Czujnik deszczu

Jakiś czas temu wychodząc z domu zostawiłem otwarte okno w pokoju, co skończyło się na zalaniem biurka i utratą klawiatury. Co gorsza, inni domownicy byli obecni, jednakże ulewy nie usłyszeli, a o otwartym oknie nie wiedzieli.

Mądry Polak po szkodzie – dlatego w tym artykule opiszę jak zrobić prosty i tani czujnik deszczu. Pomysłów miałem wiele, dlatego przed przejściem do instrukcji montażu, opiszę każdy z nich wraz z jego wadami  i zaletami. Wszystkie można wykonać korzystając z przedmiotów, które chyba każdy majsterkowicz posiada w domu, niewymagane są żadne specjalne i drogie podzespoły czy narzędzia.

Część pierwsza – pomysły

1. Przewodząca płytka

Zdjęcie mówi więcej niż tysiąc słów – jest to warstwa folii aluminiowej, na której wycięte są zazębiające się paski. Idea jest prosta – w miejscu, na które spadnie kropla deszczu zrobi się zwarcie, a raczej spadek oporności z nieskończonej do kilku MΩ. Zaletą tego rozwiązania jest fakt, że wystarczy zaledwie jedna kropla deszczówki żeby załączyć czujnik, jednakże taka płytka jednak posiada dwie wady. Po pierwsze, nie można zmierzyć ilości deszczu, ponieważ rozróżnić można tylko opad lub jego brak, a po drugie, nawet gdy deszcz ustanie, czujnik pozostanie załączony do momentu aż całkowicie wyschnie, co w pochmurny dzień trwać będzie bardzo długo. Nie pomaga nawet ustawienie płytki pod kątem, myślałem o zastosowaniu jakiegoś elementu grzejnego pod spodem, który wysuszałby wilgoć, jednakże taki układ musiałby być wykonany bardzo solidnie aby wytrzymać chociażby sezon, a także zużywał by dużo prądu.

2. Wykorzystanie czujnika obrotu z rolki myszy komputerowej

Jeśli macie w domu jakąś starą myszkę z rolką i pokusicie się na rozebranie jej, znajdziecie we wnętrzu element, który ruch obrotowy zamienia na naprzemienne zwarcia i rozwarcia. Pozwala to na wykrycie kierunku oraz szybkości obrotu. Próbowałem owy czujnik przytwierdzić do osi z zamontowanymi łopatkami, które zaczynałyby się kręcić pod wpływem wody zbieranej przez niewielki lejek, jednakże opór skoku w moim przypadku był bardzo duży i dopiero silny strumień wody z kranu wprawiał łopatki w ruch. Jeśli posiadacie myszy z kółkami o małym oporze (jak np. w nowych gryzoniach od Logitecha, które chyba dla większości z nas są zbyt drogie by je rozkręcać), wtedy droga do zbudowania czujnika jest naprawdę prosta. Można bowiem posłużyć się mikrokontrolerem do wykrywania zwarć/rozwarć i w ten sposób nie tylko określać czy pada czy też nie, ale także mieć możliwość zmierzenia ilości deszczu przez zliczanie zwarć/rozwarć w jednostce czasu.

3. Wykorzystanie silnika (np. z wentylatora komputerowego)

Jak większość was z pewnie wie, zwykłe silniki prądu stałego mogą posłużyć za prądnice, ponieważ gdy zakręcimy wałem, na końcach przewodów dostarczających zasilanie wytworzy się niewielka różnica potencjałów, czyli napięcie. Sposób ten jest zatem analogiczny do poprzedniego – woda spływa, wprawia w ruch łopatki, te obracają wałem, wytwarza się napięcie, które jest proporcjonalne do ilości spadającego deszczu. Problem jest tylko jeden: wytworzone w ten sposób napięcie jest bardzo małe – w moim przypadku było to od 10 do około 30 mV. Jest to zdecydowanie za niska wartość, by mogła być skutecznie i bezbłędnie wykryta przez 10-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy jaki znajduje się w układach firmy Atmel.

