Датчик влажности — индикатор необходимости полива домашних растений
На днях я совершил непростительную оплошность — не полил вовремя ту часть домашних растений, надзор за которыми поручен мне. Почему мне – это понятно, ведь это не какие-то там цветочки, это серьезные растения: мелисса, листики которой я добавляю в чай, маленький жгучий перец, стручки его идут в водку, а еще овес, который кошка и так жрет.
Так как это уже не первый пролет, пришлось задуматься о системе сигнализации необходимости полива, тем более что впереди череда праздников. В полной автоматизации полива смысла не вижу, долгих отлучек из дома не бывает, да и громоздкая система получится. Системы сигнализации, КМК, достаточно одной на всю плантацию, поливая одно растение, обязательно проверяешь и другие.
Для начала необходимо разобраться, чем же увлажненная почва отличается от сухой. Пробуем измерить ее сопротивление эл. току, тем более что больше ничего измерить не получится — нечем…
Как же без помощника… Берем мультиметр и пару алюминиевых проводков диаметром примерно по 2,5 мм и длиной около 80 мм, втыкаем в почву и с удивлением наблюдаем плавно увеличивающиеся показания, переходящие на пределе 200 кОм в бесконечность.
Ладно, алюминий металл довольно активный, берем простые гвозди, т.е. сталь.
Вполне приличная стабильность, пляшут единицы младшего разряда на табло мультиметра. Попробуем пищевую нержавейку, наверно, будет лучше всего.
Нет, у нее стабильность еще хуже, чем у люминьки. Паузы между снимками 2…3 сек. Пробуем медяшку.
Плывут показания, сильно плывут, таким датчиком пользоваться я бы не стал. Зато посеребренный медный провод оказался самый стабильный. Это провод от бескаркасных ВЧ катушек какого-то трансивера, ⌀1,8 мм. Надолго ли эта стабильность, или только пока серебро не сотрется? Грунт – хороший абразив.
Итак, вот что испытано в роли электродов.
1 – лучший результат – посеребренная медь.
1 – нержавейка пищевая.
3 – алюминий электротехнический.
4 – медь электротехническая.
5 – сталь (гвозди) – второе место.
Выбор материала для электродов понятен – посеребренная медь.
Теперь прикинем требуемый функционал системы. Когда все хорошо – система молчит, не отвлекает. Когда сухо – подает сигнал. Только не звуковой! За писк ночью на звук может и подушка полететь. А мигающий световой, не очень яркий – нормально. Да, ардуине здесь делать нечего…
Питание схемы – однозначно автономное, т.к. смерти никому не желаю, да и аккумуляторов разных хватает: литий, марганец, даже автомобильный свинец можно в уголок поставить, это же не в кармане носить.
Как измерять сопротивление почвы – постоянным, импульсным, переменным током? Единственный значимый параметр для выбора, КМК – это экономичность, но, забегая вперед – мизерный выигрыш не оправдывает усложнения схемотехники.
Далее. Измерение сопротивления почвы связано с протеканием через нее эл. тока, без разницы –постоянного, импульсного, переменного, и не думаю, что растениям, попавшим в зону протекания тока, это понравится – по себе сужу, приходилось под ток попадать… Поэтому делаем датчик со сравнительно небольшим расстоянием между электродами, что бы его можно было воткнуть в незасеянной зоне.
И еще одно маленькое исследование. Как ведет себя наша солнечная батарея, если к ней приложить внешнее напряжение, большее, чем ее ЭДС.
Да никак, тока через нее нет, подключенную к ней АКБ она не сажает, разделительный диод со свойственными ему потерями здесь не нужен.
Определяемся со схемотехникой. Видимо, лучше всего нам подходит микромощная микросхема К561ТЛ1, это четыре триггера Шмидта с входной логикой 2-И и инверсией на выходе.
