Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения

С приходом дачно-огородного сезона, снова вспоминаем о необходимости полива наших саженцев. Что же делать без воды ничего не растет. Протягиваем трубы, подключаем «капельное», наполняем лейки, открываем краны. Все здорово, но отнимает много времени.  А если Вы не привязаны к участку наличием свободного времени – засохнут все старания. Вот и открывается область для фантазии любителей радиоэлектроники. Поделюсь с вами своим способом решения задачки.  Постараюсь использовать доступные инструменты, разобраться в тонкостях настройки и минимизировать влияние разрушающих факторов.

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения

О датчиках влажности почвы

В основе, наверное, любой схемы для автоматизации полива лежит датчик, определяющий влажность почвы. Рассматривал интересный вариант, где датчик в виде катушки на стержне закапывается в землю. При намокании такой катушки происходит уменьшение амплитуды колебаний генератора и в результате отключение управляющего ключа. Как бы интересно, но недостатков много: сложность изготовления, невозможность вынести датчик далеко от устройства, плохая помехозащищенность, необходимость глубоко закапывать, отсутствие гистерезиса в схеме.

Есть также и емкостные датчики. Тут принцип также основан на генераторе. Только изменяется уже не индуктивность, а емкость, что меняет либо частоту, либо, опять же, амплитуду. Датчик (т.е. сам щуп) и в этом случае не отличаются простотой.

Поэтому возвращаюсь к простому резистивному датчику. Тут все просто, хоть два гвоздя смотай вместе.

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Два гвоздя как датчик влажности почвы

Просто, да не просто! Есть свои тонкости. Не стоит делать датчики слишком длинными. Если нужно контролировать влажность на определенной глубине, лучше поместите датчик на эту глубину. Земля увлажняется и высыхает не равномерно по всей длине датчика. Слишком длинный датчик может и не покажется сразу неудобным, но что будет после того, как земля намокнет и постепенно начнет высыхать. Верхняя часть почвы будет уже довольно-таки сухой. Глядя на сухую поверхность, вы будете думать: я бы уже полил, почему же система не срабатывает.  Все дело в том, что на конце датчика в земле еще сохранилась влага, и проводимость по-прежнему сохраняется высокой. И чем длиннее датчик, тем больше неравномерность просыхания. Как вариант можно изготовить датчик с плавно расходящимися в стороны стержнями.

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Датчик с расходящимися в стороны стержнями

_

Разумеется, датчик можно совсем недорого приобрести на Алиэкспресс. Собственно, нас интересует сам щуп под названием YL-69.  Плата с компаратором называется YL-38 (для будущей схемы она нам особо не нужна). Впрочем, датчик со щупом чаще продаются в комплекте без всяких аббревиатур. Просто датчик влажности почвы. Относительно надежное и недорогое предложение можно найти, например, здесь.

Щуп китайский YL-69
Щуп YL-69

Плата YL-38 предназначена, прежде всего, для работы с Arduino. Если хотите заставить ее работать как следует без программирования, придется царапать дорожки и вносить изменения в схему. Навряд ли оно того стоит, лучше собрать с отдельных компонентов, будет проще, нагляднее и дешевле.

У резистивного датчика есть свой основной недостаток – он окисляется. Ускорителем этого процесса является протекающий через датчик ток. Вот здесь следует отметить, что обычные стальные гвозди хоть и самый простой вариант, но быстро ржавеют даже без протекающего тока.

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Ржавчина спустя месяц в влажной почве

При этом щуп YL-69 за тоже время, в той же среде ничуть не пострадал. Т.е. использование цветных или нержавеющих металлов существенно увеличивает срок жизни датчика (щупа).  Правда, при постоянном воздействии тока разрушения будут неминуемы. Решением этой проблемы займемся чуть позже. А пока посмотрим, как преобразовать схему, собранную на плате YL-38 в рабочий вариант.

_

Простая схема с гистерезисом

Схема, собранная на плате YL-38, выглядит как-то так:

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Принципиальная схема модуля YL-38

В этой схеме опорный сигнал подается на 2-ой вывод микросхемы (-) – значит компаратор неинвертирующий. Сам опорный сигнал изменяется резистором R2. Напряжение с датчика поступает на инвертирующий (+) вход микросхемы. Намокание почвы не происходит мгновенно. Это плавный процесс. При приближении двух напряжений на выводах 2 и 3 к одному значению неминуемо возникнет дребезг. В момент дребезга ваш поливочный клапан «сойдет с ума» от бесконечного количества переключений. Если на ардуино дребезг можно убрать программно, без ардуино — нужен гистерезис.

