Самодельный цифровой датчик влажности почвы. Устойчивый к коррозии датчик влажности почвы, годный для дачной автоматики. Датчик влажности земли собственными руками. Новичок AVR

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:

1. 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 .
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

Многие огородники и садоводы лишены возможности ежедневно ухаживать за посаженными овощами, ягодами, фруктовыми деревьями в силу загруженности по работе или во время отпуска. Тем не менее, растения нуждаются в своевременном поливе. С помощью простых автоматизированных систем можно добиться того, что почва на вашем участке будет сохранять необходимую и стабильную влажность на протяжении всего вашего отсутствия. Для построения огородной системы автополива потребуется основной контрольный элемент – датчик влажности почвы.

Датчик влажности

Датчики влажности также называют иногда влагомерами или сенсорами влажности. Почти все предлагаемые на рынке влагомеры почвы измеряют влажность резистивным способом. Это не совсем точный метод, потому что он не учитывает электролизные свойства измеряемого объекта. Показания прибора могут быть разными при одной и той же влажности грунта, но с разной кислотностью или содержанием солей. Но огородникам-экспериментаторам не столь важны абсолютные показания приборов, как относительные, которые можно настроить для исполнительного устройства подачи воды в определенных условиях.

Суть резистивного метода заключается в том, что прибор измеряет сопротивление между двумя проводниками, помещенными в грунт на расстоянии 2-3 см друг от друга. Это обычный омметр , который входит в любой цифровой или аналоговый тестер. Раньше такие инструменты называли авометрами .

Также существуют приборы со встроенным или выносным индикатором для оперативного контроля над состоянием почвы.

Легко сделать замер разницы проводимости электрического тока перед поливом и после полива на примере горшка с домашним растением алоэ. Показания до полива 101.0 кОм.

Показания после полива через 5 минут 12.65 кОм.

Но обычный тестер лишь покажет сопротивление участка почвы между электродами, но не сможет помочь в автополиве.

Принцип действия автоматики

В системах автополива обычно действует правило «поливай или не поливай». Как правило, никто не нуждается в регулировании силы напора воды. Это связано с использованием дорогостоящих управляемых клапанов и других, ненужных, технологически сложных, устройств.

Почти все предлагаемые на рынке датчики влажности, помимо двух электродов, имеют в своей конструкции компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму. То есть при установленном уровне влажности вы получите на его выходе единицу или ноль (0 или 5 вольт). Этот сигнал и станет исходным для последующего исполнительного устройства.

Для автополива наиболее рациональным будет использование в качестве исполнительного устройства электромагнитного клапана. Он включается в разрыв трубы и может также использоваться в системах микро-капельного орошения. Включается подачей напряжения 12 В.

Для простых систем, работающих по принципу « датчик сработал - вода пошла», достаточно использование компаратора LM393. Микросхема представляет собой сдвоенный операционный усилитель с возможностью получения на выходе командного сигнала при регулируемом уровне входного. Чип имеет дополнительный аналоговый выход, который можно подключить к программируемому контроллеру или тестеру. Приблизительный советский аналог сдвоенного компаратора LM393 - микросхема 521СА3.

На рисунке представлено готовое реле влажности вместе с датчиком в китайском исполнении всего за 1$.

Ниже представлен усиленный вариант, с выходным током 10А при переменном напряжении до 250 В, за 3-4$.

Системы автоматизации полива

Если вас интересует полноценная систем автополива, то необходимо задуматься о приобретении программируемого контроллера. Если участок небольшой, то достаточно установить 3-4 датчика влажности для разных типов полива. Например, сад нуждается в меньшем поливе, малина любит влагу, а для бахчи достаточно воды из почвы, за исключением чрезмерно засушливых периодов.

На основании собственных наблюдений и измерений датчиков влажности можно приблизительно рассчитать экономичность и эффективность подачи воды на участках. Процессоры позволяют вносить сезонные корректировки, могут использовать показания измерителей влажности, учитывают выпадение осадков, время года.

Некоторые датчики влажности почвы оснащены интерфейсом RJ-45 для подключения к сети. Прошивка процессора позволяет настроить систему так, что она будет оповещать о необходимости полива через социальные сети или SMS-сообщением. Это удобно в тех случаях, когда невозможно подключить автоматизированную систему полива, например, для комнатных растений.

