本文將說明如何測量土壤濕度和pH值,以及如何利用這種測量(舉例而言)讓作物能夠快速生長。

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,可用於測量土壤濕度和pH值,並包含溫度補償功能。每個類比感測器來自三個獨立測量部份的測量值,先被饋送至類比數位轉換器(ADC),之後ADC再將它們以數位形式轉發給一個微控制器(MCU),以執行進一步的訊號處理。

例如,透過ADI的24位元Σ-Δ ADC做為一個適合說明的示例,該元件為一款適合高精度測量應用的全整合式低雜訊類比前端。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,以確保小幅度訊號可以直接接入。

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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感測器一般具有較高的阻抗輸出(約1GΩ),其無法驅動ADC輸出,所以需要一個高精度運算放大器來緩衝感測器輸出。由於感測器的輸出阻抗高,為了最小化偏置誤差,低運算放大器輸入偏置電流就顯得非常重要。在該電路設計中,所使用的是ADA4661-2軌對軌運算放大器。pH感測器提供雙極性輸出,輸出的最大訊號為±414mV。AD7124的內部偏置產生器可用於將其輸入共模電壓設定為AVDD/2,從而在感測器輸出端產生AVDD/2 ± 414mV。

元件的雜訊特性對測量系統的解析度也具有其影響。AD7124 (全功率模式,增益 = 1,輸出資料速率 = 25 SPS)的有效雜訊為VNOISE, EFF = 570nV,因此產生的峰對峰值VNOISE, PP = 3.76μV (6.6 × VNOISE, EFF)。ADA4661-2的雜訊元件VNOISE, PP = 3μV添加之後,產生的總雜訊為VNOISE, PP, TOTAL = 4.8μV。因為ADC的最大輸入電壓範圍為6.6V,因此,導致無雜訊解析度為:

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土壤濕度測量

目前常用的土壤濕度感測器通常是電容式,主要是透過介電常數來測量水分含量。由於水比土壤中的其他元素具有更高的介電常數,因此感測器可以透過電容變化來檢測含水量的變化。圖1所示的電路使用3線感測器(電源、接地和電壓輸出)。為了使功耗最小化,感測器大部分時間都處於睡眠模式,只有在需要測量時才透過VSENSOR啟動。

在雜訊特性方面,由於感測器與ADC直接相連,因此與pH測量值相比,無雜訊解析度略高:

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溫度測量

由於電極塗層和老化過程,pH感測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,並與NIST參考表中給出的相應溫度之pH值進行比較,這些參考表應隨附在軟體中。溫度測量採用三線電阻溫度檢測器(RTD)進行,如圖2所示。由於AD7124的可程式設計勵磁電流源,RTD可以直接連接到ADC (IOUT1、IOUT2)。

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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。由於pH感測器對溫度的依賴性很強,所以需要透過額外的溫度測量進行溫度補償。