于傳感器的應用環境是各種類型的土壤之中，傳感器需要做防水防腐蝕處理。 本傳感器采用環氧樹脂膠密封，能夠達到IP68的防塵防水等級。
[0038] 圖1為本發明的結構示意圖，圖1中小箭頭表示供電方向，大箭頭表示與土壤信息 相關的信號的流向。帶斜杠的大箭頭表示含有多個信號。
[0039] 圖2為本發明的震蕩單元，振蕩單元的作用是生成特定頻率的方波信號，輸出給水 分檢測單元，并且要求方波低電平接近〇伏特，高電平接近供電電壓，占空比為50%。本發明 采用異或門電路搭建震蕩單元，異或門的選型要求快速低功耗。采用芯片為四2輸入異或門 (即四個二輸入異或門），工作電壓范圍廣，輸出電壓的帶負載能力強，電平的上升沿和下降 沿時間短，更重要的是功耗很低。
[0040] 電路工作原理是:異或門X0R1和X0R2的A輸入端接固定的高電平，在上電瞬間X0R1 的B輸入端為低電平，使得X0R2的B輸入端為高電平，2Y輸出為低電平，此時電路對C1充電； 隨著C1充電過程，1B變為高電平，使得1Y變為低電平，2Y變為高電平，C1開始放電;放到一定 程度時，電路再進入對C1充電的狀態，如此循環下去。振蕩單元輸出的是一個占空比為50% 的方波，通過搭建測試電路可得到輸出方波信號的波形。
[0041] 圖3為本發明的水分檢測單元，其包括一個異或門電路，所述異或門電路的兩個輸 入端A和B，信號J為前級電路振蕩單元產生的方波信號，此方波信號一方面接入異或門X0R 的A輸入端，另一方面經過電阻R接入異或門的B輸入端和探針。所述探針和土壤構成等效電 容，方波周期性地對所述等效電容充放電，使異或門X0R的輸入端B的電勢變化產生延遲，進 而導致A和B所探測到的邏輯電平的變化不同，進而輸出的信號Y也不同。
[0042] 圖4為本發明的信號提取單元，其包括兩組積分電路和一組電壓跟隨器，矩形波信 號經過兩組積分電路的處理后，電壓信號變得比較平直，電壓值的大小與矩形波占空比相 對應。運放A的正相輸入端接所述兩組積分電路處理后的信號電壓，反向輸入端經過反饋電 阻R3接至運放的輸出，其效果是將正相輸入端的電壓跟隨輸出，具有較低的輸入電阻和較 高的輸出電阻。主控芯片中的AD采集部件采集所述運放A的輸出信號。優選地，可將AD采集 設置為連續采集N次，求取N次采集樣本的平均值作為采集結果。它能夠隔離前后級電路，提 高帶負載能力。
[0043] 圖5為本發明的溫度檢測單元，熱敏電阻存在的非線性化缺點，會影響其測量范圍 和測量精度，為了削弱此缺點的影響，須要對其非線性誤差進行補償或者線性化處理。本發 明采用串并聯電阻的方式;從圖中可以得到電路的分壓關系為：
(I)
[0045] 其中，VCC表示輸入電壓信號，//表示并聯電阻，Rt為熱敏電阻，其電阻值與土壤溫 度之間存在一定關系，根據所述關系以及Rt值即可得出土壤溫度值;對電阻R1和R2阻值的 確定可通過下述方法：
[0046]由圖5可以得到電路的電阻值R為：
[0047] R = Ri+(R2//Rt) (2)
[0048] 解得：
(3)
[0050] 假設補償溫度的范圍為T1至T2,可以取T1和T2以及其間的一個溫度值T0，測出三 個溫度值對應的熱敏電阻值RT1、RT2，RT0，而后設定三個線性化處理后的理想值R1、R2、R0， 且此理想值需要在同一條直線上，即可計算出電阻R1和R2應取的值。
[0051]圖6為本發明的鹽分檢測單元，其包括輸入脈沖信號，土壤等效電路與輸出信號， 電導率測量時，主控芯片通過探針對土壤施加兩個頻率350Hz的雙極性脈沖，兩脈沖要求高 度和持續時間相等，極性相反。流經土壤的電流在第二個脈沖結束的瞬間測量。第一個脈沖 開始時，C2被迅速充電，池電流出現一尖峰。若脈沖持續時間T1遠小于R與C1的乘積，則C1上 的電壓EC1很小，并隨時間呈線性增長，流經土壤等效電阻R與雙電層電容C1的電流在T1時 間內由于C1的充電有輕微的下降。當第二個脈沖開始后極性反轉，引線分布電容C2又迅速 反向充電到新的電位，C1開始放電。在第二個脈沖T2結束的瞬間，C1已完全放電，由于兩個 脈沖期間C1上積累的電荷為0,故C1上的瞬間電壓EC1=0,相當于短路，C2上的電壓已穩定， 沒有電流流過，相當于斷路。所以電壓全部降落在R上，流經土壤的瞬時電流i = E2/R。因此 在T2結束時測得的瞬時電流與土壤電導成正比，與C1和C2無關，即消除了極化雙電層電容 和引線分布電容的影響。E1和E2分別為所述雙極性脈沖的兩個極性電壓值。
[0052]圖7為本發明的程序流程圖。采集溫度、水分和鹽分時，均采集n次，n為大于等于2 的正整數，并且將n次采集到的數值求平均值得到最終的值。
[0053]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在 本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 范圍之內。
