一种植物生长的土壤和环境检测电路的制作方法

本发明涉及植物培育技术领域，具体为一种植物生长的土壤和环境检测电路。

背景技术：

土壤水分是土壤的重要组成部分，是植物生存的必要的物质之一。快速检测出土壤水分的含量，不仅能够知晓植物生长的环境条件，同时还可以实现自动灌溉，对于营造良好的作物生长环境和提高水资源的利用率具有非常大的实际意义。研究表明，土壤电导率能在不同程度反映土壤中盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和空隙等参数大小。这些参数大小的改变能够影响植物的生长健康，有效获取到土壤电导率的相对大小，做到实时控制植物生长需要的有机物质，不进仅能够保证植物的生长状况还能为精细农业的发展做出实质的研究实验。各种植物的发育和生长都需要合适的环境温度，温度的变化直接影响植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等等生理作用，很多时候由于种植者没有注意到植物的生长环境温度，直接造成植物的死亡或者停止生长。因此，检测环境温度对于合理调节植物生长的环境条件非常有必要。光照和温度一样，在植物生长的各个环节都是必须环境因素之一，光照过强，会造成植物的蒸腾作用大于光合作用，光照太弱，植物的呼吸作用大于光合作用。太强的光照和太暗的环境都不利于植物的生长。

因此，随着现代精细农业思想的深入和智能信息监测技术的发展，做到实时检测植物生长的微环境对于提高水资源的利用率，实现土壤信息的精确管理，在智能信息化发展迅速的今天，具有广阔的前景和市场。

技术实现要素：

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种植物土壤和环境检测电路，解决了的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种植物土壤生长和环境检测电路，包括电路的整体框架，所述电路的整体框架有渡铂探头传感器、pcb极板电容式传感器、交流信号产生模块、方波产生模块、信号调理模块（1、2、3、4）、直流信号输出模块、温度测量模块、光照强度监测模块，所述信号产生模块，在测量土壤水分的时候，包括数字芯片ne555，所述数字芯片ne555的第一引脚直接接地，第二引脚以及第六引脚外接电容c7，之后再接地，第三引脚外接电阻r6，第五引脚外接电容c5，之后再接地，第四引脚外接电源，且第四引脚与第七引脚之间电连接有电阻r2，所示第二引脚与第七引脚之间电连接有电阻r5，第八引脚外接电容c2以及电容c3，电容c2以及电容c3分别电连接电源以及地线，所述电阻r6外接pcb极板电容式传感器，所述pcb极板电容式传感器外接整流二极管d2，所述整流二极管d2分别外接电阻r9、电容c6、电阻r8以及电阻r10，所述电阻r9的输出端接地，电阻r8以及电阻r10之间电连接有电容c8；在测量土壤电导率的时候，选择芯片的第三引脚280khz方波输出端，所述电导率电路图包括数字芯片cd4060，所述数字芯片cd4060的第八引脚端分别与电容c22以及电容c23电连接，所述电容c22以及电容c23的输出端接地，所述数字芯片cd4060的第九、十以及十一引脚端分别与电容c24、电阻r26以及电阻r27的输入端电连接，所述电容c24、电阻r26以及电阻r27的输出端相互电连接，所述数字芯片cd4060的第十六引脚端外接电容c14以及电容c16，所述电容c14以及电容c16均接地，所述数字芯片cd4060的第十三引脚端外接电阻r22，所述电阻r22的输出端与运算放大器lf353的反相输入端电连接，所述运算放大器lf353的同相输入端外接电阻r19，所述电阻r19的输出端接地，所述运算放大器lf353的电源引脚端分别外接电容c15以及电容c19，所述电容c15以及电容c19均接地，所述运算放大器lf353的反相输入端与输出端直接通过电阻r23相连，所述运算放大器lf353的输出端与渡铂探头传感器的输入端电连接，所述渡铂探头传感器的输出端与数字芯片ca3140的第二引脚电连接，所述数字芯片ca3140的第三引脚外接一个电阻r20后再接地，所述数字芯片ca3140的第四引脚外接一个电容c17后再接地，所述数字芯片ca3140的第七引脚外接一个电容c21后接地，所述数字芯片ca3140的第二引脚与第六引脚之间电连接有电阻r17，所述数字芯片ca3140的第六引脚外接一个电阻r21后再与数字芯片op07的第二引脚电连接，所述数字芯片op07的第三、四引脚分别外接电阻r20以及电容c25，所述电阻r2o以及电容c25均接地，所述数字芯片op07的第二引脚与第六引脚之间电连接有二极管d3、d4以及电阻r18，所述数字芯片op07的第七引脚外接电容c20后再接地，所述数字芯片op07的输出端与电阻r24连接后再与运算放大器lf353同相输入端相连接。在测量土壤电导率的时候，选择芯片的第十四引脚200hz方波输出端，信号产生过模块的信号分别通过传感器后，经过信号调理电路后得到直流输出电压；所述温度测量电路选择nationalsemiconductor生产的to-92型封装lm35dz温度传感器，所述lm35dz温度传感器的第一引脚外接电容c4，之后再接地，第二引脚外接电阻r1，第三引脚直接接地，所述电阻r1的输出端与lmv321单运算放大器的第一引脚电连接，所述lmv321单运算放大器的第二引脚接地，所述lmv321单运算放大器的第三引脚接地，所述lmv321单运算放大器的第四引脚分别与电阻r3以及电阻r4的输入端电连接，所述电阻r4的输出端外接电阻后再接地，所述lmv321单运算放大器的第五引脚外接电源，所述第五引脚与电容c1电连接，所述电容c1的输出端接地，所述电阻r3的输出端与电容c5的输入端电连接，所述电容c5的输出端接地；在测量光照强度的时候，所述lm358运算放大器（u3a）的同相输入端电连接电阻r12的输入端，所述电阻r12的输出端分别与光敏电阻r、电阻r14以及电容c12的输入端电连接，所述电阻r14以及电容c12的输出端均接地，所述光敏电阻r的输出端与电阻r11的输入端电连接，所述电阻r11的输出端分别与电容c10、电容c11以及电源电连接，所述电容c10以及电容c11的输出端均接地，所述lm358运算放大器（u3a）的反相输入端分别与电阻r15以及电阻r16的输入端电连接，所述电阻r15的输出端接地，所述lm358运算放大器（u3a）的输出端与电阻r13的输入端电连接，所述电阻r13的输出端分别与电容c13以及lm358运算放大器（u3b）的同相输入端电连接，所述电容c13的输出端接地，所述lm358运算放大器（u3b）的反相输入端与mcu的adc引脚相连电连接，所述光照强度监测模块使用的常见的φ5系列5528光敏电阻r。

