Самым главным при взращивании растений и поддержании уже взрослых декоративных цветов является создание соответствующего микроклимата – поддержание и постоянный контроль влажности почвы, окружающего воздуха и солнечных ванн. И если создать благоприятный климат окружающей температуры воздуха и дозировать солнечную энергию относительно просто – установив горшок с цветком в соответствующее место в интерьере квартиры, то поддержание влажности почвы требует ежедневного и тщательного внимания. А между тем, процесс полива можно автоматизировать, собрав и включив простое в повторении электронное устройство, схемы которого представлены на рис. 2.1 и 2.2.
Рис. 2.1. Электрическая схема дозатора и контроля влажности почвы устройства автоматического полива
Рис. 2.2. Электрическая схема таймера (задержки выключения) на 1 час
Устройство состоит из трех частей, электрически взаимосвязанных между собой. Части устройства и их функциональная взаимосвязь отражены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Блок схема устройства автоматического полива растений
Контроллер влажности почвы в постоянном режиме измеряет сопротивление почвы между контактами датчика влажности R и выдает на выходе управляющий сигнал – низкий уровень напряжения, если почва засушлива и требует увлажнения.
Таймер – устройство выдержки времени – выдает на выходе положительный управляющий импульс с периодичностью один раз в час.
Дозатор полива вместе со схемой совпадений сравнивает сигналы управления от предыдущих блоков и включает исполнительное устройство – электродвигатель, нагнетающий воду из резервуара в том случае, когда оба этих сигналы имеют низкий логический уровень.
Электродвигателем управляет исполнительное реле К1, рассчитанное на напряжение 12 В, и коммутирующее ток до 3 А.
2.1.1. Принцип работы устройства
На логических элементах микросхемы DD1.1, DD1.2 К561ЛА7 собран сигнализатор влажности. Перед этим узлом стоит важная задача – сигнализировать о сухой почве и не допустить ее переувлажнения, так как в последнем случае это может погубить цветы. Поэтому система полива должна включаться на короткие промежутки времени, с постоянным контролем состояния влажности почвы.
Контакты Х1 изготовлены из металлических спиц (применяемых также для вязания) длиной 30 см – каждая. Контактные проводники припаиваются к спицам с помощью припоя ПОС-61 (или аналогичного) и флюса. Проводники от датчиков-спиц выполнены гибким монтажным проводом МГТФ-0,8 и имеют длину не более 50 см каждый.
Большая длина проводников к датчику приведет к ложным срабатываниям логических элементов микросхемы DD1.1 и DD1.2. Переменный резистор R1 необходим для регулировки чувствительности узла, осуществляющего контроль влажности почвы. Перед первым включением движок R1 устанавливают в среднее (по схеме) положение. Датчики – спицы помещаются в почву цветочного горшка на глубину до 20 см.
Пока почва сухая, она имеет большое сопротивление электрическому току (несколько десятков МОм).
Сопротивление переменного резистора R1 меньше этого значения, поэтому на выводах 1 и 2 логического элемента DD1.1 присутствует сигнал высокого логического уровня. На выводе 3 DD1.1 будет низкий уровень (так как элемент включен как инвертор), а на выводе 4 элемента DD1.2 присутствует вновь высокий уровень. Благодаря этому напряжению заряжается оксидный конденсатор С3, который необходим для инерции срабатывания узла контроля влажности.
Когда С3 зарядится до напряжения 4…6 В (несколько секунд) на выходе элемента DD1.3 окажется низкий уровень напряжения – он поступит на узел сравнения напряжений, собранный на элементе DD2.1. Элемент DD2.1 (ИЛИ с инверсией) согласно таблице истинности выдаст на выходе (вывод 11) управляющий сигнал высокого логического уровня, если на входах (выводы 12 и 13 DD2.1) будет сочетания двух низких уровней (в любом другом случае сигнал на выводе 11 будет иметь низкий уровень, транзистор заперт, электродвигатель М1 не работает).
Таким образом, при появлении на выходе логического элемента DD2.1 высокого уровня, откроется транзистор VT1, который подаст питание на исполнительное реле К1. Реле К1 своими коммутирующими контактами К1.1 замкнет цепь питания электромотора М1 с номинальным напряжением 12 В. В качестве электромотора М1 используется промышленный электродвигатель омывателя стекла для автомобилей семейства ВАЗ-2101–2107. Резервуар для воды (жидкости) емкостью 1,3 л/ также используется промышленный – бачок омывателя лобового стекла автомобилей указанного типа. Диод VD1 препятствует броскам обратного тока через реле К1 и защищает переход транзистора VT1.
