Làm thế nào để theo dõi độ pH và độ ẩm của đất

Cho dù nông nghiệp quy mô lớn hoặc vườn nhà đơn giản, duy trì độ ẩm đất thích hợp và pH là một yêu cầu cơ bản để đảm bảo sức khỏe thực vật. Nhưng để đo các đặc tính đất này, các nhà phát triển cần phải thiết kế các chuỗi tín hiệu tương tự hiệu quả, chi phí tinh vi để chuyển đổi dữ liệu thô thành thông tin hữu ích cho các ứng dụng đo lường đất cụ thể.

Một cách để đạt được các mục tiêu chính xác này là sử dụng thiết kế tham chiếu với phần mềm linh hoạt vừa phải. Các bo mạch và gói phần mềm EVAL-CN0398-ARDZ của Thiết bị Analog là một ví dụ tuyệt vời về giải pháp như vậy.

Bài viết này sẽ khám phá các ứng dụng và yêu cầu liên quan đến độ ẩm của đất và theo dõi pH, tiếp theo là bảng phát triển thiết bị tương tự CN0398 và thiết kế tham khảo. Bài viết này sẽ giải thích cách các thành phần chính được sử dụng trong thiết kế CN0398 đáp ứng các yêu cầu thiết kế quan trọng và khám phá vai trò của chúng trong ứng dụng tổng thể. Cuối cùng, bài viết này sẽ cho thấy cách các nhà phát triển có thể sử dụng bảng phát triển CN0398 và các gói phần mềm liên quan để nhanh chóng đánh giá và tùy chỉnh các ứng dụng giám sát đất.

Nhu cầu đo đất chính xác

Duy trì hàm lượng nước trong đất chính xác và pH là yêu cầu cơ bản nhất đối với người trồng ở bất kỳ quy mô sản xuất nào. Sự khan hiếm nước trong nước trực tiếp dẫn đến sự giảm quang hợp trong tất cả các cây, cũng như trong các quá trình sinh học khác như cố định nitơ bởi các loại đậu quan trọng như đậu nành.

Tương tự như vậy, những thay đổi về thụ tinh trong đất hoặc hiện tượng tự nhiên có thể có tác động đáng kể đến pH đất, dẫn đến giảm vi khuẩn và chất dinh dưỡng đất quan trọng. Đối với một số loại cây trồng, pH đất không phù hợp trong giai đoạn sinh trưởng sớm có thể làm giảm tốc độ tăng trưởng và năng suất cuối cùng.

Nếu không có hệ thống giám sát đất phù hợp, độ ẩm của đất và pH có thể biến thành các giá trị không thuận lợi cho cây trồng, điều này dẫn đến sự suy giảm về sức khỏe thực vật. Thiết bị giám sát và gói phần mềm EVAL-CN0398-ARDZ tương tự cung cấp thiết kế giám sát đất hoàn chỉnh mà các nhà thiết kế có thể sử dụng trực tiếp hoặc chỉnh sửa để đáp ứng nhu cầu riêng của họ.

Bảng phát triển CN0398 của Analog Device và thiết kế tham chiếu được thiết kế đặc biệt để hoạt động với độ ẩm bên ngoài, cảm biến pH và nhiệt độ trong các ứng dụng đo lường đất. Mạch onboard của nó bao gồm một thiết kế đa cảm biến hoàn chỉnh cần thiết để tạo ra dữ liệu đầu ra độ ẩm và pH, và dữ liệu kết quả được truy cập thông qua giao diện nối tiếp của nó. Thiết kế rất linh hoạt, nhưng chỉ tiêu thụ 1,95 milliamps (mA) và có nhiều tính năng tiết kiệm năng lượng, bao gồm cả việc sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) để cấp nguồn cho các cảm biến bên ngoài.

Các nhà phát triển có thể sử dụng CN0398 để nhanh chóng khởi chạy thiết kế phần cứng tùy chỉnh hoặc sử dụng bo mạch chủ với chất nền tương thích EVAL-ADICUP360 Arduino của Thiết bị tương tự . CN0398 sử dụng thiết kế tấm khiên Arduino cắm trực tiếp vào đế để cung cấp nền tảng phát triển ứng dụng nhanh.

