Датчик измерения влажности в воздухе

Устройство и назначение щита управления вентиляции

Комплектация щита управления вентиляцией и его установка нормируются ГОСТ Р 51321.1. Устройство монтируется в щитовых, подсобках или коридорах. Иногда щит управления системами вентиляции, а также блоки контроля над противопожарной системой устанавливаются в диспетчерской.

Конфигурации шкафов, их габариты, степень защиты и набор функций отличаются. Самые простые модели используются в жилье, более сложные – в общественных заведениях и на производственных предприятиях.

Шкаф управления имеет следующее предназначение:

Он позволяет контролировать состояние и производительность вентиляционной системы.
С его помощью обеспечиваются нужные параметры работы вентиляции.
Автоматическая система оповещает о различных неполадках и сбоях в работе важного оборудования.

По сути, это совокупность контролирующих и исполнительных устройств.

Шкаф имеет следующее строение:

• корпус из пластика или металла со степенью защиты ІР 45;
• контроллер;
• блок питания;
• пульт ручного управления;
• автоматические выключатели;
• преобразователь частоты для ручной регулировки скорости вращения лопастей вентилятора;
• клеммник;
• блок сигнализации со световыми индикаторами.

Рабочие элементы

В блок управления вентиляцией входят следующие контролирующие устройства:

1. Датчики контроля над состоянием воздуха в помещении, а также контролирующие работу механизмов и приборов. Они передают всю информацию контроллерам, которые в свою очередь анализируют полученные данные и посылают определенные команды работающим приборам. В эту группу входят датчики скорости вращения лопастей вентиляторов, приборы, контролирующие влажность и давление, температурные сенсоры.
2. Контроллеры получают информацию от датчиков и анализируют ее. После этого они посылают сигналы на исполнительные агрегаты, к которым относят следующие приборы:

• нагревательные устройства;
• приводы воздушного клапана;
• задвижки;
• приводы вентиляторов;
• электропитание агрегатов;
• клапаны переключения потоков воздуха.

В зависимости от места установки все датчики делятся на наружные и внутренние. Первые регистрируют параметры воздуха за пределами помещения (атмосферные датчики), а вторые собирают информацию о состоянии воздуха в помещении.

Наибольшей популярностью пользуются универсальные контроллеры, которые могут одновременно обрабатывать информацию, получаемую с разных устройств и систем, например, системы вентиляции, отопления и кондиционирования.

Доработка скетча Ардуино

Поигравшись с конденсаторами, решил проверить программное обеспечение устройства на наличие неоптимального кода, который мог бы приводить к зависаниям микроконтроллера. Первым делом начал с проверки процедуры DoAll(), которая управляет включением и отключением реле. И тут меня как осенило, откуда берутся просадки напряжения.

Дело в том, что после обработки данных, полученных с датчиков, и включении/выключении какого-либо реле, происходил мгновенный переход к следующей обработке данных с датчиков, и включение/выключение следующего реле, и так далее. Фактически, все реле действительно могли включаться или отключаться одновременно, с задержкой менее 1 мсек, поскольку между обработкой данных для каждого реле отсутствовала пауза.

Исправив код этой процедуры, а именно, добавив искусственную задержку в 200 миллисекунд после включения/отключения какого-либо реле, я был крайне удивлен стабильной работой прибора. Зависания вовсе прекратились, и вот уже 2 месяца прибор работает стабильно. Теперь и WatchDog не нужен, хотя конечно он не помешает, на всякий случай.

В итоге можно сказать, что причиной зависания являлась несбалансированность нагрузки на источник питания при выполнении программного кода, а также низкое качество источника питания. Исправив программу, исчез и дисбаланс. Ниже представлен исправленный фрагмент кода процедуры DoAll(). Жирным текстом выделены те самые задержки по 200 мсек, которые были добавлены в программу и кардинально повысили стабильность работы микроконтроллера.

void DoAll(){
  //включаем обогрев, разъем 3, дистанционная розетка
  //сделаем чтобы батарея также включалась при повышенной влажности, чтобы подсушивать воздух
  if (HeatState==0 && (thumVentOn)){
    digitalWrite(4,1);
    digitalWrite(14,HIGH);
    HeatState=1;
    delay(200);
  }
  //отключаем обогрев, когда температура пришла в норму, а также влажность не превышает верхний предел (порог включения вытяжки)
  if (t>=tempHeatOff && HeatState==1 && hdigitalWrite(4,0);
    digitalWrite(14,LOW);
    HeatState=0;
    delay(200);
  }

