基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪制造技术

一种基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，属于电容法土壤水分测量仪。该水分测量仪的单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1、开关K2和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的另一端连接；开关K1的另一端通过拟合电容接地。优点：实现非介入式、且单个传感或立体多层传感式测量土壤及其它类似应用的水分，并实现测量的超高稳定性，大大提高了测量的分辨率、可靠性和精度，从根本上解决了现有测量方法测量精度差，中心线漂移严重的弊端。

Capacitance measurement method for soil moisture measurement based on phase locked loop technology

A capacitance measuring soil moisture measuring instrument based on phase locked loop technology is a capacitance measuring soil moisture meter. The output terminal of the single chip microcomputer MCU of the water measuring instrument is connected with the input of the phase locked loop circuit PLL. The phase locked voltage PD of the phase locked loop circuit PLL is connected with the input end of the voltage controlled oscillator VCO, the negative pole of the varactor, the switch K1, the switch K2 and the AD converter, and the output end of the AD converter is connected with the input terminal of the MCU MCU. The positive pole of the varactor is connected to the calibrated capacitance and earthing at the same time; the other end of the calibrated capacitance is connected to the other end of the switch K2; the other end of the switch is connected to the ground by fitting the capacitor. Advantages: non intrusive, single sensing or three-dimensional multi-layer sensing measurement of soil and other similar applications of water, and the realization of ultra high stability of measurement, greatly improving the resolution, reliability and accuracy of the measurement, fundamentally solving the existing measurement methods of poor measurement precision, the central line drifting serious drawbacks.

