用溫度補(bǔ)償測量土壤水分和pH值的簡單方法

本文介紹了如何測量土壤水分和 pH 值，以及如何使用它，例如，實現(xiàn)有效的植物生長。

圖 1 所示電路是一款單電源、低功耗、高精度完整的土壤濕度和 pH 測量解決方案，包括溫度補(bǔ)償。來自三個獨立測量部分的每個模擬傳感器的測量值被饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），然后以數(shù)字形式將它們轉(zhuǎn)發(fā)到微控制器以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。適合 ADC 的一個很好的例子是 Analog Devices， Inc. （ADI） 的 24 位 Σ-Δ ADC AD7124，它是一款用于高精度測量應(yīng)用的完全集成的低噪聲模擬前端。其輸入可配置為差分或單端/偽差分輸入。此外，AD7124 具有可編程放大器級，以確?？梢灾苯舆B接小幅度信號。

圖 1. 土壤濕度、pH 和溫度測量的簡化電路。

pH值的測量

由于 pH 傳感器通常具有高阻抗輸出（約 1 GΩ），因此無法驅(qū)動 ADC 輸入，因此還需要一個高精度運算放大器來緩沖傳感器輸出。由于傳感器的高輸出阻抗，低運算放大器輸入偏置電流對于最小化偏移誤差很重要。在本電路設(shè)計中，使用了ADA4661-2軌到軌運算放大器。pH 傳感器的輸出是雙極性的，最大信號為 ±414 mV。AD7124 的內(nèi)部失調(diào)發(fā)生器可用于將其輸入的共模電壓設(shè)置為 AVDD/2，從而在傳感器輸出端產(chǎn)生 AVDD/2 ± 414 mV。

組件的噪聲特性也會影響測量系統(tǒng)的分辨率。AD7124 的有效噪聲（全功率模式，增益 = 1，輸出數(shù)據(jù)速率 = 25 SPS）為 VNOISE，EFF = 570 nV，因此峰峰值為 VNOISE，PP = 3.76 μV （6.6 ×噪聲，EFF）。ADA4661-2 的噪聲分量 VNOISE， PP = 3 μV 被添加到其中，產(chǎn)生 VNOISE， PP， TOTAL = 4.8 μV 的總噪聲。對于 6.6 V 的 ADC 最大輸入電壓范圍，這會產(chǎn)生以下無噪聲分辨率：

等式 1。

土壤水分測量

今天常用的土壤濕度傳感器通常是電容式的，通過介電常數(shù)測量水分含量。由于水的介電常數(shù)比土壤中的其他元素高得多，因此傳感器可以通過電容變化檢測到水含量的變化。圖 1 所示電路使用 3 線傳感器（電源、接地和電壓輸出）。為了最大限度地降低功耗，傳感器大部分時間處于睡眠模式，只有在需要測量時才通過 VSENSOR 激活。

關(guān)于噪聲行為，與 pH 測量相比，無噪聲分辨率略高，因為傳感器直接連接到 ADC：

等式 2。

溫度測量

由于電極涂層和老化過程，pH 傳感器的行為隨時間而變化。為了保持最大精度，定期校準(zhǔn)是必不可少的。為此，通常測量已知液體并將其與 NIST 參考表中給出的相應(yīng)溫度的 pH 值進(jìn)行比較，該參考表應(yīng)包含在軟件中。溫度測量使用 3 線電阻溫度檢測器 （RTD） 執(zhí)行，如圖 2 所示。由于 AD7124 的可編程激勵電流源，RTD 可以直接連接到 ADC （IOUT1、IOUT2）。

圖 2. RTD 溫度測量電路。

結(jié)論

使用所示電路，可以相對容易地測量土壤水分和 pH 值。由于 pH 傳感器對溫度的依賴性很強(qiáng)，因此需要通過額外的溫度測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

審核編輯：郭婷