  //включаем вентиляцию, замыкаем разъемы 1 и 2 (реле 1 и 2)
  //также включаем вытяжку, если температура превышает верхнее значение 
  //(т>температуры отключения обогрева, например если перегрели во время просушки, 
  //то вытяжка продолжит работать когда влажность уже в норме, но температура воздуха еще высокая)
  if (VentState==0 && (h>=humVentOn || t>tempHeatOff)){
    digitalWrite(9,1);
    digitalWrite(2,1);
    digitalWrite(15,HIGH);
    VentState=1;
    delay(200);
  }
  //отключаем вентиляцию, когда влажность и температура пришли в норму
  if (hdigitalWrite(9,0);
    digitalWrite(2,0);
    digitalWrite(15,LOW);
    VentState=0;
    delay(200);
  }

}

Обновлено 02.02.2019

Скетч arduino для модуля управления микроклиматом v2.3

1 file(s)   20 kb

Спасибо за внимание! Будут вопросы – обращайтесь!

P.S. Планирую установить приточный клапан в ванной комнате, который позволит быстрее нормализовать влажность и температуру за счет поступления воздуха с улицы. Четвертый разъем системы предусмотрен именно для этих целей. Когда появится клапан, выложу обновления скетча для арудино.

Терминология

Под абсолютной влажностью подразумевают содержание воды (в граммах) в одном кубометре воздуха. Соответственно, единица измерения этой величины – г/м3. Состояние, при котором содержание воды в газе достигает максимальной величины (100%), называется порогом максимального насыщения или влагоемкостью. При достижении этого предела начинается процесс конденсации.

Необходимо заметить, что влагоемкость прямо пропорциональна температуре: чем она выше, тем большее количество воды может содержаться в том же объеме газа. Именно поэтому цифровой или аналоговый модуль измерения влажности практически всегда снабжен датчиком температуры.

Перейдем к определению, описывающему относительную влажность. Эта величина показывает соотношение влагоемкости и абсолютной влажности, соответствующие температурному режиму на момент измерения. Состояние, при котором эти величины сравняются, называется «точка росы».

Теперь, когда мы определились с терминологией, рассмотрим существующие типы датчиков и узнаем, по какому принципу работает каждый из них.

Автоматический полив

После организации считывания данных с датчика уровня влажности и их отображения, проект можно развить дальше, организовав систему автоматического полива.

Датчик уровня влажности в составе автоматической системы полива на основании Arduino:

Для автоматизации полива нам понадобятся дополнительные детали: возможно, шкивы, зубчатые шестерни, двигатель, муфта, транзисторы, резисторы. Список зависит от вашего проекта. Ну все, что может попасться под руку в быту. Более детально один из примеров показан ниже:

Это один из множества вариантов установки двигателя для системы автоматического полива. Колесо можно установить непосредственно в воде. В таком случае при его быстром вращении, вода будет подаваться к растению. В общем, можете проявить фантазию.

Схема подключения двигателя постоянного тока (статья с более подробным примером подключения двигателя к Arduino) на примере копии Arduino от SparkFun приведена ниже:

Ниже приведен скетч для Arduino (по сути он такой же как и приведенный выше с небольшим дополнением для управления двигателем):

// В скетче считываются данные с датчика и отображается уровень влажности почвы

// если почва сухая, начинает работать двигатель

// Для работы с дисплеем используется библиотека softwareserial library

#include &ltSoftwareSerial.h&gt

// Подключите пин для обмена данными с использованием LCD дисплея по серийному протоколу RX к цифровому пину 2 Arduino

SoftwareSerial mySerial(3,2); // pin 2 = TX, pin 3 = RX (unused)

// Управляем двигателем с помощью пина 9.

// Этот пин должен обязательно поддерживать ШИМ-модуляцию.

const int motorPin = 9;

// Тут мы настраиваем некоторые константы.

