CN0398
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EVAL-CN0398-ARDZ Shield Overview2018/10/16WIKI
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CN-0398: 带温度补偿功能的土壤湿度和pH值测量系统 (Rev. 0)2016/10/10PDF310 K
电路功能与优势
图1所示电路是一种完整的单电源、低功耗、高精度解决方案，用于土壤湿度和pH值测量，包含温度补偿功能。该电路针对容性土壤湿度传感器进行了优化，这类传感器对水的盐度不敏感，并且不会随着时间推移而受到侵蚀。
该电路还能测量土壤pH值，此功能适合多种不同应用。
电路所需总电流（不包括湿度传感器）最大值仅为1.95 mA。利用脉宽调制(PWM)信号，仅在需要使用湿度传感器的很短时间内使能传感器，可以最大程度地减少其所需额外功耗。
印刷电路板(PCB)采用Arduino兼容扩展板尺寸设计，并与Arduino兼容平台板EVAL-ADICUP360对接，有助于快速开发原型。
电路描述
系统分为三个独立测量前端：pH值、土壤湿度和温度。在信号调理之后，三个通道共用一个24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)AD7124-8。AD7124-8是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、全集成式模拟前端。该器件内置一个低噪声24位Σ-Δ型ADC，可配置为提供8个差分输入或15个单端或伪差分输入。片内增益级确保ADC中可直接输入小信号。
当ADC配置为双极性编码工作模式时，任意模拟输入电压的输出码可以表示为：
其中：
N = 24。
AIN为模拟输入电压。
Gain为增益设置（1至128）。
VREF为连接在AD7124-8的REFIN(+)和REFIN(−)之间的外部基准电压。
AD7124-8使用 ADR3433，后者是一款低成本、低功耗、高精度CMOS基准电压源，具有±0.1%的初始精度、低工作电流和低输出噪声等特性。ADR3433为AD7124-8提供3.3 V基准电压和AVDD电源。ADR3433最多可提供10 mA的源电流。
土壤pH值测量
电路利用ADA4661-2精密运算放大器缓冲高阻抗pH值探针输出并驱动ADC。ADA4661-2是一款双通道、精密、轨到轨输入/输出放大器，针对低功耗、高带宽和宽工作电源电压范围应用进行了优化。为使流经高输出阻抗（约1 GΩ）pH传感器的偏置电流引起的失调误差最小，典型输入偏置电流为0.15 pA。ADA4661-2的失调电压仅有150 μV。
土壤特性由多个参数决定。土壤质地由沙、泥、粘土等矿物颗粒决定。土壤还包含有机物质（活物和死物）、空气和水。溶解的化学物质导致土壤中的水变为酸性或碱性。土壤的酸度和碱度用pH值来衡量。pH值范围是0（最高酸度）到14（最高碱度），pH值7表示中性。
对于大多数农作物，最适宜的土壤pH值是5.2到8.0。所有植物都会受极端pH值影响，但它们对酸度和碱度的耐受程度有很大不同。有些植物能在宽范围的pH值下生长良好，但也有些植物对酸度或碱度的细小变化非常敏感。
可使用组合pH电极来测量pH值。它由一个参考电极和一个环绕其周围的同心玻璃电极组成。pH电极产生一个对应于土壤pH值的小直流电压。对测得的pH值进行评估，确 定其是否在特定作物生长所需的pH值范围内。然后利用该方法，通过提升pH值（增加钙等酸性中和剂）来校正土壤酸度，或通过降低pH值（如增加硫）来降低碱度。
pH传感器输出是双极性信号，25°C时最大值为±414 mV。AD7124-8采用单电源工作，因此pH探针应偏置到地以上，使其处于AD7124-8的可接受共模范围之内。AD7124-8的集成特性之一是其内部偏置电压发生器，它将一个通道的共模电压设置为AVDD/2或1.65 V。这个来自ADC的偏置电压被施加于pH探针屏蔽层，并将传感器输出设置为1.65 V ±414 mV（25°C时）。
两点pH值校准
由于电极涂层和老化原因，pH电极的特性会随时间而变化，因此需要校准程序来获得最高精度。
校准通过测量两种缓冲溶液的pH值来完成，各缓冲溶液的pH值已知。软件包括不同pH值缓冲溶液的NIST查找表，以及0°C至95°C温度校正的pH值。溶液温度利用RTD测得。
使用以下线性等式：
