Поливная система для небольшого участка

Сегодня популярны устройства, которые, автоматизируя какой-либо процесс или выполняя какое-либо действие, значи­тельно облегчают жизнь человека. Благодаря современной эле­ментной базе такие устройства можно сделать эффективнее, надёжнее и проще. В предлагаемой статье рассказано о само­дельной системе, которая позволяет без участия человека рав­номерно полить растения на небольшом участке.

В Интернете можно найти описания конструкций «поливалок», постро­енных по принципу «дырявого шланга», проложенного по участку. Однако они зачастую не дают нужного результата, поскольку в месте входа потока воды в шланг полив идёт сильнее, чем вдали от него, после дождя отверстия в шланге, лежащем на земле, забиваются грязью, поело чего она высыхает и ее приходит­ся очищать. Описываемое устройство не имеет таких недостатков.

Основные технические характеристики

Номинальное напряжение питания, В    12…14

Средний потребляемый ток, мА:

• в холостом режиме   30
•  в рабочем режиме  540

Число режимов полива    3

Площадь поливаемого участка, м²   12

Внешний вид поливной системы представлен на рис. 1.

Каретка, несу­щая поливную трубу, перемещается вперёд-назад по направляющей, за­креплённой на двух опорах. Изготов­ление такой системы требует немного времени и терпения, а все необходи­мые материалы и компоненты недороги и недефицитны.

Поливной механизм можно сделать любым, подходящим для нужного участка. Изготовленный и проверен­ный мною механизм состоит из сталь­ной направляющей — швеллера сече­нием 60×30 мм и длиной 6 м, опорами которого служат две стальные трубы внешним диаметром 57 мм и длиной 75…80 см (рис. 2). Верхние отверстия труб заварены стальными пластинами толщиной несколько миллиметров, в центре которых имеются отверстия с резьбой М5. К нижним концам труб кре­стообразно приварены отрезки сталь­ных уголков, которыми стойки опирают­ся на землю. Штыри длиной 30…40 см, приваренные к уголкам снизу, должны быть погружены в грунт до основания. Швеллера подходящего размера для узлов крепления направляющей к стойкам в продаже не оказалось. При­шлось сварить попарно ребрами от­резки стального уголка 30×30 мм дли­ной 110 мм и отшлифовать сварной шов, чтобы получить ровную поверх­ность. Как показано на рис. 3, в центре горизонтальных поверхностей получившихся швеллеров-переходников сдела­но отверстие для болтов, крепящих их к вершинам столбов. На боковых поверх­ностях — отверстия с резьбой М5 для крепления к направляющей. К рёбрам, направленным в сторону подвижной каретки, приварены стальные пласти­ны Они нажимают на установленные на каретке конечные выключатели, огра­ничивающие зону её перемещения. Все детали механизма рекомендуется рав­номерно покрыть слоем грунтовки для защиты от коррозии.

Конструкция каретки представлена на рис. 4. На ней установлен ведущий ролик, вращаемый электродвигателем JGA25-310. Этот электродвигатель име­ет редуктор 1:376 и питается постоян­ным напряжением 12 В. При таком на­пряжении и без нагрузки частота вра­щения выходного вала — 21 мин’¹, потребляемый ток — 80 мА. Под нагруз­кой 8 кг см частота вращения падает до 14 мин а потребляемый ток возраста­ет до 240 мА. Не следует использовать двигатель с крутящим моментом менее указанного, он не позволит равномер­но без задержек перемещать каретку вдоль направляющей.

Ведущим роликом служит маховик ведущего вала лентопротяжного меха­низма от кассетного магнитофона, при­чём рабочая часть вала удалена на то­карном станке, и он вставлен в отверс­тие, просверленное по оси болта М8, закреплённого гайкой на боковине ка­ретки. Для компенсации несоосности валов двигателя и ведущего ролика они соединены карданной передачей, сде­ланной из двух латунных брусков разме­рами 8,3×8,3×35 мм и двух круглых пла­стин от жёсткого магнитного диска.

