Датчик влажности почвы: принцип работы и сборка своими руками

Определитель влажности почвы для комнатных растений

Не имея специальных изме­рительных приборов, опреде­лить оптимальные сроки и нор­мы расхода воды при орошении трудно

Так или иначе, для этого важно как можно точнее знать, какова влажность поч­вы (в том числе в процентах полевой влагоемкости)

В книге Дж. Дженика «Основы садоводства» есть таблица, которая мо­жет помочь садоводу оценить «на ощупь» влажность почвысреднего и легкого механиче­ского состава.

Из нее следует, что сухая почва порошкооб­разна, полевая влагоемкость ее практически равна 0.

Иногда почва рассыпается и не скаты­вается в комок. Значит, она имеет критическую влаж­ность — полевая влагоемкость ее менее 25%.

Когда почва ска­тывается в комок, то при нескольких бросках он рассыпает­ся, это означает, что полевая влагоемкость 25—50%, почва умеренно влажная и настал срок полива.

Имейте в виду: на песчаных почвах скатанные комки более рыхлые и ломкие при любой из перечисленных степеней влаж­ности.

При 50—75% полевой влаго­емкости степень влажности поч­вы хорошая. В это время поч­ва скатывается в комок. И даже если вы пять раз его бросите, он не рассыпается. При сдав­ливании почвы она слегка бу­дет липнуть к рукам.

Отличная степень влажности при 75—100% полевой влаго­емкости. О ней можно судить по тому, что почва скатывается в прочный комок, очень податлива при сдавливании, лег­ко слипается. Если почву сда­вить сильнее, к пальцам при­липнет довольно большой комо­чек.

И совсем плохо, если поч­ва слишком влажная, выше по­левой влагоемкости. Иногда при сильном сжатии из комка мож­но выжать немного воды. По­ливать при таком ее состоянии не только расточительно, но даже вредно.

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.

Хорошо зарекомендовали себя клапаны производства американской компании Hunter. Для разных целей используются клапаны c проходным диаметром 1, 1.5, и 2 дюйма с наружной или внутренней резьбой.

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.

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$.

Паяем электронику

Измерить сопротивление в гипсовом блоке на самом деле не так просто, как кажется. Если подать постоянный ток на электроды в соленой воде, то как известно начнется химическая реакция. Тоже происходит в гипсовом датчике и он через некоторое время начинает показывать неправильные результаты. Поэтому нужен переменный ток. Схема ниже представляет собой преобразователь частоты в вольты где частота зависит от уровня влажности.
U1 – простой осциллятор. Сопротивление гипсового датчика определяет частоту осциллятора. Больше влаги в датчике – меньше сопротивление. Меньшее сопротивление позволяет С4 заряжаться быстрее повышая частоту. И наоборот. Чем меньше влаги в датчике, тем больше сопротивление и частота меньше. Гипсовый датчик защищен от любого постоянного тока конденсаторами С5 и С6.
Для преобразования частоты в вольтаж, который может быть измерен в сети 1-wire измеряется ток осциллятора. Как и во многих CMOS ток пропорционален «активности» в цепи, которая в данном случае выражается в частоте. Большая частота – больший ток. Ток преобразуется в вольтаж через резистор R2.
U2 – это микросхема мониторинга заряда батареи DS2760. В нашем случае он используется только как АЦП. Перепады вольтажа измеряются через резистор R2 и преобразовываются в микросхеме в значения, которые можно прочитать по сети 1-wire.
Данная схема не работает на паразитном питании, и на нее нужно подавать отдельно от 7V до 18V.

Зачем нужен данный прибор?

Установление датчиков влажности осуществляют в теплицах и в открытом грунте. С их помощью можно контролировать время полива, а человеку для этого ничего не придется делать, будет достаточно включить прибор. После этого он будет работать без перерывов. Но дачникам стоит следить за состоянием электродов, так как из-за коррозии они могут испортиться. И в тепличных условиях, и в открытом грунте такая система станет отличным помощником.

Такая система показывает результат достаточно точно, если сравнивать ее с другими подобными конструкциями. Нередко человек уже думает, что грунт сухой, хотя прибор покажет сотню единиц влаги. А после того, как почва была полита, эти показатели вырастают до 700 единиц.

Если такой датчик будут применять в открытом грунте, тогда рекомендуется, чтобы верхняя часть была достаточно герметичная. Это не даст искажать показатели. Для этого используется покрытие с помощью водонепроницаемой смолы.

