Для того, чтобы автоматизировать процесс поддержания благоприятного для растений микроклимата в теплице или оранжерее, необходимо осуществлять контроль и регулирование следующих параметров;

♦ температуры и влажности воздуха;

♦ температуры и влажности почвы;

♦ освещенности;

♦ предельно допустимой температуры воздуха;

♦ предельно допустимой влажности воздуха.

На первый взгляд эта задача кажется очень сложной и непосильной для ее решения «домашними» средствами. Однако если систему автоматического обеспечения микроклимата построить по блочному принципу, когда контроль и регулирование перечисленных параметров осуществляется независимыми электронными блоками, каждый из которых отвечает за свой параметр, то задача уже не покажется такой сложной. Именно таким образом сделана разработанная мной автоматическая система (рис. 1). В состав каждого функционального блока, отвечающего за тот или иной параметр, входят соответствующий датчик (влажности, температуры, освещенности), унифицированные усилитель сигнала датчика и электронные ключ управления внешним исполнительным устройством.

В качестве исполнительных устройств применены стандартные электроприборы, работающие от сети -220В: вентилятор, калорифер, насос, лампы освещения и т. д. Это позволило не только упростить изготовление и налаживание всей системы, но и почти полностью унифицировать схемы всех функциональных блоков.

В состав системы входит также электронное часовое устройство — таймер (сад. рис. 1) который предназначен для отключения блока регулирования освещенности в ночное время. Кроме того, таймер выполняет функции дозирования в блоке регулирования влажности воздуха.

И, наконец, еще один принципиальный момент — выбор датчиков. Именно от выбора датчика зависит схемное решение, сложность и надежность каждого из функциональных блоков системы. В дачном случае во всех блоках использованы самодельные датчики, которые по сути представляют собой делитель напряжения, состоящий из собственно датчика и потенциометра с отградуированной шкалой рабочего значения соответствующего параметра.

Забегая вперед, хочу отметить, что использование самодельных датчиков позволило отказаться от громоздких и сложных в настройке аналоговых усилителей сигнала. Все усилители функциональных блоков построены по унифицированным (практически идентичным) схемам на элементах цифровых логических микросхем серии К176. Такие схемы не требуют никакой предварительной регулировки. А настойка каждого из функциональных блоков сводится к градуировке шкалы потенциометра соответствующего датчика.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ

Описание системы автоматического обеспечения микроклимата целесообразно начать с блока контроля и регулирования влажности почвы.

Блок контроля и регулирования влажности почвы, в отличие от всех остальных функциональных блоков системы обеспечения микроклимата, выделен в самостоятельную конструкцию и собран в отдельном корпусе со своим автономным блоком питания. Это связано с тем, что датчик влажности почвы имеет непосредственный контакт с землей. Поэтому и усилитель сигнала датчика, и электронный ключ управления системой полива должны иметь гальваническую развязку от сети -220 В.

Датчик влажности почвы (ДВП) представляет собой два электрода, каждый из которых сделан из прутков нержавеющей стали диаметром 3-5 мм. Расстояние между электродами — 18-20 мм, а длина рабочего участка (глубина погружения в почву) — не менее 10-15 см. Конструкция этого датчика очень хорошо видна на фото и, по-видимому, дополнительных пояснений не требует.

Усилитель сигнала датчика влажности почвы (рис. 2) собран на трех инверторах микросхемы DD1 типа К176ЛА7. а электронный ключ — на элементах VT1, VT2, U1 и тиристоре VS1 Оптрон U1 типа АОУ103 обеспечивает гальваническую развязку усилителя и датчика ДВП от элементов схемы, находящихся под напряжением -220В. Система полива (насос) подключается к разъему XS1.

Источник питания +12 В собран по достаточно простой схеме и никаких особенностей не имеет. Особые требевания предъявляются только к конструкции сетевого трансформатора Тр1, который должен иметь надежную изоляцию между первичной и вторичной обмотками. В качестве Тр1 можно использовать как готовый, типа ТН, ТАН, ТП мощностью 10-12 Вт с напряжением вторичной обмотки около 14 В, так и самодельный.

КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ

Блок контроля и регулирования влажности почвы вместе со своим блоком питания собран в отдельном корпусе. В целях безопасности корпус сделан деревянным — из дощечек толщиной 12-15 мм и многослойной фанеры 6-8 мм. Детали корпуса собраны в шип на водостойком клее и пропитаны горячей натуральной олифой.