Для системы автоматизации полива удобно использовать контроллеры с аналоговыми и контактными входами, которые соединяют все датчики и передают их показания по единой шине к компьютеру, планшету или мобильному телефону. Управление исполнительными приборами происходит через WEB-интерфейс. Наиболее распространены универсальные контроллеры:

• MegaD-328;
• Arduino;
• Hunter;
• Toro.

Это гибкие устройства, позволяющие точно настроить систему автополива и доверить ей полный контроль над садом и огородом.

Простая схема автоматизации полива

Простейшая система автоматизации полива состоит из датчика влажности и управляющего устройства. Можно изготовить датчик влажности почвы своими руками. Понадобится два гвоздя, резистор с сопротивлением 10 кОм и источник питания с выходным напряжением 5 В. Подойдет от мобильного телефона.

В качестве прибора, который выдаст команду к поливу можно использовать микросхему LM393 . Можно приобрести готовый узел или собрать его самостоятельно, тогда понадобятся:

• резисторы 10 кОм – 2 шт;
• резисторы 1 кОм – 2 шт;
• резисторы 2 кОм – 3 шт;
• переменный резистор 51-100 кОм – 1 шт;
• светодиоды – 2 шт;
• диод любой, не мощный – 1 шт;
• транзистор, любой средней мощности PNP (например, КТ3107Г) – 1 шт;
• конденсаторы 0.1 мк – 2 шт;
• микросхема LM393 – 1 шт;
• реле с порогом срабатывания 4 В;
• монтажная плата.

Схема для сборки представлена ниже.

После сборки подключите модуль к блоку питания и датчику уровня влажности почвы. На выход компаратора LM393 подсоедините тестер. С помощью построечного резистора установите порог срабатывания. Со временем нужно будет его откорректировать, возможно, не один раз.

Принципиальная схема и распиновка компаратора LM393 представлена ниже.

Простейшая автоматизация готова. Достаточно подключить к замыкающим клеммам исполнительное устройство, например, электромагнитный клапан, включающий и отключающий подачу воды.

Исполнительные устройства автоматизации полива

Основным исполнительным устройством автоматизации полива является электронный клапан с регулировкой потока воды и без. Вторые дешевле, проще в обслуживании и управлении.

Существует множество управляемых кранов и других производителей.

Если на вашем участке случаются проблемы с подачей воды, приобретайте электромагнитные клапаны с датчиком потока. Это предотвратит выгорание соленоида при падении давления воды или прекращении водоснабжения.

Недостатки автоматических систем полива

Почва неоднородна и отличается по своему составу, поэтому один датчик влажности может показывать разные данные на соседних участках. Кроме того, некоторые участки затемняются деревьями и более влажные, чем те, которые расположены на солнечных местах. Также значительное влияние оказывает приближенность грунтовых вод, их уровень по отношению к горизонту.

Используя автоматизированную систему полива, следует учитывать ландшафт местности. Участок можно разбить на сектора. В каждом секторе установить один или более датчиков влажности и рассчитать для каждого собственный алгоритм работы. Это значительно усложнит систему и вряд ли удастся обойтись без контроллера, но впоследствии почти полностью избавит вас от траты времени на нелепое стояние со шлангом в руках под знойным солнцем. Почва будет наполняться влагой без вашего участия.

Построение эффективной системы автоматизированного полива не может основываться только на показаниях датчиков влажности почвы. Непременно следует дополнительно использовать температурные и световые сенсоры, учитывать физиологическую потребность в воде растений разных видов. Необходимо также учитывать сезонные изменения. Многие компании производящие комплексы автоматизации полива предлагают гибкое программное обеспечение для разных регионов, площадей и выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Приобретая систему с датчиком влажности, не поддавайтесь на глупые маркетинговые слоганы: наши электроды покрыты золотом. Даже если это так, то вы лишь обогатите почву благородным металлом в процессе электролиза пластин и кошельки не очень честных бизнесменов.

Заключение

В данной статье рассказывалось о датчиках влажности почвы, которые являются основным контрольным элементом автоматического полива. А также был рассмотрен принцип действия системы автоматизации полива, которую можно приобрести в готовом виде или собрать самому. Простейшая система состоит из датчика влажности и управляющего устройства, схема сборки которой своими руками также была представлена в этой статье.

