Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Бытовая техника

Калькулятор солнца для растений

Автор: Сергей Безруков (aka Ser60)
Опубликовано 19.06.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Как известно, для оптимальных условий роста многих растений нормируется максимальное или минимальное время их пребывания по солнцем. Мох, например, растет преимущественно в тени, а для роз наоборот требуется много солнца. Несоблюдение этих норм может иметь необратимые последствия для растений вплоть до их гибели. Как правило, на этикетках растений, продающихся в садовых центрах, имеется необходимая информация об оптимальных условиях их посадки. Однако, оценить «на глаз» продолжительность нахождения предполагаемого места посадки под солнцем не всегда просто, т.к. тени от объектов перемещаются вместе с солнцем. Кроме того, эта продолжительность может потребовать переоценки от года к году. В динамике развития сада некоротые уже посаженные растения могут отбрасывать тень на места посадки новых и таким образом влиять на их освещенность солнцем. Кроме того, многие растения со временем существенно изменяют свои габариты и, следовательно, площадь тени, отбрасываемой на пространство вокруг них.

Предлагаемое устройство предназначено для автоматизации оценки количества солнечной энергии, приходящейся на выбранную точку ландшафта. В теории садоводства различаются всего 4 градации освещенности солнцем: полное солнце, частичное солнце, частичная тень, и полная тень [1]. Определения эти весьма расплывчаты, я смог найти некие количественные оценки только для первого и последнего значений. Именно, полное солнце подразумевает нахождение площадки под солнцем в течении не менее 6 часов в день, а полная тень – менее 3 часов. Насколько я понял, для остальных двух величин не имеется устоявшейся количественной характеристики. В данном приборе интервал между 3 и 6 часами разбит на 2 равных подинтервала по 1.5 часа каждый. Площадка считается находящейся частично под солнцем, если она освещается им от 4.5 до 6 часов в день. Если это время составляет от 3 до 4.5 часов, то площадка считается находящейся в зоне частичной тени.

Идеей для этого проекта послужило промышленное устройство [2]. Однако, оно не дешевое и мне их надо несколько штук для одновременного замера нескольких точек в саду. Поэтому было принято решение создать аналогичное по функционированию собственное устройство.  Пользоваться прибором очень просто. Для измерений следует выбрать ясный солнечный день с минимальной облачностью. После включения прибор следует утром воткнуть в грунт на предполагаемое место посадки и оставить на 12 часов. По прошествии этого времени прибор покажет степень освещенности площадки солнцем. При этом на дисплее, в соответствии с терминологией в [2], будет отображаться одно из 3-х сокращений: FSU (Full SUn – полное солнце), PSU (Partial SUn – частичное солнце), PSH (Partial SHade – частичная тень), или FSH (Full SHade – полная тень).

Измерения освещенности производятся периодически с интервалом в 12 секунд, т.е. 5 раз в минуту. Если в 3-х или более измерений из 5-ти в течении минуты будет зарегистрировано солнце, то вся минута считается «солнечной». В противном случае минута считается «теневой». Число солнечных минут подсчитывается в течении всего времени измерения (12 часов) и по окончании этого времени в зависимости от их числа высвечивается одно из сообщений, указанных выше. Измерения автоматически прекращаются после 12 часов работы прибора, а индикация на дисплее продолжается вплоть до выключения питания.

На первый взгляд, дело несложное и в голове сразу вырисовывается схема для измерения напряжения на фоторезисторе. Однако, большинство фоторезисторов и фотодиодов имеют высокую чувствительность к инфракрасному излучению, которое имеется в изобилии в спектре солнечного света. Это излучение, однако, не оказывает существенного влияния на фотосинтез и многие другие биологичекие процессы жизнедеятельности клеток и не должно учитываться при подсчете полезной доли солнечной энергии, получаемой растением. В промышленных изделиях [2] для блокировки инфракрасного излучения применяются специальные пассивные фильтры, которые я так и не смог найти в продаже в разумных количествах. Поэтому в своем устройстве я использовал датчик освещенности MAX44009, оснащенный встроенным инфракрасным фильтром. Датчик имеет диаграмму чувствительности аналогичную человеческому глазу и позволяет измерять освещенность в пределах 0.045 – 180000 люкс. Этого диапазона вполне достаточно, т.к. на широте нашего места (широта Парижа) интенсивность солнечного света в ясный безоблачный день не превышает 120000 люкс.

Измерение освещенности производится датчиком по внутреннему таймеру с периодом 0.8 сек. Датчик соединен с микроконтроллером по интерфейсу I2C и опрашивается последним каждые 12 сек. Так как датчик всегда является ведомым устройством, подтягивающий резистор в цепи синхронизации интерфейса не требуется. Синхронизация производится на частоте около 100 кгц. Как показали эксперименты, для надежного измерения освещенности датчику необходимо сделать несколько измерений для нормальной работы его встроенного цифрового фильтра. Датчик имеет микроамперное потребление и его постоянная работа не вносит существенного вклада в общее среднее токопотребление схемы от батареи, которое примерно равно 12 мкА. Это позволяет прибору работать в течении нескольких лет без смены батареи.

Сердцем прибора является микроконтроллер (МК) фирмы Silicon Laboratories. Он отличается предельно низким собственным потреблением в режиме неактивности с работающим таймером (на уровне 0.3 мкА). Большую часть времени МК находится в режиме сна и пробуждается каждые 60.5 мсек. По пробуждении МК инвертирует состояния своих выводов соединенных с ЖКИ, что необходимо для его нормальной работы. В активном режиме МК тактируется на частоте 20 мгц и инвертирование сигналов ЖКИ занимает менее микросекунды.

Все временные интервалы работы прибора обеспечиваются встроенным таймером SmaRTClock МК. Таймер работает от встроенного микромощного генератора LFO, определяющего среднее токопотребление схемы. Однако, частота этого генератора может варьироваться от экземпляра к экземпляру и подвержена температурной нестабильности. Частота LFO измеряется каждые 2 минуты с помощью встроенного в МК таймера Timer2, тактируемого от прецезионного встроенного генератора на 24.5 мгц. Частота этого генератора гарантируется производителем с точностью 2% во всем диапазоне температур и питающих напряжений. Прецезионный генератор включается только на короткое время измерения 8-ми периодов частоты LFO. В результате измерения корректируется верхний порог счета таймера SmaRTClock, определяющего период управляющих импульсов ЖКИ, которые также используются и для измерения реального времени. В результате длительность 12-часового интервала измерения выдерживается с точностью до нескольких минут, что вполне приемлимо для такого устройства.

Прибор начинает работать спустя примерно 12 секунд после включения питания. Задержка включения позволяет пользователю установить прибор на нужное место в землю до начала измерений. Процесс измерений сопровождается миганием центрального сегмента в левом разряде ЖКИ с периодом 1 сек для сигнализации работы программы. Для оперативного контроля результатов измерений в двух других разрядах ЖКИ при этом отображается либо SU (Sun) либо SH (SHade) в зависимости от текущей освещенности места солнцем. Эти показания обновляются каждые 12 секунд после очередного измерения освещенности. Порог солнца/тени экспериментально установлен в программе на уровне 16200 люкс. При таком пороге прибор регистрирует солнце даже если оно спрячется за не очень плотное белое облако. Но стоит лишь перегородить солнце ладонью на расстоянии около метра от датчика, как прибор сразу покажет тень. Так как высокая точность для измерения освещенности не требуется, из сенсора считывается только порядок и 4 старших бита результата.

Приведенная выше схема соответствует третьей версии устройства. В предыдущих двух версиях я пытался задействовать встроенный в МК импульсный  преобразователь, служащий для повышения напряжения батареи от 1.5 до 3.3в, требуемых ЖКИ. Преобразователь отключался на время сна и прибор питался напряжением на накопительном конденсаторе. В помещении все работало замечательно, но при ярком солнечном свете начинались непонятные мне процессы, приводяшие к спонтанному отказу включения преобразователя после нескольких часов работы и, соответственно, невыходу МК из режима сна. Думаю, все дело в сенсоре, токопотребление которого сильно возрастает при высоком уровне освещенности. Отключать сенсор на время сна неудобно, т.к. он должен сделать неколько измерений, чтобы заполнить встроенный цифровой фильтр и на это может уйти до нескольких секунд в зависимости от освещенности. Короче, после многочисленных экспериментов я сдался (прибор мне нужен уже сейчас) и решил запитать схему от внешнего микромощного преобразователя типа charge pump на микросхеме DA1. Это совершенно уникальная микросхема в плане собственного токопотребления и КПД и лучшая из известных мне для питания маломощных устройств с микроамперным потреблением. Для повышения эффективности преобразователя при малых токах нагрузки он работает в дремлющем режиме (snooze), что достигается заземлением вывода 1. Конечно, можно было сразу запитать прибор от литиевой CR-ки на 3в, но  в корпусе уже имелся отсек для одной батареи типа ААА.

 

Измерительная часть прибора собрана на печатной плате размером 3×3 см, установленной в корпусе от дачного фонарика вместо солнечной батареи. После распайки деталей плата покрашена несмываемым маркером Sharpie в белый цвет для минимизации нагрева под солнцем и предохранения дорожек от окисления. Выше приведены фотографии первых двух вариантов платы. После этого я перестал их фотографировать, но окончательная выглядит подобным образом. Сверху плата прикрыта прозрачным кружком из плексигласа. В нижней части корпуса установлен выключатель питания ползункового типа, а также плата преобразователя, с распаянной на ней микросхемой DA1 и конденсаторами C1 – C5. Корпус прибора при работе устанавливается на укороченную ножку от того-же фонарика, которая снабжена насадкой для втыкания в грунт.

Предыдущие варианты  прибора были смонтированы в корпусе фонарика (фабрично) покрашенным под медь. Однако, казалось, что такой корпус сильно нагревается на солнце и, соответственно,  нагревает установленную в нем плату. Чтобы минизировать влияние температуры на параметры сенсора и временные характеристики МК окончательный вариант платы установлен в подобном по габаритам корпусе фонарика, но покрашенным под сталь, см. ниже. Это существенно снизило его нагрев.

 

С целью минимизации размеров платы МК установлен в корпусе QFN, конденсатор C7 типоразмера 0603, остальные пассивные элементы типоразмера 0402. Платы прибора в формате Eagle, исходник и прошивка прилагаются. Программа МК написана на языке ассемблера и отлажена в среде Silicon Labs IDE. Программирование МК производилось программатором описанным в [3]. Альтернативные варианты подобного устройства обсуждались на форуме [4].

Литература

  1. Gardening: http://gardening.about.com/od/gardendesign/qt/SunExposure.htm
  2. SunCalc: http://www.coolest-gadgets.com/20071015/suncalc-measure-the-best-spot-for-plants/
  3. Программатор: http://radiokot.ru/articles/38/

Файлы:
Исходник, прошивка, плата


Все вопросы в Форум.


ID: 1234