Để tăng tốc độ phát triển phần mềm, các kỹ sư có thể tận dụng gói nguồn mở ADuCM360_demo_cn0398 của Thiết bị Analog . Gói được thiết kế để hoạt động với bảng cảm biến CN0398, cơ sở ADICUP360 và Studio nhúng CrossCore thiết bị tương tự. Ngoài các trình điều khiển cơ bản và các tiện ích hỗ trợ hệ thống, gói này bao gồm các tệp mã nguồn C ++ hoàn chỉnh và các tệp tiêu đề, bao gồm một bộ hoàn chỉnh các ứng dụng phần mềm đo lường đất.

Sự kết hợp giữa bo mạch phát triển thiết bị Analog và các gói phần mềm cung cấp cho các nhà thiết kế thiết kế phần cứng hoàn chỉnh và các ứng dụng phần mềm để sử dụng ngay lập tức trong các ứng dụng đo lường đất. Quan trọng không kém, thiết kế tham chiếu phần cứng và phần mềm mẫu CN0398 cũng cung cấp kế hoạch chi tiết để phát triển nhanh các hệ thống đo lường đất tùy chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của các ứng dụng như vậy.

Xử lý tín hiệu cảm biến

Thiết kế phần cứng của CN0398 bao gồm ba mạch nhánh riêng biệt cho cảm biến độ ẩm, pH và nhiệt độ bên ngoài. Mỗi mạch nhánh sẽ cung cấp tất cả các mạch cần thiết để kết nối với mỗi cảm biến. Điều này cho phép nhà phát triển bắt đầu vận hành cảm biến bằng cách cắm từng cảm biến vào đầu nối tương ứng trên bảng phát triển CN0398 và cấp nguồn cho nó. Tính năng này dựa trên thiết bị Analog AD7124-8 và kết hợp đầu cuối điều hòa tín hiệu được sử dụng rộng rãi với bộ chuyển đổi tương tự 24-bit delta-sigma (Σ-Δ) (ADC) (Hình 1).

Thiết bị tương tự AD7124-8 ADC Schematic

Hình 1: Thiết bị tương tự AD7124-8 đơn giản hóa thiết kế hệ thống đa cảm biến cần thiết cho phép đo đất với chuỗi tín hiệu tích hợp và ADC. (Nguồn: Analog Devices)

Bộ ghép kênh tín hiệu của AD7124-8 có thể chuyển đổi và điều chỉnh tám đầu vào vi phân hoặc 15 đầu vào đơn vào bộ ADC sigma-delta ADC và bộ lọc kỹ thuật số thông qua chuỗi tín hiệu có thể lập trình tích hợp của nó. Các nhà phát triển sử dụng giao diện nối tiếp của AD7124-8 để kết nối thiết bị với máy chủ MCU để điều khiển thiết bị và chuyển đổi dữ liệu.

Nhờ có nhiều chức năng, ngoài mạch cảm biến và nguồn điện áp ổn định, các nhà thiết kế có thể đáp ứng một loạt các yêu cầu thiết kế với tối thiểu các thành phần bên ngoài. Đối với thiết kế tham khảo CN0398, Thiết bị Analog sử dụng tham chiếu điện áp ADR3433 của nó như nguồn cấp điện tương tự (AV DD ) và tham chiếu điện áp (REFIN1) (Hình 2). Như mô tả dưới đây, thiết kế của ba mạch cảm biến chỉ đòi hỏi một vài thành phần bên ngoài.

Thiết bị tương tự AD7124-8 Schematic

Hình 2: Với các thiết bị tương tự AD7124-8, ngoài các mạch đầu vào cảm biến cụ thể và các tham chiếu điện áp chính xác như thiết bị tương tự ADR3433, các nhà phát triển có thể thực hiện các thiết kế cảm biến với một vài thành phần bên ngoài. (Nguồn: Analog Devices)

Đo độ ẩm

Hệ thống độ ẩm đất thường sử dụng sự khác biệt về hằng số điện môi giữa nước (80) và không khí (1) để xác định hàm lượng nước. Đối với các hệ thống này, các nhà phát triển sử dụng điện áp kích thích để lái một cảm biến 3 dây đơn giản như các đặc tính đo lường kết nối TE HPP809A033 để tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong đất.

Trong thiết kế CN0398, mặt trước độ ẩm của đất sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính thấp (LDO) Analog Devices ADP7118-2.5 để cung cấp điện áp kích thích ổn định ( cảm biến V ) cho cảm biến (Hình 3). Để cấp nguồn cho bộ điều chỉnh LDO, các nhà phát triển có thể lấy điện từ chất nền ADICUP360 hoặc thiết kế tùy chỉnh của nó.

Thiết bị tương tự CN0398 Design Schematic

Hình 3: Thiết bị tương tự CN0398 được thiết kế để cung cấp nguồn điện áp cảm biến V ổn định cho các cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng công cụ điều chỉnh giảm LDP của ADP7118-2.5 . (Nguồn: Analog Devices)

Mặc dù ADP7118 có thể cung cấp các mức điện áp cảm biến liên tục, nguồn cấp điện xung phải được sử dụng để thúc đẩy cảm biến do cân nhắc tiêu thụ điện năng và các yêu cầu cụ thể của một số cảm biến độ ẩm. Để đáp ứng các yêu cầu này, các nhà phát triển có thể sử dụng đầu ra PWM MCU để điều khiển cổng (EN) của LDO để cung cấp xung điện áp cho cảm biến.

Các mẫu AD7124-8 đáng tin cậy và chuyển đổi đầu ra điện áp của cảm biến độ ẩm với mạch điều hòa tín hiệu tích hợp và ADC. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng đo lường đất, mối quan hệ giữa dữ liệu cảm biến chuyển đổi và độ ẩm của đất có thể phức tạp.

Khi đánh giá độ ẩm đất, các chuyên gia về sức khỏe đất có xu hướng so sánh độ ẩm của đất theo hàm lượng nước thể tích (VWC), tỷ lệ thể tích nước với tổng thể tích đất. Các nhà sản xuất cảm biến độ ẩm thường cung cấp phương trình để chuyển đổi đầu ra cảm biến của họ sang VWC. Tuy nhiên, điều kiện đất hoặc bản chất của bản thân ứng dụng vẫn có thể yêu cầu sử dụng các phương trình chuyển đổi phù hợp hơn cho các kịch bản riêng của chúng.

Thiết bị Analog cho thấy việc sử dụng hai phương pháp trong gói mẫu của nó. Bằng cách CN0398.hthực hiện tập tin tiêu đề USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQđịnh nghĩa, các nhà phát triển có thể chọn để sử dụng các phương trình chuyển đổi tiêu chuẩn từng người một công thức chuyển đổi khuyến cáo của nhà sản xuất hoặc các phần mềm được cung cấp. Trong đó, nếu định nghĩa USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ, thói quen gương mẫu read_moisture()sẽ tạo ra độ ẩm (Bảng 1) dựa trên phạm vi điện áp đầu ra của cảm biến. Nếu CN0398.hđịnh nghĩa này nhận xét tập tin header, sau đó thói quen có thể sử dụng các biểu thức toán học chuyển đổi một độ ẩm điện áp cung cấp.

Liệt kê 1: Gói CN0398 của thiết bị tương tự cung cấp ví dụ về thói quen độ ẩm cho thấy nhà phát triển có thể chuyển đổi điện áp cảm biến độ ẩm thành dữ liệu độ ẩm hữu ích bằng cách sử dụng công thức hoặc phương trình chuyển đổi của nhà sản xuất. (Nguồn: Analog Devices)

đo pH

Cảm biến pH điển hình (ví dụ mạch được sử dụng trong điện cực SparkFun Electronics SEN-10972 , có nguồn điện áp trở kháng cao. Ngay cả với các ADC được sử dụng với các đầu cuối điều hòa tín hiệu tích hợp, các nhà phát triển có kinh nghiệm thường thêm một bộ đệm giữa đầu ra cảm biến và đầu vào ADC trong các trường hợp như vậy.

Theo đó, mạch cảm biến pH trong thiết kế CN0398 bao gồm một thiết bị tương tự ADA4661-2 bộ khuếch đại hoạt động (Hình 4). ADA4661-2 là amp op chính xác công suất thấp hoạt động từ một nguồn cung cấp duy nhất và có điện áp bù thấp trên toàn bộ dải điện áp hoạt động của nó, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng công suất thấp như mạch cảm biến.