Технические характеристики МГ-44

• Точность измерения прибора составляет : +/- 1%
• Индикаторное устройство содиняеться штекерным соединением с датчиком щупом.
• Широкий диапазон контроля за влажностью: 0-100 %
• На стабильность измерения прибора не оказывают влияние изменение солености материала или  его температуры.
• Длина нержавеющих электродов: 60 мм
• Диаметр электродов: 3 мм
• Индикаторный блок  отражает на ЖК дисплее измеряемое значение влажности и наименование продукта согласно выбранной калибровочной характеристики.

Влагомер имеет 99 калибровок материалов. Пользователь имеет возможность самостоятельно редактировать (добавлять и стирать) калибровочные точки для каждого из 99 материалов и изменять наименование калибровки. Микропроцессор формирует аппроксимированную кривую согласно заданных калибровочных точек. Минимальное количество точек  три.  Также есть возможность задать коррекцию калибровочной характеристики (поднять или опустить) в пределах +/- 5% с шагом 0,1% для каждого канала можно провести свою корректировку Подробно о проведении программирования прибора описано в паспорте прибора.

Исходный код

irrigator.ino

// Подключаем библиотеку для работы с дисплеем
#include "QuadDisplay2.h"
// даём разумное для пина, к которому подключена помпа
#define POMP_PIN        4
// даём разумное для пина, к которому подключён датчик влажности почвы
#define HUMIDITY_PIN    A0
// минимальный порог влажности почвы
#define HUMIDITY_MIN    200
// максимальный порог влажности почвы
#define HUMIDITY_MAX    700
// интервал между проверкой на полив растения
#define INTERVAL        60000 * 3   
// переменная для хранения показания влажности почвы
unsigned int humidity = ;
 
// статическая переменная для хранения времени
unsigned long waitTime = ;
 
// создаём объект класса QuadDisplay и передаём номер пина CS
QuadDisplay qd(9);
 
void setup(void)
{
  // начало работы с дисплеем
  qd.begin();
  // пин помпы в режим выхода
  pinMode(POMP_PIN, OUTPUT);
  // выводим 0 на дисплей
  qd.displayInt();
}
 
void loop(void)
{
  // считываем текущее показания датчика влажности почвы
  int humidityNow = analogRead(HUMIDITY_PIN);
  // если показания текущей влажности почвы
  // не равняется предыдущему запросу 
  if(humidityNow != humidity) {
    // сохраняем текущие показания влажности
    humidity= humidityNow;
    // и выводим показания влажности на дисплей
    qd.displayInt(humidityNow);
  }
  // если прошёл заданный интервал времени
  // и значения датчика влажности меньше допустимой границы
  if ((waitTime ==  || millis() - waitTime > INTERVAL) && humidity < HUMIDITY_MIN ) {
    // включаем помпу
    digitalWrite(POMP_PIN, HIGH);
    // ждём 2 секунды
    delay(2000);
    // выключаем помпу
    digitalWrite(POMP_PIN, LOW);
    // приравниваем переменной waitTime
    // значение текущего времени плюс 3 минуты 
    waitTime = millis();
  }
}

Пошаговая инструкция по изготовлению

Сбор датчика происходит в такой последовательности:

1. Изначально осуществляется прикрепление электродов к основанию. Главное, чтобы оно было защищено от коррозии.
2. После этого на конце электродов вырезается резьба. С обратной стороны они заостряются, чтобы легче было погрузить их в землю.
3. В основании из текстолита делаются отверстия. Далее осуществляется вкручивание электродов в них. Чтобы они закрепились, используются гайки и шайбы.

Необходимо подобрать нужные провода, которые подойдут к шайбам. После этого осуществляется изолирование электродов. Они углубляются в землю на 5-10 сантиметров. Это зависит от того, какая емкость применяется, какие размеры грядки. Чтобы датчик работал, необходима сила тока 35 мА и напряжение, которое составляет 5В. Это зависит от уровня влаги.

Видео о простом датчике влажности:

В конечном итоге подключается датчик. Для этого используется 3 провода, которые присоединяют к микропроцессору. Специальный контролер предоставит возможность осуществить сочетание прибора с зуммером. После этого подается сигнал, если слишком уменьшается влажность грунта. В некоторых датчиках вместо сигнала меняется свет. 

Недостатки

Основная проблема таких датчиков — их недолговечность. Чувствительные элементы погружаются в почву, на них подается электричество, и это приводит к постепенному окислению и выходу из строя: окислы быстро уничтожают металл. Щуп начинает выдавать неверные показания, а со временем перестает работать совсем.

