Самодельный, стабильный датчик влажности почвы для автоматической поливальной установки
Эта статья возникла в связи с постройкой автоматической поливальной машины для ухода за комнатными растениями. Думаю, что и сама поливальная машина может представлять интерес для самодельщика, но сейчас речь пойдёт о датчике влажности почвы. https://сайт/
Самые интересные ролики на Youtube
 |
 |
 |
 |
Пролог.
Конечно, прежде чем изобретать велосипед, я пробежался по Интернету.
Датчики влажности промышленного производства оказались слишком дороги, да и мне так и не удалось найти подробного описания хотя бы одного такого датчика. Мода на торговлю «котами в мешках», пришедшая к нам с Запада, уже похоже стала нормой.
Описания самодельных любительских датчиков в сети хотя и присутствуют, но все они работают по принципу измерения сопротивления почвы постоянному току. А первые же эксперименты показали полную несостоятельность подобных разработок.
Собственно, это меня не очень удивило, так как я до сих пор помню, как в детстве пытался измерять сопротивление почвы и обнаружил в ней... электрический ток. То есть стрелка микроамперметра фиксировала ток, протекающий между двумя электродами, воткнутыми в землю.
Эксперименты, на которые пришлось потратить целую неделю, показали, что сопротивление почвы может довольно быстро меняться, причём оно может периодически увеличиваться, а затем уменьшаться, и период этих колебаний может быть от нескольких часов до десятков секунд. Кроме этого, в разных цветочных горшках, сопротивление почвы меняется по-разному. Как потом выяснилось, жена подбирает для каждого растения индивидуальный состав почвы.
Вначале я и вовсе отказался от измерения сопротивления почвы и даже начал сооружать индукционный датчик, так как нашёл в сети промышленный датчик влажности, про который было написано, что он индукционный. Я собирался сравнивать частоту опорного генератора с частотой другого генератора, катушка которого одета на горшок с растением. Но, когда начал макетировать устройство, вдруг вспомнил, как однажды попал под «шаговое напряжение». Это и натолкнуло меня на очередной эксперимент.
И действительно, во всех, найденных в сети самодельных конструкциях, предлагалось замерять сопротивление почвы постоянному току. А что, если попытаться измерить сопротивление переменному току? Ведь по идее, тогда вазон не должен превращаться в "аккумулятор".
Собрал простейшую схему и сразу проверил на разных почвах. Результат обнадёжил. Никаких подозрительных поползновений в сторону увеличения или уменьшения сопротивления не обнаружилось даже в течение нескольких суток. Впоследствии, данное предположение удалось подтвердить на действующей поливальной машине, работа которой была основана на подобном принципе.
Электрическая схема порогового датчика влажности почвы.
В результате изысканий появилась эта схема на одной единственной микросхеме. Подойдёт любая из перечисленных микросхем: К176ЛЕ5, К561ЛЕ5 или CD4001A. У нас эти микросхемы продают всего по 6 центов.
Датчик влажности почвы представляет собой пороговое устройство, реагирующее на изменение сопротивления переменному току (коротким импульсам).
На элементах DD1.1 и DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с интервалом около 10 секунд. https://сайт/
Конденсаторы C2 и C4 разделительные. Они не пропускают в измерительную цепь постоянный ток, которые генерирует почва.
Резистором R3 устанавливается порог срабатывания, а резистор R8 обеспечивает гистерезис усилителя. Подстроечным резистором R5 устанавливается начальное смещение на входе DD1.3.
Конденсатор C3 – помехозащищающий, а резистор R4 определяет максимальное входное сопротивление измерительной цепи. Оба эти элемента снижают чувствительность датчика, но их отсутствие может привести к ложным срабатываниям.
Не стоит также выбирать напряжение питания микросхемы ниже 12 Вольт, так как это снижает реальную чувствительность прибора из-за уменьшения соотношения сигнал/помеха.
Внимание!
Я не знаю, может ли длительное воздействие электрических импульсов оказать вредное воздействие на растения. Данная схема была использована только на стадии разработки поливальной машины.
В для полива растений я использовал другую схему, которая генерирует всего один короткий измерительный импульс в сутки, приуроченный ко времени полива растений.