Кроме общих для всех КМОП-микросхем особенностей – микропотребление, огромное входное сопротивление, широкий диапазон питающих напряжений – есть еще одна: на этой микросхеме можно собрать генератор импульсов всего на одном любом из четырех элементов микросхемы. На рисунке внизу — генератор импульсов и его расчет (там генератор с регулируемой скважностью, но нам это не нужно).
Получается вот такая схема, внизу. Реально некоторые номиналы при настройке могли быть изменены, так, последовательно с желтым светодиодом был установлен германиевый диод, причина – в описании схемы.
Описание схемы.
На вход первого элемента через делитель R1/Rп (сопротивление почвы) подается напряжение, определяемое настройкой R1 и влажностью почвы. Конденсатор С1 – защита от помех и наводок. Элемент NAND1 работает как компаратор с гистерезисом, определяемым устройством микросхемы К561ТЛ1, т.е. напряжение порога срабатывания – 2/3 от напряжения питания, уровень отпускания – 1/3 от напряжения питания. Элемент NAND2 – обычный инвертор, необходим для блокировки генератора на NAND3, формирующего частоту пачек вспышек. На NAND4 собран генератор собственно вспышек. Для экономии заряда АКБ этот генератор запускается через дифференцирующую цепочку С4R3, все это вместе позволяет получать на выходе при включении индикации пачки импульсов (вспышек светодиодов) частотой 3…5 Гц и длительностью около 1 сек. каждые 6…10 сек.
Марка транзистора в ключе некритична, только желательно малое напряжение насыщения. Индикаторных светодиодов два, разные, красный и желтый. Дело в том, что при свечении желтого падение напряжения на нем заметно больше, чем у красного, и при просадке АКБ он просто раньше погаснет, тогда как красный еще будет работать. Такой вот своеобразный индикатор зарядки АКБ. Солнечная батарея от какого-то калькулятора, АКБ от мобильника, про электроды уже писал.
Сборка изделия.
Инструмент используем самый обычный слесарно-монтажно-паяльный.
Для разового экспериментального изделия разрабатывать и изготавливать печатную плату нет смысла, достаточно макетки. Да и на серьезный корпус незачем тратить время. Из курса «Технической эстетики» мне запомнилось ее основное положение – «Красиво то, что целесообразно». Нужна ли здесь 3D печать? По-моему, нецелесообразна.
Подбираем комплектацию. Аккумулятор от мобильника, солнечная батарея – от калькулятора, остальные детали – с бору по сосенке…
Аккумулятор и солнечную батарею делаем отдельным выносным блоком – меньше требуется места в основном блоке, и их можно положить на подоконник, на солнышко, пускай заряжаются.
Монтаж схемы выполнен на макетке, электроды прикручены к плате проводами и пропаяны, питание через провод МГТФ-0,14.
Вставляем в коробку изнутри через проколотые отверстия штыри датчика, укладываем плату в коробку, выводим через дополнительные отверстия подстроечник и провод питания, проверяем работоспособность.
Примеряем крышку с заранее прорезанными отверстиями для светодиодов.
И заливаем внутренности коробки расплавленным парафином, но так, чтобы ось подстроечника R1 осталась выше его уровня.
Закрываем коробку, пачкаем ее всю черным маркером и проходим поверху скотчем.
Получился прекрасный корпус, почти герметичный и ударостойкий. Все!
Вот система в сборе. Аккумулятор с солнечной батареей для удобства размещения на подоконнике подключены проводом длиной около метра. Выглядит на рабочем месте вот так (внизу).
Настройка уровня срабатывания производится подстроечным резистором R1, при этом следует учитывать гистерезис схемы. После настройки ось подстроечника герметизируется пластилином. Контрольные точки для проверки уровня зарядки выведены непосредственно на АКБ, основной блок старался сделать погерметичнее.
После непродолжительной эксплуатации возникла мысль об автоматической регулировке яркости вспышек в зависимости от внешней освещенности либо полное их блокирование в темное время, как это сделано в статье «Акустический выключатель освещения из сувенира», это проще сделать. Надо будет попробовать. На этом все, комментируйте!
Источник: