一種花盆用土壤濕度傳感器及花盆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種花盆用的土壤濕度傳感器以及花 盆。
【背景技術(shù)】
[0002] 花盆養(yǎng)殖花卉已經(jīng)成為辦公室、家庭的一個(gè)重要組成部分，隨著物質(zhì)生活水平的 不斷提高和信息化產(chǎn)品的普及，電子花盆、自動(dòng)澆水花盆、智能花盆等產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。然而 作為植物生長(zhǎng)的最基本要素之一的土壤水分測(cè)量已經(jīng)成為智能花盆設(shè)計(jì)的重中之重，特別 是低成本土壤濕度傳感器在花盆設(shè)計(jì)中起到了的關(guān)鍵作用。
[0003] 土壤濕度傳感器是上個(gè)世紀(jì)七、八十年代國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)高科技 產(chǎn)品，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，大多局限在農(nóng)業(yè)科研及試驗(yàn)室應(yīng)用場(chǎng)合。土壤水分的測(cè) 量方法很多，如烘焙稱(chēng)重、傳感器測(cè)量、紅外光譜分析等，使用傳感器測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，然而作 為一個(gè)消費(fèi)電子產(chǎn)品的智能花盆來(lái)說(shuō)，任何體積龐大、成本高企、消耗電力的方法都不可 使。隨著今天物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用電子信息技術(shù)，設(shè)計(jì)制造一種低成本的土壤濕度傳感 器，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)花盆土壤水分進(jìn)行測(cè)控，這也是本申請(qǐng)的發(fā)明初衷。
[0004] 以往的土壤濕度傳感器產(chǎn)品主要是電導(dǎo)型和介電型，電導(dǎo)型分為電子導(dǎo)電型和離 子導(dǎo)電型二種。電子導(dǎo)電型是通過(guò)水分子將導(dǎo)電體粉末吸濕后發(fā)生膨脹或收縮，改變其電 阻進(jìn)行測(cè)量。離子型是采用高分子濕敏材料，在水分子作用下，離子間相互作用減弱，迀移 率增加，水分子電離后載體也增加，膜電導(dǎo)也隨之變化，從而進(jìn)行測(cè)量。但是土壤的復(fù)雜性 是電導(dǎo)法難以界定的，因?yàn)橥寥朗欠蔷|(zhì)、多相、分散、顆?；?、多孔系統(tǒng)，土壤濕度測(cè)量必 須考慮土壤容重、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、含鹽量等基本的物理、化學(xué)特性及變化規(guī)律，這就 使得電導(dǎo)法不能正確地反映真正的土壤濕度。介電型是采用高頻電磁振蕩原理，電容器極 板作為探頭插入土壤進(jìn)行測(cè)量，利用土壤含水率不同時(shí)，其極板間的等效介電是土壤含水 量的線(xiàn)性函數(shù)，但此類(lèi)傳感器易受電極形狀、電極間隔等因素影響，使用前需要標(biāo)定。此類(lèi) 土壤濕度傳感器價(jià)格不菲，且尺寸較大，任然難以置入一個(gè)小小花盆。不過(guò)土壤濕度傳感器 測(cè)量速度較快，適合田間、地頭的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的是提供一種花盆用土壤濕度傳感器，不易受到土壤無(wú)機(jī)鹽導(dǎo)電 率的影響，成本低廉，基本滿(mǎn)足消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品的土壤濕度要求。
[0006] 本實(shí)用新型是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 提供一種花盆用土壤濕度傳感器，屬于介電型土壤傳感器的一種，探頭包括一對(duì) 電極、以及具有屏蔽電磁的基板，電極采用特定形狀的不銹鋼凸點(diǎn)電極，巧妙地固定在花盆 的內(nèi)壁，具體是基板固定在花盆的內(nèi)側(cè)壁，電極固定在基板的內(nèi)側(cè)面上。
[0008] 所述兩個(gè)電極為條狀的凸點(diǎn)電極，相互平行垂直或橫向固定在基板上。在一定的 電磁振蕩頻率下，形成特定方向的平板介質(zhì)電容器電場(chǎng)，電場(chǎng)切割部分土壤，當(dāng)土壤濕度不 同時(shí)，振蕩頻率做相應(yīng)的衰減變化，其電學(xué)特性可以用一個(gè)阻容網(wǎng)絡(luò)模擬出來(lái)，再利用標(biāo)準(zhǔn) 土壤濕度儀器校驗(yàn)，相對(duì)標(biāo)定花盆的土壤濕度。
