专利名称：一种数字化土壤水分温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种土壤水分、温度传感器，尤其是一种数字化土壤水分温度传感器。
背景技术：
市场上现有的土壤水分、温度测量设备主要为单独的模拟输出(土壤水分)湿度传感器和单独的PT1000温度传感器，模拟输出(土壤水分)湿度传感器是通过单独的信号线将测量的模拟信号进行传递，通过后端的采集设备将传递出的模拟信号进行处理得到土壤湿度值；PT1000温度传感器也是通过单独的信号线将测量的模拟信号进行传递，并将传递出的模拟信号通过后端的采集设备进行处理得到土壤温度值，这种设备在使用时存在以下缺点 1);每个水分、温度测量设备都需要一个单独的探针深入土壤中，造成同一点测量插入两个单独的传感器，引起土壤松动，过多的破坏土壤的原位结构； 2);每个测量探针的模拟信号传递需要独立的数据线，不利于长距离、多探针测量(工程或系统或方案)设备的使用； 3);模拟信号在传递中有信号损失，影响测量结果； 4) ;土壤水分和温度信号非线性误差大，需要通过后端的采集设备做曲线拟合；[0007] 5);组成测量系统整体结构复杂，大量使用时，使用的电缆多，浪费电缆，成本高，使用不方便。
6) 土壤水分测量信号源不稳定，易受土壤水分含量和环境温度的影响。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种数字化土壤水分温度传感器，克服了上述产品整体
结构复杂，综合成本高及使用不方便的不足。 本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现 —种数字化土壤水分温度传感器，包括、外壳、电路板、探针和连接线，所述外壳内套置电路板，外壳左端连接连接线，连接线连接电路板，外壳右端固定探针，探针内设置热敏电阻，探针及探针内的热敏电阻与电路板连接，通过探针可同时测量土壤水分和土壤温度；所述电路板上设置一晶体振荡器，晶体振荡器通过两放大器连接测量电路，所述与晶体振荡器接通的放大器还连接一个AGC电路，与测量电路接通的放大器为射极输出放大器，射极输出放大器与AGC电路接通；所述测量电路连接测量湿度的探针，探针内的热敏电阻连接电路板上的恒流源；所述电路板上还设置电源模块、单片机和数模转换器，数模转换器连接热敏电阻，数模转换器通过直流放大电路接通连接在探针上的测量电路；数模转换器连接在单片机上，所述单片机上设有进行外部通信的外部端口，外部端口采用SDI-12协议标准接口 ，单总线的通讯接口的外部端口连接防雷电电路。 所述单片机设置在外壳内的电路板上，单片机为PIC18F25K20，单片机通过IIC接口连接数模转换器，单片机连接AGC电路；所述单片机内还写入数据处理模块和电源启动模块；所述单片机内还设有两个常见类型土壤的湿度拟合曲线和一个自定特殊曲线。[0013] 所述热敏电阻为PTIOOO。 本实用新型所述的数字化土壤水分温度传感器的有益效果为湿度、温度测量结合在一起，避免多探头一起使用，引起土壤扰动；结构设计合理、简单，使用方便，测量速度快、精度高、稳定性好，体积小、外观精美；采用数字化信息传递，无测量信号传递损失，有利于保障测量精度；采用单总线硬件传递，避免通道不足问题，节约电缆的使用，降低投入成本。
图1是本实用新型实施例所述的数字化土壤水分温度传感器的结构示意图；[0016] 图2是本实用新型实施例所述的数字化土壤水分温度传感器的原理图；[0017] 图3是本实用新型实施例所述的数字化土壤水分温度传感器的局部电路图。[0018] 图中 1、外壳；2、电路板；3、探针；4、连接线；5、热敏电阻；6、单片机；7、电源模块；8、数模转换器；9、放大器；10、数据处理模块；11、电源启动模块；12、晶体振荡器；13、 AGC自动增益控制/补偿；14、恒流源；15、外部端口 ；16、测量电路；17、直流放大电路；18、防雷电电路。
