CN206114578U - 一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪 - Google Patents

Abstract

一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪，利用PCB电路板上以固定步长印刷的多个矩形敷铜区块作为电容传感器的电极，将两块相同的PCB板以固定距离平行对应排列，使对应敷铜区块构成一对电容的电极，可根据测量深度要求设置电极对数。其外壳部分使用高介电常数的陶瓷，以保护PCB板不被腐蚀，同时不影响由土壤湿度变化产生的介电常数变化。电容传感器配合施密特触发器构成的振荡电路实现测量，测量精度较高；该检测仪预留的总线接口，可实现远程测量和监控。TFT液晶显示可绘出湿度随土壤深度变化的曲线图，更加直观易读。本实用新型能够实现不同深度的土壤湿度测量、数据显示和远程通讯，适用于现代高效节能型农业的发展。

Description

一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪

技术领域

本实用新型涉及农业自动化技术领域，尤其涉及一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪，可实现对不同深度土壤的湿度测量，集成度高，体积小，成本低廉。

背景技术

农业生产在我国经济发展中占有重要的地位。伴随着我国人口的不断增长，工业的快速发展，淡水资源消耗量加大，耕地面积减小，农业生产与土地、水资源的矛盾越来越突出。其中，如何在有限的条件下，合理高效利用水资源，将成为农业发展的焦点之一。大量实验研究表明：大棚蔬菜、温室花卉、园艺栽培等种植产业对土壤湿度都有很高的要求，土壤湿度不合理，不但不能使植物快速生长，更甚者会导致植物旱涝而死亡，给农业经济带来严重损失。而在水资源的高效合理利用中，土壤湿度传感器扮演着重要的角色。目前的土壤湿度传感器大多是电阻式，少部分是电容式的，且功能单一，仅能粗略测量土壤湿度，而不能做到土壤分层湿度测量，因此达不到高效农业生产的检测要求，为此，本实用新型以电容传感器技术和现代信号处理技术为依托，发明了一种可测量不同土壤深度含水量的检测仪，为农业高效用水提供高精度的数据参考。

发明内容

为了解决土壤不同深度含水量的测量问题，本实用新型提出了一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪，其采用PCB板上的敷铜区块为电容电极，采用施密特触发器构成的振荡电路作为前端测量电路，采用PSoC4100低功耗MCU及人机交互系统实现更加复杂的功能，是一种成本低廉、精度高、携带方便的小型土壤湿度检测仪。

本实用新型的技术方案是：垂直分布的多电容土壤湿度检测仪包括由PCB板构成的垂直分布的多电容土壤湿度传感器，其传感器的总线接口依次接入多路模拟复用开关、施密特触发器构成的振荡电路、信号调理电路、同相电压积分电路，电压信号经A/D转换器送入PSoC4100低功耗MCU，PSoC4100低功耗MCU的外围电路包括实时时钟模块、以太网通讯模块、电源管理模块、TFT液晶显示模块和PCB电容触摸按键模块。

所述的垂直分布的多电容土壤湿度传感器基于PCB板制作，可根据需要设计电容个数，外壳采用陶瓷封装，防水性好、抗腐蚀能力强、寿命长，可直接插入土壤中。所述的垂直分布的多电容土壤湿度传感器的总线接口，接入多路模拟复用开关，且多路模拟复用开关可减少后续相同功能电路的设计，减少元器件的使用，减小PCB板的面积，进而减小该检测仪的体积。所述的施密特触发器构成的振荡电路，所用元器件较少，简单高效，实用性强。所述的信号调理电路，包括信号滤波和信号放大两部分，可将施密特触发器构成的振荡电路的输出信号的信噪比提高。所述的同相电压积分电路，可直接将前一级的脉冲信号转换为易测量的正极性电压信号。所述的A/D转换器，可将前一级的电压信号转换为PSoC4100低功耗MCU易处理的数字信号。

所述的PSoC4100低功耗MCU为CYPRESS公司基于ARM-cortex-M0的单片机，其含有丰富的片上可编程模拟阵列和可编程数字阵列，可为本实用新型提供UART（或SPI）通信接口，为同相电压积分电路提供运算放大器，为PCB电容触摸按键模块提供电容信号处理和识别的CAPSENSE模块；且ARM-cortex-M0内核可提供32位的数据处理能力，大大提高了运算速度。所述的PSoC4100低功耗MCU外围电路，可实现直插电源和锂电池双供电模式切换，可实现实时时钟显示，可实现以太网组网监控和管理，可实现TFT液晶显示和PCB电容触摸按键的友好人机交互。

本实用新型的使用方法：将垂直分布的多电容土壤湿度传感器垂直90度插入被测土壤中，插入时不可来回晃动，以防两电极板部分被人为损坏。将该传感器的总线接口用平行单排线接入测量电路中，打开测量电路的电源开关，通过PCB电容触摸按键模块选择相应的功能和曲线图显示。应用于智能化农业时，可将以太网网线接入以太网通讯模块，通过PCB电容触摸按键模块切换其为远程监测模式。