Нередко в продаже можно встретить такие приспособления, которые устанавливаются на цветочный горшок и следят за уровнем влажности почвы, включая при необходимости насос и поливая растение. Благодаря такому устройству можно будет спокойно уезжать в отпуск на недельку, не боясь, что любимый фикус завянет. Однако цена на такие приспособления неоправданно высока, ведь их устройство предельно простое. Так зачем покупать, если можно сделать самому?
Схема
Предлагаю к сборке схему простого и проверенного датчика влажности почвы, схема которого изображена ниже:В почку горшка опускаются два металлических прутка, сделать которые можно, например, разогнув скрепку. Их нужно воткнуть в землю на расстоянии примерно 2-3 сантиметра друг от друга. Когда почва сухая, она плохо проводит электрический ток, сопротивление между прутками очень велико. Когда почва влажная – её электропроводность значительно повышается и сопротивление между прутками уменьшается, именно это явление лежит в основе работы схемы.
Резистор 10 кОм и участок почвы между прутками образуют делитель напряжения, выход которого соединён с инвертирующим входом операционного усилителя. Т.е. напряжение на нём зависит лишь от того, насколько увлажнена почва. Если поместить датчик во влажную почву, то напряжение на входе ОУ будет равно примерно 2-3 вольтам. По мере высыхания земли это напряжение будет увеличиваться и достигнет значения 9-10 вольт при совершенно сухой земле (конкретные значения напряжения зависят от типа почвы). Напряжение на неинвертирующем входе ОУ задаётся вручную переменным резистором (10 кОм на схеме, его номинал можно менять в пределах 10-100 кОм) в пределах от 0 до 12-ти вольт. С помощью этого переменного резистора задаётся порог срабатывания датчика. Операционный усилитель в этой схеме работает в качестве компаратора, т.е. он сравнивает напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах. Как только напряжение с инвертирующего входа превысит напряжение с неинвертирующего, на выходе ОУ появится минус питания, загорится светодиод и откроется транзистор. Транзистор, в свою очередь, активирует реле, управляющее водяным насосом или электрическим клапаном. Вода начнёт поступать в горшок, земля вновь станет влажной, её электропроводность увеличиться, и схема отключит подачу воды.
Печатная плата, предлагающаяся к статье, рассчитана на использования сдвоенного операционного усилителя, например, TL072, RC4558, NE5532 или других аналогов, одна его половинка при этом не используется. Транзистор в схеме используется малой или средней мощности и структуры PNP, можно применить, например, КТ814. Его задача – включение и выключение реле, также вместо реле можно применить ключ на полевом транзисторе, как это сделал я. Напряжение питания схемы – 12 вольт.
Скачайте плату:
(cкачиваний: 330)
Сборка датчика влажности почвы
Может случиться такое, что при высыхании почвы реле включается не чётко, а сначала начинает быстро щёлкать, и только после этого устанавливается в открытом состоянии. Это говорит о том, что провода от платы до горшка с растением улавливают сетевые наводки, пагубно влияющие на работу схемы. В таком случае, не помешает заменить провода на экранированные и поставить электролитический конденсатор ёмкостью 4.7 – 10 мкФ параллельно участку почвы, вдобавок к ёмкости 100 нФ, указанной на схеме.Работа схемы мне очень понравилась, рекомендую к повторению. Фото собранного мной устройства:
Избавит от однообразной повторяющейся работы, а избежать избытка воды поможет датчик влажности почвы - своими руками такой прибор собрать не так уж сложно. На помощь садоводу приходят законы физики: влага в грунте становится проводником электрических импульсов, и чем ее больше, тем ниже сопротивление. При понижении влажности сопротивление увеличивается, и это помогает отследить оптимальное время полива.
Конструкция датчика влажности почвы представляет собой два проводника, которые подключаются к слабому источнику энергии, в схеме должен присутствовать резистор. Как только количество влаги в пространстве между электродами растет, сопротивление снижается, и сила тока увеличивается.
Влага высыхает – сопротивление растет, сила тока снижается.
Поскольку электроды будут находиться во влажной среде, их рекомендуется включать через ключ, чтобы уменьшить разрушительное влияние коррозии. В обычное время система стоит выключенной и запускается только для проверки влажности нажатием кнопки.
