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一种电容式多层 土壤温湿度检测装置

阅读：765发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种电容式多层土壤温湿度检测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提出的一种电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，包括：壳体，壳体采用绝缘材料，壳体内部设有支架、电容式土壤湿度转换电路、无线通信模块、电路板、电源接口、温度探头和弹簧，在所述支架上以预设距离间隔设有多个湿敏电容；无线通信模块和电路板均固定安装在支架上；所述电路板用于设置电容式土壤湿度转换电路；温度探头的一端通过弹簧固定在电路板上，壳体上与温度探头对应的位置设有通孔，通孔上设有金属片，温度探头的另一端受弹簧的弹力作用后与金属片接触；所述电源接口固定安装在壳体上部，无线通信模块、温度探头分别与电路板连接；湿敏电容与电容式土壤湿度转换电路连接。，下面是一种电容式多层土壤温湿度检测装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，包括：壳体，壳体采用绝缘材料，壳体内部设有支架、电容式土壤湿度转换电路、无线通信模块、电路板、电源接口、温度探头和弹簧，在所述支架上以预设距离间隔设有多个湿敏电容；无线通信模块和电路板均固定安装在支架上；所述电路板用于设置电容式土壤湿度转换电路；温度探头的一端通过弹簧固定在电路板上，壳体上与温度探头对应的位置设有通孔，通孔上设有金属片，温度探头的另一端受弹簧的弹力作用后与金属片接触；所述电源接口固定安装在壳体上部，无线通信模块、温度探头分别与电路板连接；湿敏电容与电容式土壤湿度转换电路连接。
2.根据权利要求1所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，所述电容式土壤湿度转换电路包括：单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路；所述单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路依次连接；单稳态触发电路用于将采集到的电容变化转换成方波频率的变化并输出到波形整形电路；所述波形整形电路用于对波形进行整波，改善波形的陡峭程度和毛刺；所述方波信号转换电路用于将波形整形电路输出的高频率方波信号转换成低频率的方便信号；单片机AD采集电路通过单片机对低频率方波进行采集，通过测量占空比计算出土壤的湿度值。
3.根据权利要求1所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，所述单稳态触发电路包括：定时器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R14、电容C5、电容C6、电容C9、湿敏电容P4；
定时器U3的第一脚、电容C6的第二端分别接地；定时器U3的第二脚分别与定时器U3的第六脚、电阻R12的第二端、电容C9的第一端、湿敏电容P4的第一端连接；定时器U3的第三脚与电阻R14的第一端连接；定时器U3的第四脚、定时器U3的第八脚、电阻R10的第一端、电阻R11的第一端、电容C5的第一端分别与电源连接；定时器U3的第五脚与电容C6的第一端连接；定时器U3的第七脚分别与电阻R10的第二端、电阻R12的第一端连接；
湿敏电容P4的第二端、电容C9的第一端分别接地；电阻R14的第二端与电阻R11的第二端连接；电容C5的第二端接地。
4.根据权利要求2所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，所述波形整形电路包括：施密特触发器U5、电容C8；施密特触发器U5的第二脚与电阻R14的第二端连接，施密特触发器U5的第三脚接地，施密特触发器U5的第四脚接地，施密特触发器U5的第五脚、电容C8的第一端分别与电源连接，电容C8的第二端接地。
5.根据权利要求3所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，所述方波信号转换电路包括：计数器U4、电阻R13、电阻R15、电容C7；
计数器U4的第三脚与电阻R13的第一端连接，电阻R13的第二端与单片机AD采集电路连接；计数器U4的第八脚、计数器U4的第十一脚分别接地；计数器U4第十脚与电阻R15的第二端连接，电阻R15的第一端与施密特触发器U5的第四脚连接；计数器U4的第十六脚、电容C7的第一端分别与电源连接，电容C7的第二端接地。
6.根据权利要求4所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于，所述单片机AD采集电路包括：单片机U1和电阻R1；所述单片机U1的第一脚与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端接地；单片机U1的第五脚与电源连接，单片机U1的第六脚与电阻R13的第二端连接；单片机U1的第十五脚接地，单片机U1的第十六脚与电源连接。
7.根据权利要求1所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于：所述湿敏电容包括2个电极，所述电极为金属环，所述金属环之间以预设间距同心固定安装在支架上。
8.根据权利要求7所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于：所述温度探头设在两个金属环之间。
9.根据权利要求1所述的电容式多层土壤温湿度检测装置，其特征在于：所述壳体下端呈锥形的。

说明书全文

一种电容式多层土壤温湿度检测装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及电子设备技术领域，更具体的说是涉及一种电容式多层土壤温湿度检测装置。

背景技术

[0002] 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，土壤湿度的检测是重要的环节。

[0003] 传统式采集多层土壤湿度的方式是探针式检测方法，每个探针测某个深度的湿度。测多层土壤湿度时，需将几个探针放置在不同深度的土壤层。测试前，需要挖出一个深坑，在深坑侧壁的不同深度上放置探头，这样的方式，施工安装探头复杂。且这些零散布局的探头，需分别连接电路，采集数据，处理数据，上传数据等。整个系统的体积大，零散分布的探头极其电路系统，安装维护往往很复杂，使用极其不方便。实用新型内容

[0004] 针对以上问题，本实用新型的目的在于提供一种电容式多层土壤温湿度检测装置。

[0005] 本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种电容式多层土壤温湿度检测装置，包括：壳体，壳体采用绝缘材料，壳体内部设有支架、电容式土壤湿度转换电路、无线通信模块、电路板、电源接口、温度探头和弹簧，在所述支架上以预设距离间隔设有多个湿敏电容；无线通信模块和电路板均固定安装在支架上；所述电路板用于设置电容式土壤湿度转换电路；温度探头的一端通过弹簧固定在电路板上，壳体上与温度探头对应的位置设有通孔，通孔上设有金属片，温度探头的另一端受弹簧的弹力作用后与金属片接触；所述电源接口固定安装在壳体上部，无线通信模块、温度探头分别与电路板连接；湿敏电容与电容式土壤湿度转换电路连接。

[0006] 进一步的，所述电容式土壤湿度转换电路包括：单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路；所述单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路依次连接；单稳态触发电路用于将采集到的电容变化转换成方波频率的变化并输出到波形整形电路；所述波形整形电路用于对波形进行整波，改善波形的陡峭程度和毛刺；所述方波信号转换电路用于将波形整形电路输出的高频率方波信号转换成低频率的方便信号；单片机AD采集电路通过单片机对低频率方波进行采集，通过测量占空比计算出土壤的湿度值。

[0007] 进一步，所述单稳态触发电路包括：定时器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R14、电容C5、电容C6、电容C9、湿敏电容P4；定时器U3的第一脚、电容C6的第二端分别接地；定时器U3的第二脚分别与定时器U3的第六脚、电阻R12的第二端、电容C9的第一端、湿敏电容P4的第一端连接；定时器U3的第三脚与电阻R14的第一端连接；定时器U3的第四脚、定时器U3的第八脚、电阻R10的第一端、电阻R11的第一端、电容C5的第一端分别与电源连接；定时器U3的第五脚与电容C6的第一端连接；定时器U3的第七脚分别与电阻R10的第二端、电阻R12的第一端连接；湿敏电容P4的第二端、电容C9的第一端分别接地；电阻R14的第二端与电阻R11的第二端连接；电容C5的第二端接地。

[0008] 进一步，所述波形整形电路包括：施密特触发器U5、电容C8；施密特触发器U5的第二脚与电阻R14的第二端连接，施密特触发器U5的第三脚接地，施密特触发器U5的第四脚接地，施密特触发器U5的第五脚、电容C8的第一端分别与电源连接，电容C8的第二端接地。

[0009] 进一步，所述方波信号转换电路包括：计数器U4、电阻R13、电阻R15、电容C7；计数器U4的第三脚与电阻R13的第一端连接，电阻R13的第二端与单片机AD采集电路连接；计数器U4的第八脚、计数器U4的第十一脚分别接地；计数器U4第十脚与电阻R15的第二端连接，电阻R15的第一端与施密特触发器U5的第四脚连接；计数器U4的第十六脚、电容C7的第一端分别与电源连接，电容C7的第二端接地。

[0010] 进一步，所述单片机AD采集电路包括单片机U1和电阻R1；所述单片机U1的第一脚与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端接地；单片机U1的第五脚与电源连接，单片机U1的第六脚与电阻R13的第二端连接；单片机U1的第七脚与数字温度传感器连接；单片机U1的第八脚与多级通信电路的数据发送引脚连接，单片机U1的第九脚与多级通信电路的数据接收引脚连接；单片机U1的第十五脚接地，单片机U1的第十六脚与电源连接。

[0011] 进一步，所述湿敏电容包括2个电极，所述电极为金属环，所述金属环之间以预设间距同心固定安装在支架上。

[0012] 进一步，所述温度探头安装在两个金属环之间。

[0013] 进一步，所述壳体下端呈锥形。壳体采用的绝缘体材料为塑料或陶瓷。

[0014] 对比现有技术，本实用新型有益效果在于：本实用新型提供了一种电容式多层土壤温湿度检测装置，在壳体内电容式土壤湿度转换电路，湿敏电容采用多个金属环间隔串成圆筒状。金属环同心安装在支架上。电容式土壤湿度转换电路通过电路板也安装在支架上。多个金属环分布在壳体的不同高度处，装置插入土壤一个深坑中，每对金属环检测对应高度的土壤湿度。两个金属环之间形成电容，土壤充当两金属环间的电介质。土壤湿度不同，其作为电介质的介电常数不同，介电常数影响电容的充电时间。等电容充电到一定程度，会放电。金属环工作时循环充电-放电过程。间隔一段时间放电，对外输出某频率的脉冲。土壤湿度影响输出脉冲的频率。因土壤湿度随天气、气候等随时变化，本实用新型埋入土壤中，根据输出脉冲频率，实时检测土壤的温湿度。温度探头安装在两个金属环中间，且温度探头一端被固定在电路板上的弹簧顶着，温度探头的另一端受弹力作用与壳体上的金属片接触，金属片设在壳体上的通孔内，金属片与土壤接触，方便将土壤温度传导至温度探头，用于检测土壤温度，温度探头与电路板之间电连接，方便采集温度数据。

[0015] 电容式土壤湿度转换电路对电容充电。经过单稳态触发电路转换，把介电常数的不同转化成频率不同的脉冲。具体为：首先，单稳态触发电路构成电容频率转换电路，将电容的变化转换成频率的变化。然后，对波形进行整波，改善波形的陡峭程度和毛刺。由于高频率的方波单片机无法进行采集，通过计数器将高频的方波信号转换成低频率的方波信号。最后，通过单片机对低频率方波进行采集，通过测量占空比(高电平持续时间/)的不同，测量出湿度的变化情况。

[0016] 由此可见，本实用新型结构简单合理，安装方便，使用时只要插入土壤一个深坑中，每对金属环即可检测对应高度的土壤湿度，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0018] 附图1为本实用新型的主视图。

[0019] 附图2为本实用新型的左视图。

[0020] 附图3为本实用新型的温度探头安装结构示意图。

[0021] 附图4为本实用新型的电路原理图。

[0022] 附图5为单片机AD采集电路结构图

[0023] 图中，1为电源接口，2为无线通信模块，3为电路板，4为支架，5为壳体，6为金属环，7为温度探头，7-1金属片，7-2弹簧。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做出说明。

[0025] 如图1、图2所示的一种电容式多层土壤温湿度检测装置，包括：下端呈V字型的绝缘壳体5，壳体5内部设有支架4、无线通信模块2、电路板3、温度探头7和电源接口1，在所述支架上自上而下以预设距离间隔设有多个湿敏电容，所述湿敏电容包括2个电极，所述电极为金属环6，所述每两个金属环6之间以预设间距同心固定安装在支架4上。无线通信模块2和电路板3均固定安装在支架4上，电路板3上设置有电容式土壤湿度转换电路，湿敏电容与电容式土壤湿度转换电路连接；所述温度探头7安装在电路板3上；所述电源接口1固定安装在壳体5上部，无线通信模块2、温度探头7分别与电路板3连接。