[0009] 參考圖1所示，優(yōu)選的，所述基板為PCB板，阻止電極產(chǎn)生的電磁射向花盆外。進(jìn) 一步的，所述的電極及基板上覆蓋有防水絕緣層。
[0010] 進(jìn)一步的，土壤濕度傳感器還包括電路部分，一種選擇是所述電路部分為一負(fù)反 饋運(yùn)算放大器，所述探頭與電路部分連接，輸入端連接探頭上，輸出端連接在電路部分。以 電極作為兩極組成一電容器Cx，與電阻Rx串聯(lián)，其一端與輸入端連接，另一端與負(fù)反饋運(yùn) 算放大器連接。
[0011] 提供的另一種選擇是所述電路部分包括一時(shí)基電路，時(shí)基電路的至少兩個(gè)接口連 接兩個(gè)電極，另兩個(gè)接口連接輸入端與輸出端。
[0012] 本實(shí)用新月型的技術(shù)效果是，傳感器成本低廉具有很好的使用價(jià)值，不易受到土 壤無(wú)機(jī)鹽導(dǎo)電率的影響；探頭體積小適應(yīng)性強(qiáng)；所測(cè)量的土壤濕度精確度高，電路工作穩(wěn) 定。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是實(shí)施例中的花盆與土壤濕度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0014] 圖2是實(shí)施例中的土壤濕度傳感器的探頭的正面結(jié)構(gòu)視圖。
[0015] 圖3是實(shí)施例中的土壤濕度傳感器的探頭的側(cè)面結(jié)構(gòu)視圖。
[0016] 圖4是實(shí)施例中的土壤濕度傳感器的電路部分一種結(jié)構(gòu)原理圖。
[0017] 圖5是實(shí)施例中的土壤濕度傳感器的電路部分另一種結(jié)構(gòu)原理圖。
[0018] 圖6是實(shí)施例中的土壤濕度傳感器中的電容器Cx充放電原理視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下通過(guò)附圖與具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 參照?qǐng)D1、圖2、圖3所示，本實(shí)施例的花盆用土壤濕度傳感器的探頭部分是一對(duì)條 狀不銹鋼材料制成的凸點(diǎn)電極11，其底部有足夠的邊沿固定在一塊具有電磁屏蔽的PCB 板12上，二個(gè)凸點(diǎn)電極11位置固定，并在凸點(diǎn)電極的四周及PCB板上嵌入防水絕緣材料層 13，PCB板則固定在花盆14的內(nèi)側(cè)壁，由于PCB板具有電磁屏蔽，能阻止電極產(chǎn)生的電磁場(chǎng) 射向花盆外，該電極工作時(shí)電場(chǎng)方向朝向花盆13內(nèi)的土壤部分，通過(guò)凸點(diǎn)電極構(gòu)成的電容 器充、放電過(guò)程，感知花盆土壤水分的變化，基于不同含水率的土壤影響電容的變化，使得 這一探頭用于測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)。
[0021] 由于不銹鋼電極耐酸堿腐蝕，所以該探頭具有很好的使用價(jià)值，且成本低廉。
[0022] 本實(shí)施例的土壤濕度傳感器的電路部分是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的。
[0023] 參照?qǐng)D4所示，以不銹鋼的凸點(diǎn)電極作為一個(gè)電容器的電極，土壤濕度傳感器的 探頭可簡(jiǎn)化為一個(gè)介質(zhì)電容器Zc，如圖4中的虛線(xiàn)部分Cx、Rx ;電路部分AMP為一個(gè)負(fù) 反饋運(yùn)算放大器。Zc與AMP構(gòu)成一個(gè)有源微分電路，在一定頻率下，輸入信號(hào)Vin經(jīng)過(guò) 土壤介質(zhì)衰減，經(jīng)過(guò)微分電路測(cè)量出衰減后的信號(hào)Vout。當(dāng)一定頻率的輸入信號(hào)Vin經(jīng) 過(guò)Zc和AMP后，由于受反饋電阻Rf及土壤探頭電極電容器Zc影響，輸出電壓Vout會(huì)相 應(yīng)的得到衰減，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的土壤濕度儀器校驗(yàn)，換算出對(duì)應(yīng)的土壤濕度，數(shù)學(xué)模型為：
[0024] 實(shí)際上為了降低成本，還提供另一種電路部分，如圖5所示，可采用廉價(jià)的 NE555時(shí)基電路完成前述的功能。以下結(jié)合附圖4說(shuō)明其電路原理，輸出頻率數(shù)學(xué)模型：
當(dāng)振蕩頻率IMHz以下時(shí)，Rx的影響可以忽略，以后簡(jiǎn)稱(chēng)Cx。
[0025] 選取合適的 Rl，R2, C1，例如 Rl = 200K，R2 = 100K，Cl = 0· Oluf 時(shí)，時(shí)基電路的 輸出頻率，即脈沖寬度tl、t2近似地與土壤的濕度成線(xiàn)性關(guān)系，再利用單片機(jī)I/O 口讀出， 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的土壤濕度儀器校驗(yàn)，即可近似求得花盆的相對(duì)土壤濕度指標(biāo)。
[0026] 參照?qǐng)D6所示，土壤濕度傳感器中的電容器Cx充放電原理是：當(dāng)接通電源瞬間，土 壤濕度傳感器Cx上電壓為零，此時(shí)2、6端電壓低于l/3Vcc，輸出端3被置高電位，時(shí)基電 路內(nèi)部放電管截。隨著Rl、R2對(duì)土壤濕度傳感器Cx充電，Cx端電壓逐漸升高，當(dāng)2、6端電 壓達(dá)到2/3Vcc時(shí)，輸出端3被置低電平，完成充電脈寬tl，時(shí)基電路內(nèi)部放電管開(kāi)始導(dǎo)通， 經(jīng)過(guò)土壤濕度傳感器Cx及放電管放電，Cx電壓逐漸降低，當(dāng)2、6端電壓低于1/3VCC時(shí)，輸 出端3被置高電平，時(shí)基電路內(nèi)部放電管截止，完成放電脈寬t2, tl+t2完成一個(gè)振蕩周期， 在輸出端3形成近似矩形的脈沖信號(hào)Vout，通過(guò)單片機(jī)I/O接入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0027] 本實(shí)施例的土壤濕度傳感器經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，其制造成本低廉，所測(cè)量的土壤 濕度精確度高，電路工作穩(wěn)定，可作為消費(fèi)類(lèi)智能花盆的配套使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種花盆用土壤濕度傳感器，包括探頭，其特征在于，所述探頭包括一對(duì)電極、以及 具有屏蔽電磁的基板，所述基板固定在花盆的內(nèi)側(cè)壁，電極固定在基板的內(nèi)側(cè)面上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，所述兩個(gè)電極為條狀 的凸點(diǎn)電極，相互平行垂直或橫向固定在基板上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，所述基板為PCB板，阻 止電極產(chǎn)生的電磁射向花盆外。4. 根據(jù)權(quán)利要求1任意項(xiàng)所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，所述的電極及 基板上覆蓋有防水絕緣層。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，還包括有 電路部分，所述電路部分為一負(fù)反饋運(yùn)算放大器，所述探頭與電路部分連接，輸入端連接探 頭上，輸出端連接在電路部分。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，以電極作為電容器兩 個(gè)極板組成一電容器Cx，其一端與輸入端連接，另一端與負(fù)反饋運(yùn)算放大器連接。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的花盆用土壤濕度傳感器，其特征在于，還包括有 電路部分，所述電路部分包括一時(shí)基電路，時(shí)基電路的至少兩個(gè)接口連接兩個(gè)電極，另兩個(gè) 接口連接輸入端與輸出端。8. -種花盆，包括如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的花盆用土壤濕度傳感器。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種花盆用土壤濕度傳感器及花盆，包括探頭，其特征在于，所述探頭包括一對(duì)電極、以及具有屏蔽電磁的基板，所述基板固定在花盆的內(nèi)側(cè)壁，電極固定在基板的內(nèi)側(cè)面上。所述兩個(gè)電極為條狀的凸點(diǎn)電極，相互平行垂直或橫向固定在基板上。所述基板為PCB板，阻止電極產(chǎn)生的電磁場(chǎng)射向花盆外。所述的電極及基板上覆蓋有防水絕緣層。該傳感器探頭不易受到土壤無(wú)機(jī)鹽導(dǎo)電率的影響；探頭體積小適應(yīng)性強(qiáng)；所測(cè)量的土壤濕度精確度高，電路工作穩(wěn)定。
【IPC分類(lèi)】G01N27/22
【公開(kāi)號(hào)】CN205015307
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520618585
【發(fā)明人】高爽
【申請(qǐng)人】深圳市億博蘭科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日