Датчики влажности почвы такого типа можно устанавливать в теплицах – они обеспечивают контроль за автоматическим поливом , поэтому система может функционировать вообще без участия человека. В этом случае система постоянно будет находиться в рабочем состоянии, но состояние электродов придется контролировать, чтобы они не пришли в негодность под воздействием коррозии. Аналогичные устройства можно устанавливать на грядках и газонах на открытом воздухе – они позволят мгновенно получить нужную информацию.
При этом система оказывается намного точнее простого тактильного ощущения. Если человек будет считать землю полностью сухой, датчик покажет до 100 единиц влажности грунта (при оценке в десятеричной системе), сразу после полива это значение вырастает до 600-700 единиц.
После этого датчик позволит контролировать изменение содержания влажности в грунте.
Если датчик предполагается использовать на улице, его верхнюю часть желательно тщательно загерметизировать, чтобы не допустить искажения информации. Для этого ее можно покрыть водонепроницаемой эпоксидной смолой.
Конструкция датчика собирается следующим образом:
- Основная часть – два электрода, диаметр которых составляет 3-4 мм, они прикрепляются к основанию, изготовленному из текстолита или другого материала, защищенного от коррозии.
- На одном конце электродов нужно нарезать резьбу, с другой стороны они делаются заостренными для более удобного погружения в грунт.
- В пластине из текстолита просверливаются отверстия, в которые вкручиваются электроды, их нужно закрепить гайками с шайбами.
- Под шайбы нужно завести исходящие провода, после чего электроды изолируются. Длина электродов, которые будут погружаться в грунт, составляет около 4-10 см. в зависимости от используемой емкости или открытой грядки.
- Для работы датчика потребуется источник тока силой 35 мА, система требует напряжения 5В. В зависимости от количества влаги в почве диапазон возвращаемого сигнала составит 0-4,2 В. Потери на сопротивление продемонстрируют количество воды в грунте.
- Подключение датчика влажности почвы проводится через 3 провода к микропроцессору, для этой цели можно приобрести, например, Arduino. Контроллер позволит соединить систему с зуммером для подачи звукового сигнала при чрезмерном уменьшении влажности почвы, или к светодиоду, яркость освещения будет меняться при изменениях в работе датчика.
Такое самодельное устройство может стать частью автополива в системе "Умный дом", например, с использованием Ethernet-контроллера MegD-328. Web-интерфейс показывает уровень влажности в 10-битной системе: диапазон от 0 до 300 говорит о том, что земля совершенно сухая, 300-700 – в почве достаточно влаги, более 700 – земля мокрая, и полив не требуется.
Конструкция, состоящая из контроллера, реле и элемента питания убирается в любой подходящий корпус, для которого можно приспособить любую пластиковую коробочку.
В домашних условиях использование такого датчика влажности будет очень простым и вместе с тем надежным.
Применение датчика влажности грунта может быть самым разнообразным. Наиболее часто они используются в системах автополива и ручного полива растений:
- Их можно установить в цветочных горшках, если растения чувствительны к уровню воды в грунте. Если речь идет о суккулентах, например, о кактусах, необходимо вбирать длинные электроды, которые будут реагировать на изменение уровня влажности непосредственно у корней. Их также можно использовать для и других растений с хрупкой . Подключение к светодиоду позволит точно определить, когда пора проводить .
- Они незаменимы для организации полива растений . По аналогичному принципу также собираются датчики влажности воздуха, которые нужны для запуска в работу системы опрыскивания растений. Все это позволит автоматическим образом обеспечить полив растений и нормальный уровень атмосферной влажности.
- На даче использование датчиков позволит не держать в памяти время полива каждой грядки, электротехника сама расскажет о количестве воды в грунте. Это позволит не допустить избыточного полива, если недавно прошел дождь.
- Применение датчиков очень удобно и в некоторых других случаях. К примеру, они позволят контролировать влажность грунта в подвале и под домом вблизи фундамента. В квартире его можно установить под мойкой: если труба начнет капать, об этом тут же сообщит автоматика, и можно будет избежать затопления соседей и последующего ремонта.