【主權項】
1. 一種土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，包括:外殼、外殼底部的探針、以及外殼內部的 檢測電路，該檢測電路向探針發出脈沖方波激勵信號并接受其兩端的電壓信號;所述檢測 電路包括主控芯片、震蕩單元、信號提取單元、、水分檢測單元、鹽分檢測單元、溫度檢測單 元； 所述震蕩單元用于生成方波信號，輸出給水分檢測單元； 所述水分檢測單元接收所述方波信號，并利用所述方波信號周期性的為所述探針和土 壤構成的第一等效電容充電； 所述信號提取單元用于檢測所述第一等效電容的充放電過程中電壓信號的變化值，所 述主控芯片根據所述電壓信號的變化值得到土壤的濕度值； 所述溫度檢測單元用于利用熱敏電阻檢測土壤的溫度變化； 所述鹽分檢測單元用于檢測土壤電導率，在檢測土壤電導率時，通過探針對土壤施加 兩個高度和持續時間相等、極性相反的雙極性脈沖，通過測量第二個雙極性脈沖結束的瞬 間電流獲得土壤導電率，進而計算得到土壤鹽分含量。2. 如權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述水分檢測單元包括一個第 一異或門電路，所述第一異或門電路的兩個輸入端A和B，振蕩單元產生的方波信號一方面 接入所述第一異或門電路的輸入端A，另一方面經過電阻R接入所述第一異或門電路的另一 輸入端B和探針;所述探針和土壤構成等效電容，方波信號周期性地對所述等效電容充放 電，使所述第一異或門電路的輸入端B的電勢變化產生延遲，進而導致輸入端A和B所探測到 的邏輯電平的變化不同，進而輸出信號也不同。3. 如權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述信號提取單元包括兩組積 分電路和一組電壓跟隨器，所述兩組積分電路對輸入的矩形波信號經過平滑處理，且處理 后的矩形波信號的電壓值大小與矩形波占空比相對應;所述電壓跟隨器包括運放電路，運 放電路的正相輸入端接所述兩組積分電路的輸出，反向輸入端經過反饋電阻接至所述運放 電路的輸出，以將正相輸入端的電壓跟隨輸出。4. 如權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述溫度檢測單元包括第一電 阻、第二電阻、熱敏電阻和第一電容，其中，所述第二電阻、熱敏電阻和第一電容并聯連接， 且與第一電阻串聯連接;所述溫度檢測單元采用串并聯電阻的方式對熱敏電阻的非線性誤 差進行補償或者線性化處理。5. 如權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述鹽分檢測單元通過雙脈沖 電導法測量土壤鹽分，所述雙脈沖電導法利用土壤等效電路測量土壤鹽分，所述土壤等效 電路包括土壤等效電阻、雙電層電容和引線分布電容，土壤等效電阻與雙電層電容串聯后 再與所述引線分布電容并聯;所述雙極性脈沖信號經過所述土壤等效電路后輸出流經土壤 的瞬時電流信號，所述瞬時電流信號與土壤的電導率成正比。6. 根據權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述外殼采用環氧樹脂膠密 封，能夠達到IP68的防塵防水等級。7. 根據權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于所用探針為四根不銹鋼探針； 其中兩根探針用于測量土壤含水量，兩根探針用于測量土壤鹽分。8. 根據權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，構成所述檢測電路的單片機 為STC12C5A60S2。9.根據權利要求1所述的土壤鹽水溫傳感器，其特征在于，所述溫度檢測單元利用NTC 熱敏電阻的溫度敏感特性來測量溫度數據。
【專利摘要】本發明公開了一種土壤鹽水溫傳感器，包括：外殼、外殼底部的探針、以及外殼內部的檢測電路，所述檢測電路包括主控芯片、震蕩單元、信號提取單元、水分檢測單元、鹽分檢測單元、溫度檢測單元；所述震蕩單元用于生成方波信號，輸出給水分檢測單元；所述水分檢測單元接收所述方波信號，并利用所述方波信號周期性的為所述探針和土壤構成的第一等效電容充電；所述信號提取單元用于檢測所述第一等效電容的充放電過程中電壓信號的變化值；所述溫度檢測單元用于利用熱敏電阻檢測土壤的溫度變化；所述鹽分檢測單元用于檢測土壤電導率，進而計算得到土壤鹽分含量。本發明測量準確、穩定性好，結構簡單且成本較低。
【IPC分類】G01D21/02, G01N33/24
【公開號】CN105717278
【申請號】CN201610229355
【發明人】韓亞男, 趙柏秦
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2016年6月29日
【申請日】2016年4月14日