На каретке укреплены два концевых выключателя, которые должны срабаты­вать по достижении кареткой стоек, на которых закреплена направляющая. Ка­ретка соединена с устройством управ­ления четырёхпроводным телефонным кабелем, на свободном конце которого установлена вилка стандарта RG11. Каретка защищена от дождя небольшой крышей из листового поликарбоната.

Поливная труба — полипропилено­вая диаметром 32 мм и длиной 2 м — закреплена на каретке двумя полипро­пиленовыми опорами. В этой трубе про­сверлены с шагом 10 см отверстия диа­метром 1… 1,8 мм. Их можно сделать в два ряда. Желательно, чтобы заглушки на концах трубы были съемными. Это позволит прочищать трубу от загрязне­ний и сливать остатки воды при подго­товке к зиме. Практически посередине в трубу вварен патрубок для входа воды. Соединение с подающим воду шлангом стянуто металлическим хомутом.

Исполнительный механизм состоит из электрогидроклапана и доработан­ного счётчика расхода воды. Клапан должен быть нормально закрытым, а его обмотка управления рассчитана на постоянное напряжение 12 В. Счётчик воды — СВ-15Г, возможно, отслужив­ший свой срок по прямому назначению. Его следует полностью разобрать, со­блюдая осторожность, чтобы не выпали шестерёнки. В прозрачной крышке сбоку просверлите отверстие для про­водов. идущих к контактному датчику, а сам датчик (нормально разомкнутые контакты) укрепите на циферблате счётчика рядом со стрелочным указате­лем расхода воды. На каждом обороте стрелка указателя должна нажимать на контакты, замыкая их. Доработанный счётчик изображён на рис. 5.

Входным патрубком счётчик расхода воды присоединяют к водопроводу, а выходным — к электрогидроклапану. Выход клапана соединяют длинным гиб­ким шлангом с тройником ПОЛИВНОЙ трубы. Контактный датчик и обмотку клапана соединяют с устройством уп­равления ещё одним четырёхпровод­ным телефонным кабелем, также осна­щённым вилкой стандарта RG11.

Принципиальная схема блока управ­ления поливной системой представле­на на рис. 6. Его основа — микроконт­роллер ATmega8A-PU (1), работающий по загруженной в него программе. Эле­менты R1, VD2, К2, С2, R6 и R7 образуют узел включения и отключения устрой­ства нажатиями на одну и ту же кнопку SB1 (без фиксации). Через разъём пи­тания Х1 напряжение поступает на резистор R1 и на контакты К2.2 реле К2, заряжая конденсатор С2 через рези­стор R6. При нажатии на кнопку SB1 реле К2 срабатывает от напряжения, до которого заряжен конденсатор С2. Его контакты К2.1, замкнувшись, подают напряжение питания на всё устройство. Одновременно начинается разрядка конденсатора С2 через резисторы R6 и R7 и переключившиеся контакты К2.2. При повторном нажатии на кнопку SB1 напряжение на обмотке реле К2 уменьшится до 5…6 В, что для удержания якоря в притя­нутом состоянии недостаточно. Реле К2 вернётся в исходное состояние, питание устройства будет выключено, а конденса­тор С2 снова станет заряжать­ся.

Подстроенный резистор R10 предна­значен для установки контрастности ЖКИ HG1. Транзистор VT2 включает и выключает электродвигатель М1, установленный на каретке Тран­зистор VT1 управляет реле К1, изменяющим полярность на­пряжения, подаваемого на этот двигатель, чтобы изменить на­правление её движения. Тран­зистор VT3 управляет электро­гидроклапаном (YA1 — его об­мотка). Диоды VD1 и VD2 устраняют выбросы напряжения самоиндук­ции, возникающие на обмотках реле К1 и К2 в моменты выключения протекаю­щего через них тока.

Прим. ред. Транзисторы VT2 и VTЗ тоже необходимо защитить диодами от напряжения самоиндукции обмоток двигателя и электрогидроклапана.

Микросхема DS1307 (DD1) — часы реального времени [2] с последова­тельным интерфейсом — отсчитывает секунды, минуты, часы, дни недели, дни месяца, месяцы и годы. Число дней в месяце учитывается автоматически, включая учёт високосного года. В рас­сматриваемом устройстве часы рабо­тают в 24-часовом режиме. Эта микро­схема имеет встроенный узел управле­ния питанием. В случае отсутствия основного напряжения питания 5 В она автоматически переключается на пита­ние от резервного источника — литие­вого элемента G1, напряжение которого для нормальной работы часов должно лежать в пределах 2…3.5 В. Микросхе­ма DD1 связана с микроконтроллером DD2 по интерфейсу I²С. Высокий логи­ческий уровень на линиях SDA и SCL этого интерфейса поддерживают резис­торы R5 и R8.

Принятое в устройстве распределе­ние контактов разъёмов Х3 и Х4 позво­ляет избежать выхода из строя каких-либо элементов при ошибочном под­ключении ответных частей к этим разъ­ёмам. На контактах 1 и 2 обоих разъ­ёмов присутствует напряжение 12 В.  Контакты 3 соединены с входами мик­роконтроллера DD2, а контакты 4 — с общим проводом. Если поменять ответ­ные части этих разъёмов местами, устройство просто станет работать неправильно.

Назначение кнопок SB1—SB5 пред­ставлено в табл. 1.

Таблица 1

Кнопка	Наименование	Функция
SB1	Питание	Включить или выключить питание
SB2	Пуст/Стоп	Запустить ил« остановить полив
SB3	Режим	Выбрать режим полива
SВ4	—	Уменьшить значение
SB5	+	Увеличить знамение

Блок управления системой полива собран на двухсторонней печатной пла­те размерами 95×70 мм, чертёж печат­ных проводников которой показан на рис. 7, а расположение деталей — на рис. 8. Она рассчитана на установку резисторов R2, R4, R5, R8, R9 типораз­мера 1206 для поверхностного монтажа. Остальные резисторы могут быть лю­быми малогабаритными указанной на схеме мощности. Вместо транзистора 2N3904 можно использовать КТ3102Б.

Элемент резервного питания G1-CR2032 или другой литиевый напряже­нием 3 В. Он будет без замены поддер­живать работу микросхемы DS1307 в течение многих лет.

Установленные на плате разъёмы Х3 и Х4 — розетки 6Р4С (RG11). Реле К1 и К2 — HK19F-DC 12V-SHG или HGR1-2CL-12V. Можно использовать и другие малогабаритные реле с обмотками на 12 В и с двумя группами контактов на переключение, выдерживающими необ­ходимые ток и напряжение.

Плата помещена в готовый корпус G1024BF размерами 185,7×95,5×53 мм. ЖКИ WH1602В-YYK-CTK [3] закреплён винтами на передней стенке корпуса и покрыт прозрачной плёнкой для защи­ты от влаги. Кнопки SB1—SB5 — любые малогабаритные.

Использован нормально закрытый электрогидроклапан на напряжение 12 В. Конечные выключатели SF1 и SF2 на каретке — МИЗА 2А 220 В.

В устройстве запрограммированы три режима полива, которые выбирают нажатиями на кнопку SB3:

1. Ручной (рис. 9). Полив включают и выключают вручную.
   

   Рис. 9

2. По счётчику (рис. 10). Пользова­тель задаёт количество воды, которое необходимо вылить, и включает полив. Остановка произойдёт автоматически.
   

   Рис. 10

3. По расписанию (рис. 11). Пользо­ватель задаёт количество воды и время включения полива. Устройство само в нужное время включит, а по израсходо­вании заданного количества воды вы­ключит полив.
   