Соответственно, если почва в цветочном горшке влажная, то на выводе 12 элемента DD2.1 окажется высокий уровень напряжения. При этом на выводе 4 элемента DD2.2 также постоянно присутствует высокий уровень напряжения, кроме тех периодов, когда от таймера (рис. 2.2) поступает управляющий импульс низкого уровня с периодичностью один раз в час.
На элементах DD1.4 и DD2.2 собран электронный дозатор, формирующий временные интервалы, в течении которых в системе нагнетается вода для полива. Таймер на микросхеме DD3 К561ИЕ16 (рис. 2.2) необходим для циклической подачи управляющих импульсов с периодичностью примерно один раз в час. Управляющие импульсы положительной полярности снимаются с вывода 3 микросхемы К561ИЕ16 (точка А на схеме), инвертируются элементом DD2.3 и подаются на вход узла электронного дозатора через конденсатор С1, который не пропускает постоянную составляющую напряжения.
Время работы электродвигателя М1 (нагнетания воды из резервуара) определяется значениями элементов времязадающей цепи С2R6. При указанных на схеме значениях этих элементов электродвигатель будет работать в течении 20 с.
Рассмотрим подробнее работу таймера, схема которого показана на рис. 2.2.
Таймер собран на одной микросхеме К561ИЕ16. Задающим генератором импульсов служит мигающий светодиод HL1. На выводе 10 (тактовый вход микросхемы DD3) присутствуют импульсы с частотой примерно 2 Гц.
При вспышке светодиода, на выводе 10 DD3 оказывается высокий уровень напряжения, а при погасании светодиода этот уровень сменяется на низкий. Счетчик реагирует на отрицательный фронт импульса и начинает внутренний счет. Высокий уровень напряжения появляется последовательно на каждом выходе Q0–Q13 счетчика.
Максимальная выдержка времени, которую может обеспечить счетчик К561ИЕ16 в данной схеме, при условии применения в качестве генератора импульсов мигающего светодиода, составит около 1 ч. Сигнал на выключение устройства нагрузки произойдет на выводе 3 (выход Q13) после того, как счетчик досчитает до 8192.
Почему для этого устройства выбрана именно микросхема К561ИЕ16? Для этого подробнее рассмотрим ее функциональные характеристики.
Микросхема К561ИЕ16 содержит 14-ти разрядный асинхронный счетчик с входным каскадом, обостряющим тактовые импульсы. На входе микросхемы установлен формирователь импульсов и триггер. Выходной сигнал поступает на вывод Q0–Q13 от однотипных внутренних буферных усилителей. Счетчик сбрасывает выходные сигналы (переводя их в низкий логический уровень) при напряжении высокого уровня на входе сброса R (вывод 11). Содержимое счетчика увеличивается откликом на каждый отрицательный перепад на тактовом входе с (вывод 10). Максимальная тактовая частота может достигать 3 МГц, а длительность импульса сброса должна превышать 550 нс. Микросхема К561ИЕ16 широко распространена и имеет небольшую стоимость, что является дополнительным стимулом для разработки различных электронных устройств на ее основе.
В первый момент времени после подачи на микросхему питания начинает заряжаться оксидный конденсатор С5 через резистор R8, на входе сброса R микросхемы DD3 устанавливается высокий уровень, благодаря которому на всех выходах Q будет присутствовать низкий уровень.
По прошествии 60 мин/ (выдержка времени, обусловленная счетом до 8192 микросхемы DD3) на выводе 3 DD3 возникает напряжение высокого уровня. Оно инвертируется элементом DD2.3 и поступает через разделительный конденсатор С1 на узел дозатора полива. Принудительно сбросить счетчик в нуль можно кратковременным отключением питания или замыканием накоротко постоянного резистора R8 (подачей низкого уровня на вход сброса R микросхемы К561ИЕ16).
2.1.2. Особенности установки
Как уже было отмечено выше, воду из бачка омывателя нагнетает автомобильный электродвигатель. Патрубок-капельница также используется штатный – его можно приобрести в магазинах автомобильных товаров или в торговых точках товаров для аквариума. Длина патрубка 3–4 м. большую длину использовать не желательно, так как напор воды будет сокращаться. На концы патрубка-капельницы надевают распылители воздуха для аквариума, через которые свободно проникает и вода.
