Датчики влажности почвы своими руками
Влажность почвы во многом определяет условия всхожести сельскохозяйственных культур. Количество воды, содержащейся в грунте, определяют специальные датчики влажности почвы. Они широко применяются в сельском хозяйстве, при орошении земель, ботаническом садоводстве (см. рис.1).
Устройство детекторов влажности грунта
Для измерения используется объёмный или гравиметрический принцип. Почва состоит из воды, воздуха, минералов, органических веществ, а иногда и льда.
Как компонент, вода составляет определённый процент от общего количества вещества. Чтобы напрямую измерить содержание воды в почве, можно рассчитать процентное отношение по массе (гравиметрическое содержание воды), сравнив количество воды как массы с общей массой всего остального. Однако, поскольку этот метод является трудоемким, большинство исследователей используют датчики влажности почвы. (см. рис. 2).
Наиболее простой по конструкции ёмкостной датчик влажности почвы оценивает диэлектрическую проницаемость окружающей среды, которая является функцией содержания воды в почве. В конструкцию такого устройства входят:
- Детекторы объёма воды в грунте.
- Контактные щупы.
- Потенциометр.
- Компаратор.
- Источник питания — аккумуляторный блок.
- Корпус.
Два электрода позволяют электрическому току проходить через почву и, в соответствии с фактическим значением сопротивления грунта, измеряют уровень его влажности. Третий контакт используется в качестве базы, устанавливающей значение критическое значение данного показателя. Когда воды больше, почва становится более электропроводной, следовательно, её сопротивление будет меньше. Сухая же почва снижает проводимость. Таким образом, выходное напряжение повышается вместе с увеличением уровня влажности почвы.
При объединении датчика влажности, контроллера и GSM-модема можно получить станцию мониторинга, которая не только измеряет необходимые параметры, но и отправляет результаты на сервер или с помощью СМС на телефон — в случае отклонений от нормы или периодически по времени (в зависимости от настроек). Пример такой установки приведен на рис.2.
Измеритель влажности почвы быстро может быть получен с помощью платы Arduino, преобразователя напряжения и щупа FC-28. Для изготовления такого устройства потребуются навыки программирования, так как такой комплект потребует написания программы и прошивки платы (см. рис. 3).
Принцип функционирования прибора
Исходный сигнал передаётся через токопроводящие щупы и усиливается. Потенциометр преобразует значение напряжения в диэлектрическую проницаемость, и усредняет полученные значения по длине щупов. Обычно детекторы имеют зону воздействия длиной 20…40 мм относительно нижней поверхности корпуса. С увеличением длины чувствительность (особенно на крайних участках) возрастает. Для обеспечения необходимой точности измерений датчики подвергают предварительной калибровке.
Датчик влажности почвы позволяет оценивать потери влаги с течением времени из-за её испарения и жизнедеятельности растений. Прибором можно контролировать содержание влаги в почве, управляя орошением в теплицах и других закрытых помещениях (см. рис. 4).
- Рабочее напряжение: 2…5 В;
- Рабочий ток: 20…40 мА;
- Тип интерфейса: аналоговый или цифровой;
- Рабочая температура использования: 10°C … 30°C.
Для работы цифрового детектора его перед применением потребуется оснастить необходимым программным обеспечением.
Порядок применения
В большинстве современных конструкций датчиков предусматриваются и аналоговый, и цифровой выводы, которые следует подключить к щупам. Если выход – аналоговый, то на приборной панели будет указано значение влажности в процентах или относительных единицах. Если вывод – цифровой, то фактическое значение будет соотнесено с заданным. Если оно больше фактического, то на индикаторе высвечивается «1», а, если меньше – то «0».
Для цифровой техники важно установить необходимое программное обеспечение. Программа генерирует значение влажности в качестве выходного сигнала. Для калибровки используют различные типы почвы (минимум две — влажную и сухую), устанавливают требуемые границы влажности, после чего вставляют датчик в почву (см. рис. 5). Для приборов комбинированного типа рекомендуется проводить измерения сначала в аналоговом режиме, а затем в цифровом.
В зависимости от способа измерения щупы подключаются следующим образом:
- К источнику питания;
- К аналоговому выходу;
- К цифровому выходу;
- К заземлению.
