Thomas Brand

本文介绍了如何测量土壤湿度和pH测量，以及如何使用它来实现有效的植物生长。

图1所示电路是一款单电源、低功耗、高精度的完整解决方案，用于土壤湿度和pH测量，包括温度补偿。来自三个独立测量部分的每个模拟传感器的测量值被馈送到模数转换器（ADC），然后以数字形式将其转发到微控制器以进行进一步的信号处理。ADI公司（ADI）的24位Σ-Δ型ADC AD7124是合适的ADC的一个很好的例子，这是一款完全集成的低噪声模拟前端，适用于高精度测量应用。其输入可配置为差分或单端/伪差分输入。此外，AD7124还具有可编程放大器级，可确保小幅度信号可直接接口。

图1.用于土壤湿度、pH 值和温度测量的简化电路。

测量酸碱度

由于pH传感器通常具有高阻抗输出（约1 GΩ），因此无法驱动ADC输入，因此还需要高精度运算放大器来缓冲传感器输出。由于传感器具有高输出阻抗，低运算放大器输入偏置电流对于最小化失调误差非常重要。本电路设计采用轨到轨运算放大器ADA4661-2。pH传感器的输出为双极性，最大信号为±414 mV。AD7124的内部失调发生器可用于将其输入的共模电压设置为A电压输出/2，从而产生 A电压输出传感器输出端/2 ± 414 mV。

组件的噪声行为也会影响测量系统的分辨率。AD7124的有效噪声（全功率模式，增益 = 1，输出数据速率 = 25 SPS）为 V噪声，电磁脉冲= 570 nV，峰峰值为 V噪音，聚丙烯= 3.76 μV （6.6 × V噪声，电磁脉冲).ADA4661-2的噪声分量，V噪音，聚丙烯= 3 μV，加到其中，产生V的总噪声噪声，PP，总计= 4.8 μV。对于ADC6.6 V的最大输入电压范围，无噪声分辨率为：

土壤湿度测量

目前常用的土壤湿度传感器通常是电容式的，通过介电常数测量含水量。由于水的介电常数比土壤中的其他元素高得多，因此传感器可以通过电容变化来检测含水量的变化。图1所示电路使用3线传感器（电源、接地和电压输出）。为了最大限度地降低功耗，传感器大部分时间都处于休眠模式，并且仅通过 V 激活传感器如果需要测量。

关于噪声行为，与pH测量相比，由于传感器直接连接到ADC，因此产生的无噪声分辨率略高：

测温

由于电极涂层和老化过程，pH传感器的行为会随着时间的推移而变化。为了保持最大精度，定期校准至关重要。为此，通常会测量已知液体，并将其与NIST参考表中给出的相应温度的pH值进行比较，这些值应包含在软件中。温度测量使用3线电阻温度检测器（RTD）进行，如图2所示。由于AD7124具有可编程激励电流源，因此RTD可以直接连接到ADC（I输出1我输出2).

图2.RTD温度测量电路。

结论

通过所示的电路，可以相对容易地测量土壤湿度和pH值。由于pH传感器具有很强的温度依赖性，因此需要通过额外的温度测量进行温度补偿。

审核编辑：郭婷