// Настройка констант зависит от условий внешней среды, в которой используется датчик

int thresholdUp = 400;

int thresholdDown = 250;

// Настраиваем пин A0 на Arduino для работы с датчиком:

int sensorPin = A0;

void setup(){

pinMode(motorPin, OUTPUT); // устанавливаем пин, к которому подключен двигатель в качестве выхода

mySerial.begin(9600); // устанавливаем скорость обмена данными на 9600 baud

delay(500); // ждем пока дисплей прогрузится

}

void loop(){

// Здесь мы объявляем строку, в которой хранятся данные для отображения

// на жидкокристаллическом дисплее. Значения будут изменяться

// в зависимости от уровня влажности почвы

String DisplayWords;

// В переменной sensorValue хранится аналоговое значение датчика с пина А0

int sensorValue;

sensorValue = analogRead(sensorPin);

// перемещение курсора к началу первой строки LCD дисплея: mySerial.write(254);

mySerial.write(128);

// очистка дисплея:

mySerial.write(» «);

mySerial.write(» «);

// перемещение курсора к началу первой строки LCD дисплея: mySerial.write(254);

mySerial.write(128);

// запись необходимой информации на дисплей:

mySerial.write(«Water Level: «);

mySerial.print(sensorValue); //Использование.print вместо .write для значений

// Теперь мы проведем проверку уровня влажности по сравнению с заданными нами предварительно числовыми константами.

// Если значение меньше thresholdDown, отображаем слова:

// «Dry, Water it!»

if (sensorValue

// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:

mySerial.write(254);

mySerial.write(192);

DisplayWords = «Dry, Water it!»;

mySerial.print(DisplayWords);

// запуск двигателя на небольших оборотах (0 – остановка, 255 – максимальная скорость):

analogWrite(motorPin, 75);

// Если значение не ниже thresholdDown надо провести проверку, не будет

// ли оно больше нашего thresholdUp и, если, больше,

// отобразить надпись «Wet, Leave it!»:

} else if (sensorValue >= thresholdUp){

// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:

mySerial.write(254);

mySerial.write(192);

DisplayWords = «Wet, Leave it!»;

mySerial.print(DisplayWords);

// выключение двигателя (0 – остановка, 255 – максимальная скорость):

analogWrite(motorPin, 0);

// Если полученное значение в диапазоне между минимальным и максимальным

// и почва была раньше влажной, а теперь сохнет,

// отображаем надпись «Dry, Water it!» (то есть, когда мы

// приближаемся к thresholdDown). Если почва была сухой, а теперь

//быстро увлажняется, отображаем слова «Wet, Leave it!» (то есть, когда мы

// приближаемся к thresholdUp):

} else {

// перемещение курсора к началу второй строки дисплея:

mySerial.write(254);

mySerial.write(192);

mySerial.print(DisplayWords);

}

delay(500); //Задержка в пол секунды между считываниями

}

Удачи вам в реализации автоматического полива ваших растений!

Управление работой устройств

Варианты управления вентиляторами можно, условно, разделить на ручные и автоматические.

Ручное управление подразумевает установку для вентилятора выключателя (одного для вытяжки и освещения, либо отдельного). К преимуществам такого варианта можно отнести, разве что, экономию средств, при покупке вентиляционного оборудования.

Но в итоге, после установки данная вытяжка будет иметь существенные недостатки:

• отсутствие регулировки интенсивности работы вентилятора;
• неоправданные затраты на оплату потребляемой энергии;
• отсутствие контроля влажности воздуха аппаратными средствами.

Несколько лучшее решение представляет из себя вентилятор с таймером. Но его преимущество заключается лишь в том, что отпадает необходимость ждать, пока устройство проветрит ванную комнату, что актуально при нехватке времени, но все недостатки, присущие вентиляторам с ручным управление, так же относятся и к вытяжке с таким управляющим модулем.

Гораздо больший интерес вызывает вентилятор с датчиком движения. Он срабатывает при нахождении человека (движущегося объекта) в ванной комнате. Но контролировать работу вентилятора в зависимости от условий в помещении не может. Датчик является просто выключателем.

Автоматическое управление работой такого вентилятора подразумевает у устройства датчика влажности – гидростата, который анализирует насыщенность воздуха помещения водяными парами и на основании этого регулирует интенсивность работы вытяжки.

При этом работа вентилятора максимально рационально использует производительные характеристики вытяжки, имеет следующие преимущества:

• устройство функционирует лишь при повышенной влажности воздуха;
• расход потребляемой вентилятором электроэнергии целиком зависит от значения влажности воздуха.

Просадка напряжения

Пытаясь найти объективную причину зависания, я стал грешить на некачественный блок питания и просадку напряжения при включении реле, особенно когда несколько реле включаются одновременно, ведь зависания происходили не так часто, а всего лишь 1-2 раза в месяц.

Первым делом решил добавить 2 конденсатора по 1000 мкф в надежде, что они уменьшат просадку напряжения при срабатывании реле. Первый поставил параллельно выходу с блока питания (там кстати уже был свой конденсатор, но второй лишним не будет, подумал я), а второй – установил параллельно выходу +5V на плате ардуино, откуда как раз берется питание для реле. С этого же выхода питается и сам микроконтроллер. Складывается логичная ситуация – когда все реле включаются одновременно, микроконтроллеру не хватает напряжения и он зависает.

После добавление конденсаторов зависания практически прекратились, но все же, 1 раз в месяц могло и зависнуть.

Как установить

Установка вентилятора задача, выполнимая своими силами. Из необходимых инструментов, материалов и приспособлений понадобится:

• источник открытого огня (зажигалка, спички);
• отрезок проволоки (жесткого провода) длиной 2-3м;
• силикон или полимерный клей;
• трехжильный кабель;
• отвертка.

Перед установкой вентилятора в ванной комнате необходимо проверить состояние воздуховода. Для этого достаточно к отверстию шахты поднести зажженную спичку или зажигалку. Если пламя отклоняется в сторону шахты, то воздуховод чист и можно приступать к монтажу вентилятора.

Если воздуховод забит или вентиляция слабая (пламя горит ровно), необходимо предпринять меры по его очистке. Возможно засор небольшой и может быть устранен своими силами. В этом случае стоит попробовать проволокой с загнутым концом выгрести из шахты возможный затор.

К сожалению, бывает и так, что воздуховод заложен кладкой или имеет извилистую систему и без помощи специалистов его очистка невозможна.

После устранения проблем с воздуховодом можно приступить непосредственно к монтажу вентилятора. Для этого необходимо снять с него лицевую крышку, нанести на место контакта вентилятора со стеной слой герметика и плотно прижать к стене, пока клеещая основа не схватится. После этого крышка вытяжки прикручивается на место.

Последним этапом к вентилятору согласно схеме подключается датчик влажности (если он не является встроенным) устройство согласно инструкции подключается к сети

При этом важно позаботиться о заземлении, а так же закрыть кабель в специальные защитные короба, либо под покрытием отделки ванной комнаты

Следует помнить о том, что циркуляция воздуха недостаточна даже в помещении с работающей вытяжкой, если двери плотно закрыты. Поэтому необходимо у низа входной двери устроить щель в пару сантиметров.

В целом, установка вентилятора с гидростатом в ванной комнате – это мелочь, не требующая больших финансовых затрат и осуществимая собственными силами. Однако, при всей своей обыденности и незаметности, эта мелочь стоит в основе уюта и комфорта в доме.

Виды датчиков и их принцип работы

Наибольшее распространение получили четыре типа приборов, каждый из них имеет свою специфику эксплуатации:

1. Емкостной. По сути это обычный воздушный конденсатор. Принцип работы основан на изменении диэлектрических свойств воздуха, в зависимости от содержания в нем водяных паров, что вызывает увеличение или уменьшение емкости.
2. Резистивный. В основу работы такого устройства заложен принцип изменения сопротивления гигроскопического материала, в зависимости от содержания в нем влаги. В качестве примера можно привести детектор SYH-2RS (рис. 4).

Рисунок 4. Датчик воды SYH-2RS

Поскольку детекторы данного типа чаще всего используются в любительских схемах, мы еще вернемся к рассмотрению их устройства.

1. Психометрический. Принцип действия этого типа построен на физическом свойстве потери тепла при испарении. В конструкции используется сухой и влажный детектор, разница температур между ними позволяет определить содержание водяного пара в воздухе. Ранее для этого использовались специальные психометрические таблицы, появление цифровой техники существенно упростило процесс.
2. Аспирационный. Данный тип от предыдущего отличается наличием вентилятора для принудительного нагнетания воздушной смеси или газа. На рисунке 6 демонстрируется подобная модель. Такой прибор нашел широкое применение в тех местах, где слабое или прерывистое движение воздуха.