На лицевую панель корпуса вынесены все органы управления блоком: сетевой выключатель, гнездо предохранителя, ручка потенциометра со шкалой, разъем датчика типа СГ-3 и розетка для подключения исполнительного устройства — насоса.

Усилитель блока с управляющими транзисторами электронного ключа и блок питания собраны на одной печатной плате. Тиристор У31 и силовые диоды VD1-VD4 электронного ключа установлены на теплоотводы из листового алюминия толщиной 2-3 мм с размерами 150x150 мм. Теплоотводы, согнутые в виде буквы «П», крепят на задней крышке корпуса с внутренней ее стороны. Размеры пластины теплоотвода для VТЗ блока питания (см. рис. 2) — 40x40 мм.

Номиналы и типы большинства деталей указаны на принципиальной схеме. Постоянные резисторы — МЛТ Электролитические конденсаторы — типа К50-35, остальные — КМ или аналогичные. Микросхему серии К176 можно заменить ее аналогами серии К561, КР1561 или СD4000.

На шкалу потенциометра R1 (см. рис.2) датчика влажности почвы ДВП метку, соответствующую моменту включения системы полива, наносят следующим образом. Датчик ДВП помещают в любую емкость глубиной около 15 см (без воды). Находят положение потенциометра R1, при котором зажигается нагрузочная лампа, включенная вместо насоса полива. Затем наливают в емкость с датчиком воду - лампа должна погаснуть. Повторив эту процедуру несколько раз, подбирают положение R1, при котором нагрузочная лампа надежно зажигается и гаснет. В этом положении R1 на его шкале и ставят метку.

Точку размещения датчика влажности почвы в теплице лучше подобрать экспериментально, добиваясь равномерного насыщения почвы влагой за время работы системы полива.

Остальные функциональные блоки системы автоматического обеспечений микроклимата: контроля и регулирования влажности воздуха, контроля и регулирования температуры воздуха, регулирования температуры почвы, а также регулирования освещенности конструктивно объединены вместе с общим блоком питания и таймером в одном общем корпусе.

Как уже отмечалось выше, все усилители функциональных блоков и электронные ключи управления исполнительными устройствами построены по унифицированным (практически идентичным) схемам. На рис.3 приведены схемы блоков регулирования температуры воздуха (рис. За), контроля предельно допустимой температуры воздуха (рис.36) и регулятора температуры почвы (рис. Зв).

Каждый из блоков содержит датчик температуры (ДТВ1, ДТВ2 и ДТП соответственно), унифицированный усилитель и электронный ключ. Первый блок (рис. За), собранный на элементах ДТВ1, DD1.1, DD1.2, VT1 и VS1, регулирует температуру воздуха в теплице, управляя работой калорифера (электрический подогреватель воздуха), который подключают к разъему XS1.

В качестве датчика температуры использован германиевый транзистор р-n-р структуры ранних выпусков в металлическом корпусе (типа МП15А, МП16Б, МП20А, МП25Б, МП26Б, МП41А или другие аналогичные). Чем выше статический коэффициент передачи тока транзистора, тем выше чувствительность датчика. Базовый вывод транзистора (см. рис. За, 6, в) не используется и его можно обрезать.

Транзистор датчика температуры воздуха ДТВ1 монтируют на планке из фольгированного текстолита 15x60 мм толщиной 1-3 мм. На планке резаком формируют контактные площадки, к которым подпаивают выводы транзистора и отводящие провода. Корпусом служит отрезок пластмассовой трубки подходящего диаметра. В нее вставляют и закрепляют парой винтов планку с распаянным транзистором датчика. Пластмассовый корпус необходим для надежной изоляции как самого датчика, так и его выводов,

Заданный уровень температуры (от +18oС до +28oС), при которой калорифер отключается от сети, устанавливают потенциометром R1. Если же температура воздуха ниже заданной потенциометром R1, то электронный ключ на VT1 и VS1 включает калорифер для подогрева.

Контроль за предельно допустимой температурой воздуха осуществляет второй блок (см, рис. 36), собранный на элементах ДТВ2, DD1.3, DD1.4, VT2 и VS2.

Температуру от +28oС до 30oС устанавливают потенциометром R4. При достижении этой температуры ключ на VT2 и VS2 включает вентилятор для проветривания помещения, не позволяя превышать верхний порог неблагоприятной для растений температуры воздуха. Датчик ДТВ2 имеет точно такую же конструкцию, как и ДТВ1, рассмотренный выше.

Схема блока регулирования температуры почвы (см. рис. Зв) полностью идентична схеме блока регулирования температуры воздуха (см. рис. За — канал управления калорифером).

Транзистор датчика температуры почвы ДТП (см, фото) помещен в стеклянную пробирку и залит эпоксидным клеем. Горловину пробирки закрывают резиновой пробкой, через которую пропущены отводящие провода. С датчиком ДТП необходимо обращаться очень аккуратно и осторожно. Пробирку обязательно нужно извлекать из почвы при любой обработке грунта. Это позволит избежать случайного повреждения датчика или отводящих проводов и исключить возможность несчастного случая, связанного с поражением электрическим током.

Датчики температуры калибруют с помощью бытового термометра со шкалой 0o - +50 o С.

Вместо калорифера к розетке Х81 подключают лампу накаливания мощностью 60-100 Вт — имитатор нагрузки. Датчик блока ДТВ1 располагают непосредственно на шарике термометра. При комнатной температуре с помощью потенциометра R1 добиваются включения нагрузочной лампы. На шкале R1 ставят метку температуры, соответствующей показаниям эталонного термометра. Далее, подогревая датчик с помощью настольной лампы или охлаждая его с помощью стакана с замороженной водой, делают отметки на шкале Я1 в диапазоне от +18 o С до+30 o С.

Шкалу потенциометра R4 блока управления вентилятором (датчик предельно допустимой температуры воздуха ДТВ2) калибруют аналогичным образом в диапазоне от +16 o С до +30 o С. Датчик температуры почвы ДТП и шкалу потенциометра R17 градуируют в интервале от +12 o С до +20 o С.

Блок регулирования освещенности — фотореле — содержит (см. рис. 4): фотодатчик ФД, резистор R14 установки порога срабатывания фотореле, усилитель-формирователь сигнала на микросхеме DD6 и электронный ключ VТ8, VS4, к разъему XS4 которого подключают лампы дополнительного освещения. Эта часть схемы никаких особенностей не имеет и практически идентична рассмотренным выше.

Но в отличие от других функциональных блоков системы фотореле активно работает только в дневное время в течение 12-ти часов. На ночь (также на 12 часов) фотореле отключается. Управляет 12-часовым циклом часовой блок (таймер) с помощью ключа управления фотореле на VT7 и VT8 (см. рис. 1 и рис. 4). При наличии разрешающего сигнала от таймера на входе X10 ключ управления подает питание +12 В через разъем Х9 на блок регулирования освещенности.

Ночью (в течение 12 часов) блок регулирования освещенности отключен и лампы дополнительного освещения не работают. Такое построение схемы обеспечивает для растений максимально возможную освещенность днем и естественный цикл смены дня и ночи.

Датчик освещенности (фотодатчик) ФД изготовлен из германиевого р-n-р транзистора типа МП15А, МП16Б, МП20А, МП25Б, МП26Б, МП41А или любого другого аналогичного. У транзистора удалено верхнее донышко корпуса, а вместо него вклеен кружок из тонкого 1-1,5-мм прозрачного пластика (см. фото 1-4). Для температурной компенсации последовательно с фотодатчиком VT1 включен транзистор VT2, также германиевый указанного выше типа. Корпусом фотодатчика служит небольшой непрозрачный пластмассовый стаканчик, в который плотно вставлен диск из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита с контактными площадками для транзисторов VT1, VT2 и отводящих экранированных проводов. Прозрачное окошко VT1 должно располагаться на уровне среза боковых стенок стаканчика.

Фотодатчик устанавливают над коньком крыши так, чтобы на него не падал прямой солнечный свет. Лампы дополнительного освещения желательно использовать люминесцентные, типа ЛД или ЛДЦ. Всего для теплицы площадью 15-20 м2 необходимо установить четыре светильника, в каждом — по две трубки мощностью 80 Вт. Суммарная мощность дополнительного освещения — 640 Вт

Блок часов (таймер) — представляет собой аналог электронных цифровых часов (без узла индикации времени).

Схема блока часов (рис,6) выполнена на КМОП микросхемах серии К176 и поэтому потребляет очень малый ток. Это позволяет с помощью резервной батареи GB (из шести пальчиковых элементов 1,5 В), которая подключается к разъему Х12, обеспечить бесперебойную работу часового блока в течение всего летнего периода даже при длительных отключеньях сети -220 В.

Таймер состоит из генератора минутных импульсов на специализированной «часовой» микросхеме DD7 типа К176ИЕ12 с кварцевой стабилизацией частоты и счетчиков-делителей на DD8, DD9, DD10 и DD11. Делители частоты формируют управляющие сигналы: с периодом 1 час (на выходе Х7) для блока регулирования влажности воздуха, и с периодом 12 часов (на выходе Х10) — для фотореле.

Развязка цепей питания от резервной батареи (+9 В) и от сетевого блока питания (+12 В) осуществляется диодами VD23 и VD24. Кнопка SB1 «Сброс» предназначена для обнуления всех счетчиков-делителей после включения питания. Индикатором включения часового блока служит светодиод HL1, мигающий с частотой 1 Гц.

Блок контроля и регулирования влажности воздуха состоит из двух независимых каналов (рис. 5). Один из каналов — ДВВ2, DD2.1, DD2.2, VT2, VS2 (см. также рис. 3) — следит за предельно допустимой влажностью воздуха, установленной резистором R7, и если она превышена, включает вентилятор для проветривания. Этот канал ни по логике работы, ни по своей схеме не отличается от аналогичного в блоке контроля температуры воздуха.

Другой канал - ДВВ1, DD2.3, DD2.4,,.., VT3, VS3 — следит за заданным уровнем влажности воздуха, который устанавливается резистором R9, включая по мере надобности увлажнитель — распылитель. Но из-за очень большой инерционности датчика влажности воздуха порядок включения распылителя сделан иным. Измерение влажности воздуха датчиком ДВВ1 осуществляется непрерывно, я включение распылителя — «дозировано», только один раз в час на 15-60 с. Необходимая влажность воздуха при такой схеме работы будет достигать заданного уровня только через несколько одночасовых циклов. Если не принимать во внимание большую инерционность датчика ДВБ1, может произойти сильное переувлажнение воздуха.

С этой целью в канал, который следит за заданным уровней влажности воздуха, введены два дополнительных узла—электронный дозатор времени распыления воды на элементах микросхемы DD5 и схема совпадения на DD3 и DD4 (рис. 5). Го сигналу таймера, который поступает на вход Х7, дозатор бремени распыления (одновибратор) формирует на своем выходе Х5 сигнал разрешения длительностью 15-60с. Этот сигнал подается на один из входов схемы совпадения (Х5). На другой ее вход (Х4) поступает сигнал от регулятора влажности воздуха.

При наличии сигналов одновременно на двух входах схемы совпадения (Х5 и Х4), а это возможно только когда влажность воздуха ниже заданной, сигнал с выхода схемы совпадений (X6) открывает тиристор VS3 электронного ключа и включает насос подачи воды на распылитель. Вода распыляется в течение 15-60 с (длительность сигнала разрешения выбирают в зависимости от размера теплицы изменением емкости конденсатора C8), после чего увлажнитель отключается. Цикл работы увлажнителя будет повторяться каждый 4ас до тех пор, пока влажность воздуха не достигнет заданного уровня.

Датчики влажности воздуха ДВВ1 и fl8R2 изготовлены из обычных резисторов типа МЛТ-2,0 (см, фото 1-8). Защитное эмалевое покрытие с резистора нужно снять с помощью растворителя и остро заточенной щепки. Использовать для выполнения этой работы металлические инструменты недопустимо.

На очищенных краски и обезжиренные токопроводящие дорожки резистора наносят влагопоглотитель — насыщенный раствор поваренной соли или гипса. Раствор соли наносят мягкой кистью, а гипс — остро заточенной спичкой в виде продольных черточек. Нанесенный влагопоглотитель нужно просушить при 40-60оС под лампой.

Для датчика с солевым поглотителем берут резистор 130 - 150 кОм. Такой датчик предназначен для контроля влажности воздуха в пределах от 30 до 50%,

Датчик с гипсовым поглотителем изготавливают из резистора сопротивлением 430-470 кОм, рабочий диапазон этого типа датчика — 70-90%.

