Датчик влажности почвы (ёмкостный): инструкция по использованию и примеры
Ёмкостный сенсор влажности почвы пригодиться для создания систем автоматического полива растений. Датчик не даст засохнуть комнатным цветкам и флоре на огороде.
Принцип работы
Ёмкостный датчик выполнен в виде штыря, которым погружается в грунт на расстояние до 80 мм. На штыре в виде дорожек расположены два электрода, но в отличии от резистивной модели, электроды ёмкостного сенсора защищены токоизолирующей маской и неподвержены коррозии.
Внутри ёмкостного датчика находится RC-генератор на таймере 555, частота которого зависит от ёмкости между двумя электродами, которые выполняю роль конденсатора. Изменение влажности грунта сказывается на его диэлектрических свойствах и меняет ёмкость, что приводит к повышению или понижению выходного сигнала датчика. Итоговое напряжение пропорционально степени влажности почвы.
Пример работы для Arduino и XOD
В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформу из серии Arduino, например Arduino Uno.
Схема устройства
Подключите датчик влажности почвы к аналоговому пину A0 платформы Arduino. Для коммуникации понадобятся соединительные провода «мама-папа».
Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.
Код для Arduino IDE
Прошейте платформу Arduino скетчем приведённым ниже.
После загрузки скетча, в Serial-порт будут выводиться текущие показания сенсора в 10-битном диапазоне.
Источник
Arduino и датчик влажности почвы
Описание
Ёмкостный датчик влажности почвы позволяет, как понятно из названия, измерять влажность почвы. В отличие от обычных резистивных датчиков не окисляется со временем и не теряет своих свойств и точности.
- Питание: 2.5.. 5V
- Аналоговый выход:
Подключение
Подключается к питанию (GND, VCC), выход AOUT – на любой аналоговый пин:
Примеры
Выведем показания с датчика в порт. Он подключен в аналоговый пин 0, поэтому читаем как analogRead(0) :
Открываем порт и наблюдаем показания.
Прежде чем делать автоматический полив, нужно знать диапазон показаний датчика, изучив значения из монитора порта. У меня получилось так:
| Окружение датчика | Показания (Arduino 5V) | Показания (Wemos Mini 3.3V) |
| Воздух | 500 | 670 |
| Прижал палец | 300 | 350 |
| Сухая земля | 260 | 330 |
| Мокрая земля | 180 | 280 |
Сделаем простую условную конструкцию, которая будет включать бортовой светодиод на плате, если земля слишком сухая:
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
Емкостной датчик влажности почвы V1.2. Подключение к Ардуино
Применение автоматизации при выращивании растений не является чем-то новым. Автоматическое орошение, системы подкормки удобрениями, а также контроль влажности почвы стали частью современных фермерских хозяйств.
Сегодня мы поговорим о емкостном датчике влажности почвы V1.2 . Он отличается от простых датчиков влажности почвы, доступных любителям домашнего хозяйства, своим принципом действия.
Обычно датчики влажности работают по принципу измерения сопротивления. Их зонд имеет два электрода, погруженных в почву на некотором расстоянии друг от друга.
Датчик пропускает небольшой ток через зонд и отслеживает изменение сопротивления почвы. Эти изменения связаны с изменениями влажности. Принцип работы прост и пока все нормально.
Однако не все помнят о явлении электролиза, возникающее при протекании тока между электродами. Через непродолжительное время непрерывной работы зонда один из электродов подвергается действию коррозии. Это в свою очередь приводит к выходу из строя всего датчика влажности. Изменение режима работы с непрерывного на прерывистый только откладывает проблему, но зачастую является оптимальным решением.
Есть ли решение данной проблемы? Да. Изменить принцип измерения. Вместо измерения сопротивления мы будем измерять емкость. В этом случае ток практически не течет, и соответственно нет эффекта электролиза. Датчик влажности почвы V1.2, о котором пойдет речь далее, работает именно по такому принципу.
Описание датчика влажности почвы V1.2
Принципиальная схема самого датчика приведена ниже.