Рисунок 6. Аспирационный измеритель влажности МВ-4М

Мы привели наиболее распространенные виды детекторов, на самом деле их значительно больше. Например, есть еще оптический датчик, где используется рассеивание света при образовании конденсата по достижению точки росы, термический (задействованы два терморезистора в открытой и герметичной камере), канальный и т.д.

Краткий обзор имеющихся на рынке устройств их применение

Рассмотрим приборы, которые могут быть полезны в быту, начнем с реле влажности воздуха HIG-2 (рис.8), служащего для управления вытяжкой в ванной.

Рисунок 8. Модуль HIG-2 с релейным выходом

Основные характеристики:

• устройство запитывается от домашней электросети с напряжением 220 В;
• срабатывание при относительной влажности от 60% до 90% (устанавливается);
• допустимый ток нагрузки – не более 2 А;
• время работы вентилятора после срабатывания задается таймером (2-20 мин.).

Как подключить датчик влажности HIG-2?

Для правильного подключения устройства достаточно придерживаться схемы, приведенной в инструкции к прибору, она показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема подключения вентилятора к модулю контроля влажности

На клемнике прибора есть соответствующие обозначения, поэтому сложностей эта операция не вызовет. Если электропроводке квартиры или на самом вентиляторе не предусмотрено заземление, то его можно не подключать, так же не обязательно ставить на вход питания выключатель.

Тех, кого увлекает концепция «умного дома», наверняка заинтересует внешний сенсор Mi Smart (рис. 10). При установке на смартфон специального приложения можно получать информацию о температуре и влажности в квартире. Если задать в такой программе определенные параметры микроклимата, то она известит, если условия будут нарушены.

Рисунок 10. Беспроводной сенсор производства компании Xiaomi

Заметим, что у этого устройства довольно низкая погрешность измерений (для влажности она в пределах 3%, что касается температуры, то точность показаний порядка 0,3 С°). Существенный недостаток – нерусифицированное программное обеспечение, но данная проблема будет решена в ближайшее время.

Тем, кто хочет сделать для теплицы капельный полив с датчиком влажности, можно порекомендовать сенсор Gardena (рис. 11), который регулирует работу клапанов систем этого же производителя.

Рисунок 11. Сенсор Gardena, управляющий системой полива

Для питания устройства используются две алкалиновые батарейки, их заряда хватает на 10-12 месяцев непрерывной работы.

Теперь рассмотрим характеристики промышленной модели цифрового измерителя Ивит-М.Т (рис. 12), который может применяться в производственной сфере, сельском хозяйстве или ЖКХ.

Рисунок 12. Измеритель влажности с выносным датчиком из серии ИВИТ-М

Перечень основных характеристик:

• для питания прибора необходимо напряжение 18-36 В;
• относительная влажность может быть измерена в диапазоне от 5 % до 95 % (максимальная погрешность не более 4 %);
• измерение температуры воздуха в пределах от -40 С° до 50 С° (модификации Н1, V) или от -40С° до 60°(модели Н2, К1, К2), точность 2 С°;
• прибор может эксплуатироваться в температурном диапазоне от -40 С° до 50 С°.

Любителей поэкспериментировать наверняка заинтересуют сенсоры DHT11 и DHT22 (рис. 13), которые используются вместе с платформой Ардуино. В сети можно найти много интересных решений на этой элементной базе.

Рисунок 13. Сенсоры влажности для платформы Arduino

a) DHT22; b) DHT11.

Как видно из рисунка внешний вид этих датчиков практически идентичен, это же касается и распиновки. Технические характеристики сенсоров очень похожи, за исключением точности и диапазона измерений. Приведем эти данные.

Основные технические параметры DHT11:

• подключение к источнику постоянного напряжения 3-5 В;
• в процессе запроса пиковый уровень потребляемого тока не более 2,5 мА;
• границы измеряемой влажности и температуры – 20-80 % и 0-50 С°, погрешность 5% и 2 С°;
• частота выборки 1 Гц, то есть получать данные можно один раз в течение секунды.