优选的，所述交流信号模块采用数字芯片cd4060，方波产生模块采用ne555。

优选的，所述信号调理电路1采用二极管和电容组成的半波整流电路。

优选的，所述信号调理电路2采用j-fet型运算放大器组成的反相放大电路。

优选的，所述信号调理电路3采用ca3140型运算放大器组成的反相放大电路。

优选的，所述信号调理电路3采用op07组成的精密整流电路。

优选的，所述温度采集模块采用lm35dz精密温度传感器。

优选的，所述光敏电阻r采用常见的φ5系列5528光敏电阻。

（三）有益效果

本发明提供了一种植物生长土壤和环境检测电路。具备以下有益效果：

（1）、该植物生长土壤和环境检测电路，成本低，体积小，使用方便；数字芯片ne555和数字芯片cd4060抗干扰能力强，电路稳定；所使用的测温芯片lm35dz精度高，使用方便，光敏电阻成本低，对环境光照强度变化敏感，测量效果明显，使用寿命长。

（2）、该植物生长土壤和环境检测电路，通过设置选择交流方波，交流信号加载在传感器探针两级，能够减小由电化学反应给土壤带来影响；环境温度检测使用的数字传感器lm35dz，测量温度范围在-50℃~+150℃，完全能够测量温度范围的需求，为了提高温度测量灵敏度，将lm35dz提供的10mv/℃变化信号经过lmv321单运算放大器组成的同相放大电路，光敏电阻电路中当光照发生变化时，流过光敏电阻电流发生改变，电阻r14上流过的电流发生改变，电压发生改变，经过运放放大以后，mcu通过判断电压的大小来判断光照强度的变化。