确定pH传感器传递函数的实际斜率，测量实际失调电压。为了计算斜率，需求解以下等式：
其中：
y1为第一点的测量电压。
y2为第二点的测量电压。
x1为第一点的已知pH值。
x2 为第二点的已知pH值。
进行上述测量并将一个校准点带入等式2，根据以下最终等式确定未知pH值：
其中：
x为未知土壤pH值。
y为测量电压。
b为测量失调电压。
m为斜率。
对于未执行校准的直接测量，未知土壤pH值可通过求解以下Nernst方程确定：
其中：
E为未知土壤pH值的测量电极电压。
α为测量失调电压。
T为测量温度（单位为°C）。
n = 1（25 °C时），化合价（离子上的电荷数）。
F = 96,485库仑/摩尔，法拉第常数。
R = 8.314 伏特-库仑/K摩尔，阿伏加德罗氏数。
pH为未知溶液的氢离子浓度。
pHISO = 7，参比氢离子浓度。
土壤湿度测量
影响农作物生长和产量的一个重要因素是土壤水含量。因此，土壤湿度测量对农业灌溉系统中的水保护十分重要。当今业界使用的常见土壤湿度传感器大多是容性传感器。容性传感器测量土壤的水含量，土壤总量中的水量会影响介电常数。水的相对介电常数εr = 80，远大于土壤中其他元素的相对介电常数，如矿物质(εr = 4)、有机物质(εr = 4)和空气(εr = 1)等。土壤中水含量的变化会引起介电常数变化，进而导致电容改变。
湿度传感器将测得的探针间电容转换为直流电压，该直流电压直接接入ADC以转换为对应的体积含水量(VWC)。
CN-0398湿度传感器电路接受输出电压范围为0 V至3 V的三线湿度传感器（电源、地和电压输出）的输出。湿度传感器（如Decagon Devices EC-5）需要PWM激励脉冲，因而传感器大部分时间是关闭的。通过PWM脉冲，利用ADP7118-2.5 LDO使能引脚（SW_CTRL标签）开启和关闭传感器电源。
ADP7118-2.5是一款CMOS、低压差(LDO)线性稳压器，采用2.7 V至20 V电源供电，最大输出电流为200 mA。ADP7118-2.5的输入可通过跳线P10选择，选项有5 V或7 V至12 V，来自Arduino兼容平台板。ADP7118-2.5的输出也可通过跳线P8选择，选项有3.3 V或5 V。
用PWM信号开启和关闭传感器电源时，必须等到传感器的稳定时间过去之后才能对输出进行采样。Decagon EC-5传感器需要10 ms，Vegetronix VH400需要400 ms。
电压至VWC转换
该电路利用Decagon Devices EC-5湿度传感器来评估，其已经过出厂校准，转换函数如下：
其中：
VWC为土壤的体积含水量，用百分比表示。
mV为传感器输出，单位为mV。
Vegetronix VH400湿度传感器的转换函数是分段线性近似式，如表1所示。
| 电压范围 | 公式（V = 传感器输出，单位为伏） |
| 0 V 至1.1 V | VWC = 10 × V − 1 |
| 1.1 V 至1.3 V | VWC = 25 × V − 17.5 |
| 1.3 V 至1.82 V |
VWC = 48.08 × V − 47.5 |
| 1.82 V 至2.2 V | VWC = 26.32 × V − 7.89 |
温度测量
图2所示温度测量电路是一个基于24位Σ-Δ型ADC AD7124-8的3线式Pt100电阻温度检测器(RTD)系统。pH值测量的温度效应可利用RTD温度来补偿。AD7124-8具有一个50 μA至1 mA的可编程低漂移激励电流源。ADC通道AIN11和AIN12针对500 μA激励电流进行编程。IOUT1 (AIN11)流过5.11 kΩ参考电阻和RTD。由于同一电流流经RTD和参考电阻，因此测量是比例式的，激励电流变化引起的任何误差都会被消除。IOUT2 (AIN12)流入RTD RL2引线电阻，产生一个电压，其抵消RL1引线电阻上的压降。
pH值测量通常需要温度补偿，因为温度对pH探针的灵敏度有重大影响。pH探针在25°C时的理想输出为59.154 mV/pH，但会随着被测样本的实际温度而变化。
用于冷结的4线RTD需要自行线性化。当ADC在双极性模式工作时，计算RTD电阻(R)的通用表达式如下所示：
其中：
RRTD为RTD电阻。
CODE为ADC码。
N为ADC分辨率(24)。
RREF为参考电阻。
G为所选增益(16)。
将RTD电阻转换为温度所涉及到的步骤以及线性化过程参见电路笔记CN-0381。
预测pH通道的系统噪声性能
输出数据速率为25 SPS且增益为1时，AD7124-8在满功率模式下的rms噪声为570 nV（噪声折合到输入端，来自AD7124-8数据手册）。此时峰峰值噪声可用下式求得：
通过和方根(rss)方式加上ADA4661-2贡献的噪声(3 μV p-p)，预测总系统噪声为4.818 μV p-p。 如果pH计的灵敏度为59 mV/pH，则pH计能测量的无噪声分辨度pH水平为
满量程ADC输入范围为6.6 V，因此，预测峰峰值分辨率为
预测湿度通道和温度通道的系统噪声性能
湿度传感器和RTD直接连到ADC输入，因此，短路输入无噪声码分辨率主要取决于AD7124-8噪声，其为570 nV rms，相当于3.76 uV p-p。这样，无噪声码分辨率计算如下：
实际系统噪声性能
对于pH值测量，实际系统峰峰值噪声和分辨率的确定方法是短接输入pH探针BNC连接器，并采集1000个样本。如图3中的直方图所示，系统峰峰值分辨率为18.2位，而预测值为20.38位。测量在满功率模式下进行，采样速率为25 SPS，使用后置滤波器。
对于湿度测量，实际系统峰峰值噪声和分辨率的确定方法是短接湿度传感器连接器的输入，并采集1000个样本。如图4中的直方图所示，系统无噪声码分辨率为21.2位。测量在满功率模式下进行，采样速率为25 SPS，使用后置滤波器。
土壤湿度测试可重复性测量
表2和表3显示了探测某多沙土壤同一样本的湿度传感器数据输出。评估期间使用了Decagon EC-5和Vegetronix VH400湿度传感器。用各传感器探测土壤7次，然后计算平均值。结果显示VWC测量的可重复性好于1%。
| 测试 | 输出 (mV) | VWC (%) |
| 1 | 544.70 | 9.03 |
| 2 | 542.10 | 8.78 |
| 3 |
546.57 | 9.22 |
| 4 | 537.74 | 8.34 |
| 5 | 546.74 | 9.24 |
| 6 | 542.89 | 8.85 |
| 7 | 552.70 | 9.83 |
| 平均值 | 544.78 | 9.04 |
| 测试 | 输出 (V) | VWC (%) |
| 1 | 1.04 | 0.39 |
| 2 | 0.93 | 8.28 |
| 3 |
1.01 | 9.07 |
| 4 | 1.04 | 9.42 |
| 5 | 1.03 | 9.30 |
| 6 | 0.99 | 8.86 |
| 7 | 1.06 | 9.63 |
| 平均值 | 1.01 | 9.14 |
确定土壤水分含量
VWC定义为单位体积土壤中水的体积：
其中：
θ为体积含水量(cm3/cm3)。
VW为水的体积(cm3)。
VT为土壤样本总体积(cm3)。
要独立于电子测量确定土壤样本的VWC，可使用下述方法。先准备好一个烧杯和一台天平。
- 获得一份土壤样本
- 称量无土壤的烧杯
- 将已知体积的湿润土壤放入烧杯中
- 称量含湿润土壤的烧杯（克）
- 利用烤箱在110°C下烘烤土壤24小时
- 称量干燥土壤（克）
从土壤中除去的水的质量为：
其中：
mW为土壤中水的质量。
mWET为湿润土壤的质量。
mDRY为干燥土壤的质量。
水的密度为 1 g/cm3，因此水的质量在数值上等于其体积。该值用于确定VWC。
Decagon Devices应用笔记“校准ECH2O土壤湿度传感器”中详细说明了此程序。
表4显示的是将已知体积的水加入之前已在烤箱中烘干的多沙土壤样本后计算的VWC。
使用Decagon EC-5和Vegetronix VH400传感器来测量五种水浓度水平下的VWC。使用厂家推荐公式将各传感器的电压输出转换为表中所示的VWC。
图5显示了EC-5湿度传感器的VWC响应（表5），与之对比的是基于实际水体积计算得到的值（表4）。请注意，最差情况误差约为3%。
| 干燥土壤体积 (cm3) | 水体积 (cm3) | VWC计算值 (%) |
| 187.136 | 18.672 | 9.98 |
| 187.136 | 31.531 | 16.85 |
| 187.136 |
46.789 | 25.00 |
| 187.136 | 58.8 | 31.42 |
| 187.136 | 71.089 | 37.99 |
| 干燥土壤体积 (cm3) |
水体积 (cm3) |
传感器输出 (mV) | 输出转换为VWC (%) |
| 187.136 | 18.672 | 548 | 9.3616 |
| 187.136 | 31.531 | 593 | 13.8256 |
| 187.136 |