Переделываем схему и вот, что получается:

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.

Теперь у нас инвертирующий компаратор с положительной обратной связью. Можно было, конечно, оставить схему неинвертирующего компаратора, но тогда есть вероятность, что обратная связь от выходного перехода приведет к сбоям в работе источника входного сигнала. Поэтому обратной связью будем изменять опорное напряжение.

Размах гистерезиса будет зависеть прежде всего от выходного напряжения (вывод 1). Выходное напряжение будет близко напряжению питания микросхемы и будет зависеть от величины сопротивления подтягивающего резистора R8.  Чем оно выше, тем меньше напряжение, но больше ток через выходной транзистор компаратора. Для 5 вольтового питания R8 можно заменить на 1 кОм.

И разумеется, величина гистерезиса будет зависеть от сопротивления R7 (ведь это и есть наша обратная связь). Здесь, чем меньше значение, тем больше гистерезис. Но при слишком малых значениях петля гистерезиса будет нагружать выходное напряжение, уменьшая амплитуду выходного напряжения. Т.е. баланс нужен везде. Подробнее о гистерезисе на компараторах читайте здесь.

Табличка ниже демонстрирует как будет «перещелкиваться» опорное напряжение при использовании различных сопротивлений R7 (значения измерены экспериментальным путем без нагрузки на выходе компаратора).

таблица зависимотси глубины гистерезиса от сопротивления обратной связи

Вкратце о других нюансах. R5 и R6 формируют источник опорного напряжения (теперь здесь подстроек нет). Величина входного напряжения формируется и подстраивается цепочкой R2 (подстроечный), R3 и R4 (датчик). Значение R2 и R3 указано при использовании самодельного щупа из гвоздей 120мм, для YL-69 их значения можно увеличить в 3-4 раз.

В дальнейшем значение номиналов резисторов будет указываться при использовании щупа YL-69. Самодельные варианты щупов изменят номиналы, нужен индивидуальный подход.

 В момент, когда датчик будет показывать – сухо, т.е. нужно включить полив, на 1-ом выводе микросхемы напряжение будет близко к нулю. Выходной транзистор компаратора открыт. Поэтому добавляем транзистор для включения нагрузки. Если выбрать транзистор помощнее, то вместо R10 можно сразу подключить электромагнитный клапан. Иначе, снимаем сигнал с коллектора для подключения полевого транзистора.

Но, останавливаться на этой схеме я не буду. Есть недостатки. Все резисторы во входных цепях R2-R6 лучше подключать к стабилизированному источнику (или питать схему источником достаточной мощности). При подключении нагрузки напряжение может проседать. Значит просядут входные напряжения (в том числе и опорное) и амплитуда выходного. Это изменит гистерезис. И может тут же отключить нагрузку, возникает новый дребезг. Но этот дребезг будет уже порожден просадкой питающего напряжения.

Немного исправит ситуацию более мощный источник питания, также конденсатор с емкостью побольше параллельно источнику. Второй минус – через датчик постоянно проходит ток. Этот ток его разрушает. Предлагаю побороть эти недостатки.

_

Гистерезис по-другому

Итак, думая, как попроще устранить возможные качели с гистерезисом, я вспомнил о дешевом и простом одновибраторе китайский производителей, так называемом чипе С005. Более подробно о нем читайте здесь. Если кратко: чип имеет четыре контакта – питание, выход, триггер и земля. При срабатывании триггера на выходе чипа формируется «ноль» на определенное время. Запуск триггера производится по ниспадающему импульсу. Для установки требуемого времени необходимо впаять резистор. Для этого на плате с чипом есть два контакта. Таблица с зависимостью времени от сопротивления резистора также здесь. Получится таймер на определенное нами время.

Почему же я о нем вспомнил. Представим себе — датчик распознал, что земля сухая и открыл клапан для подачи воды. Наступает момент, когда приходит первая волна «дребезжащих» импульсов. Но, чтобы запустить работу таймера достаточно одного импульса переключения. Во время работы таймера остальные импульсы игнорируются. А таймер будет приводить в действие открывающийся клапан. Полив будет продолжаться пока работает таймер, пока дребезг надёжно не уйдет со входа компаратора. Дребезжащего включения/выключения нагрузки не будет. Что ж, строим схему:

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Схема включения таймера C005 вместо гистерезиса

Обратная связь теперь лишняя. Нагрузкой для транзистора Q1 вместо клапана служат резисторы R9, R10, конденсатор С1 и транзистор Q2. При протекании тока через базу-эмиттер транзистора Q2, он открывается. При этом закорачивается вход триггера с «землей». Получаем ниспадающий импульс, который запускает таймер. К третьему выводу чипа устремляется ток, открывающий транзистор Q3. На входе полевого транзистора с изолированным затвором Q4 появляется напряжение. Транзистор открывается, клапан подает воду на установленное время. Если достаточно полито, то больше импульсов не будет. Как подсохнет снова прилетят импульсы от дребезга. Снова пойдет вода.