   Рис. 11

Во всех трёх случаях в нижней стро­ке экрана ЖКИ выведены текущее вре­мя и дата. Через секунду в верхней строке останется только номер режима, за которым будут следовать текущий статус полива или сообщения об ошиб­ках, а затем текущее и через дробную черту заданное (в режиме 1 только текущее) количество израсходованной воды. Чтобы задать время включения полива в режиме 3, которое отобража­ется слева в нижней строке (рис. 12), следует выбрать изменяемое значение (часы или минуты) одновременными нажатиями на кнопки SB4 и SB5. Оно станет мигать. Значения изменяют те­ми же кнопками, нажимаемыми пооди­ночке. Полив начнётся в указанное время. Когда часы и минуты времени начала полива не мигают, нажатия на кнопки SB4 и SB5 изменяют заданное количество воды. На нижней строке ЖКИ справа в режимах 1 и 2 отобража­ется дата, а в режиме 3 — текущее время.

Программа написана на языке С. В файле meh.h объявлены глобальные переменные, основные из них представ­лены в табл. 2. Директивами #define заданы замены для кратких мнемониче­ских названий (идентификаторов), при­своенных программистом часто встре­чающимся в программе операциям. Каждый раз, встретив такое название, препроцессор компилятора заменяет его определённой в соответствующей директиве #define операцией. Напри­мер, идентификатор PKlapan1 везде будет заменён операцией установки высокого логического уровня на выходе PD4 микроконтроллера.

В строках, начинающихся ключевым словом const, заданы константы, опре­деляющие продолжительность различ­ных действий, выполняемых поливной системой. Ключевыми словами eeprom начинаются объявления переменных, которые компилятор должен размес­тить в EEPROM микроконтроллера. Это позволяет программе использовать присвоенные им в одном сеансе рабо­ты значения в последующих сеансах.

При включении устройства програм­ма в первую очередь выполняет про­верки наличия воды в водопроводе и работоспособности механизма пере­мещения каретки. Для этого открыва­ется электрогидроклапан и следует цикл проверки состояния контактов SF3 в счетчике расхода воды. Если в те­чение времени, заданного константой Timewoda, не будет зафиксировано за­мыкания этих контактов, электрогид­роклапан прекратит подачу воды.

После обнуления переменных и загрузки из EEPROM направления дви­жения каретки в момент завершения предыдущего сеанса работы включает­ся двигатель привода каретки. В про­грамме реализован следующий алго­ритм проверки механизма её передви­жения. Если она стоит у одного из кон­цов направляющей и сработал один из конечных выключателей SF1 или SF2, целесообразно, проверив его состоя­ние, сменить направление движения. Но чтобы не ждать, когда каретка дос­тигнет другого конца направляющей, она просто в течение 1 с отходит от исходного положения и возвращается обратно.

Время, затрачиваемое на передви­жение каретки в одну сторону от опоры до опоры, при длине направляющей 6 м не превышает 5 мин. Это значение (300 с) хранит константа TimeDwivenija. Если е течение такого времени не сра­ботает ни один из конечных выключате­лей SB1 и SB2 не произойдет смена направления движения каретки, уст­ройство остановит двигатель, закроет электрогидроклапан и прекратит рабо­ту. Сделано это на случай, если каретка застряла в промежуточном положении или если кабель, идущий к каретке, отключён от устройства управления. Этот алгоритм работает и в режиме полива, в случае аварийной остановки которого на ЖКИ будет выведено со­общение об ошибке. Если использова­ны несущая балка и электродвигатель, отличные от применённых автором, необходимо изменить значение кон­станты TimeDwivenija перекомпилировать программу.

Хотелось бы отметить ещё одну осо­бенность. Когда напор воды меньше обычного, каретка движется с большей скоростью и длительность её переме­щения в одну сторону значительно уменьшается. Поэтому отсчёт времени нужно производить при полном напоре воды.