46.789 | 677 | 22.1584 |
| 187.136 | 58.8 | 779 | 32.2768 |
| 187.136 | 71.089 | 849 | 39.2208 |
针对土壤情况进行校准可提高湿度传感器精度。不同传感器通常都会利用特定土壤进行校准，但由于土壤容重、矿物质、质地和盐度的不同，精度可能会有变化。
传感器数据手册一般会给出用于将传感器输出转换为VWC的推荐公式。然而，如果从实际被测土壤获得多个VWC数据点，并生成一个更能准确拟合这些数据点的转换公式，有时候是可以提高精度的。对于特定传感器，根据实际VWC测量结果得出特定土壤的公式之前，应利用传感器数据手册中的推荐公式计算误差。在选定土壤要求的范围内，如果误差为2%或更小，则无必要产生一个土壤特定的公式。如果误差大于几个百分点，则基于最小二乘法拟合直线的土壤特定公式可以降低误差。某些情况下，可能需要一个多项式函数来获得所需的精度，具体取决于特定传感器的传递函数。
对于Decagon EC-5传感器，图6所示土壤特定直线拟合（使用最小二乘法）给出了很好的结果，最大误差从3%降至1.8%。
表6显示了使用Vegetronix VH400湿度传感器测得的VWC。表6和表4中的数据绘制在图7上。
| 干燥土壤体积 (cm3) |
水体积 (cm3) |
传感器输出 (V) | 输出转换为VWC (%) |
| 187.136 | 18.672 | 1.046 | 9.46 |
| 187.136 | 31.531 | 1.362 | 16.55 |
| 187.136 |
46.789 | 1.474 | 23.36992 |
| 187.136 | 58.8 | 1.673 | 32.93784 |
| 187.136 | 71.089 | 1.73 | 35.6784 |
图7表明，使用数据手册所示公式得到的误差仅有2.3%；因此，使用VH400传感器测量该被测土壤无需土壤特定的公式。
如需获得包括原理图、布局布线和物料清单在内的EVAL-CN0398-ARDZ评估板完整文档，请参阅CN-0398设计支持包(www.analog.com/CN0398-DesignSupport)。
电路评估与测试
本电路使用EVAL-CN0398-ARDZ扩展电路板、可选外部电源、带串口终端程序的PC，以及EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平台板。平台板用户指南参见产品页面：www.analog.com/EVAL-ADICUP360。关于EVAL-CN0398-ARDZ评估板用户指南和软件，请访问www.analog.com/CN0398-UserGuide。
设备要求
需要以下设备：
- EVAL-CN0398-ARDZ电路板。
- EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平台并加载CN-0398固件。
- 带USB端口的PC以及64位 Linux发布版操作系统，内核版本v4.2.0-amd 64或更高，带终端程序。
- 7 V至12 V/1 A直流电源，或7 V至12 V/1 A等效台式电源（使用5 V湿度传感器时才需要）。
- 土壤
- 烧杯
- 烤箱
- 天平
- VH400湿度传感器
- EC-5湿度传感器
测试设置功能框图
图8所示为测试设置的功能框图。
设置
采用以下步骤评估电路：
- 将EVAL-CN0398-ARDZ扩展板插入EVAL-ADICUP360平台板。
- 将传感器连接到EVAL-CN0398-ARDZ板。
- 按照EVAL-ADICUP360用户指南中的说明，将EVAL-ADICUP360虚拟COM USB端口连接到PC。
- 如果使用5 V湿度传感器，请利用7 V至12 V/1 A直流电源为EVAL-ADICUP360供电。否则，EVAL-ADICUP360可以直接由USB端口供电。
- 使用115,200 Hz波特率和正确的虚拟COM端口设置终端软件。
- 如果系统的波特率设置不正确，则按下EVAL-ADICUP360板上的RESET按钮设置默认值。
- 运行软件，软件连续显示传感器的pH值、温度和含水量输出。
欲了解硬件和软件的运行详情，请参阅CN-0398用户指南。CN-0398用户指南还详细说明了如何修改软件并利用线性或多项式方程来支持针对特定土壤的校准。
图9为EVAL-CN0398-ARDZ Arduino扩展板的照片。
图10为使用EC-5湿度传感器的湿度测量设置实例的照片。