Резисторы старался подбирать так чтобы минимизировать энергопотребление схемой. В схеме оставляю два светодиода – индикатор включения и индикатор работы таймера. Конденсатор C1 предотвратит включение таймера при подаче напряжения на схему (переходной процесс), даже если, полив не нужен. Снимает скачек напряжения. Ну, и для питания таймера потребуется источник на 5 вольт. О нем чуть позже. В качестве полевого транзистора с изолированным затвором желательно использовать те, у которых напряжение открытия низкое, например, IRLB3034 (pdf).

Впрочем, зачем нам это нужно, увеличим напряжение на затворе:

Автоматизация полива. Схема включения таймера C005 вместо гистерезиса с улучшенным включение выходного транзистора
Схема включения таймера C005 вместо гистерезиса с улучшенным включение выходного транзистора

Так гораздо лучше. Разгрузили таймер. Втекающий на 3-ий вывод ток работает только на светодиод, а вытекающий только на транзистор Q3. Небольшие токовые затраты, всего всем хватает (токи через таймер ограничены).  Закрытый транзистор Q3 будет поддерживать на затворе Q4 напряжение близкое к источнику питания. Значит клапан открыт, а транзистор Q4 – надежно открыт 🙂 — значит не будет греться, значит долго проживет.

Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.
Автоматизация полива на участке, как сберечь датчик от разрушения. Схемы и решения.

_

Решаем проблему окисления датчика влажности почвы

В последней схеме есть как минимум два недочета. Если почва была сухая, первый полив может недостаточно увлажнить почву. При этом транзистор Q2 из предыдущей схемы будет оставаться закрытым. Значит не будет триггера для включения таймера полива.  А у нас все еще сухо! Да, и не решена главная проблема – через датчик (щуп) влажности постоянно протекает ток, разрушающий поверхность контактов.

А ведь большую часть времени показания датчика нам не нужны. Запустили полив – показания датчика бесполезны. Кроме того, не всем растениям полезно, когда его часто льют водой. Может быть, полив нужен через определенные промежутки времени. Например, два раза в сутки или каждый час понемногу. Можно, конечно, воспользоваться суточным таймером, и не морочить голову, но так мы рискуем поливать даже вовремя дождя!

Я предлагаю просто опрашивать датчик через определенные промежутки времени. Сухо – включаем таймер на полив, мокро – еще подождем. Во время простоя отключим от питания всю схему вплоть до таймера. Будем запитывать ее буквально на секунду по сигналу генератора. Секунды вполне достаточно для прохождения всех переходных процессов компаратора и снятия показаний на выходе. Дело за малым, собираем генератор.

Генератор опроса датчика влажности почвы

Скажу честно, не нашел ничего более подходящего кроме как применить тот же одновибратор на дешевеньком, но проверенном чипе C005. По-моему, отличный вариант, когда не требуется абсолютная точность, но можно делать просто громадные задержки между импульсами (даже месяц). Нужно просто научить его перезапускаться, точнее перезапускать самого себя.

Это не сложно. В момент подачи питания на чип С005 на его выходе появляется напряжение высокого уровня. Замечательно! Используем это напряжения для открытия транзистора. Коллектор-эмиттер транзистора подключаем между входом триггера и землей.  Открывшийся транзистор замкнет вход триггера на «землю». А это событие, как известно из описания на чип, запускает таймер. При запущенном таймере на выходе триггера – значение близкое к нулю. По истечении времени действия таймера, процесс повторится.

Таким образом, мы получили импульсы через регулируемые промежутки времени. Но сами импульсы пока слишком короткие. Для этого сформируем задержку с помощью конденсатора включенного в базу транзистора. Давайте посмотрим на схему, которая получилась у меня в результате сложений и вычитаний :).

Автоматизация полива. Схема генератора
Схема генератора

Конденсатор C3 на схеме и есть тот самый конденсатор, вносящий задержку. Я поставил 220 мкФ. Больше емкость – больше ширина импульса. Здесь хуже не будет. В конечном итоге ширина импульса определит время, на которое будет происходить запитывание компаратора (определение показаний датчика). Питание таймера 5-вольтовое, а на схему компаратора нужно подать 12 В. С переключением справятся два ключа на транзисторах Q1 и Q2. Заметьте транзисторы использую одни и те же. 2n5401 и 2n5551 – комплементарные пары (совсем не обязательно), имеют неплохой коэффициент усиления по току, порядка 170 и ток коллектор-эмиттер до 0,5 А. Токи переключения у нас небольшие, можно подобрать и другие доступные транзисторы.