具体实施方式如图1和2所示，本实用新型实施例所述的数字化土壤水分温度传感器，包括连接线4、外壳1、电路板2、探针3，所述外壳1内套置电路板2，外壳1左端连接连接线4，连接线4连接电路板2，外壳1右端固定四个探针3，探针3内设置热敏电阻5，探针3及探针3内的热敏电阻5与电路板2连接，通过探针3测量湿度，热敏电阻5测量温度并将测量结果进行数据转换、处理后采用连接线4进行传送；所述电路板2上设置一晶体振荡器12，晶体振荡器12通过两放大器9连接测量电路16，所述与晶体振荡器12接通的放大器9还连接一个AGC电路13，与测量电路16接通的放大器9为射极输出放大器，射极输出放大器与AGC电路13接通，通过两个放大器9将晶体振荡器12发出的正弦波放大并通过AGC电路13协同增强正弦波的稳定性，从而避免了由于不同的水分含量造成的信号源幅度变化，提高测量的精度；所述测量电路16连接测量湿度的探针3，探针3内的热敏电阻5接入电路板2上的恒流源14 ;所述电路板2上还设置单片机6和数模转换器8，数模转换器8接入体现温度差值的热敏电阻5，数模转换器8通过直流放大电路17接通连接在探针3上的测量电路16，通过数模转换器8将热敏电阻5或探针3测量的模拟信号转换成数据；数模转换器8连接在单片机6上，数模转化器8将测量模拟信号转换成数据信息后传送到单片机6进行数据处理，并利用单片机6的外部端口 15连接的连接线4进行传输，所述单总线的通讯接口的外部端口 15接入一防雷电电路18，通过防雷电电路18使得该电路具备防雷电功能。[0021 ] 所述电路板2上还设置一 电源模块7，通过单片机6控制电源模块7为整个电路提供电源。 所述单片机6设置在外壳1内的电路板2上，可以直接将温度、湿度传感设定及其他设定进行调整及设定值，使得连接线4输出的数字信号有规律，易控制，有对比性等；所述单片机6为PIC18F25K20，单片机6通过IIC接口连接数模转换器8，单片机6连接AGC电路13 ;所述单片机6内还写入一个数据处理模块10，单片机6内写入一个电源启动模块11，电源启动程序11可控制电源7向数模转换器8和恒流源14供电；所述单片机6内还设有两个常见类型土壤的湿度拟合曲线，并可根据客户自己测量的土壤特性设定一个特殊曲线，以便于提高测量精度。 所述单片机6的外部端口 15采用SDI-12协议标准接口 。 所述热敏电阻5为PT1000，通过PT1000可测量土壤的温度范围为_20 80°C 。[0025] 所述土壤水分可测量范围为0-100% 。 所述AGC电路13为自动增益控制/补偿，它的作用是当信号源较强时，使其增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证了强弱信号的均匀性提高信号源的稳定性，保证了土壤水分测量的精度。 本实用新型实施例所述的数字化土壤水分温度传感器，在使用时，所述ADC电路13为16bit，内置1-8倍增益放大器，两路差分输入， 一路作为土壤水分测量用， 一路作为土壤温度测量用。完成模拟信号到数字信号的转换，通过IIC接口与单片机6进行通信，并将转换的结果传输给单片机6。 其原理为在常温状态下，水的介电常数约为80，土壤固相物质的介电常数约为3 5，空气的介电常数为1 ，影响土壤介电常数主要是含水率，土体内的介电常数主要依赖于土壤容积含水量。 土壤水分测量是采用晶体振荡器12产生高频信号，并传输到平行金属探针3上，产生的信号与返回的信号叠加，通过测量信号的振幅来测量土壤水分含量。探针3对土壤中的离子电导率不敏感，通过探针3测量土壤的介电常数，由于水的介电常数大约为80，土壤基质的介电常数一般为3-5，而空气的介电常数为l，这样在有效测量体积范围内，土壤的介电常数主要取决于土壤中水分的含量。 