Управляющий модуль, в который входит потенциометр, устанавливает пороговое значение, оно потом будет сравниваться компаратором. При достижении порогового значения влажности загорается выходной светодиод. Пользователь может устанавливать различные диапазоны значений влажности.
Как выбрать типоразмер детектора влаги
Прежде всего, устанавливают, какие из нижеследующих характеристик требуется получить:
- Объемное содержание воды в грунте.
- Водный потенциал почвы.
- Кривые выделения влаги.
Для выбора датчика важно верно принять тип почвы и её текстуру. Кроме того, точность показаний устройства ограничивается определённой площадью участка. Например, применительно к датчику влажности почвы для комнатных растений этот показатель несущественен, в то же время фермеру или агроному он весьма важен. Первичные сведения о типе грунта включают степень его засолённости (не более 10 дСм/м) и текстуру — форму и размеры составляющих его частиц, наличие слоёв, трещин и т.п. Точность работы возрастает, если прибор характеризуется минимальной чувствительностью к солям.
Тестирование детектора производят в следующей последовательности:
- Включают влагомер.
- Настраивают его на тот тип грунта, который предполагается исследовать на влажность.
- Щупы вставляют в грунт на рекомендуемую глубину перпендикулярно поверхности до упора нижней плоскости корпуса в почву.
- Снимают показания дисплея и сравнивают значения с эталонными для данных условий измерения.
- Повторяют замер для участков почвы, которые располагаются на расстоянии 1,0…1,5 м. Разброс данных не должен превышать 0,5 %. Для неоднородных грунтов расстояния между точками замеров следует уменьшать.
Если грунт – сухой, то для улучшения ввода щупов почву допускается использовать деревянный молоточек, но при этом удары не должны восприниматься корпусом прибора.
Бесконтактные влагомеры: особенности применения
Такие измерители используют для работы электромагнитные колебания. Чувствительные элементы располагаются на задней панели прибора, поэтому для применения эту панель необходимо разместить параллельно поверхности грунта на расстоянии 3…5 мм от неё. Интенсивность создающегося при этом электромагнитного поля пропорционально удельной электропроводности среды, которая, в свою очередь, зависит от её влажности.
Преимущества такого рода измерительной техники заключаются в том, что глубина проникновения электромагнитных воле не зависит от плотности ввода щупов почву, а зона измерения не носит точечного характера (см. рис. 6). За одно измерение влажность определяется для участка объёмом до 100 см3, поэтому потребное количество замеров снижается. Поскольку следов от применения бесконтактного влагомера не остаётся, он может использоваться для определения влажности грунта контролирующей организацией.
Как самостоятельно изготовить датчик влажности
Датчик влажности почвы своими руками может стать экономичной альтернативой аналогичным гаджетам, доступным на рынке.
Его можно собрать из металлических зондов, которые вставляются в блок из гипса. Сопротивление между этими материалами даст уровни влажности, которые будут считываться с помощью аналогового измерительного прибора. Процесс изготовления устройства несложен:
- В качестве зондов-штырей используются металлические гвозди, вставляемые в соломинки. Верхний конец следует скрепить клеем. Глубина свободного конца должна быть не менее 15 мм.
- Для изготовления формы разводят гипсовую штукатурку, и при помощи отвёртки вставляют штыри в гипс. При этом рекомендуется слегка простучать по соломинкам, чтобы удалить оттуда воздух.
- Краем отвёртки на торце штырей выполняется конус, после чего конструкции дают полностью высохнуть (это занимает не менее суток).
- Форма прикрепляется к любой плоской поверхности, а лишняя часть соломинок обрезается. Ваш детектор влажности готов к тестированию.
- Для проверки к выступающим гвоздям подключаются провода любого аналогового измерительного устройства. Это даст показания, которые будут стандартными для устройства в сухом состоянии.
- Вставляют датчик влажности в почву так, чтобы полностью погрузить его верхнюю часть в почву. Разность показаний даст сравнительную оценку относительной влажности грунта.
Все работы необходимо производить в тонких резиновых перчатках (так как кожа человека проводит электричество). Это исключает влияние посторонних факторов на итоговый результат.