本实用新型的有益效果：采用垂直分布式多电容土壤湿度传感器，可实现对土壤不同深度的湿度测量；该传感器外壳部分采用高介电常数的陶瓷封装，可有效实现防水、防腐和保护电极的功能；多路模拟复用开关可实现测量前端测量电路的重复利用，减少元器件消耗，减小测量电路的PCB面积，从而降低检测仪成本；基于ARM-cortex-M0的PSoC4100低功耗MCU，可为本发明提供UART（或SPI）通信接口，为同相电压积分电路提供运算放大器，为PCB电容触摸按键模块提供电容信号处理和识别CAPSENSE模块；PCB电容触摸按键可代替传统的机械式按键，提高防水能力；以太网通讯模块可为智能化农业提供远程监控和管理功能；电源管理模块可使该检测仪实现两种（直插和锂电池）供电方式，提高其便携型和长时间不掉电的工作能力。

附图说明

图1是本实用新型的多电容土壤湿度传感器组成示意图。

1、总线接口，2、电极板底座，3、PCB基板，4、电容电极，5、高介电常数的陶瓷外壳6、不锈钢材质的传感器保护帽。

图2是本实用新型的测量电路组成原理示意图（附图中已对标号7-18做出说明）。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，多电容土壤湿度传感器由传感器的总线接口1，电极板底座2，PCB基板3，电容电极4，高介电常数的陶瓷外壳5和不锈钢材质的传感器保护帽6组成。在PCB基板3上以固定步长分布多个敷铜区块作为电容电极4。将两块大小相同、电容电极排列相同的PCB基板平行对应放置，则相对的电容电极构成单个电容。每块PCB基板上各电极都有引出线，其中一侧PCB基板的电极引出线互相独立，分别接入传感器的总线接口1，另一侧PCB基板的引出线相互并联，再接入传感器的总线接口1的公共端，此连接方式实现了电容电极一端并联、一端独立的效果，可减小PCB走线数量，方便接入后续电路模块。电极板底座2，可通过嵌入方式加螺丝固定电极板。不锈钢材质的传感器保护帽6可采用强力胶套在陶瓷外壳的前端，有效保护陶瓷外壳不受硬物损坏，同时能使传感器省力的插入被测土壤。

图2绘制了垂直分布式多电容土壤湿度检测仪的测量电路的示意图。将待测多电容土壤湿度传感器7接入多路模拟复用开关8，并将多路模拟复用开关8接入施密特触发器构成的振荡电路9。由于土壤含水量不同，则介电常数发生变化，进而电极对构成的电容值发生变化，所以施密特触发器构成的振荡电路9会输出随湿度变化的频率信号，该频率信号经信号调理电路10实现滤波和放大功能。平滑且脉冲幅值较大的频率信号送入同相电压积分电路11，该信号转换为稳定易测量的正极性电压信号。输出的电压信号经高分辨率的A/D转换器12实现模数转换将信号转为数字信号，该数字信号送入PSoC4100低功耗MCU13实现运算处理。实时时钟模块14接入PSoC4100低功耗MCU13，为该检测仪提供实时时钟数据。以太网通讯模块15接入PSoC4100低功耗MCU13运算处理，通过编程设定与远程上位机通讯，实现智能化农业的远程监控和管理功能。电源管理模块16通过PSoC4100低功耗MCU13实现对电源电压信号的测量和控制，可实现直插、锂电池充电和锂电池供电等多种功能，欠压可声光报警提示。TFT液晶显示模块17为DGUS组态屏，可任意配置GUI界面，为本实用新型提供用来显示土壤湿度随深度变化的曲线。PCB电容触摸按键模块18取代了传统的机械式按键，其输出信号可直接接入PSoC4100低功耗MCU13的CAPSENSE触摸检测模块，PCB电容触摸按键可实现开关机、背光调节和功能选择等功能。

Claims (2)

1.一种垂直分布的多电容土壤湿度检测仪，其特征在于：包括由两块PCB板构成垂直分布的多电容土壤湿度传感器，传感器的总线接口依次接入多路模拟复用开关、施密特触发器构成的振荡电路、信号调理电路、同相电压积分电路，从而得到易测量的正极性电压信号，该信号经A/D转换器送入PSoC4100低功耗MCU；且PSoC4100低功耗MCU的外围电路包括实时时钟模块、以太网通讯模块、电源管理模块、TFT液晶显示模块和PCB电容触摸按键模块。

2.根据权利要求1所述的垂直分布的多电容土壤湿度检测仪，其特征在于：所述的土壤湿度传感器基于两块平行对应固定的PCB板制作，并在在PCB板上以固定步长设置多个敷铜区块，形成多个电容；其中，每块PCB板上各电极都有引出线，其中一侧PCB板的电极引出线互相独立，分别接入传感器的总线接口，另一侧PCB板的引出线相互并联，再接入传感器的总线接口的公共端；传感器外壳采用陶瓷封装，不锈钢金属保护帽加固。