附图说明

图1为本发明植物环境检测结构原理框图；

图2为本发明水分检测原理图；

图3为本发明温度检测原理图；

图4为本发明光照强度检测原理图；

图5为本发明电导率检测局部原理图；

图6为本发明电导率检测局部原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种植物生长土壤和环境检测电路，包括电路的整体框架，电路的整体框架有渡铂探头传感器、pcb极板电容式传感器、交流信号产生模块、方波产生模块、信号调理模块（1、2、3、4）、直流信号输出模块、温度测量模块、光照强度监测模块，交流信号模块采用数字芯片cd4060，方波产生模块采用ne555，通过cd4060数字芯片输出交流方波信号，在测量土壤电导率的时候，选择芯片的q6输出引脚，输出200hz的交流方波，峰峰值为10v，在测量土壤水分的时候，选择ne555的3脚输出引脚，输出280khz正幅值方波，峰峰值为5v，选择交流方波的原因是交流信号加载在传感器探针两级，能够减小由电化学反应给土壤带来影响，信号调理电路1采用二极管和电容组成的半波整流电路，信号调理电路2采用j-fet型运算放大器组成的反相放大电路，信号调理电路3采用ca3140型运算放大器组成的反相放大电路，信号调理电路3采用op07组成的精密整流电路，温度采集模块采用lm35dz精密温度传感器，交流信号产生模块，在测量土壤水分的时候，如图2所示，包括数字芯片ne555，数字芯片ne555的第一引脚直接接地，第二引脚以及第六引脚外接电容c7，之后再接地，第三引脚外接电阻r6，第五引脚外接电容c5，之后再接地，第四引脚外接电源，且第四引脚与第七引脚之间电连接有电阻r2，所示第二引脚与第七引脚之间电连接有电阻r5，第八引脚外接电容c2以及电容c3，电容c2以及电容c3分别电连接电源以及地线，电阻r6外接水分检测传感器，水分检测传感器外接整流二极管d2，整流二极管d2分别外接电阻r9、电容c6、电阻r8以及电阻r10，电阻r9的输出端接地，电阻r8以及电阻r10之间电连接有电容c8；在测量土壤电导率的时候，尤其需要说明的是，为了更加清晰地对电导率的原理图进行说明，在本说明书附图中，电导率由附图5以及附图6构成，附图5为电导率电路图的前半部分，附图6为电导率电路图的后半部分，选择芯片的第三引脚280khz方波输出端，所述电导率电路图包括数字芯片cd4060，所述数字芯片cd4060的第八引脚端分别与电容c22以及电容c23电连接，所述电容c22以及电容c23的输出端接地，所述数字芯片cd4060的第九、十以及十一引脚端分别与电容c24、电阻r26以及电阻r27的输入端电连接，所述电容c24、电阻r26以及电阻r27的输出端相互电连接，所述数字芯片cd4060的第十六引脚端外接电容c14以及电容c16，所述电容c14以及电容c16均接地，所述数字芯片cd4060的第十三引脚端外接电阻r22，所述电阻r22的输出端与运算放大器lf353的反相输入端电连接，所述运算放大器lf353的同相输入端外接电阻r19，所述电阻r19的输出端接地，所述运算放大器lf353的电源引脚端分别外接电容c15以及电容c19，所述电容c15以及电容c19均接地，所述运算放大器lf353的反相输入端与输出端直接通过电阻r23相连，所述运算放大器lf353的输出端与渡铂探头传感器的输入端电连接，所述渡铂探头传感器的输出端与数字芯片ca3140的第二引脚电连接，所述数字芯片ca3140的第三引脚外接一个电阻r20后再接地，所述数字芯片ca3140的第四引脚外接一个电容c17后再接地，所述数字芯片ca3140的第七引脚外接一个电容c21后接地，所述数字芯片ca3140的第二引脚与第六引脚之间电连接有电阻r17，所述数字芯片ca3140的第六引脚外接一个电阻r21后再与数字芯片op07的第二引脚电连接，所述数字芯片op07的第三、四引脚分别外接电阻r20以及电容c25，所述电阻r2o以及电容c25均接地，所述数字芯片op07的第二引脚与第六引脚之间电连接有二极管d3、d4以及电阻r18，所述数字芯片op07的第七引脚外接电容c20后再接地，所述数字芯片op07的输出端与电阻r24连接后再与运算放大器lf353，在测量土壤电导率的时候，选择芯片的第十四引脚200hz方波输出端，信号产生模块的信号分别通过传感器后，经过信号调理电路后得到直流输出电压；温度测量电路选择nationalsemiconductor生产的to-92型封装lm35dz温度传感器，如图3，lm35dz温度传感器的第一引脚外接电容c4，之后再接地，第二引脚外接电阻r1，第三引脚直接接地，电阻r1的输出端与lmv321单运算放大器的第一引脚电连接，lmv321单运算放大器的第二引脚接地，lmv321单运算放大器的第三引脚接地，lmv321单运算放大器的第四引脚分别与电阻r3以及电阻r4的输入端电连接，电阻r4的输出端外接电阻后再接地，lmv321单运算放大器的第五引脚外接电源，第五引脚与电容c1电连接，电容c1的输出端接地，电阻r3的输出端与电容c5的输入端电连接，电容c5的输出端接地；在测量光照强度的时候，如图4所示，lm358运算放大器（u3a）的同相输入端电连接电阻r12的输入端，电阻r12的输出端分别与光敏电阻r、电阻r14以及电容c12的输入端电连接，电阻r14以及电容c12的输出端均接地，光敏电阻r的输出端与电阻r11的输入端电连接，电阻r11的输出端分别与电容c10、电容c11以及电源电连接，电容c10以及电容c11的输出端均接地，lm358运算放大器（u3a）的反相输入端分别与电阻r15以及电阻r16的输入端电连接，信号调理模块1由lf353组成的反向放大电路，lf353为j-fet型工艺运放，将输入信号的幅值进行减弱的同时并减小输出阻抗，起到信号的缓冲作用，减弱的程度取决于反馈电阻r15和输入电阻r12，处理后的信号经过传感器后进入高输入阻抗ca3140型运算放大器组成的反向放大电路，放大倍数取决于反馈电阻r13和土壤的等效电阻和电容，反向放大后的信号通过精密型op07运算放大器组成的整流电路，滤波后得到正幅值的直流电压，电阻r15的输出端接地，lm358运算放大器（u3a）的输出端与电阻r13的输入端电连接，电阻r13的输出端分别与电容c13以及lm358运算放大器（u3b）的同相输入端电连接，电容c13的输出端接地，lm358运算放大器（u3b）的反相输入端与mcu的adc引脚相连电连接，mcu根据输出直流电压的大小判断土壤水分的含量和电导率的相对大小，环境温度检测使用的数字传感器lm35dz，测量温度范围在-50℃~+150℃，完全能够测量温度范围的需求，为了提高温度测量灵敏度，将lm35dz提供的10mv/℃变化信号经过lmv321单运算放大器组成的同相放大电路，光照强度监测模块使用的常见的φ5系列5528光敏电阻r，光敏电阻电路中当光照发生变化时，流过光敏电阻r电流发生改变，电阻r14上流过的电流发生改变，电压发生改变，经过运放放大以后，mcu通过判断电压的大小来判断光照强度的变化。