Видео по теме
Источник
Как работает датчик влажности почвы, и его взаимодействие с Arduino
Когда вы слышите термин «умный сад», вам приходит в голову система, которая измеряет влажность почвы и автоматически поливает ваши растения.
С этим типом системы вы можете поливать растения только при необходимости и избегать чрезмерного или недостаточного полива.
Если вы хотите построить такую систему, вам обязательно понадобится датчик влажности почвы.
Как работает датчик влажности почвы, и его взаимодействие с Arduino
Как работает датчик влажности почвы?
Работа датчика влажности почвы довольно проста.
Вилка в форме зонда с двумя открытыми проводниками действует как переменный резистор (потенциометр), сопротивление которого изменяется в зависимости от содержания воды в почве.
Рисунок 1 – Работа датчика влажности почвы
Это сопротивление обратно пропорционально влажности почвы:
- большее количество воды в почве означает лучшую проводимость и приводит к снижению сопротивления;
- меньшее количество воды в почве означает худшую проводимость и приводит к повышению сопротивления.
Датчик выдает выходное напряжение в соответствии с сопротивлением, измеряя которое мы можем определить уровень влажности.
Обзор аппаратного обеспечения
Типовой датчик влажности почвы состоит из двух компонентов.
Датчик содержит вилочный зонд с двумя открытыми проводниками, который погружается в почву или в любое другое место, где должно измеряться содержание воды.
Как сказано выше, он действует как переменный резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от влажности почвы.
Рисунок 2 – Зонд датчика влажности почвы
Модуль
Датчик также содержит электронный модуль, который соединяет датчик с Arduino.
В соответствии с сопротивлением датчика модуль выдает выходное напряжение, которое доступно на выводе аналогового выхода (AO).
Этот же сигнал подается на высокоточный компаратор LM393 для его оцифровки, с выхода которого сигнал подается на вывод цифрового выхода (DO).
Рисунок 3 – Регулировка чувствительности датчика влажности почвы
Для регулировки чувствительности цифрового выхода (DO) модуль содержит встроенный потенциометр.
С помощью этого потенциометра вы можете установить пороговое значение; таким образом, когда уровень влажности превысит пороговое значение, модуль выдаст низкий логический уровень, в остальных случаях на цифровой выход будет подаваться высокий логический уровень.
Эта настройка очень полезна, когда вы хотите инициировать действие при достижении определенного порога. Например, когда уровень влажности в почве пересекает пороговое значение, вы можете активировать реле, чтобы начать перекачивание воды. Вот вам идея!
Совет: поверните движок потенциометра по часовой стрелке, чтобы увеличить чувствительность, или против часовой стрелки, чтобы уменьшить ее.
Рисунок 4 – Светодиодные индикаторы питания и состояния почвы
Помимо этого, модуль имеет два светодиода. Индикатор питания загорится, когда на модуль будет подано напряжение питания. Светодиод состояния загорится, когда на цифровой выход будет подаваться низкий логический уровень.
Распиновка датчика влажности почвы
Датчик влажности почвы очень прост в использовании и содержит только 4 вывода для связи с внешним миром.
Рисунок 5 – Распиновка датчика влажности почвы
AO (аналоговый выход) выдает аналоговый сигнал с напряжением в диапазоне между напряжением питания и 0 В и будет подключен к одному из аналоговых входов нашей платы Arduino.
Вывод DO (цифровой выход) выдает цифровой выходной сигнал со схемы встроенного компаратора. Вы можете подключить его к любому цифровому выводу на Arduino или напрямую к 5-вольтовому реле или подобному устройству.
Вывод VCC подает питание на датчик. Рекомендуется питать датчик напряжением от 3,3 до 5 В. Обратите внимание, что сигнал на аналоговом выходе будет зависеть от того, какое напряжение питания подается на датчик.
GND для подключения земли.
Измерение влажности почвы с помощью аналогового выхода
Поскольку модуль предоставляет как аналоговый, так и цифровой выходные сигналы, то для нашего первого эксперимента мы будем измерять влажность почвы, считывая аналоговые показания.
Подключение
Давайте подключим наш датчик влажности почвы к плате Arduino.
