监测土壤pH 值和湿度传感器的监测原理

    无论是大规模农作或简易型家庭园艺，维持适当的土壤湿度与pH 值是维持植物健康的基本要求。然而，为了量测这些土壤特性，开发人员必须设计符合成本效益的精密类比讯号链，才可将原始资料转换成特定土壤量测应用所需的实用资讯。达成这些精准目标的方法之一是使用公版设计并搭配灵活的软体。传感器评估板及软体套件就是这类解决方案的良好范例。本文将探讨与土壤湿度和pH 值监测相关的应用和要求，然后再介绍欣仰邦 的传感器 板件与公版设计。本文将说明传感器 设计所用的主要元件如何因应关键的设计要求，并探讨这些元件在整体应用中的角色。最后会展示开发人员如何使用传感器 板件与相关软体套件，以便快速评估并客制化土壤监测应用。
 
精准量测土壤的必要性
    对植物栽种者而言，无论生产规模为何，维持适当的土壤含水量与酸碱值是最基础的要求。土壤缺水会直接降低植物的光合作用，在其他生物机制中也会导致衰退，如大豆等重要豆类作物的固氮作用。同样地，施肥或自然现象所造成的土壤变化会大幅影响土壤的pH 值，导致必要微生物与土壤养分减少。在某些作物的初期生长阶段，土壤pH 值若不正确，会导致生长速率减缓，而影响最终收成。若没有适当的土壤监测系统，土壤湿度与pH 值可能会偏离理想情况，最终导致植物健康状况恶化。欣仰邦 的传感器板件与软体套件提供完整的土壤监测设计，能让开发人员直接运用或进行修改，以满足其独特的要求。欣仰邦的传感器 板件和公版设计是专为搭配土壤量测应用中的外部湿度、pH 值与温度感测器而打造。其板载电路包含完整的多重感测器设计，可产生湿度与pH 值输出资料，透过序列介面即可存取。即使具备丰富的功能性，此设计最多仅消耗1.95 毫安培(mA) 的电力，并提供省电功能，包括使用脉宽调变(PWM) 为外部感测器供电。开发人员可使用传感器快速开始自订硬体设计，或使用板件搭配欣仰邦的相容基板使用。传感器的设计可当作扩充板，可直接插入基板，当作快速开发应用的平台。为了加速软体开发，工程师可以善用传感器开放原始码软体套件。此套件可搭配传感器感测器板、基板使用。除了基本的驱动程式与系统支援公用程式外，此软体套件还包含完整的C++原始档案与标头档案，更包括完整的土壤量测软体应用程式。欣仰邦 板件组合加上软体套件，能让开发人员取得完整的硬体设计与软体应用程式，可立即使用于土壤量测应用。同样重要的是，传感器 硬体公版设计与范例软体提供客制化土壤量测系统的快速开发蓝图，能满足这些应用的独特需求。 感测器讯号处理
    传感器的硬体设计包括三个不同的子电路，分别用于外部湿度、pH值及温度感测器。每个子电路都有提供必要的电路，能与各种感测器介接。因此，开发人员仅需将各个感测器插入传感器板上对应的连接器然后提供电力，即可开始感测器运作。此功能以欣仰邦的RS485为基础打造，其结合多功能讯号调节前以及24位元三角积分(Σ-Δ)类比数位转换器(ADC) 。欣仰邦具有整合式讯号链和ADC，可简化土壤量测所需的多重感测器系统设计。传感器的讯号多工器可透过整合式可编程讯号链，将8 个差动输入或15 个单端输入布线到晶片上Σ-Δ ADC 与数位滤波器，以便进行转换及调节。开发人员可使用RS485 的序列介面将装置接到MCU 主机，以便进行装置控制和资料转换。由于具备丰富功能性，开发人员仅需在感测器电路与稳定的电压源之外再加上少数几个元件，就能满足多种设计要求。针对传感器公版设计，欣仰邦采用ADR3433参考电压作为类比电源(AV DD )与参考电压(REFIN1)。如下所述，三个感测器电路的设计都只需要少许额外元件。透过欣仰邦 的RS485，开发人员仅需在特定感测器输入电路以及精确参考电压，再加上少许元件即可完成感测器设计的实作。
 