Thiết bị tương tự ADA4661-2 Operational Amplifier Schematic

Hình 4: Ampli Analog Devices ADA4661-2 trong thiết kế Analog Devices CN0398 cung cấp bộ đệm giữa cảm biến pH trở kháng cao điển hình và đầu vào analog Analog AD7124-8. (Nguồn: Analog Devices)

Mặc dù thiết kế dựa trên một điện áp cung cấp duy nhất, cảm biến pH thường tạo ra một đầu ra điện áp lưỡng cực. Trong trường hợp này, tuy nhiên, AD7124-8 cung cấp một cách dễ dàng để phân cực cảm biến đến một mức phù hợp trên mặt đất. AD7124-8 tích hợp bộ tạo thiên vị tích hợp để đặt điện áp chế độ chung của kênh thành AV DD / 2. Như trong ví dụ này, nhà thiết kế có thể sử dụng một chốt đầu ra AD7124-8 để truyền điện áp thiên vị này tới phía thấp của cảm biến pH (V trong Hình 4). BIAS trong ). Các nhà phát triển có thể dễ dàng khôi phục lại đầu vào thiên vị này thành kết quả kỹ thuật số lưỡng cực trong phần mềm.

ADuCM360_demo_cn0398 mở gói chứa một read_ph()thói quen mẫu mô tả các điện áp đầu ra cảm biến pH đến một giá trị pH của quá trình. Như với thói quen độ ẩm của đất, thói quen ví dụ pH này cũng chứng minh việc sử dụng hai phương pháp khác nhau để tạo ra độ pH (Liệt kê 2).

Liệt kê 2: Thường trình mẫu để đọc các giá trị cảm biến pH, mô tả cách chuyển đổi đầu ra điện áp của cảm biến pH thành pH bằng phương trình Nernst chuẩn hoặc giá trị hiệu chuẩn tích hợp. (Nguồn: Analog Devices)

Bằng cách truyền các biến trong gói mẫu use_nernst thiết lập là true, độ pH của các nhà phát triển có thể được tạo ra bằng phương trình Nernst chuẩn. Nếu đặt sai, giá trị của biến gây ra thói quen trong chương trình tạo ra hai điểm hiệu chuẩn, mà thủ tục hiệu chuẩn thường được thực hiện bằng tương tự Sparkfun SEN-10.972 giá trị pH của dung dịch đệm bộ tài liệu tham khảo pH. Những thói quen phần mềm điển hình bao gồm giá trị cân chỉnh mặc định lựa chọn sử dụng một bảng tra cứu cho dung dịch đệm pH NIST khác nhau và từ 0 ° C đến 95 ° C Phạm vi nhiệt độ sau khi hiệu chỉnh giá trị pH. Nhà phát triển có thể thay thế các giá trị mặc định bằng dữ liệu hiệu chỉnh tùy chỉnh của riêng họ hoặc dễ dàng sửa đổi mã để hỗ trợ cả giá trị mặc định và tùy chỉnh.

Đo nhiệt độ

Khi danh sách trên, giá trị pH trong phương trình Nernst 2 thể hiện một cách rõ ràng phụ thuộc vào nhiệt độ, hoặc giá trị cân chỉnh tùy chỉnh để ngầm phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngoài ra, nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ nhạy và chuỗi tín hiệu của cảm biến. Mặc dù AD7124-8 cảm biến nhiệt độ tích hợp (xem FIG. 1) có thể giải quyết một số vấn đề, nhưng đo đáng tin cậy của đất vẫn còn phụ thuộc vào đọc nhiệt độ chính xác. Theo đó, CN0398 đoạn thiết kế để đảm bảo rằng các cảm biến nhiệt độ từ Adafruit Industries 3290 để có được đọc chính xác và bên ngoài ba dây dò nhiệt độ kháng PT100 khác (RTD).

Như với bất kỳ cảm biến điện trở nào, RTD yêu cầu dòng kích thích để cho phép đo các thay đổi điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ. Nói chung, các nhà phát triển sử dụng cảm biến điện trở cần phải sử dụng các trình điều khiển bên ngoài, bộ điều chỉnh điện áp và cảm biến hiện tại để cải thiện thiết kế cảm biến của họ để giữ cho dòng kích thích ở mức chính xác. Nhưng đối với AD7124-8, các nhà phát triển chỉ cần thêm mạng thụ động thích hợp cần thiết để hỗ trợ cấu hình 3 dây 

Thiết bị tương tự CN0398 Design Schematic

Hình 5: Để lái máy dò nhiệt độ điện trở 3 dây (RTD), Thiết bị tương tự CN0398 sử dụng nguồn dòng liên tục có thể lập trình được tích hợp trong Thiết bị tương tự AD7124-8. (Nguồn: Analog Devices)