Сначала вам нужно подать питание на датчик. Для этого вы можете подключить вывод VCC на модуле к выводу 5V на Arduino.
Однако одной из широко известных проблем с этими датчиками является их короткий срок службы при воздействии влажной среды. При постоянной подаче питания на зонд скорость коррозии значительно увеличивается.
Чтобы преодолеть эту проблему, мы рекомендуем не подавать питание на датчик постоянно, а включать его только тогда, когда вы снимаете показания.
Самый простой способ сделать это – подключить вывод VCC к цифровому выводу Arduino и устанавливать на нем высокий или низкий логический уровень, когда это необходимо.
Кроме того, итоговая мощность, потребляемая модулем (оба светодиода горят), составляет около 8 мА, поэтому можно запитать модуль от цифрового вывода на Arduino.
Итак, давайте подключим вывод VCC модуля к цифровому выводу 7 Arduino, а вывод GND модуля к выводу GND Arduino.
И, наконец, подключите вывод AO модуля к выводу A0 аналого-цифрового преобразователя Arduino.
Схема соединений показана на рисунке ниже.
Рисунок 6 – Подключение датчика влажности почвы к Arduino для считывания показаний на аналоговом выходе
Калибровка
Чтобы получить точные показания с датчика влажности почвы, рекомендуется сначала откалибровать его для конкретного типа почвы, которую вы планируете контролировать.
Различные типы почвы могут по-разному влиять на показания датчика, поэтому ваш датчик в зависимости от типа используемой почвы может быть более или менее чувствительным.
Прежде чем вы начнете хранить данные или запускать события, вы должны увидеть, какие показания вы на самом деле получаете от вашего датчика.
Чтобы отметить, какие значения выводит ваш датчик, когда почва максимально сухая, и когда она полностью насыщена влагой, воспользуйтесь скетчем, приведенным ниже.
Когда вы запустите этот скетч, вы увидите похожие значения в мониторе последовательного порта:
850, когда почва сухая;
400, когда почва полностью насыщена влагой.
Рисунок 7 – Калибровка датчика влажности почвы
Этот тест может потребовать несколько проб и ошибок. Как только вы получите хороший контроль над этими показаниями, вы сможете использовать их в качестве пороговых значений, если намерены инициировать какое-либо действие.
Финальная сборка
Основываясь на значениях калибровки, программа, приведенная ниже, задает следующие диапазоны для определения состояния почвы:
- 750 – достаточно сухая для полива.
Если все в порядке, вы должны увидеть вывод в мониторе последовательного порта, похожий на приведенный ниже.
Рисунок 8 – Вывод аналоговых показаний датчика влажности почвы
Измерение влажности почвы с помощью цифрового выхода
Для нашего второго эксперимента мы определим состояние почвы с помощью цифрового выхода.
Подключение
Мы будем использовать схему из предыдущего примера. На этот раз нам просто нужно удалить подключение к выводу аналого-цифрового преобразователя и подключить вывод DO модуля к цифровому выводу 8 Arduino.
Соберите схему, как показано ниже:
Рисунок 9 – Подключение датчика влажности почвы к Arduino для считывания показаний на цифровом выходе
Калибровка
Для калибровки цифрового выхода (DO) модуль имеет встроенный потенциометр.
Вращая движок этого потенциометра, вы можете установить пороговое значение. Таким образом, когда уровень влажности превысит пороговое значение, светодиод состояния загорится, и модуль выдаст низкий логический уровень.
Рисунок 10 – Состояния цифрового выхода датчика влажности почвы
Теперь, чтобы откалибровать датчик, вставьте зонд в почву, когда ваше растение будет готово к поливу, и подстройте потенциометр по часовой стрелке так, чтобы светодиод состояния горел, а затем подстройте потенциометр обратно против часовой стрелки, пока светодиод не погаснет.
Теперь ваш датчик откалиброван и готов к использованию.
Код Arduino
После того, как схема будет собрана, загрузите в Arduino следующий скетч.
Если все в порядке, вы должны увидеть вывод в мониторе последовательного порта, похожий на приведенный ниже.
Рисунок 11 – Вывод цифровых показаний датчика влажности почвы
Источник