Конструкция и размеры пластмассового корпуса с монтажной планкой точно такие же, как и у датчиков температуры воздуха (см. выше). Подвешивают их вертикально в северной части теплицы выше уровня форсунок системы увлажнения воздуха. Капли воды не должны попадать на датчики.

Система увлажнения воздуха представляет собой два ряда форсунок, расположенных над грядками вдоль теплицы. Фпосунки подключены к общей магистрали, необходимое давление воды в которой создает специальный насос. Но можно использовать и воздушное распыление, работающее от компрессора.

Калибровку датчиков влажности воздуха ДВВ1 (шкалу резистора R9) и ДВВ2 (резистор R7) проводят в небольшой коробке, внутри которой размещают контрольный психрометр любого типа, калибруемый датчик и плоскую емкость с водой. Меняя температуру воды в емкости, регулируют влажность внутри коробки. Показания контрольного психрометра считывают через небольшое прозрачное окошко в стене коробки.

Датчики с солевым поглотителем калибруют в диапазоне относительной влажности воздуха от 30 до 55%, а с гипсовым - от 70 до 95%.

По окончании калибровки датчиков влажности воздуха необходимо проверить работу электронного дозатора включения системы увлажнения. При включении системы, если влажность воздуха в «коробке» ниже заданной по шкале потенциометра В9. то лампа, имитирующая нагрузку, должна загораться каждый час на 15-20 с.

При эксплуатации системы в теплице, в которой выращивают помидоры, влажность воздуха должна находиться в пределах от 30 до 5С %. В этом случае следует применять в обоих каналах датчики ДВВ1 и ДВВ2 с солевым поглотителем. Для теплицы с огуречной рассадой необходимо поддерживать влажность на уровне 70 - 90% - здесь подойдут датчики с гипсовым поглотителем.

Работу функциональных блоков системы обеспечения микроклимата (за исключением блока контроля и регулирования влажности почвы) обеспечивает общий блок питания. Он собран по типовой схеме параметрического стабилизатора напряжения с мощным эмиттерным повторителем на VT9, VT10 и узлом защиты от короткого замыкания на R27 и VT11. Трансформатор ТР1 должен иметь мощность 20-25 Вт, напряжение вторичной обмотки 14 В при токе до 1 А.

КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ

Все функциональные блоки системы обеспечения микроклимата: фотореле, блоки регулирования температуры и влажности воздуха, температуры почвы, часовой блок и общий блок питания (рис. 4-7) собраны в одном общем корпусе. Из соображений безопасности корпус сделан целиком деревянным — из дощечек толщиной 12-15 мм и многослойной фанеры толщиной 6-8 мм. Детали корпуса собирают в шип на водостойком клее и обязательно пропитывают горячей натуральной олифой.

На лицевую панель корпуса вынесены все органы управления функциональными блоками: выключатели, гнезда предохранителей, сигнальные светодиоды, потенциометры со шпалами, разъемы датчиков (стандартные штепсельные разъемы СГЗ или СГ5) и розетки для подключения исполнительных устройств (ламп освещения, насосов и других).

Усилители функциональных блоков с управляющими транзисторами, часовой блок и общий блок питания собраны на одной общей плате. Тиристоры и силовые диоды электронных ключей установлены на теплоотводы из листового алюминия толщиной 2-3 мм с размерами 150x150 мм, согнутые в виде буквы «П» Теплоотводы крепят на задней крышке корпуса с внутренней ее стороны. Размеры пластин теплоотводов для мощных транзисторов: VT10 — 70x70 мм; VT8 - 20x20 мм.

Номиналы и типы большинства деталей указаны на принципиальных схемах. Постоянные резисторы – МЛТ, кроме R27 (рис, 7). Последний — самодельный, проволочный из нихрома или константане мощностью не менее 4 Вт. Электролитические конденсаторы — типа К50-35 остальные — типа КМ пли аналогичные. Микросхемы серии К176 можно заменить их аналогами серий К561, КР1561 или CD4000.

Усилители функциональных блоков и их электронные ключи в настройке и регулировке не нуждаются. Если все детали исправны и нет ошибок в монтаже, все должно работать. Настройка, как уже было сказано выше, сводится к калибровке датчиков и градуировке шкал соответствующих потенциометров.

После проверки работоспособности всех каналов и исполнительных устройств можно включить систему обеспечения микроклимата в режим постоянной эксплуатации. Делают это в 6-7 часов утра включением в сеть и нажатием кнопки «Сброс».