Ёмкостный датчик влажности почвы

Данные о влажности почвы за небольшую стоимость

Команда проекта
  • Зеленин Илья Михайлович
    Автор проекта
    МАОУДО «Детский технопарк «Кванториум» г. Чебоксары
  • Андрейчук Андрей Витальевич
    Наставник проекта
    Педагог дополнительного образования
    МАОУДО «Детский технопарк «Кванториум» г. Чебоксары
Проблематика и актуальность
В наше время в серых и загазованных городах люди часто предпочитают заводить живой уголок с растениями у себя дома. Это могут быть как культурные растения, выращиваемые в качестве пищи, так и декоративные, существующие для эстетики и успокоения, но все они имеют одну общую черту при содержании в искусственном грунте они зависят от веществ, которыми их обеспечивает человек, в частности от воды. Однако поддерживать нужную её концентрацию бывает непросто, особенно в отсутствии опыта
ухода за растениями. В таком случае на помощь приходят датчики влажности почвы.
Однако, обратившись к рынку, мы узнаём, что большинство недорогих датчиков показывают влажность относительно, без каких-либо конкретных единиц, тогда как в условиях содержания растений влажность всегда даётся в процентах.
Наше устройство решает именно эту пользовательскую проблему: выводит данные в процентах за небольшую стоимость.

Аналоги проекта
Цель и задачи проекта
Цель: создать устройство, которое будет выводить данные о влажности почвы в процентах за небольшую стоимость.

1. Изучить существующие механизмы измерения влажности почвы и выбрать наиболее нам подходящий.
2. Разработать и собрать устройство, которое сможет отображать изменение влажности почвы.
3. Создать алгоритм получения данных о влажности почвы в процентах.
4. Протестировать работоспособность устройства.
5. Сделать выводы и продумать дальнейшее развитие проекта.


Потенциальные заказчики проекта
Проект предназначен в первую очередь для бытового применения для людей, которые выращивают растения дома.
Может быть интересен кампаниям занятым выращиванием растений.


Этапы проекта
  • 1
    Подготовка
    Изучение аналогов и методов их работы с последующим использованием лучших идей.
  • 2
    Реализация
    1) Создание датчика, проверка изменения показаний с изменением влажности.
    2) Сборка системы управления, вывод на экран шкалы с данными относительного изменения влажности.
    3) Вывод данных в процентах.
  • 3
    Тестирование
    Проверка работоспособности устройства в реальных условиях.
Экономика проекта
Основу стоимости прототипа составили контроллер Arduino и текстовый экран. Они покупались специально и обошлись в 500 рублей. Все остальные детали делались своими силами на базе Кванториума. Их примерная стоимость была определена в 400 рублей.
Итоговая стоимость составила 900 рублей.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА


Создание первой версии датчика и станции управления

Для обкладок нашего будущего конденсатора-датчика были использованы две пластины фольгированного стеклотекстолита размерами 20 на 100 мм, покрытого паяльной маской для изоляции медного слоя от агрессивной среды.​
Обкладки были установлены на каркас из оргстекла на расстоянии 2 мм. К ним были припаяны провода с разъёмами, для возможности быстро снять датчик. Гнёзда разъёмов были закреплены сверху датчика.
Измерение влажности с помощь датчика происходит следующим образом. Как мы знаем ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и свойств диэлектрика. Чем влажнее почва, тем выше её диэлектрическая проницаемость, а значит и ёмкость конденсатора, и, наоборот, тем ниже ёмкостное сопротивление. Использовав это принцип в составе делителя напряжения, мы сможем получить изменение напряжения в зависимости от ёмкостного сопротивления нашего датчика, а значит от влажности. На воздухе в условно абсолютно сухой среде показания со схемы составили 1В, а в воде - 0.7В.

Теперь, убедившись в работоспособности системы, мы преступили к сборке устройства в его итоговом виде. Для управления системой будет использоваться микроконтроллер в составе Arduino UNO. Вывод данных будет осуществляться на текстовый дисплей формата 16 на 2. Всё оборудование будет размещено в деревянном корпусе, вырезанном с помощью станка ЧПУ. Электронные компоненты расположатся на отдельной маленькой плате.​​

Длина корпуса 90 мм, ширина 64 мм, высота 51 мм. Вовремя его создания ставилась задача сделать корпус наиболее компактным.​​

Плата с электроникой разместилась сверху на Arduino.​​

Питание системы может осуществляется как от сети через блок питания так и от батареи.

Роль генератора частоты, необходимой для постоянного цикла заряда-разряда конденсатора будет играть сам микроконтроллер Arduino с помощью специальной библиотеки.

По данным источников было установлено, что показания заводских датчиков зависят от снимаемого с них напряжения не линейно, а по гиперболе. Для устранения этой проблемы было принято решение разбить график на четыре отдельных линейных функции, которые включаются по очереди в зависимости от снимаемого напряжения. ​

​​

Тестирование устройства


На экране сверху выводится шкала с относительными показаниями датчика. Снизу по очереди: расчётная влажность в процентах, снимаемое с устройства напряжение, используемая для расчёта функция. Последние 2 показателя используются только для тестов и в итоговой модели их не будет.​

В результате тестирования было выявлено, что датчик обладает слишком хрупкой конструкцией. Поэтому был изготовлен новый датчик с одной пластиной двухстороннего текстолита на которой вытравлены две дорожки-обкладки.

В результате работ над проектом мы полностью смогли решить выдвинутую нами проблему: получение данных в процентах с устройства небольшой цены. После тестирования устройства в нём были обнаружены некоторые недостатки. Они были решены созданием нового датчика, более прочной конструкции и добавлением для станции режима калибровки. ​

Устройство обладает высокими коммерческими возможностями из-из высокой стоимости заводских аналогов, а также удобства практического использования (в первую очередь из-за возможности расположения датчика отдельно от станции управления в любом месте). ​​

Также наш проект имеет определённые перспективы развития: в нём может быть реализована система повышенной экономии энергии, когда устройство включается для измерения и запоминания показаний с датчика через определённые промежутки времени, например каждый час. В таком случае экран будет включаться только при нажатии кнопки.​​

Связь с нами:
89520242294
limonlionberger361z@mail.ru