使用时，通过cd4060数字芯片输出交流方波信号，在测量土壤电导率的时候，选择芯片的q6输出引脚，输出200hz的交流方波，峰峰值为10v，在测量土壤水分的时候，选择ne555的3脚输出引脚，输出280khz正幅值方波，峰峰值为5v，选择交流方波的原因是交流信号加载在传感器探针两级，能够减小由电化学反应给土壤带来影响，信号调理模块1由lf353组成的反向放大电路，lf353为j-fet型工艺运放，将输入信号的幅值进行减弱的同时并减小输出阻抗，起到信号的缓冲作用，减弱的程度取决于反馈电阻r15和输入电阻r12，处理后的信号经过传感器后进入高输入阻抗ca3140型运算放大器组成的反向放大电路，放大倍数取决于反馈电阻r13和土壤的等效电阻和电容，反向放大后的信号通过精密型op07运算放大器组成的整流电路，滤波后得到正幅值的直流电压，mcu根据输出直流电压的大小判断土壤水分的含量和电导率的相对大小，环境温度检测使用的数字传感器lm35dz，测量温度范围在-50℃~+150℃，完全能够测量温度范围的需求，为了提高温度测量灵敏度，将lm35dz提供的10mv/℃变化信号经过lmv321单运算放大器组成的同相放大电路，光敏电阻电路中当光照发生变化时，流过光敏电阻r电流发生改变，电阻r14上流过的电流发生改变，电压发生改变，经过运放放大以后，mcu通过判断电压的大小来判断光照强度的变化。

综上所述，该植物生长土壤和环境检测电路，成本低，体积小，使用方便；数字芯片ne555和数字芯片cd4060抗干扰能力强，电路稳定；所使用的测温芯片lm35dz精度高，使用方便，光敏电阻成本低，对环境光照强度变化敏感，测量效果明显，使用寿命长。

需要说明的是，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220v市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备，其控制原理、内部结构以及控制开关方式等均为现有技术的常规手段，此处直接引用，不做赘述，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。