В расчетах старался исходить из соображения Ik=10Iб      с учетом некоторого кратковременного увеличения тока при заряде конденсатора. Резисторы R1, R3 будут способствовать более быстрому восстановлению транзисторов из-за присутствия паразитных емкостей, также будут шунтируют базу в отсутствии сигнала. Транзистор Q3 шунтировать не нужно, выход триггера, итак, замыкается на «ноль». Если у вас есть p-канальный MOSFET, возможно лучше было бы собрать переключатель на нем. Но, с другой стороны, при малых нагрузках в этом нет смысла.

Для питания таймера C005 собрал классическую схему стабилизатора 78L05 – ничего сложного. Поскольку у нас ожидается периодическое переключение нагрузки в схему добавлен диод D1. В то время, когда на схему будут давить переходные процессы, включается выполненная на диоде развязка отрицательного провала в напряжении питания от стабилизатора. Диод использовал IN4148.

Итог: получили генератор импульсов, практически идеально прямоугольной формы амплитудой почти 12 вольт, длительность от 1 сек. А этого вполне достаточно для опроса датчика и запуска таймера полива (если сухо).

_

Объединяем схемы

Осталось подключить схему генератора к схеме запуска таймера полива. Получим окончательную схему с индивидуально настраиваемым временем открытия клапана и периодичностью опроса датчика влажности почвы.

Автоматизация полива. Схема полива с резистивным датчиком в импульсном режиме
Схема полива с резистивным датчиком в импульсном режиме

Я настроил таймер полива на 5 минут. При этом резистор R16 установил номиналом в 1 МОм. Частоту опроса датчика установил 30 минут – R5=7,5 МОм или, если замкнуть перемычку P1 на чипе, то ставим резистор 820 кОм. Эти параметры не сложно установить каждому индивидуально под свои нужды.

Боюсь, что индивидуально придется подбирать также резисторы R8-R9. Их значения будут зависеть не только от типа щупа, но и от состава грунта, степени его солености, в общем, словами электронщика, от проводимости грунта.

Из своих наблюдений:

— если поместить щуп YL-69 просто в воду прибор покажет сопротивление приблизительно равное 10 кОм

— а вот если установить этот же щуп в грунт и хорошенько смочить, получим сопротивление от 6 до 13 кОм в зависимости от состава грунта

— более глинистый грунт даст меньшее сопротивление.

Чтобы не возиться с грунтом, для начальной настройки я бы рекомендовал установить резистор 13 кОм вместо датчика и настроить напряжение на 2-ом выводе компаратора близкое к опорному. 13 кОм – это довольно-таки влажная земля и возможно лить воду дальше не понадобится. Также при выборе резисторов R8-R9 сам подстроечный резистор желательно выбрать большего номинала, а R9 уменьшить. Все зависит от доступности требуемых номиналов «под рукой».

Для облегчения настройки схемы я установил на плату перемычку позволяющую подавать на схему питание без генератора. Все просто. Мочим датчик и подстраиваем входное напряжение под опорное. На видео ниже можно посмотреть небольшую демонстрацию по работе и настройке устройства. Хочу заметить, что как бы все не казалось просто, с первого раза настроить датчик совсем не просто)). Необходимо понаблюдать чтобы добиться удовлетворительного результата.

Схему можно запитывать как от аккумулятора, так и от сети с использованием блока питания, желательно импульсного. Чем компактней, тем лучше. Ток хотя бы пол ампера. На демонстрационном видео ток ограничен до 400 мА и видны просадки напряжения при подключении клапана.

образец организации полива с аккумулятором.
Организация полива от аккумулятора

В схеме использован электромагнитный клапан с Алиэкспресс на 12 вольт, нормально закрытый типа FCD-270A. Перед клапаном желательно установить фильтр грубой очистки, как перед водяными счетчиками. Клапан сохраняет работоспособность при понижении напряжения до 9 вольт.

После недельного наблюдения за работой схемы могу с уверенностью оставлять грядки «в руки» автоматики (главное, чтобы воду не отключили 😊). Надеюсь, потраченное на сборку время оправдается с лихвой, а огород не даст к себе привязать по рукам и ногам. Автоматизация дарит время на личную жизнь. Используйте возможность. Всем, спасибо!

Демонстрационное видео

К началу ↑