【技术实现步骤摘要】
基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪
本专利技术涉及一种电容法土壤水分测量仪，特别是基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪。
技术介绍
水分是土壤的一个重要组成部分，不仅影响土壤的物理性质，是土壤肥力的一个重要因素，而且是一切作物赖以生存的基本条件，对土壤水分的了解和研发在理论和生产上都有重要的意义，其应用领域如：1、耕耘、灌溉及施肥的农业活动，可采用本土壤水分测量仪事先测量土壤中的含水量，做到实时在线，根据需水量智能化的灌溉，最大限度的节约农业灌溉用水。2、在进行一些工程建设（如铁路、公路、水电站、渠道、房屋等）时，利用土壤水分仪测量土壤水分情况也是必不可少的资料。3、还可以应用到混凝土搅拌过程中实时在线监测控制，粮食水分的监测测量，甚至可以用到山洪泥石流的水分实时监测报警。当今几种土壤水分的测量方法，有以下几种；1，频域反射法、2，时域反射法、3，中子法、4，负压法、5，电阻法、6，电容法；除了频域反射法和电容法，其他方法或多或少存在需要介入式，测量精度不高，稳定性及测量结果重复性差等缺点，而中子法测量精确度高，但又存在有辐射的缺点。电容法土壤水分仪为非介入式测量方法，其结构包括有普通LC振荡器，LC振荡器所产生的高频信号震荡频率稳定性较差，约为10-3~10-5Hz，高频信号震荡频率激发在拟合电容的两铜环上，高频频率随拟合电容容值变化而变化，以拟合电容变化量值反演运算获得对应土壤的水分含量的偏差量，因此现有水分仪的上述缺点或技术缺陷，其精度、分辨率及稳定性不会太高。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种测量精确度高的基于锁相环技术的电容法土壤水分测量仪。本专利技术的目的是这样实现的：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。进一步的，变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的一端连接，开关K2的另一端与变容二极管的负极连接。所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。所述的拟合电容包括：密封顶盖、PVC绝缘支架、传感器节点、铜环、PVC绝缘管和圆锥堵头；在PVC绝缘管两端分别连接有密封顶盖和圆锥堵头，在PVC绝缘管内间断有PVC绝缘支架在两个PVC绝缘支架之间有传感器节点。所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片（U4），锁相环芯片（U4）的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转换器连接，锁相环芯片（U4）的20脚通过串联的电容（C12）（C11）和电阻R3与AD转换器（U5）连接，在电容（C11）上并联有电阻（R4）；锁相环芯片（U4）的8脚通过电容（C15）接地，锁相环芯片（U4）的9脚接地；锁相环芯片（U4）的7脚通过串联的电容（C13）（C7）与变容二极管（Dz）的负极和开关K1连接；锁相环芯片（U4）的19脚通过串联的晶振和电容（C14）接电源，锁相环芯片（U4）的17脚接电源，锁相环芯片（U4）的15脚和16脚接为单片机接口（U3）；变容二极管（Dz）的负极通过串联的开关K1、电容（C8）（C9）与拟合电容接口的2端连接，变容二极管（Dz）的正极通过电容（C10）与拟合电容接口的1端连接，变容二极管（Dz）的正极接地，变容二极管的二端并联有电容（C6）和电感，同时还并联有串联的开关K2校准电容；变容二极管（Dz）的负极与AD转换器（U5）连接。所述的压控振荡器VCO有振荡芯片（U1），振荡芯片（U1）的2脚通过电容（C1）接地，振荡芯片（U1）的3脚同时与电阻（R1）（R2）和电容（C5）连接，电阻（R2）另一端接电源，电容（C5）与电阻（R1）并联后再与电容（C4）串联，并接地；在振荡芯片（U1）的3脚和4脚之间跨接有电容（C2），振荡芯片（U1）的5脚接地，振荡芯片（U1）的9脚接电源，振荡芯片（U1）的8脚通过电容（C3）与变容耦合器的变容二极管（Dz）的负极连接。有益效果及优点，由于采用了上述方案，基于锁相环技术的电容法土壤水分测量仪，利用锁相PD电压的高稳定性、高解析性、线性度极好，且以量级为10^-9超高精度的稳定频率施加在拟合电容即铜环上去激发土壤并测量其变化量再计算出土壤水分的值，也克服了上述的变化频率激发土壤并测出的土壤水分含量的误差，再之锁相环的PD电压具无限趋近中心线的特点，进一步使本仪器的测量结果的达到超高精度、高分辨率，且具有测量性能的超高一致性与可再现性。实现非介入式、且单个传感或立体多层传感式测量土壤及其它类似应用的水分，并实现测量的超高稳定性，与现有技术相比，大大提高了测量的分辨率、可靠性和精度，测量达精度±0.15-1％，重复性达±0.3-1％。从根本上解决了现有测量方法测量精度差，中心线漂移严重的弊端。附图说明：图1是本专利技术的结构图。图2为本专利技术第二实施例的结构图。图3是本专利技术的VCO输出频率变化曲线图。图4是专利技术的拟合电容结构图。图5是本专利技术第二实施例的锁相环电路PLL和压控振荡器VCO的电路图。图中，1、密封顶盖；2、PVC绝缘支架；3、传感器节点；4、铜环；5、PVC绝缘管；6、圆锥堵头。具体实施方式实施例1：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。所述的拟合电容包括：密封顶盖1、PVC绝缘支架2、传感器节点3、铜环4、PVC绝缘管5和圆锥堵头6；在PVC绝缘管5两端分别连接有密封顶盖1和圆锥堵头6，在PVC绝缘管5内间断有PVC绝缘支架2在两个PVC绝缘支架2之间有传感器节点3。所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片U4，锁相环芯片U4的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转换器连接，锁相环芯片U4的20脚通过串联的电容C12、C11和电阻R3与AD转换器U5连接，在电容C11上并联有电阻R4；锁相环芯片U4的8脚通过电容C15接地，锁相环芯片U4的9脚接地；锁相环芯片U4的7脚通过串联的电容C13、C7与变容二极管Dz的负极和开关K1连接；锁相环芯片U4的19脚通过串联的晶振和电容C14接电源，锁相环芯片U4的17脚接电源，锁相环芯片U4的15脚和16脚接为单片机接口U3；变容二极管Dz的负极通过串联的开关K1、电容C8、C9与拟合电容接口的2端连接，变容二极管Dz的正极通过电容C10与拟合电容接口的1端连接，变容二极管Dz的正极接地，变容二极管的二端并联有电容C6和电感，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。

【技术特征摘要】
1.基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。2.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的一端连接，开关K2的另一端与变容二极管的负极连接。3.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。4.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的拟合电容包括：密封顶盖、PVC绝缘支架、传感器节点、铜环、PVC绝缘管和圆锥堵头；在PVC绝缘管两端分别连接有密封顶盖和圆锥堵头，在PVC绝缘管内间断有PVC绝缘支架在两个PVC绝缘支架之间有传感器节点。5.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片（U4），锁相环芯片（U4）的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永立，贺新民，叶志刚，崔家宽，陈光祖，杨浩，
申请(专利权)人：张永立，
类型：新型
国别省市：江苏,32