- Простое устройство датчика позволит всего за несколько дней полностью оборудовать системой оповещения все проблемные участки дома и сада. Если электроды достаточно длинные, с их помощью можно будет контролировать уровень воды, к примеру, в искусственном небольшом водоеме.
Самостоятельное изготовление датчика поможет оборудовать дом автоматической системой контроля с минимальными затратами.
Комплектующие фабричного производства легко приобрести через интернет или в специализированном магазине, большую часть устройств можно собрать из материалов, которые всегда найдутся в доме любителя электротехники.
Больше информации можно узнать из видео.
Хотели бы вы, чтобы ваши растения сообщали о том, что их надо полить? Или просто держали вас в курсе уровня влажности почвы?
В этой статье мы рассмотрим проект автоматизированного полива с использованием датчика уровня влажности почвы:
Обзор датчика уровня влажности почвы
Подобные датчики подключаются достаточно просто. Два из трех коннекторов - это питание (VCC) и земля (GND). При использовании датчик желательно периодически отключать от источника питания, чтобы избежать возможного окисления. Третий выход - сигнал (sig), с которого мы и будем снимать показания. Два контакта датчика работают по принципу переменного резистора - чем больше влаги в почве, тем лучше контакты проводят электричество, падает сопротивление, сигнал на контакте SIG растет. Аналоговые значения могут отличаться в зависимости от напряжения питания и разрешающей способности ваших аналоговых пинов микроконтроллера.
Для подключения датчика можно использовать несколько вариантов. Коннектор, приведенный на рисунке ниже:
Второй вариант более гибкий:
Ну и конечно можно напрямую запаять контакты на датчик.
Если вы планируете использовать датчик за пределами квартиры, стоит дополнительно задуматься о защите контактов от грязи и прямого попадания солнечных лучей. Возможно, стоит подумать о корпусе или нанесении защитного покрытия непосредственно на контакты датчика уровня влажности и проводники (смотрите на рисунок ниже).
Датчик уровня влажности почвы с нанесенным защитным покрытием на контактах и изолированными проводниками для подключения:
Проблема недолговечности датчика уровня влажности почвы
Один из недостатков датчиков подобного типа - недолговечность их чувствительных элементов. К примеру, компания Sparkfun решает эту проблему, используя дополнительное покрытие (Electroless Nickel Immersion Gold). Второй вариант продления срока действия сенсора - подавать на него питание непосредственно при снятии показаний. При использовании Arduino, все ограничивается подачей сигнала HIGH на пин, к которому подключен датчик. Если вы хотите запитать датчик большим напряжением чем предоставляет Arduino, всегда можно использовать дополнительный транзистор.
Контроль уровня влажности почвы - пример проекта
В приведенном ниже проекте использованы датчик уровня влажности, аналог платы Arduino - RedBoard и LCD дисплей, на котором выводятся данные про уровень влажности почвы.
Датчик уровня влажности почвы компании SparkFun:
Красный проводник (VCC) подключается к 5 В на Arduino, черный - к земле (GND), зеленый - сигнал - к аналоговому пину 0 (A0). Если вы используете другой аналоговый пин на Arduino, не забудьте внести соответствующие изменения в скетч для микроконтроллера, представленный ниже.
LCD дисплей подключен к 5 В, земле и цифровому пину 2 (также можно изменить и внести изменения в код) для обмена данными с микроконтроллером по серийному протоколу связи.
Стоит отметить, что если вы хотите продлить срок службы вашего сенсора, можно подключить его питание к цифровому пину и питать его только при считывании данных, а после - отключать. Если запитывать датчик постоянно, его чувствительные элементы вскоре начнут ржаветь. Чем больше влажность почвы, тем быстрее будет проходить коррозия. Еще один вариант – нанести гипс на датчик. В результате влага будет поступать, но коррозия значительно замедляется.
Программа для Arduino
Скетч достаточно простой. Для передачи данных на LCD дисплей вам необходимо подключить библиотеку Software Serial library. Если у вас в ее нет, скачать можно здесь: Arduino GitHub
Дополнительные пояснения приведены в комментариях к коду:
// Пример использования датчика уровня влажности почвы с LCD дисплеем.
