多分层土壤湿度传感器的制作方法

本实用新型涉及传感设备技术领域，具体的说是一种多分层土壤湿度传感器，用于精细化农作物管理。

背景技术：

目前，在农业温室大棚中使用的土壤湿度传感器是将两根探针插入土壤探测土壤湿度，土壤的湿度与探针所接触到的土壤的电导率有关。在一些精细化的农作物管理中，需要探测土壤在一个深度范围内的土壤湿度的连续变化情况，即要知道探针插入的土壤中不同土壤深度上的湿度。传统的土壤湿度传感器无法一次检测到，需要将探针多次插入土壤的不同深度进行检测，在操作过程中作业人员不容易准确掌握探针的插入深度，造成测量数据不够准确，无法满足生产需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种多分层土壤湿度传感器，以解决常规使用的探针无法一次检测到土壤在一个深度范围内的土壤湿度值的问题。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案为：

一种多分层土壤湿度传感器，它包括探针和电路板两部分，所述探针包括两块形状相同的绝缘材质的面板和底板，面板和底板的底部为箭头状，面板的后侧与底板的前侧相粘接；面板的一侧沿其长度方向设置有16个均匀间隔的插接孔，面板的前侧在每个插接孔上表面粘贴有一条沿面板宽度方向水平设置的金属电极片，16个金属电极片相互平行排布，16个金属电极片两两一组构成8对正电极和负电极；底板的前侧焊接有16条相互不交接的导线，导线的焊接点与插接孔的位置一一对应，当面板和底板相贴合时，焊接点插入插接孔中，焊接点与金属电极片相抵触，导线的尾部从面板和底板的对接面顶端引出与电路板相连接；

所述电路板的电路包括升压电路、基准电压电路、8个结构相同的土壤电阻采集及处理电路、模数转换电路和模数转换控制及输出信号处理电路五个部分，升压电路的输入端与外部5v电源vcc相连接，升压电路的输出端与基准电压电路相连接，基准电压电路为土壤电阻采集及处理电路、模数转换电路提供稳定的基准电源；探针顶端的导线与土壤电阻采集及处理电路相连接，土壤电阻采集及处理电路与模数转换电路相连接，模数转换电路与模数转换控制及输出信号处理电路相连接，模数转换控制及输出信号处理电路包括一个微型单片机u3；探针将所采集的土壤中不同分层内电阻信号传输给土壤电阻采集及处理电路，经过土壤电阻采集及处理电路对所采集的电阻信号经过电压值的运算、放大后，将模拟电压信号传输给模数转换电路，微型单片机u3控制模数转换电路中信号地址的选择，模数转换电路中的信号经过模数转换控制及输出信号处理电路的运算处理后，得到探针上相应金属电极片构成的正电极和负电极之间的土壤电阻值，表明了土壤的湿度，土壤湿度的结果通过微型单片机u3串口通信端口p3.0和p3.1输出给电路板外部连接的plc工控器或微控器或电脑信号采集板，完成对土壤中不同分层处土壤湿度的计算和显示。

优选的，每个所述土壤电阻采集及处理电路均包括一个集成运放器u1，集成运放器u1的正极输入端与电阻r5串联后与探针上相对应的一个金属电极片构成的正电极相连接，金属电极片构成的正电极与分压电阻r4串联后与基准电压电路中的三端稳压电源模块u4的v0端相连接，集成运放器u1的负极输入端与探针上相对应的一个金属电极片构成的负电极相连接；负电极与集成运放器u1的输出端之间串联有电阻r6和电阻r7，电阻r5、电阻r6和电阻r7构成同向比例放大电路，集成运放器u1的输出端电压等于探头的一个金属电极片构成的正电极节点电压的2倍；集成运放器u1的输出端与模数转换电路中的adc芯片u2的信号输入端i8相连接。

优选的，所述模数转换电路包括adc芯片u2，adc芯片u2的信号输入端i8分别与8个集成运放器的输出端相连接，进行模数信号的转换，adc芯片u2的地址线和输出端均接入单片机rp1，由单片机rp1控制adc芯片u2对地址的选择，模数转换电路的adda、addb、addc和ale端口分别与模数转换控制及输出信号处理电路的p2.0/a8、p2.1/a9、p2.2/a10和p2.3/a11端口相连接。