После успешного выполнения всех проверок на ЖКИ выводится соответ­ствующее сообщение (рис. 13) и про­исходит выбор последнего сохраненно­го режима. Если же какая-либо из про­верок дала отрицательный результат, будут выведены сообщения об ошиб­ках, а система прекратит работу. Для её возобновления потребуется устранить возникшие проблемы, выключить и включить систему заново.

Обработка срабатываний концевых выключателей SF1 и SF2 для смены направления движения и SF3 для отсчё­та количества воды реализована в про­грамме особым способом. Например, когда концевые выключатели SF 1 и SF2 не нажаты, переменной КВ3 присваива­ется значение 1, а при нажатии присваивается значение 2. Лишь после этого происходит смена направления движения. Если какой-либо из конце­вых выключателей случайно окажется замкнутым постоянно, то никакие дейст­вия, кроме срабатывания защиты, вы­полняться не будут.

Также предусмотрено обнаружение прекращения подачи воды во время полива. Если в течение времени, за­данного константой TimeWodaP (30 с), показания счётчика расхода воды не изменятся, будет выведено сообщение об ошибке и система прекратит работу. Для возобновления полива после ошибок, связанных с отсутствием во­ды, следует ещё раз нажать на кнопку SB2. Для обнуления количества израс­ходованной воды, например, по завер­шении полива, нужно нажать одновре­менно на кнопки SB4 и SB5. Чтобы установить дату и время, следует на­жать одновременно на кнопки SB3 и SB4. В верхней строке ЖКИ появятся две стрелки, указывающие, какой пара­метр будет изменяться (рис. 14). Для его выбора нажмите на кнопку SB3. Дату и время установите кнопками SB4 и SB5. Для выхода из режима установ­ки даты и времени нажмите на кнопку SB2.

Для загрузки программы в микро­контроллер DD2 автор пользовался программатором TL866 [4]. Прилага­емый к статье файл Poliw.HEX следует загрузить во FLASH-память микро­контроллера, а в его EEPROM — файл EEPROM.HEX с настройками по умол­чанию. Программа занимает 70 % FLASH-памяти и 2 % EEPROM микро­контроллера. Его конфигурация должна быть запрограммирована в соответст­вии с табл. 3.

Таблица 3

Разряд	Знач.	Разряд	Знач.
RSTDISBL	1	BODLEVEL	1
VDTTON	1	BODEN	1
SPIEN	0	SUT1	1
CKOPT	1	SUT0	0
EESAVE	1	CKSEL3	0
ВООТSZ1	0	CKSEL2	0
ВООТSZ0	0	CKSEL1	0
ВООТRST	1	CKSEL0	1

Внешний вид передней панели устройства управления поливом пред­ставлен на рис. 15.

Изготовленная поливная система была испытана летом 2016 г.. Выяснилось, что она хорошо помогает огород­нику в его нелёгком труде. При задан­ном количестве воды 0,4 м³ (400 л) полив занимал около 40 мин,

ЛИТЕРАТУРА

1. ATmega8, ATmega8l 8-txt AVH microcon­trollers with BKBytes In-System Programmable Flash — URL: http://www.atmel.com/images/atmel-2486-8-bit-avr-microcontroller-atmega8_i_datasheet.pdf (08. 10. 16)
2. DS1307 64 x 8, Serial, 1²С Real-Time Clock — URL: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS1307.pdf (08.10 16).
3. WH1602B-YGK-CP. — URL: http://embedded.ifmo.ru/sdk/sdk61/components/lcd/WH1602B-VGK-CP.pdf (08 10.16)
4. TL866 High Performance Universal Programmer. — URL: http://www.autoelectric.cn/en/TL866/main.html (08 10 16)

 Программа микроконт­роллера

Автор: Д. ПЕТРЯНИН, г. Ртищсво Саратовской обл.
Источник: журнал Радио №2/2017