Теперь сравним эти параметры с более точной моделью DHT22:

• напряжение источника питания остается без изменений, как и потребляемы ток при передаче данных;
• влажность измеряется во всем диапазоне 0-100 %, погрешность в пределах 2-5 %;
• границы замеряемой температуры существенно расширены, по сравнению с предыдущей моделью, минимальная -40 С°, максимальная +125 С°.

Стоимость этих приборов вполне доступна на Алиэкспрессе их можно заказать с бесплатной доставкой по $1.28 (DHT11) и $4,9 (DHT22). Если покупать в России цена будет примерно в полтора-два раза дороже. Что касается базовой платформы, то плату Arduino Uno можно приобрести в Поднебесной за $25-$48 (стоимость зависит от комплектации). Программное обеспечение и прошивки скачиваются бесплатно.

Виды датчиков влажности

Датчик влажности воздуха для управления вентиляцией бывает одно- и двухлинейным. В любом контуре обязательно устанавливается реле для управления работой датчика. Двухконтурный гигрометр управляет сразу несколькими устройствами.

Существуют следующие разновидности гигростатов:

1. Емкостные датчики. Принцип их работы основан на изменении емкости конденсатора в случае повышения влажности воздуха в комнате.
2. Резистивные приборы измеряют влажность в среде гигроскопа и реагируют на ее изменение. В качестве основного составляющего элемента используются полимеры и подложки. Классический резистивный гигрометр состоит из специальной подложки, на которой расположены два электрода и фоторезистор. Сверху подложка накрыта токопроводящим полимером. Время срабатывания вентиляционной системы при изменении влажности составляет 15-35 секунд, что оптимально подходит для ванной комнаты.
3. Термостатные гигрометры отличаются принципом работы от двух перечисленных выше моделей. Прибор имеет термисторы, соединенные межу собой. Напряжение в агрегате увеличивается прямо пропорционально повышению влажности. Один резистор прибора открытый, а другой – изолированный, поэтому к ним влага доходит за разный промежуток времени. Теплоизоляция из сухого азота повышает теплоотдачу закрытого резистора. Из-за разницы температуры наблюдается разница сопротивления термисторов. Именно влажность воздуха в помещении отвечает за разницу показателя сопротивления.

Преимущества и особенности

Среди преимуществ датчиков влажности можно назвать то, что они не позволяют влажному воздуху застаиваться в помещении, поскольку сразу включают вентиляционное оборудование. Приборы способствуют экономии электроэнергии, ведь срабатывание гигрометра и запуск вентиляторов происходит только при повышенной влажности.

Принцип работы гигростата схож с работой термостата, только в отличие от него прибор реагирует на изменение влажности воздуха в помещении. Обычно он срабатывает при превышении влажности более 40%.

В датчике есть чувствительный элемент, который воздействует на реле, замыкающее электрическую цепь на двигателе вентилятора, что приводит к запуску агрегата. Прибор типа МР590 встраивается в корпус в комплексе с модулем управления.

Его нужно правильно настроить. Для этого реле переводится в режим триггера. После этого на модуле управления задают параметры влажности. Для проверки работоспособности прибора в ванной открывают горячий кран и ждут, пока влажность в помещении повысится выше нормы. Затем кран закрывают и следят, через какое время прибор автоматически отключится.

Инструкция по изготовлению

Как же сделать датчик влажности почвы своими руками? Вот краткий инструктаж:

• Шаг 1. Прикрепляем электроды к основанию.
• Шаг 2. Нарезаем на концах электродов резьбу и заостряем с обратной стороны для более лёгкого погружения в почву.
• Шаг.3. Делаем в основании отверстия и вкручиваем в них электроды. В качестве крепёжных элементов используем гайки и шайбы.
• Шаг 4. Подбираем нужные провода, которые подойдут к шайбам.
• Шаг 5. Изолируем электроды. Углубляем их в грунт на 5 – 10 см.

Контроллер позволяет скомбинировать датчик с зуммером. После этого подаётся сигнал, если количество влаги в почве резко уменьшается. Альтернативой звукового сигнала может служить загорание лампочки.

Датчик влажности почвы, без сомнения, вещь в хозяйстве нужная. Если у вас есть дача или огород, то непременно озаботьтесь его приобретением. Причём прибор вовсе не обязательно покупать, поскольку можно легко сделать самим.