Na szczęście z pomocą przychodzą nam wzmacniacze, na przykład wzmacniacz operacyjny. Jeśli jest to element wam nieznany, zapraszam do lektury tutaj. Element ten, jak sama nazwa wskazuje, posłuży nam do wzmocnienia naszego sygnału do rzędu wartości, które jest w stanie odczytać mikrokontroler AVR. Nie zgłębiając się w detale, obwód wzmacniający sygnał, który jest nam potrzebny, wygląda następująco:

Stosunek sygnału wyjściowego do wejściowego (wzmocnienie) jest określany przez stosunek wartości oporników Rf do Rg. Dobieramy je tak, aby napięcie wyjściowe nie przekraczało 5V przy maksymalnych obrotach wału silnika. Następnie możemy to napięcie wygodnie mierzyć mikrokontrolerem, które tutaj również jest proporcjonalne do prędkości obrotowej. Ja jednak znów wpadłem na przeszkodę: kolejny raz za duży opór przy obracaniu i spadający deszcz nie wprawiał w ruch mojego wirnika.

4. Wahadło

Ostatnim z moich pomysłów było urządzenie bardziej mechaniczne niż elektroniczne. W obliczu ciągłych problemów z wirnikiem zbierającym wodę, który to był daleki od ideału i nie działał jak należy w poprzednich wynalazkach, postanowiłem spróbować czegoś innego.

Jak widać na zdjęciu, jest to rodzaj dokładnie wyważonego wahadła, które zmienia swoje położenie już pod ciężarem kilku kropel wody. Wówczas drugi koniec przechyla się do góry, a ponieważ posiada on folię aluminiową wraz z doczepionym przewodem, przy swoim maksymalnym wychyleniu styka się z miedzianym drutem, tworząc zwarcie, które to z kolei służy do wykrycia opadu. W tym położeniu woda wylewa się z łopatki przymocowanej na przeciwległym końcu wahadła, i cały proces się powtarza, pod warunkiem że deszcz nadal pada. W tym rozwiązaniu trzeba się trochę więcej namajsterkować składając całe urządzenie w całość, przez co jest one dość awaryjne oraz wymaga kilku testów zanim może zostać uznane za sprawne. Niestety i tym razem nie obyło się bez problemów – deszczówka bardziej osadzała się na lejku niż spływała przez niego, więc rozwiązanie to okazało się (dla mnie) zbyt mało efektywne.

Część druga – opis właściwy i montaż

Nie mając już więcej pomysłu ani umiejętności/narzędzi/materiałów na lepsze czujniki, wróciłem do rozwiązania numer jeden, które okazało się najbardziej niezawodne: płytki pokrytej folią aluminiową. Przystąpmy zatem do instrukcji montażu, najpierw jednak określę, jakie materiały i elementy będą nam potrzebne.

• folia aluminiowa
• przewód, długość wedle uznania, zależnie od tego jak daleko będzie znajdować się płytka od czujnika
• jakaś nieprzewodząca podkładka (ja posłużyłem się wieczkiem od pudełka na płytę CD)
• wzmacniacz operacyjny (ja użyłem LM358AN – ok 1,50zł)
• opornik około 100kΩ
• potencjometr 500kΩ (jak największy, wyjaśnię dlaczego)
• przełącznik dwustanowy
• tranzystor (ja użyłem taniego bipolarnego BC337)
• buzzer
• bateria CR2032 wraz z koszykiem

Płytkę wykonujemy przez wysmarowanie klejem naszej podkładku oraz przyklejenie folii aluminiowej (zwykła kuchenna wystarczy). Następnie wycinamy odpowiedni wzorek jak na zdjęciu, dodaję jeszcze ilustrację co by nie było wątpliwości. Naturalnie, im bardziej te paski będą gęściej umieszczone, tym lepiej będziemy wykrywać opady.

Płytkę mamy gotową, należy do niej jeszcze przymocować przewody, jeden do prawej krawędzi, drugi do lewej. Ja swoją obkleiłem jeszcze taśmą izolacyjną po krawędziach żeby się lepiej trzymała.