优选的，所述升压电路包括开关稳压器u5、电感l1、稳压二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、电容c2、电容c3，开关稳压器u5的vi8端与外部5v电源vcc相连接和电感l1的一端相连接，开关稳压器u5的switch端与电感l1的另一端和稳压二极管d1的正极相连接，稳压二极管d1的负极与电容c3的一端相连接，电容c3的另一端接地，稳压二极管d2的负极为升压电路的输出端，输出12v电压。

优选的，所述基准电压电路包括三端稳压电源模块u4，三端稳压电源模块u4的vi端与稳压二极管d2的负极、电容c8的一端相连接，电容c8的另一端接地，三端稳压电源模块u4的v0端电容c7、电阻r9的一端相连接，电容c7、电阻r9的另一端接地；三端稳压电源模块的v0端输出稳定的5v电压，为土壤电阻采集及处理电路和模数转换电路提供准确的参考电压。

本实用新型中：集成运放器u1的型号为lm324，adc芯片u2的型号为adc0808，微型单片机u3的型号为at89c51，三端稳压电源模块u4的型号为7805，开关稳压器u5的型号为lm2577-adj。

本实用新型的工作原理为：

如图6中土壤电阻采集及处理电路中的m1所示，它包括一个型号为lm324的集成运放器u1，集成运放器u1的正极输入端3+与电阻r5串联后与探针上相对应的一个金属电极片构成的正电极p1+相连接，金属电极片构成的正电极p1+与分压电阻r4串联后与基准电压电路中的三端稳压电源模块u4的v0端相连接，集成运放器u1的负极输入端2-与探针上相对应的一个金属电极片构成的负电极p1-相连接；负电极p1-与集成运放器u1的输出端之间串联有电阻r6和电阻r7，电阻r5、电阻r6和电阻r7构成同向比例放大电路，集成运放器u1的输出端电压等于探头的金属电极片构成的正电极p1+节点电压的2倍；集成运放器u1的输出端与模数转换电路中的adc芯片u2的信号输入端i8相连接。

探针插入土壤后，两个金属电极片之间相当于连接了一个电阻，电阻r4和土壤形成的电阻形成一个分压电路（电阻r4的另一端连接在三端稳压电源模块u4的v0端，所以电阻r4前端输入了一个5v基准电压），电阻r4的阻值约等于被测土壤在完全干燥时，两个金属电极片间的阻值。在土壤完全含水时，正电极p1+和负电极p1-之间短路，电阻r5前面的电压为0v（负电极p1-接地）。在土壤干燥时正电极p1+和负电极p1-间电阻等于电阻r4，此时电阻r5前的电压为2.5v。因此电阻r5前的电压随土壤的湿度会在0到2.5v间变化。

因为精确测量2.5v的量程有些太小，因此引入了集成运放器u1、电阻r5、电阻r6和电阻r7构成的同向比例放大电路，集成运放器u1的输出端的电压等于金属电极片构成的正电极p1+节点电压的2倍；随着土壤湿度的变化，在集成运放器u1的输出端电压会在0到5v间变化。

探针上有8对金属电极片，在电路中有8个相同的土壤电阻采集及处理电路结构；图6中其他的7个土壤电阻采集及处理电路分别用m2、m3至m8表示，m2至m8中的vp端都连在升压电路的输出端（12v电压），out1到out8位8个集成运放的输出。

升压电路包括开关稳压器u5、电感l1、稳压二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、电容c2、电容c3，开关稳压器u5的型号为lm2577-adj；开关稳压器u5的vi8端与外部5v电源vcc相连接和电感l1的一端相连接，开关稳压器u5的switch端与电感l1的另一端和稳压二极管d1的正极相连接，稳压二极管d1的负极与电容c3的一端相连接，电容c3的另一端接地，稳压二极管d2的负极为升压电路的输出端，输出12v电压。

基准电压电路包括三端稳压电源模块u4，三端稳压电源模块u4的型号为7805；三端稳压电源模块u4的vi端与稳压二极管d2的负极、电容c8的一端相连接，电容c8的另一端接地，三端稳压电源模块u4的v0端电容c7、电阻r9的一端相连接，电容c7、电阻r9的另一端接地；三端稳压电源模块的v0端输出稳定的5v电压，为土壤电阻采集及处理电路和模数转换电路提供准确的参考电压。