由晶体振荡器12产生IOO腿Z正弦波，经信号放大器9放大，并通过信号放大器9连接的AGC电路13进行自动增益控制，信号经AGC电路13调控放大后再经射极输出放大器(放大器9)放大，并通过测量电路16发送到探针3，测量电路16同时比较探针3的信号幅度和基准源幅度的差值，即土壤水分介电常数。 射极输出放大器2输出的信号一路传输给AGC电路13，目的是通过AGC电路控制信号放大器9，使测量电路16能得到一个幅度非常稳定的信号；同时，另一路传输给基准源和探针3 ;并经直流放大电路17放大测量电路16产生的反应土壤水分含量的信号，信号输出0-2000mV，对应于土壤含水量0-100%。 当单片机6接收到采集指令后，单片机6首先通过RB 口置高电平启动供电，并通过RC5 口置高电平直接向数模转换器8和恒流源14供电。在供电稳定l秒后，启动数模转换器8进行测量，测量完毕关闭后相应的电源以减少功耗。 以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式
的一种，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。
权利要求一种数字化土壤水分温度传感器，包括外壳、电路板、探针和连接线，所述外壳内套置电路板，外壳左端连接连接线，连接线连接电路板，外壳右端固定探针，其特征在于探针内设置热敏电阻，探针及探针内的热敏电阻与电路板连接；其电路结构为电路板上设置一晶体振荡器，晶体振荡器通过两放大器连接测量电路，与测量电路接通的信号放大器为射极输出放大器，所述测量电路连接探针，探针内的热敏电阻连接电路板上的恒流源；所述电路板上还设置电源模块、单片机和数模转换器，数模转换器连接热敏电阻，数模转换器通过直流放大电路接通连接在探针上的测量电路；所述数模转换器连接在单片机上，单片机上设有进行外部通信的外部端口，外部端口采用单总线接口。
2. 根据权利要求1所述的数字化土壤水分温度传感器，其特征在于单片机为PIC18F25K20，单片机通过IIC接口连接数模转换器；所述单片机内还写入数据处理模块和电源启动模块。
3. 根据权利要求2所述的数字化土壤水分温度传感器，其特征在于单片机内还设有两个常见类型土壤的湿度拟合曲线和一个自定特殊曲线。
4. 根据权利要求1所述的数字化土壤水分温度传感器，其特征在于单总线的通讯接口的外部端口连接一防雷电电路。
5. 根据权利要求1所述的数字化土壤水分温度传感器，其特征在于外部端口的通信协议采用了 SDI-12协议。
6. 根据权利要求1所述的数字化土壤水分温度传感器，其特征在于传感器的土壤水分测量电路中设有AGC电路，所述AGC电路连接在与晶体振荡器接通的放大器上。
专利摘要本实用新型涉及一种数字化土壤水分温度传感器，包括外壳、电路板、探针和连接线，外壳内套置电路板，外壳左端连接连接线，外壳右端固定探针，探针内设置热敏电阻；所述电路板上设置晶体振荡器，晶体振荡器通过两级放大器连接测量电路，测量电路连接探针；所述电路板上还设置电源模块、单片机和数模转换器，数模转换器连接热敏电阻，数模转换器连接土壤水分测量电路；所述数模转换器连接在单片机上，单片机上设有进行外部通信的外部端口，通信端口采用单总线方式。本实用新型有益效果为结构设计合理、简单，使用方便，测量速度快、精度高、稳定性好，体积小、外观精美；单总线传输，传输距离远，无测量信号损失，有利于保障测量精度。
文档编号G01K7/24GK201477059SQ20092016338
公开日2010年5月19日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者张楠楠, 李新, 苏布达 申请人:北京时域通科技有限公司