本文說明如何測量土壤濕度和pH值,，以及如何利用這種測量（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)立的測量部分的測量值被饋送至模數(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值和溫度測量的簡化電路

pH值測量

因?yàn)閜H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)锳DC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測量值相比,，無噪聲分辨率略高：

溫度測量

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。溫度測量采用三線電阻溫度檢測器(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溫度測量電路

結(jié)論

如圖所示，土壤濕度和pH值的測量相對(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,。