Часть производителей устраняет этот недостаток путем нанесения на контактные поверхности щупа покрытия из иммерсионного золота и других материалов. Но модули с таким напылением стоят дороже.

Существует и программный способ защиты — подавать напряжение не постоянно, а только время от времени, измеряя влажность через определенные интервалы. Это способно серьезно продлить «жизнь» гигрометра. Некоторые энтузиасты реализуют проекты альтернативных стандартным датчикам — например, на графитовых стержнях.

Виды и принцип их работы (и плюсы, куда лучше установить)

Перед установкой датчика нужно учесть факторы, которые влияют на эксплуатационные характеристики:

• необходимая точность показаний;
• допустимый диапазон значений влажности.

В зависимости от указанных параметров, выбирают оптимальный прибор, который поможет сделать жизнь в доме более комфортной и уютной.

Емкостные

Работа прибора построена на принципе изменения емкости воздушного конденсатора. Емкостный прибор конструктивно выглядит в виде гигроскопичной полимерной пленки, вокруг которой расположены два электрода. При увеличении молекул воды пленка их впитывает и набухает. Расстояние между электродами увеличивается и, соответственно, меняется величина емкости конденсатора. Емкостной гигрометр компактный, работает быстро и имеет малые значения гистерезиса. Неплохая точность измерений в виду слабой зависимости от внешних условий эксплуатации.

Термисторные

Устройство состоит из нелинейных электронных компонентов, показатель сопротивления которых зависит от температуры. Конструкция психометрического датчика состоит из двух таких элементов, каждый из которых помещают в разные условия:

1. Один находится в изоляции от внешних условий и его заполняют сухим воздухом.
2. Другой имеет отверстия, через которые поступает воздух для проведения сравнительных измерений.

Схема соединения двух компонентов позволяет увидеть напряжение, оказываемое на сухой образец (воздух) из первого термистора. Его значение показывает, что влажность повышена. Показатель нулевого напряжения означает, что сухость в обоих термисторах одинакова.

Резистивные

Принцип работы прибора основан на изменении величины сопротивления впитывающего влажность материала. Гигрометры данного типа стоят недорого и активно эксплуатируются в быту.

Устройство детекторов резистивного типа

Резистивный датчик представляет собой два электрода, расположенные на подложке. В качестве нанесенного поверхностного слоя используют оксид алюминия. Он прекрасно впитывает влагу, имеет малое сопротивление, величина которого меняется в зависимости от влажности окружающей среды.

Оптический

Данный тип гигрометра работает по принципу конденсатора. С датчиком можно вычислить точку росы, то есть температурный показатель, при котором из воздуха начинают выделяться капли конденсата.

1. На испытуемую поверхность зеркала направляется луч светодиода.
2. С тыльной стороны зеркало подогревают или охлаждают в зависимости от внешних условий.
3. Луч перенаправляется на фотодетектор и сила тока в цепи снижается.
4. Данный переломный момент фиксирует температурный датчик.

Электронные

На пластинку из стекла или полистирола наносят слой гигроскопического материала или электролита – хлорид лития. Вещество чувствительно к изменению влажности и показатель его концентрации является определяющим для вывода на экран итоговых показаний. В составе электронного гигрометра есть термометр, который повышает точность измерений. Данный тип прибора используют при измерении влажности почвы.

Обзор датчиков

Сенсор влажности почвы, он же гигрометр, определяет влажность земли, для чего чувствительный элемент необходимо погружать в нее. Принцип действия основан на измерении сопротивления: если почва высохшая, сопротивление будет выше, а ток меньше. Когда же она увлажняется, сопротивление падает, ток увеличивается. Мониторя генерируемый на выходе аналоговый сигнал, управляющая схема датчика делает вывод об уровне влажности и выполняет действия согласно заложенной логике.

Мониторинг влажности пригодится и дома, чтобы вовремя полить цветы и не дать им погибнуть, и в приусадебном хозяйстве, и в любых исследовательских проектах, где необходимо отслеживать этот параметр. Для Ардуино существуют различные разновидности таких сенсоров, но все они работают по одному и тому же принципу.

Устройство состоит из трех компонентов:

• погружной щуп с электродами;
• комплект проводов;
• управляющий блок.

Щуп соединяется с платой, а последняя подключается непосредственно к мини контроллеру Arduino. Все подобные модули имеют три или четыре выхода:

• S — сигнальный (цифровой/аналоговый);
• VCC — питание;
• GND — заземление.

