一種簡單的測量土壤濕度和pH值(帶溫度補償)的方法

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，包含溫度補償功能。每個模擬傳感器來自三個獨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)給一個微控制器，以進行進一步的信號處理。ADI公司提供的24位Σ-Δ ADC AD7124就是一個合適的ADC示例，該器件是一款適合高精度測量應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，以確保小幅度信號可以直接接入。

圖1.進行土壤濕度、pH值和溫度測量的簡化電路

pH值測量

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

組件的噪聲特性對測量系統(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=25SPS)的有效噪聲為VNOISE，EFF=570nV，因此產(chǎn)生峰峰值VNOISE，PP=3.76μV(6.6×VNOISE,EFF)。ADA4661-2的噪聲組件VNOISE，PP=3μV添加之后，產(chǎn)生的總噪聲為VNOISE,PP,TOTAL=4.8μV。因為ADC的最大輸入電壓范圍為6.6V，導致無噪聲分辨率為：

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，傳感器大部分時間都處于睡眠模式，只有在需要測量時才通過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傳感器的行為隨時間而變化。為了保持最高的準確度，定期校準必不可少。為此，通常要測量已知的液體，并與NIST參考表中給出的相應溫度的pH值進行比較，這些參考表應隨附在軟件中。溫度測量采用三線電阻溫度檢測器(RTD)進行，如圖2所示。由于AD7124的可編程勵磁電流源，RTD可以直接連接到ADC(IOUT1、IOUT2)。

圖2.RTD溫度測量電路

結論

如圖所示，土壤濕度和pH值的測量相對容易。由于pH傳感器對溫度的依賴性很強，所以需要通過額外的溫度測量進行溫度補償。