Thomas Brand

ADI公司

本文說明如何測(cè)量土壤濕度和pH值，以及如何利用這種測(cè)量（例如）讓作物快速生長。

圖1所示電路是一種完整的單電源、低功耗、高精度解決方案，用于土壤濕度和pH值測(cè)量，包含溫度補(bǔ)償功能。每個(gè)模擬傳感器來自三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量部分的測(cè)量值被饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將它們以數(shù)字形式轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)微控制器，以進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。ADI公司提供的24位Σ-Δ ADC AD7124就是一個(gè)合適的ADC示例，該器件是一款適合高精度測(cè)量應(yīng)用的全集成式低噪聲模擬前端。其輸入可以配置為差分輸入或單端/偽差分輸入。此外，AD7124具有可編程放大器級(jí)，以確保小幅度信號(hào)可以直接接入。

圖1.進(jìn)行土壤濕度、pH值和溫度測(cè)量的簡化電路

pH值測(cè)量

因?yàn)?/span>pH傳感器一般具有較高的阻抗輸出（約1 GΩ），無法驅(qū)動(dòng)ADC輸出，所以需要一個(gè)高精度運(yùn)算放大器來緩沖傳感器輸出。由于傳感器的輸出阻抗高，為了最小化偏置誤差，低運(yùn)算放大器輸入偏置電流就非常重要。在本電路設(shè)計(jì)中，使用了ADA4661-2軌到軌運(yùn)算放大器。pH傳感器提供雙極性輸出，輸出的最大信號(hào)為±414 mV。AD7124的內(nèi)部偏置生成器可用于將其輸入共模電壓設(shè)置為AVDD/2，從而在傳感器輸出端產(chǎn)生AVDD/2 ± 414 mV。

組件的噪聲特性對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率也有影響。AD7124（全功率模式，增益 = 1，輸出數(shù)據(jù)速率 = 25 SPS）的有效噪聲為VNOISE，EFF = 570 nV，因此產(chǎn)生峰峰值VNOISE，PP = 3.76 μV（6.6 × VNOISE, EFF）。ADA4661-2的噪聲組件VNOISE，PP = 3 μV添加之后，產(chǎn)生的總噪聲為VNOISE, PP, TOTAL = 4.8 μV。 因?yàn)?/span>ADC的最大輸入電壓范圍為6.6 V，導(dǎo)致無噪聲分辨率為：

土壤濕度測(cè)量

目前常用的土壤濕度傳感器通常是電容式，通過介電常數(shù)來測(cè)量水分含量。由于水比土壤中的其他元素具有更高的介電常數(shù)，因此傳感器可以通過電容變化來檢測(cè)含水量的變化。圖1所示的電路使用3線傳感器（電源、接地和電壓輸出）。為了使功耗最小化，傳感器大部分時(shí)間都處于睡眠模式，只有在需要測(cè)量時(shí)才通過VSENSOR激活。

在噪聲特性方面，由于傳感器與ADC直接相連，因此與pH測(cè)量值相比，無噪聲分辨率略高：

溫度測(cè)量

由于電極涂層和老化過程，pH傳感器的行為隨時(shí)間而變化。為了保持最高的準(zhǔn)確度，定期校準(zhǔn)必不可少。為此，通常要測(cè)量已知的液體，并與NIST參考表中給出的相應(yīng)溫度的pH值進(jìn)行比較，這些參考表應(yīng)隨附在軟件中。溫度測(cè)量采用三線電阻溫度檢測(cè)器(RTD)進(jìn)行，如圖2所示。由于AD7124的可編程勵(lì)磁電流源，RTD可以直接連接到ADC（IOUT1、IOUT2）。

圖2.RTD溫度測(cè)量電路

結(jié)論

如圖所示，土壤濕度和pH值的測(cè)量相對(duì)容易。由于pH傳感器對(duì)溫度的依賴性很強(qiáng)，所以需要通過額外的溫度測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

作者簡介

Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年2月，他開始擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師。主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外，他還專注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)事務(wù)提供支持。

He studied electrical engineering at the University of Cooperative Education in Mosbach before completing his postgraduate studies in international sales with a master’s degree from the University of Applied Sciences in Constance. He can be reached at thomas.brand@analog.com.

他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式thomas.brand@analog.com。