Для работы системы (например, вывода индикации, отправки оповещения или запуска полива) в Ардуино должен быть загружен соответствующий сценарий. Его можно написать самостоятельно или воспользоваться одним из представленных в интернете скетчей, доработав его при необходимости.

Датчик может подключаться и к аналоговому, и цифровому входу платы Ардуино.

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.

Рисунок 5. Размещение щупов в грунте

Масштабирование решения

Мы описали решение для одного растения. Но обычно требуется поливать несколько растений. Помимо очевидного решения — подключения к Arduino нескольких помп и датчиков влажности — существует более простое и дешёвое. Достаточно в трубке, которая идёт в комплекте с помпой проделать шилом дырочки на расстоянии около 30 см и воткнуть в эти дырочки куски стержней от обычных шариковых ручек. Выглядеть это будет так:

Горшки с цветами дома часто стоят в ряд на подоконнике. Вам достаточно просто положить трубку на горшки так, чтобы отверстия в ней приходились по одному на горшок. Теперь наше устройство может поливать сразу несколько горшков. Однако в таком случае принимать решение о необходимости полива можно только по одному горшку. Однако обычно горшки примерно одинаковые по размерам и, соответственно, сохнут с примерно равной скоростью. Можно так же комбинировать два решения, разделяя все горшки на группы примерно равных по размерам.

Элементы платы

Измерительные электроды

Для контакта с почвой на датчике расположены два электрода, которые для проведения измерений необходимо воткнуть в измеряемую среду. Но в отличии от резистивного датчика, электроды скрыты под токоизолирующей маской и защищены от коррозии.

Сами электроды представляют из себя обкладки конденсатора, который при изменении влажности почвы меняет свою ёмкость, что приводит к повышению или понижению выходного сигнала датчика.

Операционный усилитель MCP6002

По умолчанию выходной сигнал схемы ёмкостного датчика, обратно пропорционален уровню влажности почвы. Для удобства и совместимости с резистивной моделью сенсора, на плате расположен операционный усилитель, который инвертирует аналоговый сигнал. В итоге на выходе датчика сигнал прямо пропорциональный влажности почвы.

Регулятор напряжения 3V3

Линейный понижающий регулятор напряжения TPS73033DBVR обеспечивает питание микросхемы 555 и других компонентов сенсора. Диапазон входного напряжения от 3,3 до 5 вольт. Выходное напряжение 3,3 В с максимальным выходным током 200 мА.

Troyka-контакты

Датчик подключается к управляющей электронике через три провода.

• Сигнальный (S) — выходной сигнал сенсора. Напряжение на выходе датчика прямо пропорционально уровню измеренной электропроводности: чем выше влажность почвы, тем выше уровень сигнала на выходе датчика и соответственно наоборот. Максимальное выходное значения 3,3 вольта. Подключите к аналоговому пину микроконтроллера.
• Питание (V) — соедините с рабочим напряжением микроконтроллера.
• Земля (G) — соедините с землёй микроконтроллера.

Сборка датчика влажности своими руками

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.

В домашних условиях использование такого датчика влажности будет очень простым и вместе с тем надежным.

Особенности применения

Выделяют разнообразное использование датчика влажности почвы. Зачастую их конструируют для систем автоматического полива. Датчики делают в горшках для цветков. Они полезны для растений, которые слишком чувствительны к уровню влаги в земле. В случае, если выращиваются суккуленты, тогда используются электроды немаленькой длины. В таком случае будет происходить реакция на перемену влажности у корневище.

Нередко такие датчики применяют, если выращивают фиалки или такие растения, которые имеют хрупкие корни. Если установить датчик, тогда можно знать, когда необходимо осуществлять полив. Такие приборы идеально подходят в том случае, если выращиваются растения в тепличных условиях. Также применяют аналогичный метод конструкции датчика, если необходимо контролировать влажность воздуха. Это особенное полезно для тех растений, которые систематически опрыскивают.

Хозяева на даче могут расслабиться, так как датчик за них решит, когда необходимо поливать растения. В такой способ можно узнать, насколько увлажнен грунт. Это защитит грядки от переизбытка влаги. Существуют и другие случаи, когда люди устанавливают датчики. Они могут помочь следить за увлажненностью грунта в подвале. Некоторые люди устанавливают его в области мойки.

В такой способ осуществится своевременный ремонт. Итак, датчик влажности грунта дает возможность за пару суток создать приборы в разнообразных участках и зонах дачной территории. Не обязательно бежать за профессиональной помощью, так как такую конструкцию просто сделать самостоятельно. Для этого достаточно соблюдать определенные правила и последовательность.