Наконец я воплощаю эту задумку. Я собираюсь сделать датчик влажности почвы на базе Arduino, с ЖК-дисплеем 16х2, часами реального времени (показывают время даже при отключенном питании), датчиком температуры и SD-картой (дата-логгером).

Он может быть полезен в биотехнологических/ биологических/ ботанических проектах или проектах по сохранению растительности.

Суть проекта заключается в том, что я собираюсь сделать на базе Ардуино индикатор влажности почвы для комнатных растений, который можно собрать стационарным или портативным. Он сможет проводить измерения каждые Х миллисекунд, в зависимости от настроек.

Сделать зонды более долговечными можно путем пускания тока на короткий промежуток времени (дважды за 30 миллисекунд в моем случае) и оставлять их отключенными на определенное время (например, 1 800 000 миллисекунд = (30x60x1000) = 30 минут). Чтобы задать это значение, нужно изменить задержку в самом конце файла «project.ino».

Раз у нас имеется датчик, проводящий измерения каждые Х миллисекунд, нам нужно установить предельные значения. Значения будут меняться от пиковых 1000 до средних 400, чем ниже значение, тем ниже сопротивление. Так как зонды измеряют сопротивление между двумя штырями, нужно взять значение 400, или близкое к нему, за 100%-ную влажность. А большее значение сопротивления, 1000 или выше, за уровень влажности 0%. Значит, нам нужно установить соответствие значений 1000 – 400 как 0 – 100%.

Ниже мы рассмотрим, как это сделать своими руками.

Шаг 1: Собираем все необходимые материалы

Вам понадобятся:

• Arduino Uno (например)
• часы реального времени DS3231 с батарейкой
• MicroSD + SD адаптер или SD-карта
• SD-модуль
• ЖК-дисплей 16х2
• датчик уровня влажности почвы YL-69
• провода
• потенциометр, я использовал на 47 кОм, но лишь потому, что не нашел на 10 или 20 кОм в своей коллекции
• макетная плата

Все эти компоненты вполне доступны и совсем недороги.

Шаг 2: Соединяем компоненты

Теперь нужно соединить компоненты та, как показано на картинке. Из-за того, что модели ЖК-дисплеев и часов реального времени различаются у каждого производителя, при соединении проводов сверяйтесь с инструкцией, чтобы быть уверенным, что все соединения верны.

ЖК-дисплей

На схеме и на картинке показано корректное подключение дисплея (с названиями выводов).

Схема подключения:

1. VSS Ground, рельса GND на макетной плате
2. VDD рельса +5V на макетной плате
3. V0 средний штырек потенциометра (регулируемый вывод)
4. RS пин 10 на плате Arduino
5. RW земля, рельса GND на макетной плате
6. E пин 9 на плате Arduino
7. D0 оставляем не соединенным
8. D1 оставляем не соединенным
9. D2 оставляем не соединенным
10. D3 оставляем не соединенным
11. D4 пин 7 на плате Arduino
12. D5 пин 6 на плате Arduino
13. D6 пин 5на плате Arduino
14. D7 пин 3на плате Arduino
15. A рельса +5V на макетной плате
16. K земля, рельса GND на макетной плате

Модуль SD-карты

Схема подключения:

1. GND GND на макетной плате
2. +5V рельса +5V на макетной плате
3. CS пин 4 на плате Arduino
4. MOSI пин 11 на плате Arduino
5. SCK пин 13на плате Arduino
6. MISO пин 12 на плате Arduino

Датчик YL-69

Мы будем подключать только три вывода:

1. VCC пин 2 на плате Arduino
2. GND рельса GND земли на макетной плате
3. A0 аналоговый вывод A0

Вывод D0 мы использовать не будем, это цифровой вывод, в нашем проекте он не нужен.

Часы реального времени DS 3231 с батарейкой

Батарейка нужна, чтобы часы продолжали работу, когда отключены от сети. Мы будем использовать следующие выводы:

1. SCL SCL на плате Arduino
2. SDA SCA на плате Arduino
3. VCC рельса +5V на макетной плате
4. GND рельса GND на макетной плате

Потенциометр

Нужен, чтобы регулировать напряжение, идущее на ЖК-дисплей. Если на дисплее нет никаких цифр, а вы уверены, что они должны быть, попробуйте покрутить потенциометр. Если все подключено правильно, цифры появятся.