Một cặp máy phát điện dòng không đổi được tích hợp trong AD7124-8 cung cấp các kích thích mức cố định khác nhau trong phạm vi từ 50 đến 1000 mA (μA), bao gồm mức 500 μA được sử dụng trong thiết kế CN0398. Nhà phát triển thiết lập các chân mức và chân đầu ra hiện tại bằng cách thiết lập các bit IOUTx và IOUTx_CH trong thanh ghi cấu hình IO_CONTROL của thiết bị. Là một phần của quy trình khởi tạo của nó, gói phần mềm CN0398 đặt các kênh ADC AIN11 và AIN12 thành các chân đầu ra cho hai dòng kích thích 500 μA, IOUT1 và IOUT2.

Mặc dù các máy phát điện hiện tại là đủ chính xác cho nhiều ứng dụng, các nhà phát triển có thể dễ dàng loại bỏ các tác động của những thay đổi hiện tại bằng cách sử dụng các kỹ thuật đo lường dựa trên bức xạ. Mạch cảm biến phần cứng nhiệt độ CN0398 được hiển thị trong Hình 5 sử dụng phương pháp này. Trường hợp cùng một dòng IOUT1 chạy qua RTD và điện trở tham chiếu chính xác R REF , dẫn đến phép đo bức xạ. Đồng thời, IOUT2 ​​tạo ra một điện áp giảm qua điện trở RTD SENSE của RTD, điều này bù lại sự sụt giảm điện áp trên điện trở dẫn RTD +.

Như với cảm biến độ ẩm và pH, khả năng chống chuyển đổi nhiệt độ cũng đòi hỏi một chức năng truyền thích hợp. Đối với một RTD điển hình, mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở có thể được biểu diễn một cách đáng tin cậy dưới dạng một dạng toán học. Nhưng ngay cả như vậy, đối với các nhiệt độ khác nhau trên và dưới 0 ° C, bạn cần phải sử dụng hai biểu thức toán học khác nhau. Gói nguồn mở ADuCM360_demo_cn0398 hỗ trợ cả hai phương thức và phép biến đổi tuyến tính đơn giản (Liệt kê 3).

Liệt kê 3: Để chuyển đổi giá trị điện trở về nhiệt độ, thường trình mẫu của Thiết bị Analog hiển thị một định nghĩa tĩnh ( USE_LINEAR_TEMP_EQ) hoặc giá trị động (电阻 < R0 mẫu thiết kế cơ bản để chọn phương thức thích hợp ). (Nguồn: Analog Devices)

Như đã trình bày trong danh sách 3, read_rtd thói quen gương mẫu () cho phép các nhà phát triển để lựa chọn CN0398.cppđơn giản vĩ mô chuyển đổi tuyến tính được định nghĩa trong mô-đun PT100_RESISTANCE_TO_TEMP. Ngoài ra, các nhà phát triển cũng có thể được sử dụng trong read_rtd()một biểu thức toán học phức tạp hơn cung cấp một thói quen mẫu. Trong ví dụ này, điểm uốn 0 ° C được sử dụng để chọn biểu thức tương ứng ngụ ý một điện trở RTD ở 0 ° C.R0 trong.

Tóm tắt

Để xây dựng một hệ thống đo lường đất, các kỹ sư phải đối mặt với một loạt các thách thức về phần mềm và phần cứng. Thiết kế phần cứng phải đáp ứng các yêu cầu giao diện của cảm biến và phần mềm phải cung cấp các cách khác nhau để chuyển đổi dữ liệu thô thành thông tin hữu ích.

Bảng phát triển Analog Devices CN0398 và gói phần mềm nguồn mở ADuCM360_demo_cn0398 đáp ứng cả hai yêu cầu về thiết kế hệ thống đo lường đất. Sử dụng bảng phát triển CN0398 của Analog Device và phần mềm với nền ADICUP360 tương thích Arduino cung cấp giải pháp đo lường đất hoàn chỉnh.

Các nhà phát triển có thể sử dụng giải pháp chìa khóa trao tay này để xây dựng các ứng dụng đo lường đất hoặc mở rộng các thiết kế tham chiếu có liên quan và phần mềm mẫu để xây dựng các giải pháp tùy chỉnh.