽量相等，或各路彼此相关的几何位置所构成的导电分布要均匀)。注意：用了单片机，实际上已不需要时基电路NE555，可由单片机的一个口P3.x编程输出矩形波，再加一只NPN三极管代替NE555中的放电管(7脚)，即单片机的一个口P3.x串电阻连接NPN三极管的基极、NPN三极管的发射极接地、NPN三极管的集电极就是原NE555的7脚的功能，连接电阻R1一端及电阻R0一端。

为指示轮换显示湿度又从第一路开始了，可将第一路的时间加长0.3秒，并在一开始的0.3秒内将NPN三极管导通，使显示为0V(作为开始标记)。

若要扩展到8路，用八选一集成电路CD4051，其(S0、S1、S2)选择脚接单片机三个口。碳棒连接线插头6采用RJ45网线插头和插座(此时因一个脚要接地，实际只有7路检测)。

综上可见本申请所选用的交流激励测泥土电阻的针对性电路，所用元件不多、精简到位，适应面宽、调整方便(各元件的功能独立明确)。

本技术装置虽说用于盆栽，同样适用种植泥土。

Claims (4)

1.一种带USB口的盆栽土湿度表，其特征在于，主要由装在电路板上的泥土湿度检测电路、3位数字电压表模块、USB接口组成，还包括用于连接泥土湿度传感电极碳棒(20)的碳棒连接线；

碳棒连接线由两根泥土湿度传感电极碳棒(20)及两根碳棒传感电极连线(7)与一个碳棒连接线插头(6)依次连接而成，每盆都插上一副碳棒连接线，即每个盆栽土中都插两根泥土湿度传感电极碳棒(20)；浇水时或想了解盆栽土湿度时，只要将碳棒连接线插头与泥土湿度检测电路连接即可；

所述泥土湿度检测电路的输出端接3位数字电压表模块(1)的测电压端，泥土湿度检测电路的+5V端和数字电压表模块(1)的正电压输入端均经USB插口接移动电源或5V充电器的正输出端，泥土湿度检测电路的负端、数字电压表模块(1)的负端连接在一起，作为接地点；

所述泥土湿度检测电路包括时基电路NE555、二极管D、二极管D5、电阻R4、电阻R5、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C5、电容C、电容C1；NE555的2、6脚及电容C5、电阻R4、电阻R5的一端连接在一起，电阻R5另一端接二极管D5的正极，二极管D5的负极、电阻R4另一端以及NE555的3脚连接在一起，NE555的8脚与电阻R1一端连接在一起接USB接口(2)的+5V端；电阻R1另一端、电阻R0一端以及NE555的7脚连接在一起，电阻R0另一端分别与接隔直电容C一端和整流二极管D正极连接在一起，记为T点，隔直电容C的另一端接泥土湿度传感电极碳棒(20)的一极，泥土湿度传感电极碳棒(20)的另一极、电容C5的另一端、NE555的1脚、滤波电容C1一端、负载电阻R2一端、以及USB接口(2)的负端均接地，峰值整流二极管D的负端、电阻R2的一端、滤波电容C1的一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接3位数字电压表模块(1)的测电压端；

所述泥土湿度传感电极碳棒(20)的结构为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该导电金属圈压接或焊接碳棒传感电极连线(7)，并在该导电金属圈外涂敷树脂或塑封；

或所述泥土湿度传感电极碳棒(20)的工艺为碳棒的一端头电镀一层金属，在该金属镀层焊接碳棒传感电极连线(7)，并对该金属镀层及焊接线根部包敷塑胶或灌封树脂。

2.根据权利要求1所述的一种带USB口的盆栽土湿度表，其特征在于，所述泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，接3位数字电压表模块(1)的测电压端，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

所述的稳压管为正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管或2.2V、3.3V的贴片稳压管。

3.根据权利要求1所述的一种带USB口的盆栽土湿度表，其特征在于，一些品种还包括4路检测，每路一根泥土湿度传感电极碳棒(20)，各路分时轮换显示；还包括四选一集成电路CD4052和STC15单片机；从T点接CD4052公共端(A)13脚，(A0)12脚、(A1)14脚、(A2)15脚、(A3)11脚分别接4路的隔直电容C及湿度传感电极碳棒(20)，两选择脚(S0)10脚、(S1)9脚接单片机两个口，由单片机分时选择4路中的各路轮换；另一根接地的可共用一根泥土湿度传感电极碳棒(20)，也可多根泥土湿度传感电极碳棒并联接地；

若要扩展到8路，用八选一集成电路CD4051，其(S0、S1、S2)选择脚接单片机三个口；碳棒连接线插头(6)采用RJ45网线插头和插座。

4.根据权利要求1所述的一种带USB口的盆栽土湿度表，其特征在于，所述碳棒连接线插头(6)采用空心圆柱型直流电源线公母插头。