Здесь мы видим генератор с фиксированной частотой, который построен на микросхеме таймера NE555. Прямоугольная волна с генератора подается на датчик, который является, по сути, конденсатором.
Однако для прямоугольного сигнала этот конденсатор имеет определенное реактивное сопротивление. Чем больше влажность почвы, тем выше емкость датчика. Следовательно, существует меньшее реактивное сопротивление для прямоугольной волны, что снижает напряжение на сигнальной линии.
Напряжение на выводе аналогового сигнала датчика можно измерить с помощью аналогового вывода на Arduino, который отображает влажность почвы.
Подключение датчика влажности почвы V1.2 к Arduino
Чтобы подключить датчик к плате нам нужно только три провода, GND, VCC и AOUT. Датчик прост в использовании, поскольку он связывается с платой через аналоговый вывод, и нет необходимости использовать какие-либо библиотеки.
Для чтения данных с нашего датчика мы будем использовать контакт A0, а схема соединения будет следующей:
Первая программа – проверка датчика
Чтобы проверить, работает ли датчик, нам понадобится лишь немного переработанная программа «AnalogReadSerial», которая представлена ниже:
Программа призвана отобразить данные, полученные с датчика в монитор последовательного порта. Если данные стабильны (допустимы колебания в размере 0.5%), то значит датчик работает.
По умолчанию программа “AnalogReadSerial” возвращает считанное значение на пин A0 в диапазоне 0-1024, но мы внесли небольшую модификацию, которая позволяет отображать данные в диапазоне 0-100. Это позволит оценивать степень влажности почвы в процентах.
Датчик выдает напряжение в диапазоне 0-3В, так что с помощью функции map() мы эффективно выделили только диапазон, который использует датчик.
Результаты, отображаемые на мониторе последовательного порта, приведены ниже:
Работу датчика можно очень легко проверить. Если в мониторе последовательного порта значения сухого датчика составляют 0…2, а погруженного в стакан с водой 98…100, то это значит, что датчик работает правильно!
Вторая программа – автоматический полив
Проверив работу датчика, можно переходить к следующей программе. Это будет простая схема устройства, которая будет автоматически поливать почву в горшке с цветком.
Для этого мы используем Arduino Pro Mini , водяной насос, светодиод и, конечно же, датчик влажности почвы.
В дополнение к ранее упомянутым элементам, для управления насосом потребуется MOSFET-транзистор. Вам понадобится резистор 220 Ом для светодиода и 10 кОм для транзистора, программатор FTDI для загрузки программы в Pro Mini, панель блока питания для макетной платы пластины, к которой мы подключим блок питания.
Зачем нужен отдельный источник питания? Так как насос потребляет гораздо больше энергии, чем может обеспечить нас Arduino и FTDI преобразователь, то питание всего устройства только через порт USB может привести к сгоранию платы, преобразователя или даже материнской платы.
Если мы подобрали все элементы, то можем приступить к построению схемы. Все должно выглядеть, как показано ниже:
Насос должен быть отключен до момента отключения программатора и подключения внешнего источника питания.
Краткое пояснение: датчик подключен к контакту А0, транзистор управления насосом вместе со светодиодом подключен к контакту 11. Программатор для Pro Mini подключен — GND к GND, VCC к VCC, RX к TX и TX к RX.
Когда мы обсудили подключение всех элементов, мы можем перейти к самой программе.
Программа предназначена для включения водяного насоса при падении влажности почвы ниже 60%. О работе насоса будет сигнализировать светодиод, а измерение влажности должно выполняться каждые 30 минут.
Программа, несмотря на небольшое расширение схемы, очень проста и выглядит следующим образом:
Теперь нам остается проверить всю систему на работоспособность. Проще всего вставить датчик и шланг от помпы в горшок с сухой почвой, и если начнется полив и загорится светодиод, то система и программа работают правильно.
Как видите, построить автоматическую систему полива очень просто, а при расширении всей системы легко добиться автоматического полива большой плантации.
Источник