Микроконтроллерный сигнализатор протечки воды.
Крушневич С.П.
Радио №5 2011
Многим читателям знакома ситуация, когда в ванной комнате вода переливается через край, а хозяин всецело погрузился в очередную конструкцию...
На страницах журнала было опубликовано много различных вариантов конструкции сигнализаторов протечки воды (например, [1, 2, 3] построены на базе логических элементов и [4] с заводским генератором ЗЧ), но все они обладают общим недостатком: после срабатывания их необходимо вручную отключить и не забыть повторно включить после высыхания датчика. Описанное устройство лишено этого недостатка.
Благодаря применению современного микроконтроллера автору удалось предельно упростить схему сигнализатора и наделить устройство возможностями, которые не доступны простым схемам на дискретных элементах.
В качестве "сердца" устройства был выбран недорогой 8-ми выводной микроконтроллер PIC12F675 [5], который содержит в себе встроенный тактовый генератор, компаратор и источник опорного напряжения. Признаком наличия воды, как и в других подобных схемах, является снижение сопротивления между электродами ниже порогового уровня.
Устройство работает следующим образом. После подачи питания на микроконтроллер DD1 он выполняет первичную инициализацию внутренней периферии: устанавливает направление ножек ввода-вывода, отключает АЦП и другую ненужную периферию.
Инверсный вход компаратора DA1 программно соединяется с ножкой микроконтроллера GP1/CIN, неинверсный подключается к внутреннему источнику опорного напряжения (ИОН).
После инициализации микроконтроллер переходит в режим ожидания, во время которого циклически происходит следующее. Микроконтроллер включает компаратор и источник опорного напряжения. Далее проверяется состояние выхода компаратора и если оно равно лог.1 (датчик разомкнут), то выполняется процедура перевода микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления: отключается компаратор и источник опорного напряжения, микроконтроллер переводиться в режим "сна". В этом режиме останавливается работа основного тактового генератора, продолжает работу только сторожевой таймер (WDT). При переполнении сторожевого таймера (примерно 2 секунды) микроконтроллер просыпается (запускается основной тактовый генератор), включается источник опорного напряжения и компаратор. Для подавления переходных процессов, следует небольшая пауза, после чего выполняется проверка состояния компаратора. Если на выходе по прежнему лог.1, то микроконтроллер снова выполняет подготовку ко сну и "засыпает".
В таком режиме микроконтроллер большую часть времени находится в режиме "сна", при этом ток потребления не превышает 18 мкА (в авторском варианте – 6 мкА) с короткими скачками до 1 мА во время проверки состояния датчика.
Если же на выходе компаратора появился лог.0, то микроконтроллер переходит в режим наблюдения за сигналом. При этом раз в 1 секунду кратковременно вспыхивает светодиод VD3. В течении 10 секунд он выполняет проверку состояния компаратора и если за это время состояние изменилось на лог. 1, то срабатывание компаратора принимается за ложное и микроконтроллер переходит в режим ожидания.
Если, по истечению 10-ти секунд, на выходе компаратора по прежнему останется лог. 0, то включается режим тревоги. В этом режиме звучит три коротких звуковых сигнала, кратковременно вспыхивает светодиод VD3, затем VD4, проверяется состояние выхода компаратора и цикл повторяется. Вывод GP2 переводиться в состояние лог. 1. Если состояние компаратора изменяется на лог. 1, то выполняется 7 проходов цикла (для предотвращения ложных срабатываний) и если он так и остался в состоянии лог.1, то световая и звуковая сигнализация отключаются, вывод GP2 переводиться в состояние лог. 0 и микроконтроллер переходит в режим ожидания.
Во время режима тревоги можно нажать кнопку SB1, это переводит устройство в режим аварийного ожидания, в течении которого раз в 8 секунд проверяется состояние компаратора, кратковременно вспыхивают светодиоды VD3, VD4. Звуковой сигнал не звучит, вывод GP2 переводиться в лог. 0. Если в течение 7ми циклов состояние выхода компаратора будет иметь лог. уровень 1, то микроконтроллер переходит в режим ожидания. Это позволяет отключить тревогу на время устранения наводнения и как только датчик "разомкнется", устройство автоматически перейдет в режим ожидания.
Диоды VD1 и VD2 служат для защиты входа от напряжения обратной полярности и превышения напряжения питания, при прямой полярности.