Obwód z kolei prezentuje się następująco – schemat wykonany został w programie PSpice Schematics (widziałem często komentarze, że Fritzing jest mało przejrzysty):

Wydaje mi się, że należy wyjaśnić kilka rzeczy. W obwodzie tym wzmacniacz operacyjny pełni rolę komparatora napięcia – gdy na wejściu oznaczonego symbolem “+” (zwane nieodwracającym) jest napięcie większe niż w tym oznaczonym symbolem “-” (zwanym odwracającym), na wyjściu wzmacniacza (tym z prawej, na krańcu trójkąta) pojawi się napięcie równe (w uproszczeniu) jak największe jak się da, a że wzmacniacz jest zasilany napięciem z baterii, będą to około 3V. Z kolei gdy napięcie na wejściu “-” będzie większe niż to na wejściu “+”, na wyjściu pojawi się napięcie najmniejsze jak to możliwe, czyli równe 0, gdyż drugi koniec zasilania wzmacniacza jest także przyłączony do ujemnego bieguna baterii. Opornik oznaczony jako R3 na schemacie jest naszą aluminiową płytką. Gdy jest sucha, stanowi przerwę w obwodzie, zatem prąd przez nią nie płynie, a nieodwracające (“+”) wejście wzmacniacza jest połączone do ujemnego bieguna baterii. Jeśli spadnie na płytkę deszcz, zacznie ona przewodzić prąd, co sprawi że na oporniku R1 odłoży się pewne napięcie, tym większe im większy prąd będzie płynął przez płytkę. Napięcie to pojawi się wówczas na nieodwracającym wejściu wzmacniacza.

Potencjometr R2 służy jako dzielnik napięcia i jest wykorzystywany do kalibracji układu – dzięki niemu ustalimy poziom napięcia odkładanego na oporniku R1, które sprawi że na wyjściu wzmacniacza pojawi się napięcie dodatnie. W skrócie – opuszczamy kilka kropel na aluminiową płytkę i kręcimy potencjometrem tak, by buzzer się załączył, ale również żeby też po przetarciu płytki się on wyłączył. Do wyjścia wzmacniacza jest przyłączona bramka tranzystora, ponieważ okazało się, że wzmacniacz daje na wyjściu zbyt mały prąd by uruchomić buzzer.

Cały układ możemy zmontować na płytce stykowej żeby sprawdzić czy działa, następnie można go oczywiście zlutować by zajmował mniej miejsca.

Wspomniałem na początku, że wyjaśnię dlaczego stosuję potencjometr o dużej wartości, już mówię dlaczego. Ponieważ działa on jako dzielnik napięcia, to przez cały czas gdy zasilanie jest włączone płynie przez niego prąd. Zależało mi na tym, by czujnik pracował na jednej baterii najdłużej jak się da, dlatego prąd ten został ograniczony dużą wartością potencjometra. Po zmierzeniu prądu multimeterem, mój układ pobierał 0.354mA w stanie czuwania i 15mA przy załączonym buzzerze. Na baterii CR2032 o pojemności 320mAh, daje to ponad 37 dni w stanie czuwania, czyli całkiem sporo. Jeśli natomiast użyty był potencjometr o małej wartości 50kΩ, prąd czuwania wynosił aż 2.6mA, znacznie redukując czas pracy na jednej baterii.

Kilka słów na koniec

Liczę, że mój pierwszy artykuł przypadł wam do gustu i, co ważniejsze, okazał się przydatny. Moje rozwiązanie zapewne nie jest idealne, ponieważ jak wspomniałem pozostaje załączone gdy opady ustają, jednakże jest najprostszym i najmniej zawodnym czujnikiem. Jeśli uda wam się skonstruować łopatki dobrze zbierające wodę, wtedy pozostałe moje pomysły staną się dużo lepsze i w pełni użyteczne. Warto także wspomnieć, że taki czujnik świetnie się nadaje jako element “inteligentnego domu” – możemy użyć mikrokontrolera do porównywania napięć na oporniku R1 i potencjometrze, a następnie przesłać informację (bez)przewodowo do jednostki centralnej.