Шаг 3: Устанавливаем время

При первом включении часов реального времени нужно их настроить. Потом этого делать не придется, но первая настройка имеет критическое значение. Для настройки часов вам будет нужна библиотека Sodaq DS3231 .
Можно добавить ее через опцию «добавить библиотеку» в программе Arduino. Кликните «Добавить библиотеку» и выберите тип «3231», и вы ее увидите. Теперь ее нужно установить.

Если установочного файла нет, вы можете загрузить его из интернета.
Далее загрузите скетч «исправить/правка» и измените следующие значения:
«ДатаВремя» (2011, 11, 10, 15, 18, 0, 5)
в следующем порядке:
год, месяц, число, час, минуты, секунды и день недели (от 0 до 6)
установите текущие значения.
Установка времени завершена.

Шаг 4: Код

После того, как все соединения сделаны, нужен код.
Поэтому я сделал отдельный файл со скетчем и просто огромным количеством подробных комментариев в каждой секции действий. Так как в часах реального времени DS3231 есть функция измерения температуры, я решил использовать и ее.
Вам нужно установить еще одну библиотеку, «DS3231.rar».

Стандартная версия проекта сделана для работы с монитором последовательного порта и SD-картой, это значит, что без подключения последовательного монитора она просто не будет работать. Это не удобно, особенно если вы хотите сделать портативный датчик. Поэтому я написал другой скетч, не требующий подключения последовательного монитора и вообще не использующий его. Это сильно облегчает кодирование. В первом файле находится код для портативной версии, которая не использует последовательный порт.

Важная часть кода – строки, которые обозначаются тремя буквами в правом нижнем углу дисплея:

• «I» от «initialized», значит, что SD-карта присутствует
• «E» от «Error», значит, что SD-карта отсутствует
• «F» от «False», «Ложь», значит, что файл недоступен, хотя карта присутствует

Эти три буквы прописаны, чтобы помочь вам диагностировать проблемы/ошибки, если они появятся.

Файлы

Шаг 5: Выбор источника питания

Вам нужен подходящий источник питания, его выбор зависит от того, как вы планируете использовать прибор в дальнейшем.

Вы можете использовать:

• стандартный блок питания
• 9В аккумулятор с проводным подключением/с проводами для подключения

Выбор питания очень важен для реализации проекта, так как если вы хотите сделать прибор стационарным, лучше будет использовать блок питания. Но если вы хотите сделать портативный измеритель, то ваш единственный вариант – аккумулятор.

Можно использовать маленькую хитрость – погасить дисплей, если он в данный момент не нужен. Для этого используйте/посмотрите/прочитайте сокращенный код, чтобы понять, как погасить дисплей. Я этого не делал, так как решил, что мне это не нужно. Возможно, такая опция нужна в портативной версии измерителя, я же собрал стационарный.

Шаг 6: Выбор SD-карты

Оказалось, что не все SD-карты работают с моим SD-модулем.

Исходя из своего жизненного опыта, я могу с уверенностью ответить на два вопроса:

1. А они все подходят для измерителя? – нет, не все. Некоторые просто не взаимодействуют с определенным модулем. Оказалось, что все карты, не взаимодействующие с моим модулем, стандарта SDHC. Стандартные и микро-SD карты работают нормально, другие не работают совсем или работают только для чтения (данные не записываются) и настройки даты и времени слетают при каждом отсоединении карты от модуля.
2. Есть разница в использовании SD-карты или микро SD-карты с адаптером? – нет, работают одинаково.

На этом я завершаю свое руководство по этому проекту.

Шаг 7: Продолжаем!

Я продолжаю дорабатывать свой проект, и решил сделать для измерителя деревянный корпус, и еще печатную плату.

Шаг 8: Экспериментальная печатная плата (не завершено, может не работать)

Для соединения всех компонентов с использованием минимального числа проводов я решил использовать печатную/макетную плату. Я так решил потому, что плат у меня много, а проводов мало. Смысла покупать новые макетные платы, когда я могу сделать печатную, я не вижу. Так как плата у меня односторонняя, провода для соединений с нижней стороной все-таки будут нужны.