[0026] 如图2、图3所示，所述金属环6与电路板3之间电连接，方便采集电压数据。所述壳体5内设有无线通信模块2，将电路板3的信号通过无线网络传送至服务器。壳体采用绝缘体，如：塑料、陶瓷。壳体内设有连接电源的电源接口，电源可采用太阳能、风能，方便室外使用。所述温度探头7安装在两个金属环6中间，且温度探头7一端被固定在电路板上的弹簧7-2顶着，温度探头7的另一端受弹力作用与壳体上的金属片7-1接触，所述金属片7-1设在壳体上的通孔内，金属片与土壤接触，方便将土壤温度传导至温度探头7，用于检测土壤温度，温度探头7与电路板3之间电连接，方便采集温度数据。

[0027] 如图4、图5所示，电容式土壤湿度转换电路包括：单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路；所述单稳态触发电路、波形整形电路、方波信号转换电路和单片机AD采集电路依次连接。

[0028] 单稳态触发电路用于将采集到的电容变化转换成方波频率的变化并输出到波形整形电路；具体包括：定时器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R14、电容C5、电容C6、电容C9、湿敏电容P4；定时器U3的第一脚、电容C6的第二端分别接地；定时器U3的第二脚分别与定时器U3的第六脚、电阻R12的第二端、电容C9的第一端、湿敏电容P4的第一端连接；定时器U3的第三脚与电阻R14的第一端连接；定时器U3的第四脚、定时器U3的第八脚、电阻R10的第一端、电阻R11的第一端、电容C5的第一端分别与电源连接；定时器U3的第五脚与电容C6的第一端连接；定时器U3的第七脚分别与电阻R10的第二端、电阻R12的第一端连接；湿敏电容P4的第二端、电容C9的第一端分别接地；电阻R14的第二端与电阻R11的第二端连接；电容C5的第二端接地。其中，定时器U3采用TLC555定时器，电源采用3.3V电源，电阻R10的阻值为49.4KΩ，电阻R1的阻值为1MΩ，电阻R12的阻值为560KΩ，电阻R14的阻值为1KΩ，电容C5的容值为100nF,电容C6的容值为100nF，电容C9的容值为470nF。

[0029] 波形整形电路用于对波形进行整波，改善波形的陡峭程度和毛刺；具体包括：施密特触发器U5、电容C8；施密特触发器U5的第二脚与电阻R14的第二端连接，施密特触发器U5的第三脚接地，施密特触发器U5的第四脚接地，施密特触发器U5的第五脚、电容C8的第一端分别与电源连接，电容C8的第二端接地。施密特触发器U5采用74LVC1G17单路施密特触发缓冲器，电容C8的容值为100nF。

[0030] 方波信号转换电路用于将波形整形电路输出的高频率方波信号转换成低频率的方便信号；具体包括：计数器U4、电阻R13、电阻R15、电容C7；计数器U4的第三脚与电阻R13的第一端连接，电阻R13的第二端与单片机AD采集电路连接；计数器U4的第八脚、计数器U4的第十一脚分别接地；计数器U4第十脚与电阻R15的第二端连接，电阻R15的第一端与施密特触发器U5的第四脚连接；计数器U4的第十六脚、电容C7的第一端分别与电源连接，电容C7的第二端接地。其中，计数器U4采用MC14020B计数器，电阻R13的阻值为1KΩ，电阻R15的阻值为1KΩ，电容C7的容值为100nF。

[0031] 单片机AD采集电路通过单片机对低频率方波进行采集，通过测量占空比计算出土壤的湿度值。具体包括：单片机U1和电阻R1；所述单片机U1的第一脚与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端接地；单片机U1的第五脚与电源连接，单片机U1的第六脚与电阻R13的第二端连接；单片机U1的第七脚与型号为DS18B20的数字温度传感器连接；单片机U1的第八脚与多级通信电路的数据发送引脚连接，单片机U1的第九脚与多级通信电路的数据接收引脚连接；单片机U1的第十五脚接地，单片机U1的第十六脚与电源连接。其中，单片机U1采用型号为STM32F030F4P6的单片机，电阻R1的阻值为1KΩ。

[0032] 结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

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