SoftwareSerial mySerial(3,2); // pin 2 = TX, pin 3 = RX (не используется)
int thresholdUp = 400;
int thresholdDown = 250;
int sensorPin = A0;
String DisplayWords;
int sensorValue;
mySerial.write(254);
mySerial.write(128);
// очистка дисплея:
mySerial.write(" ");
mySerial.write(" ");
// перемещение курсора к началу первой строки LCD дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(128);
// "Dry, Water it!"
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
mySerial.print(DisplayWords);
} else if (sensorValue >= thresholdUp){
// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
mySerial.print(DisplayWords);
// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
mySerial.print(DisplayWords);
В программе использованы различные минимальное и максимальное значения. В результате среднее значение может характеризовать влажность в зависимости от того, почва увлажняется или сушится. Если вы не хотите использовать это среднее значение, максимальное и минимальное значения можно принимать одинаковыми. Однако эксперименты показывают, что предложенный подход позволяет более точно характеризовать процессы, которые происходят в почве. Определенного точного среднего значения в реальных условиях не существует. Так что с выборкой диапазона можно поиграться. Если вас интересуют процессы, которые происходят в почве при взаимодействии с водой, почитайте тут, например: Wiki . Процессы достаточно сложные и интересные.
В любом случае, переменные вам надо настроить под собственные условия: тип почвы, необходимый уровень увлажнения. Так что тестируйте, экспериментируйте пока не определитесь с подходящими значениями.
После организации считывания данных с датчика уровня влажности и их отображения, проект можно развить дальше, организовав систему автоматического полива.
Датчик уровня влажности в составе автоматической системы полива на основании Arduino:
Для автоматизации полива нам понадобятся дополнительные детали: возможно, шкивы, зубчатые шестерни, двигатель, муфта, транзисторы, резисторы. Список зависит от вашего проекта. Ну все, что может попасться под руку в быту. Более детально один из примеров показан ниже:
Это один из множества вариантов установки двигателя для системы автоматического полива. Колесо можно установить непосредственно в воде. В таком случае при его быстром вращении, вода будет подаваться к растению. В общем, можете проявить фантазию.
Схема подключения двигателя постоянного тока () на примере копии Arduino от SparkFun приведена ниже:
Ниже приведен скетч для Arduino (по сути он такой же как и приведенный выше с небольшим дополнением для управления двигателем):
// В скетче считываются данные с датчика и отображается уровень влажности почвы
// если почва сухая, начинает работать двигатель
// Для работы с дисплеем используется библиотека softwareserial library
#include <SoftwareSerial.h>
// Подключите пин для обмена данными с использованием LCD дисплея по серийному протоколу RX к цифровому пину 2 Arduino
SoftwareSerial mySerial(3,2); // pin 2 = TX, pin 3 = RX (unused)
// Управляем двигателем с помощью пина 9.
// Этот пин должен обязательно поддерживать ШИМ-модуляцию.
const int motorPin = 9;
// Тут мы настраиваем некоторые константы.
// Настройка констант зависит от условий внешней среды, в которой используется датчик
int thresholdUp = 400;
int thresholdDown = 250;
// Настраиваем пин A0 на Arduino для работы с датчиком:
int sensorPin = A0;
pinMode(motorPin, OUTPUT); // устанавливаем пин, к которому подключен двигатель в качестве выхода
mySerial.begin(9600); // устанавливаем скорость обмена данными на 9600 baud
delay(500); // ждем пока дисплей прогрузится
// Здесь мы объявляем строку, в которой хранятся данные для отображения
// на жидкокристаллическом дисплее. Значения будут изменяться
// в зависимости от уровня влажности почвы
String DisplayWords;
// В переменной sensorValue хранится аналоговое значение датчика с пина А0
int sensorValue;
sensorValue = analogRead(sensorPin);
mySerial.write(128);
// очистка дисплея:
mySerial.write(" ");
mySerial.write(" ");
// перемещение курсора к началу первой строки LCD дисплея: mySerial.write(254);
mySerial.write(128);
// запись необходимой информации на дисплей:
mySerial.write("Water Level: ");
mySerial.print(sensorValue); //Использование.print вместо.write для значений
// Теперь мы проведем проверку уровня влажности по сравнению с заданными нами предварительно числовыми константами.
