一种花盆用土壤湿度传感器及花盆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于检测技术领域，具体是涉及一种花盆用的土壤湿度传感器以及花 盆。
【背景技术】
[0002] 花盆养殖花卉已经成为办公室、家庭的一个重要组成部分，随着物质生活水平的 不断提高和信息化产品的普及，电子花盆、自动浇水花盆、智能花盆等产品不断涌现。然而 作为植物生长的最基本要素之一的土壤水分测量已经成为智能花盆设计的重中之重，特别 是低成本土壤湿度传感器在花盆设计中起到了的关键作用。
[0003] 土壤湿度传感器是上个世纪七、八十年代国内外迅速发展起来的一项农业高科技 产品，由于其结构复杂、成本高昂，大多局限在农业科研及试验室应用场合。土壤水分的测 量方法很多，如烘焙称重、传感器测量、红外光谱分析等，使用传感器测量相对简单，然而作 为一个消费电子产品的智能花盆来说，任何体积庞大、成本高企、消耗电力的方法都不可 使。随着今天物联网技术的发展，利用电子信息技术，设计制造一种低成本的土壤湿度传感 器，完全可以实现对花盆土壤水分进行测控，这也是本申请的发明初衷。
[0004] 以往的土壤湿度传感器产品主要是电导型和介电型，电导型分为电子导电型和离 子导电型二种。电子导电型是通过水分子将导电体粉末吸湿后发生膨胀或收缩，改变其电 阻进行测量。离子型是采用高分子湿敏材料，在水分子作用下，离子间相互作用减弱，迀移 率增加，水分子电离后载体也增加，膜电导也随之变化，从而进行测量。但是土壤的复杂性 是电导法难以界定的，因为土壤是非均质、多相、分散、颗粒化、多孔系统，土壤湿度测量必 须考虑土壤容重、质地、结构、化学组成、含盐量等基本的物理、化学特性及变化规律，这就 使得电导法不能正确地反映真正的土壤湿度。介电型是采用高频电磁振荡原理，电容器极 板作为探头插入土壤进行测量，利用土壤含水率不同时，其极板间的等效介电是土壤含水 量的线性函数，但此类传感器易受电极形状、电极间隔等因素影响，使用前需要标定。此类 土壤湿度传感器价格不菲，且尺寸较大，任然难以置入一个小小花盆。不过土壤湿度传感器 测量速度较快，适合田间、地头的现场测试。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供一种花盆用土壤湿度传感器，不易受到土壤无机盐导电 率的影响，成本低廉，基本满足消费电子类产品的土壤湿度要求。
[0006] 本实用新型是通过以下的技术方案来实现的。
[0007] 提供一种花盆用土壤湿度传感器，属于介电型土壤传感器的一种，探头包括一对 电极、以及具有屏蔽电磁的基板，电极采用特定形状的不锈钢凸点电极，巧妙地固定在花盆 的内壁，具体是基板固定在花盆的内侧壁，电极固定在基板的内侧面上。
[0008] 所述两个电极为条状的凸点电极，相互平行垂直或横向固定在基板上。在一定的 电磁振荡频率下，形成特定方向的平板介质电容器电场，电场切割部分土壤，当土壤湿度不 同时，振荡频率做相应的衰减变化，其电学特性可以用一个阻容网络模拟出来，再利用标准 土壤湿度仪器校验，相对标定花盆的土壤湿度。
[0009] 参考图1所示，优选的，所述基板为PCB板，阻止电极产生的电磁射向花盆外。进 一步的，所述的电极及基板上覆盖有防水绝缘层。
[0010] 进一步的，土壤湿度传感器还包括电路部分，一种选择是所述电路部分为一负反 馈运算放大器，所述探头与电路部分连接，输入端连接探头上，输出端连接在电路部分。以 电极作为两极组成一电容器Cx，与电阻Rx串联，其一端与输入端连接，另一端与负反馈运 算放大器连接。
[0011] 提供的另一种选择是所述电路部分包括一时基电路，时基电路的至少两个接口连 接两个电极，另两个接口连接输入端与输出端。
[0012] 本实用新月型的技术效果是，传感器成本低廉具有很好的使用价值，不易受到土 壤无机盐导电率的影响；探头体积小适应性强；所测量的土壤湿度精确度高，电路工作稳 定。
【附图说明】
[0013] 图1是实施例中的花盆与土壤湿度传感器探头的结构原理图。
[0014] 图2是实施例中的土壤湿度传感器的探头的正面结构视图。
[0015] 图3是实施例中的土壤湿度传感器的探头的侧面结构视图。
[0016] 图4是实施例中的土壤湿度传感器的电路部分一种结构原理图。
[0017] 图5是实施例中的土壤湿度传感器的电路部分另一种结构原理图。
[0018] 图6是实施例中的土壤湿度传感器中的电容器Cx充放电原理视图。
【具体实施方式】
[0019] 以下通过附图与具体实施例对本实用新型的技术方案作详细说明。
[0020] 参照图1、图2、图3所示，本实施例的花盆用土壤湿度传感器的探头部分是一对条 状不锈钢材料制成的凸点电极11，其底部有足够的边沿固定在一块具有电磁屏蔽的PCB 板12上，二个凸点电极11位置固定，并在凸点电极的四周及PCB板上嵌入防水绝缘材料层 13，PCB板则固定在花盆14的内侧壁，由于PCB板具有电磁屏蔽，能阻止电极产生的电磁场 射向花盆外，该电极工作时电场方向朝向花盆13内的土壤部分，通过凸点电极构成的电容 器充、放电过程，感知花盆土壤水分的变化，基于不同含水率的土壤影响电容的变化，使得 这一探头用于测量成为现实。
