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轉換器 （ADC），然后以數字形式將它們轉發到微控制器以進行進一步的信號處理。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，以確保可以直接連接小幅度信號。

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 的內部偏移發生器可用于將其輸入的共模電壓設置為 AVDD/2，從而在傳感器輸出端產生 AVDD/2 ± 414 mV。

組件的噪聲特性也會影響測量系統的分辨率。AD7124 的有效噪聲（全功率模式，增益 = 1，輸出數據速率 = 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，通過介電常數測量水分含量。由于水的介電常數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溫度的 pH 值進行比較，該參考表應包含在軟件中。溫度測量使用 3 線電阻溫度檢測器 （RTD） 執行，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，因此需要通過額外的溫度測量進行溫度補償。

審核編輯：郭婷