Благодаря низкому энергопотреблению, устройство может продолжительное время работать от одного комплекта "пальчиковых" батареек. У автора устройство проработало около двух лет на одном комплекте недорогих батареек.
Учитывая очень высокую вероятность контакта человека с датчиком непосредственно или через воду, в целях безопасности не рекомендуется применять блоки питания связанные с сетью 220 В.
Микроконтроллер PIC12F675 в корпусе DIP, но может быть использован и в более миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа.
Конденсатор C1 любой керамический с малым током утечки.
Резисторы МЛТ-0,125 Вт. Сопротивление резистора R1 может лежать в пределах от 1 до 100 кОм. Резистор R2, который служит для подтягивания входа компаратора к общему проводу при разомкнутом датчике, может иметь сопротивление в диапазоне от 470 кОм до 5 МОм. Сопротивление резисторов R3, R4 выбирается из условия, что при максимальном значении напряжении питания ток через ножку микроконтроллера не будет превышать 25 мА.
Излучатель ZP1 любой со встроенным генератором и рабочим током не более 25 мА при напряжении питания 5 В, например, PB30P39A у которого напряжение питания лежит в пределах от 3 до 12 В.
Диоды VD1 и VD2 любые выпрямительные, на ток от 0,1 А. Светодиоды VD3 и VD4 любые, желательно суперяркие. В качестве VD3 рекомендуется применять красный, а в качестве VD4 синий светодиоды.
Для удобства перепрограммирования микроконтроллер установлен в панельке. Ввиду простоты схемы, плата не разрабатывалась. Панелька и тактовая кнопка SB1 припаяны к отрезку макетной платы, с обратной стороны которой припаяны остальные пассивные элементы. Резисторы R3, R4 припаяны непосредственно к выводам светодиодов VD1, VD2 и соединяются с платой гибким многожильным монтажным проводом МГТФ-0,07. Элементы питания установлены в отсек для батареек на 3 элемента типоразмера "АА".
В авторском варианте подтягивающий резистор R2 выполнен из 3х последовательно соединенных резисторов на 1 МОм.
Схема начинает работать сразу после подачи питания. Чувствительность можно изменить подбором резистора R2. Вывод GP2 можно использовать для подачи на вспомогательное исполнительное устройство или сирену сигнала аварии.
Микроконтроллер сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 2 В, однако, при снижении напряжения питания ниже 3 В начинает резко снижаться громкость излучателя и яркость светодиодов.
Датчик воды может иметь любую конструкцию. Автор выполнил датчик из отрезка двухстороннеого фольгированного стеклотекстолита размером 10х10 мм, провод припаивают к обеим сторонам. Датчик соединен с основным узлом с помощью медного одножильного провода длиной 5 метров. Поблизости датчика (где возможны перемещения) провод выполнен из многожильного монтажного провода МГТФ-0,07. Все соединения паянные. Автор подключил параллельно 3 датчика, 2 из которых он установил на полу в местах возможного попадания воды и один в ванной, чуть выше максимального уровня воды.
Чувствительность устройства получилась достаточно высокая, устройство фиксирует даже погружение на расстоянии более 5 см концов незачищенных проводов в обычную водопроводную воду.
Описанное устройство можно также использовать и для сигнализирования о начале дождя. В этом случае, возможно, понадобиться увеличить площадь датчика для повышения вероятности попадания первых капель дождя в нужное место.
В случае применения данного устройства для фиксирования момента появления жидкости в пеленках ребенка не рекомендуется устанавливать звуковой сигнализатор, а световой следует оградить от ребенка непрозрачной преградой. Это необходимо для предотвращения возникновения ассоциации ребенком звукового и (или) светового сигнала как сигнала к действию.
У автора конструкция эксплуатируется уже более двух лет, устройство показало хорошую экономичность и надежность.
По вопросам относительно конструкции можно обращаться в редакцию или напрямую к автору по электронному адресу admin@sergeyk.kiev.ua.
Исходный код и прошивку можно скачать на ftp сервере журнала.
Литература:
1. Д. Приймак. Сигнализатор наполнения ванны. – Радио, 1986, № 2, стр. 49.
2. Е. Ангарский. Звуковой сигнализатор влажности. – Радио, 1987, № 10, стр. 52.
3. Ж. Михеева. Сигнализатор уровня воды. – Радио, 2001, №9, с. 50-51.
4. Д. Волков. Влажность контролирует «сотовый телефон». – Радио, 2003, № 10, с. 58.
5. PIC12F675
16.07.2011