// Если значение меньше thresholdDown, отображаем слова:
// "Dry, Water it!"
// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
DisplayWords = "Dry, Water it!";
mySerial.print(DisplayWords);
// запуск двигателя на небольших оборотах (0 – остановка, 255 – максимальная скорость):
analogWrite(motorPin, 75);
// Если значение не ниже thresholdDown надо провести проверку, не будет
// ли оно больше нашего thresholdUp и, если, больше,
// отобразить надпись "Wet, Leave it!":
} else if (sensorValue >= thresholdUp){
// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
DisplayWords = "Wet, Leave it!";
mySerial.print(DisplayWords);
// выключение двигателя (0 – остановка, 255 – максимальная скорость):
analogWrite(motorPin, 0);
// Если полученное значение в диапазоне между минимальным и максимальным
// и почва была раньше влажной, а теперь сохнет,
// отображаем надпись "Dry, Water it!" (то есть, когда мы
// приближаемся к thresholdDown). Если почва была сухой, а теперь
//быстро увлажняется, отображаем слова "Wet, Leave it!" (то есть, когда мы
// приближаемся к thresholdUp):
// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:
mySerial.write(254);
mySerial.write(192);
mySerial.print(DisplayWords);
delay(500); //Задержка в пол секунды между считываниями
Удачи вам в реализации автоматического полива ваших растений!
Поэт Андрей Вознесенский однажды сказал так: «лень - двигатель прогресса». Пожалуй, трудно не согласиться с этой фразой, ведь большинство электронных устройств создаются именно с той целью, чтобы облегчить нашу с вами повседневную жизнь, полную забот и всяких разных суетных дел.
Если вы сейчас читаете эту статью, то вас, наверное, очень утомляет процесс полива цветов. Ведь цветы - существа нежные, чуть их перельёшь, недовольны, забудешь полить на денёк, так всё, они вот-вот увянут. А сколько цветов в мире погибло лишь от того, что их хозяева уехали в отпуск на недельку, оставив зелёных бедолаг чахнуть в сухом горшке! Страшно представить.
Именно для предотвращения таких ужасных ситуаций придуманы системы автоматического полива. На горшок устанавливается датчик, замеряющий влажность почвы - он представляет собой для металлических прутка из нержавеющей стали, воткнутые в землю на расстоянии сантиметра друг от друга.
По проводам они подключаются к схеме, задача которой открывать реле только тогда, когда влажность упадёт ниже заданной и закрывать реле в тот момент, когда почва вновь насытится влагой. Реле, в своё очередь, управляет насосом, который качает воду из резервуара прямо под корень растению.
Схема датчика
Как известно, электропроводимость сухой и влажной почвы отличается довольно значительно, именно этот факт лежит в основе работы датчика. Резистор номиналом 10 кОм и участок почвы между прутками образуют делитель напряжения, их средняя точка подключается напрямую на вход ОУ. На другой вход ОУ напряжение подаётся со средней точки переменного резистора, т.е. его можно настраивать от нуля до напряжения питания. С его помощью выставляется порог переключения компаратора, в роли которого и работает ОУ. Как только напряжение на одном его входе превысит напряжение на другом - на выходе окажется логическая «1», загорится светодиод, транзистор откроется и включит реле. Транзистор можно применить любой, структуры PNP, подходящий по току и напряжению, например, КТ3107 или КТ814. Операционный усилитель TL072 или любой аналогичный, например, RC4558. Параллельно обмотке реле следует поставить маломощный диод, например, 1n4148. Напряжение питания схемы - 12 вольт.
Из-за длинных проводов от горшка до самой платы может возникнуть такая ситуация, что реле переключается не чётко, а начинает щёлкать с частотой переменного тока в сети, и только спустя какое-то время устанавливается в открытом положении. Для устранения этого нехорошего явления следует поставить электролитический конденсатор ёмкостью 10-100 мкФ параллельно датчику. Архив с платой . Удачной сборки! Автор - Дмитрий С.
Обсудить статью СХЕМА ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