[0021] 由于不锈钢电极耐酸碱腐蚀，所以该探头具有很好的使用价值，且成本低廉。
[0022] 本实施例的土壤湿度传感器的电路部分是通过以下方法实现的。
[0023] 参照图4所示，以不锈钢的凸点电极作为一个电容器的电极，土壤湿度传感器的 探头可简化为一个介质电容器Zc，如图4中的虚线部分Cx、Rx ;电路部分AMP为一个负 反馈运算放大器。Zc与AMP构成一个有源微分电路，在一定频率下，输入信号Vin经过 土壤介质衰减，经过微分电路测量出衰减后的信号Vout。当一定频率的输入信号Vin经 过Zc和AMP后，由于受反馈电阻Rf及土壤探头电极电容器Zc影响，输出电压Vout会相 应的得到衰减，再通过标准的土壤湿度仪器校验，换算出对应的土壤湿度，数学模型为：
[0024] 实际上为了降低成本，还提供另一种电路部分，如图5所示，可采用廉价的 NE555时基电路完成前述的功能。以下结合附图4说明其电路原理，输出频率数学模型：
当振荡频率IMHz以下时，Rx的影响可以忽略，以后简称Cx。
[0025] 选取合适的 Rl，R2, C1，例如 Rl = 200K，R2 = 100K，Cl = 0· Oluf 时，时基电路的 输出频率，即脉冲宽度tl、t2近似地与土壤的湿度成线性关系，再利用单片机I/O 口读出， 通过标准的土壤湿度仪器校验，即可近似求得花盆的相对土壤湿度指标。
[0026] 参照图6所示，土壤湿度传感器中的电容器Cx充放电原理是：当接通电源瞬间，土 壤湿度传感器Cx上电压为零，此时2、6端电压低于l/3Vcc，输出端3被置高电位，时基电 路内部放电管截。随着Rl、R2对土壤湿度传感器Cx充电，Cx端电压逐渐升高，当2、6端电 压达到2/3Vcc时，输出端3被置低电平，完成充电脉宽tl，时基电路内部放电管开始导通， 经过土壤湿度传感器Cx及放电管放电，Cx电压逐渐降低，当2、6端电压低于1/3VCC时，输 出端3被置高电平，时基电路内部放电管截止，完成放电脉宽t2, tl+t2完成一个振荡周期， 在输出端3形成近似矩形的脉冲信号Vout，通过单片机I/O接入进行数据处理。
[0027] 本实施例的土壤湿度传感器经过批量生产验证，其制造成本低廉，所测量的土壤 湿度精确度高，电路工作稳定，可作为消费类智能花盆的配套使用。
【主权项】
1. 一种花盆用土壤湿度传感器，包括探头，其特征在于，所述探头包括一对电极、以及 具有屏蔽电磁的基板，所述基板固定在花盆的内侧壁，电极固定在基板的内侧面上。2. 根据权利要求1所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，所述两个电极为条状 的凸点电极，相互平行垂直或横向固定在基板上。3. 根据权利要求1所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，所述基板为PCB板，阻 止电极产生的电磁射向花盆外。4. 根据权利要求1任意项所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，所述的电极及 基板上覆盖有防水绝缘层。5. 根据权利要求1-4任意一项所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，还包括有 电路部分，所述电路部分为一负反馈运算放大器，所述探头与电路部分连接，输入端连接探 头上，输出端连接在电路部分。6. 根据权利要求5所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，以电极作为电容器两 个极板组成一电容器Cx，其一端与输入端连接，另一端与负反馈运算放大器连接。7. 根据权利要求1-4任意一项所述的花盆用土壤湿度传感器，其特征在于，还包括有 电路部分，所述电路部分包括一时基电路，时基电路的至少两个接口连接两个电极，另两个 接口连接输入端与输出端。8. -种花盆，包括如权利要求1-4任意一项所述的花盆用土壤湿度传感器。
【专利摘要】本实用新型涉及一种花盆用土壤湿度传感器及花盆，包括探头，其特征在于，所述探头包括一对电极、以及具有屏蔽电磁的基板，所述基板固定在花盆的内侧壁，电极固定在基板的内侧面上。所述两个电极为条状的凸点电极，相互平行垂直或横向固定在基板上。所述基板为PCB板，阻止电极产生的电磁场射向花盆外。所述的电极及基板上覆盖有防水绝缘层。该传感器探头不易受到土壤无机盐导电率的影响；探头体积小适应性强；所测量的土壤湿度精确度高，电路工作稳定。
【IPC分类】G01N27/22
【公开号】CN205015307
【申请号】CN201520618585
【发明人】高爽
【申请人】深圳市亿博兰科技有限公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年8月17日