Thomas Brand

ADI公司

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轉換器(ADC)，然后模數轉換器(ADC)將它們以數字形式轉發給一個微控制器，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1 GΩ），無法驅動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±414 mV。AD7124的內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生AVDD/2 ± 414 mV。

組件的噪聲特性對測量系統的分辨率也有影響。AD7124（全功率模式，增益 = 1，輸出數據速率 = 25 SPS）的有效噪聲為VNOISE，EFF = 570 nV，因此產生峰峰值VNOISE，PP = 3.76 μV（6.6 × VNOISE, EFF）。ADA4661-2的噪聲組件VNOISE，PP = 3 μV添加之后，產生的總噪聲為VNOISE, PP, TOTAL = 4.8 μV。 因為ADC的最大輸入電壓范圍為6.6 V，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，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。

作者簡介

Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現場應用工程師培訓生項目。2017年2月，他開始擔任現場應用工程師。主要負責工業大客戶。此外，他還專注于研究工業以太網，并為中歐的相關事務提供支持。

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.

他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯系方式thomas.brand@analog.com。