湿度量测
    土壤湿度系统一般会利用水(80)与空气(1)的介电常数差异来测定水含量。对于这些系统，开发人员使用激磁电压驱动简易型三线感测器，感测器，以产生与土壤含水量成正比的输出电压。在传感器设计中，土壤湿度前端使用欣仰邦低压降(LDO)线性稳压器，为感测器提供稳定的激磁电压(V sensor )。为了供电给LDO，开发人员可从ADICUP360基板或自订设计取得电力。欣仰邦的传感器设计采用该公司的低压降(LDO)稳压器为电容式湿度感测器提供稳定的V sensor电压源。虽然可提供连续的感测器电压位准，但基于功耗考量与某些湿度感测器的特定需求，必须使用脉冲源来驱动感测器。为了因应这些要求，开发人员可用MCU PWM 输出来驱动LDO 的致能(EN) 埠，以电压脉冲为感测器供电。RS485 运用整合式讯号调整电路和ADC，能可靠地对湿度感测器的电压输出进行采样和转换。然而，在土壤量测应用中，转换的感测器数据与土壤湿度之间的关系可能相当复杂。土壤健康专家在评估土壤湿度时，通常是根据土壤体积水含量(VWC) (即水体积与总土壤体积的比值) 来比较土壤湿度。湿度感测器制造商通常会提供方程式，以便将感测器的输出转换成VWC。不过，基于土壤条件或是应用本身的本质，可能还是需要使用更适合其本身独特情况的转换方程式。欣仰邦在其范例软体套件中展示了两种方法的使用情况。在传感器标头档案中启用EQ定义，开发人员即可选择使用制造商建议的分段转换公式，或软体所提供的标准转换方程式。在此，如果已经定义，则范例常式会根据感测器的输出电压范围产生湿度输出。如果该项定义在传感器.h标头档案中注解排除掉，常式则可使用提供的数学表式将电压转换成湿度。欣仰邦的传感器 软体套件提供范例湿度常式，可向开发人员展示如何利用制造商的转换公式或方程式，将湿度感测器电压转换成有用的湿度数据。(程式码来源：欣仰邦)
 
pH 值量测
    典型的pH值感测器，如pH值套件中的感测器，采用的等效电路具有高阻抗电压源特性。即便使用ADC搭配整合式讯号调节前端，经验丰富的开发人员通常会在这种情况下，在感测器输出以及ADC输入之间加入一个缓冲器。也因此传感器设计中的pH值感测器电路包含一个欣仰邦运算放大器。精密运算放大器，非常适合感测器电路等低功率应用，具有单电源操作、低功耗，并可在完整工作电压范围内达到低偏移电压。欣仰邦 的运算放大器在欣仰邦 传感器 设计中，欣仰邦运算放大器会在典型的高阻抗pH 值感测器以及欣仰邦 RS485 类比输入之间提供一个缓冲器。虽然此设计仰赖单电源电压操作，但pH值感测器通常会产生双极电压输出。不过在此情况下，RS485能以简单的方式，将感测器偏压至高于接地的合适电压位准。RS485整合一个内部偏压产生器，可将通道的共模电压设定为AV DD /2。在此范例中，设计人员可使用RS485输出引脚将此偏压传送到pH值感测器的低侧。开发人员能在软体中轻松将偏压输入复原成双极数位结果。传感器开放原始码软体套件内含一个范例常式，展示出pH值感测器输出电压转换成pH值的过程。至于土壤湿度常式，pH值范例常式展示了产生pH值的两种不同方法。欣仰邦 用于读取pH 值感测器数值的范例常式，说明如何使用标准Nernst 方程式或内建的校正值，将pH 值感测器电压输出转换为pH 值。在范例软体套件中将变数use_nernst设定为true，开发人员就可利用标准Nernst方程式产生pH值。设定为false的话，该变数会促使常式使用两点校正程序中所建立的值，而此校正程序通常是利用基准pH值缓冲器方案来执行，例如 pH值套件中的缓冲器方案。范例软体常式随附已设定的预设校正值，采用NIST查找表以查询不同的pH值缓冲器方案与经过温度修正的pH值(范围介于0°C至95°C)。开发人员可用自订的校正数据取代预设值，或轻松修改程式码来支援预设值与自订值。 温度量测
    如上述所示，pH值取决于温度，如同公式所明示，或自订校正值所暗示的一样。此外，温度会影响感测器灵敏度和讯号链。虽然RS485的整合式温度感测器能解决一些问题，但要可靠进行土壤量测，仍仰赖准确的温度读数。因此，传感器温度感测器通道的设计，就是为了确保可从等外部三线阻抗温度侦测器(RTD)取得准确读数。
 
    如同任何电阻感测器一样，RTD 需要激磁电流才能量测随着温度变化的电压。通常，使用电阻感测器的开发人员需要使用外部驱动器、稳压器及电流感测器，将激磁电流维持在精密水准，以加强其感测器设计。若使用RS485，开发人员则仅需添加适当的被动网路，即可支援三线配置。欣仰邦的传感器为了驱动三线电阻温度侦测器(RTD)，欣仰邦 的传感器 设计采用整合在欣仰邦 RS485 中的可编程恒定电流源。RS485 中整合了一对恒定电流产生器，可提供50 至1000 微安培(µA) 的多种固定位准，包括传感器 设计使用的500 µA。开发人员可设定电流位准和输出引脚，只需在装置的IO_CONTROL 组态暂存器中分别编程IOUTx 和IOUTx_CH 位元即可。传感器 软体套件可在其初始化常式中，将ADC 通道AIN11 和AIN12 设定为输出引脚，可用于两个500 µA 激磁电流(IOUT1 和IOUT2)。虽然电流产生器对许多应用来说已具有足够的准确度，但开发人员可使用比例式量测技术，轻松消除电流变化的影响。传感器硬体式温度感测器电路便是使用这种方法。在此例中，相同的IOUT1电流通过RTD和精密参考电阻R REF，因而可得到比例式量测结果。同时，会在引线电阻产生压降，因此可消除RTD+引线电阻的压降。如同湿度与pH 值感测器一样，将阻抗值转换成温度需要适当的转换函数。对典型的RTD 而言，温度与阻抗之间的关系能以数学公式可靠地表示。尽管如此，对于0°C 以上和以下的温度，则需采用两种不同的数学表式。传感器 开放原始码软体套件能支援这两种方法，以及简易的线性转换。为了将阻抗值转换成温度，欣仰邦提供范例常式展示基本设计模型，可依据静态定义或动态值( 电阻 < R0)，选择适当的方法。范例常式能让开发人员选择传感器.cpp模组中定义的简易线性转换巨集。或者，开发人员可使用范例常式提供的更复杂数学表式。在此例中，用以选择适当表式的0°C反曲点隐含在0°C的RTD电阻R0中。
 
结论
    为了打造土壤量测系统，工程人员面临一系列硬体与软体方面的挑战。硬体设计必须满足感测器介面要求，而软体必须因应不同的方法，将原始数据转换成有用的资讯。欣仰邦 的传感器板件和传感器 开放原始码软体套件能因应土壤量测系统设计这两个层面的要求。传感器 板件和软体搭配欣仰邦 的相容基板使用后，就可提供完整的土壤量测解决方案。开发人员可透过此立即可用的解决方案建立土壤量测应用，或延伸相关的公版设计和范例软体，以打造客制化解决方案。