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(shí)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(gè)獨(dú)立測量部分的每個(gè)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(gè)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(qū)動(dòng) ADC 輸入,因此還需要一個(gè)高精度運(yùn)算放大器來緩沖傳感器輸出。由于傳感器的高輸出阻抗,低運(yùn)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(jì)中,使用了ADA4661-2軌到軌運(yùn)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(shí)間處于睡眠模式,只有在需要測量時(shí)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?yàn)閭鞲衅髦苯舆B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(shí)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(lì)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
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