相邻两个所述金属电极片的间距为8-12mm。可根据实际需求进行设置。

所述金属电极片为不锈钢导电材料。

本实用新型在探针上连续设置16个相互平行的金属电极片，两两一组组成8对测定土壤电阻的正电极和负电极，每个金属电极片与一根导线相连接，导线与电路板中的土壤电阻采集及处理电路相连接，当探针插入土壤中，即可精确采集土壤在一个深度范围内细小分层的土壤电阻值；通过模数转换电路和单片机rp1选择不同分层的地址，为精细化的农业耕作提供精确的数据。

电路板采用直流5v外部电源供电，可用一般的5v电源适配器充当外部电源，使用方便。电路内部通过升压电路、基准稳压电路对接入的电压波动进行处理及稳压，因此受外部电压波动影响较小；本实用新型功耗较小，测量精度高，可满足农作物精细化耕种管理的要求。

附图说明

图1是本实用新型中探针的使用状态图；

图2是探针面板的前侧粘贴金属电极片后的结构示意图；

图3是探针面板的前侧粘贴金属电极片前的结构示意图；

图4是探针底板的前侧结构示意图；

图5是探针面板和底板粘接示意图；

图6是传感器的电路原理图；

图中：1、面板，2、底板，3、金属电极片，4、插接孔，5、导线，6、焊接点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1至图5所示的一种多分层土壤湿度传感器，它包括探针和电路板两部分，探针包括两块形状相同的绝缘材质的面板1和底板2，面板1和底板2的底部为箭头状，面板1的后侧与底板2的前侧相粘接；面板1的一侧沿其长度方向设置有16个均匀间隔的插接孔4，面板1的前侧在每个插接孔4上表面粘贴有一条沿面板1宽度方向水平设置的金属电极片3，16个金属电极片3相互平行排布，16个金属电极片3两两一组构成8对正电极和负电极；底板2的前侧焊接有16条相互不交接的导线5，导线5的焊接点6与插接孔4的位置一一对应，当面板1和底板2相贴合时，焊接点6插入插接孔4中，焊接点6与金属电极片3相抵触，导线5的尾部从面板1和底板2的对接面顶端引出与电路板相连接；

如图6所示的电路板的电路包括升压电路、基准电压电路、8个结构相同的土壤电阻采集及处理电路、模数转换电路和模数转换控制及输出信号处理电路五个部分，升压电路的输入端与外部5v电源vcc相连接，升压电路的输出端与基准电压电路相连接，基准电压电路为土壤电阻采集及处理电路、模数转换电路提供稳定的基准电源；探针顶端的导线5与土壤电阻采集及处理电路相连接，土壤电阻采集及处理电路与模数转换电路相连接，模数转换电路与模数转换控制及输出信号处理电路相连接，模数转换控制及输出信号处理电路包括一个微型单片机u3，微型单片机u3的型号为at89c51；探针将所采集的土壤中不同分层内电阻信号传输给土壤电阻采集及处理电路，经过土壤电阻采集及处理电路对所采集的电阻信号经过电压值的运算、放大后，将模拟电压信号传输给模数转换电路，微型单片机u3控制模数转换电路中信号地址的选择，模数转换电路中的信号经过模数转换控制及输出信号处理电路的运算处理后，得到探针上相应金属电极片构成的正电极和负电极之间的土壤电阻值，表明了土壤的湿度，土壤湿度的结果通过微型单片机u3串口通信端口p3.0和p3.1输出给电路板外部连接的plc工控器或微控器或电脑信号采集板，完成对土壤中不同分层处土壤湿度的计算和显示。

模数转换电路包括adc芯片u2，adc芯片u2的型号为adc0808，adc芯片u2的信号输入端i8分别与8个集成运放器的输出端相连接，进行模数信号的转换，adc芯片u2的地址线和输出端均接入单片机rp1，由单片机rp1控制adc芯片u2对地址的选择，模数转换电路的adda、addb、addc和ale端口分别与模数转换控制及输出信号处理电路的p2.0/a8、p2.1/a9、p2.2/a10和p2.3/a11端口相连接。

如图6中土壤电阻采集及处理电路中的m1所示，它包括一个集成运放器u1，集成运放器u1的型号为lm324；集成运放器u1的正极输入端3+与电阻r5串联后与探针上相对应的一个金属电极片构成的正电极p1+相连接，金属电极片构成的正电极p1+与分压电阻r4串联后与基准电压电路中的三端稳压电源模块u4的v0端相连接，集成运放器u1的负极输入端2-与探针上相对应的一个金属电极片构成的负电极p1-相连接；负电极p1-与集成运放器u1的输出端之间串联有电阻r6和电阻r7，电阻r5、电阻r6和电阻r7构成同向比例放大电路，集成运放器u1的输出端电压等于探头的金属电极片构成的正电极p1+节点电压的2倍；集成运放器u1的输出端与模数转换电路中的adc芯片u2的信号输入端i8相连接。

