💦🌱Надежный емкостной датчик влажности почвы своими руками (STM32)

Рассмотрена теория построения емкостного датчика для системы автополива💦🌱, расчеты, проверка на практике, примеры применения.

Если взять два куска фольгированного стеклотекстолита и расположить их параллельно медными плоскостями внутрь на небольшом расстоянии, то получим  плоский конденсатор. Рассмотрим как будет влиять изменение его емкости и как это можно использовать.

Купить на Aliexpress

Capacitive soil moisture sensor module Corrosion Resistant V1.2 (цена: 0.75$)

Capacitive Soil Moisture Sensor Module (цена: 0.94$)
Емкостной сенсор влажности.

LM393 Soil Moisture Hygrometer Detection (цена: 0.41$)
Резистивный сенсор влажности.

T21D Digital Multimeter RM113D 6000 Counts (цена: 15$) Прикольный мультиметр, как у меня.
Измерение всех основных величин + фонарик, магнит, световая индикация, детектор проводки.

Расчеты

Емкость вычисляется по следующему выражению:

Пусть пластины имеют размеры  = 12 мм;= 35 мм, тогда площадь = 12*35=420 мм², а расстояние между ними = 3 мм, тогда расчетная электрическая емкость C = 1 пФ.

Геометрические размеры (площадь) S, как и расстояние между пластинами d не меняется. Остается для изменения емкости менять вещество между пластинами, пока это воздух ε = 1. Как думаете какая относительная диэлектрическая проницаемость воды? Источники показывают, что ε = 81.

Полное погружение в воду даст увеличение емкости в 81 раз! Расчетная ёмкость C составит уже не 1 пФ, а 100 пФ.

Таким образом плавно погружая этот самодельный кондер также плавно и пропорционально будет изменятся и емкость, что дает возможность эффективно отслеживать состояние влажности.

Превращение изменения емкости в изменение напряжения

Подключив последовательно с резистором конденсатор получим ФНЧ (фильтр нижних частот).

Получается делитель напряжения, где у верхнего плеча R1 сопротивление не изменяется, а емкостное сопротивление нижнего плеча C1 меняется в зависимости от частоты.

Но так как частота сигнала будет неизменной, то построим график зависимости емкостного сопротивления от емкости (C = 1-100 пФ):

Таким образом понятно, что при увеличении емкости ( погружение в воду) сопротивление нижнего плеча будет уменьшаться, как и падение напряжения на нем, а значит и выходное напряжение (см. подтверждение опытом ниже).

Но остается еще одно - выделить только амплитуду, именно для этого применяется АМ-детектор. Его расчет был выполнен, но ничего полезного этого не дало, поэтому номиналы взяты такие же, как у готового. Главная суть в этом:

нужно подобрать емкость и сопротивление таким образом, чтобы конденсатор успевал подзаряжаться при увеличении сигнала, а при уменьшении подразряжался за время низкого уровня, но при изменении сигнала огибающая изменялась.

Схема электрическая принципиальная

Моделирование работы работы схемы

Собираем (номиналы изменены из-за сложности моделирования на высоких частотах!).

Запускаем:

Здесь видно как хорошо выделяется амплитуда при изменении емкости C2.

Проверка на практике

Сначала непосредственно датчик, состоящий из двух кусочков фольгированного стеклотекстолита FR-4 (70x12 мм).

*также не забываем изолировать открытые участки меди клейкой лентой

И также схемка в миниатюрном исполнении.

Сигнал сгенерирован с помощью МК (ШИМ, f = 1 МГц, D = 50%), конечно это можно сделать с помощью того же таймера NE555, но если устройство уже будет иметь микроконтроллер, то зачем же еще одна МС?

Теперь просто подключаем питание (здесь 3.3 В), вольтметр на выход и смотрим как изменяется напряжение при заливании водой.

Очень хорошо, показания изменяются очень плавно и четко.

Остается только оцифровать показания с помощью встроенного в МК АЦП и придать им какие-то смысловые привязки, например проценты.

Проверка на почве

Также не лишним будет воткнуть данный датчик в настоящий грунт.

Показания менялись медленно и уверенно, на следующий день на выходе имеем плюс 214 мВ, т.к. слой почвы мал.

Более практичный датчик из пластин оцинковки

Покрыты слоем клейкой ленты.

При сухом грунте на выходе примерно 1.5 В.

После сверхобильного полива 0.75 В.

Подключение к микроконтроллеру

Остается вместо вольтметра подключить один из входов АЦП МК и настроить генерацию ШИМ-сигнала одним из таймеров. Чтобы не повторять одно и то же см. видос или код на гитхабе.

Выполняем калибровку

Отсутствие воды:  U = 0.75 В = ADC = 930 = 0 %.
Заполнение полностью (до определяемой границы): U = 1.4 В = ADC = 1737 = 100 %.

Автоматическая система полива (простейшее исполнение)

Прикупил маленький водяной насос, работает неплохо и хорошо подойдет для проверки.

Управление насосом через ключ (полевой транзистор IRLML2502) ШИМ-сигналом 1 кГц.

После выполненой калибровки программа выключит насос, когда напряжение станет ниже нижнего порога  (0.75В) и включит, когда пересечет верхний порог (1.4 В).

Направления применения

Влажность почвы

Самым очевидным применением будет определение влажности грунта в цветочном горшке или просто на участке.

Таким образом можно встроить этот датчик в систему автоматического полива растений.

Наличие дождя

Для определения дождя также можно использовать сенсор такого типа, просто между пластинами расположить губку, а сбор капель сделать с помощью воронки.

Таким образом во время дождя поролон впитывает воду, емкость возрастает, а после прекращения дождя остатки уйдут вниз, и еще через время она снова станет сухой.

Уровень воды в емкости

Имея небольшой (или большой) запас воды в цистерне удобно проверять её уровень на расстоянии, ведь обычно емкость находится где-то в труднодоступном месте на высоте.

Если емкость металлическая, то она может выступать одним электродом. Если пластиковая, то его придется сделать, но это не так сложно.

Прикасание к телу

В одном из устройств принцип изложенный выше был использован для обнаружения касания к телу человека, пример ниже.

*это электронный термометр; смотреть в правый верхний угол

То же самое от китайцев

Вообщем то эта схема является частью китайского сенсора. Единственное отличие в том, что генератором выступает не таймер NE555, а микроконтроллер, ведь в любом случае он будет в устройстве.

Видос

Скачать

https://github.com/Egoruch/Soil-Moisture-Sensor-STM32-HAL
(ссылка на GitHub)
Рабочие проект (ШИМ 1МГц (датчик), ШИМ 1 кГц (два канала), АЦП Канал 0). STM32CubeIDE, STM32F030F4P6

Итого

Преимуществом емкостного датчика перед просто двумя голыми электродами является отсутствие электрохимической реакции (электролиза), при котором на контактах будут восстанавливатся вещества (из раствора) и портить почву, а кроме этого они будут сами коррозировать. Конечно можно этот процесс очень значительно замедлить (опрашивать датчик редко), но все же.

Медные площадки защищены маской, но будет ли она достаточно устойчива в суровых условиях? Рассматривается возможность дополнительного покрытия слоем лака/краски.

Изготовление емкостного датчика легко осуществляется при использовании технологий изготовления печатных плат, особенно это хорошо, когда остальные компоненты располагаются там же. Если же он должен быть велик, то здесь используем металлический лом.

Так как получаемые показания зависят от параметров датчика, то он требует калибровки.

126
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...