探针插入土壤后，两个金属电极片之间相当于连接了一个电阻，电阻r4和土壤形成的电阻形成一个分压电路（电阻r4的另一端连接在三端稳压电源模块u4的v0端，所以电阻r4前端输入了一个5v基准电压），电阻r4的阻值约等于被测土壤在完全干燥时，两个金属电极片间的阻值。在土壤完全含水时，正电极p1+和负电极p1-之间短路，电阻r5前面的电压为0v（负电极p1-接地）。在土壤干燥时正电极p1+和负电极p1-间电阻等于电阻r4，此时电阻r5前的电压为2.5v。因此电阻r5前的电压随土壤的湿度会在0到2.5v间变化。

因为精确测量2.5v的量程有些太小，因此引入了集成运放器u1、电阻r5、电阻r6和电阻r7构成的同向比例放大电路，集成运放器u1的输出端的电压等于金属电极片构成的正电极p1+节点电压的2倍；随着土壤湿度的变化，在集成运放器u1的输出端电压会在0到5v间变化。

探针上有8对金属电极片，在电路中有8个相同的土壤电阻采集及处理电路结构；图6中其他的7个土壤电阻采集及处理电路分别用m2、m3至m8表示，m2至m8中的vp端都连在升压电路的输出端（12v电压），out1到out8位8个集成运放的输出。

升压电路包括开关稳压器u5、电感l1、稳压二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、电容c2、电容c3，开关稳压器u5的型号为lm2577-adj；开关稳压器u5的vi8端与外部5v电源vcc相连接和电感l1的一端相连接，开关稳压器u5的switch端与电感l1的另一端和稳压二极管d1的正极相连接，稳压二极管d1的负极与电容c3的一端相连接，电容c3的另一端接地，稳压二极管d2的负极为升压电路的输出端，输出12v电压。

基准电压电路包括三端稳压电源模块u4，三端稳压电源模块u4的型号为7805；三端稳压电源模块u4的vi端与稳压二极管d2的负极、电容c8的一端相连接，电容c8的另一端接地，三端稳压电源模块u4的v0端电容c7、电阻r9的一端相连接，电容c7、电阻r9的另一端接地；三端稳压电源模块的v0端输出稳定的5v电压，为土壤电阻采集及处理电路和模数转换电路提供准确的参考电压。

相邻两个金属电极片3的间距为8-12mm。金属电极片3为不锈钢导电材料。

本实用新型在使用中，模数转换控制及输出信号处理电路对模数转换电路进行控制，对最后转换型号进行处理，例如：当adc芯片u2的addc、addb和adda端口分别为001，第一个集成运放器u1的电压输出信号为5v时，本实用新型将正电极p1+和负电极p1-间土壤电阻的分压转换成一个数字信号，微型单片机u3的p2.4端口和adc芯片u2的clock端连接，由微型单片机u3为adc芯片u2提供一个工作所需的时钟信号，将时钟信号设为100hz。微型单片机u3的p2.3端口连接adc芯片u2的ale和start端口，在p2.3端口上每产生一个50hz（和clock时钟信号有关）的方波信号（占空比为1/2），就会在adc芯片u2的out1到out8端口产生相应的二进制数字信号11111111；当adc芯片u2的addc、addb和adda端口分别为001，第一个集成运放器u1的电压输出信号为5v时，adc芯片u2的out1到out8端口产生相应的二进制数字信号10101010。

（10101010）2/（11111111）2*5=3.3

上式中5表示基准电压5v。

上式说明：微型单片机u3的p0端口接收到adc芯片u2输出的数字信号，将输出的数字信号除以（11111111）2再乘以基准电压5v，即可得到探针上相应金属电极片间的土壤电阻值，也就反应了土壤的湿度；当这个值是5时，土壤完全干燥；当这个值是0时，土壤近乎于导体；土壤湿度的结果通过微型单片机u3串口通信端口p3.0和p3.1输出给电路板外部连接的plc工控器或显示器，完成对土壤中不同分层处土壤湿度的计算和显示。