Доработка радио датчика протечки воды
Однажды, гуляя по просторам интернета, в поисках различных систем автоматизации для своего умного дома, я нашел, разработанный Михаилом Тихончуком радиодатчик протечки воды. В отличии от недорогих датчиков продаваемых в популярных китайских интернет магазинах, разработка Михаила проста, не требует дорогих деталей. Датчик имеет низкое энергопотребление, за счет того что микроконтроллер преимущественно находится в состоянии Sleep, в котором он потребляет ток в единицы микроампер. Каждые 3сек. МК просыпается на несколько миллисекунд, проверяет состояние датчиков и снова засыпает. В случае обнаружения протечки формируется звуковой сигнал и кодовая радиопосылка. Несмотря на то, что этот датчики может работать продолжительное время, в нем отсутствует такая полезная функция, как контроль состояния батареи питания. Недостаток довольно существенный, т.к. датчики протечки срабатывают довольно редко и в случае обнаружения протечки воды, батарея может оказаться разряженной и сигнал об событии не будет передан на центральное устройство. Я взялся модернизировать устройство. Основной целью моей доработки, было обеспечить контроль напряжения элементов питания, не лишая устройства простоты его схемотехники.
Поскольку в микроконтроллерах PIC12F6xx нет полноценного источника эталонного напряжения, контроль питающего напряжения невозможен без введения внешнего «эталонного» источника. В качестве такого эталона я решил применить величину падения напряжения на диоде в прямом включении. Для этого в схему радиодатчика контроля протечек Михаила, был добавлен диод VD1.
Для реализации этой доработки пришлось изменить схему включения микроконтроллера предложенную Михаилом, что бы освободить входы компаратора для подключения «эталонного диода». Доработанная схема радио датчика протечки воды приведена на рис.1
Рис. 1
Немного теории. Падение напряжения на дифференциальном сопротивлении диода имеет параболическую характеристику при токах которые мы будем пропускать через "эталонный" диод, значение падения напряжения для обычного кремниевого диода 0,55-0,65 В. Величина будет варьироваться в зависимости от протекающего тока и типа диода. Этим мы воспользуемся для тонкой подстройки порога срабатывания компаратора, изменяя сопротивление резистора R1 в пределах от 50 до 300 кОм, который подключен к отрицательному входу компаратора микроконтроллера и анода диода VD1. С другого (положительного) входа компаратора микроконтроллера, подключен управляемый внутренний источник опорного напряжения, по сути являющийся обычным управляемым делителем питающего напряжения. Остается установить подходящий коэффициент деления, что бы напряжение делителя было близко к напряжению падения на диоде VD1. Падение напряжения на диоде изменяется незначительно при изменении питания, соответственно и на отрицательном входе компаратора напряжение почти неизменно. А вот напряжение на внутреннем делителе линейно изменяется, в зависимости от изменения напряжения питания. Чем ниже питающее напряжение, тем ниже напряжение на положительном входе компаратора. и в определенный момент напряжение на положительном входе станет ниже напряжения падения на диоде, что приведет к переключению компаратора. и послужит нам сигналом для запуска процедуры передачи кода «авария питания». Процедура сравнение "эталонного" напряжения и напряжения внутреннего делителя производится кратковременно, . в момент, когда с GPIO4 микроконтроллера подается нулевой уровень на катод диода VD1.
Коэффициент деления внутреннего опорного источника вычисляется по формуле Uref=X/24*Uпит.
где Х - коэффициент деления целое число от 1 до 16.
Понятно, что шаг приращения напряжения великоват, потому более тонкую настройку можно сделать подбором резистора R1.
Для удобства в таблице (см. архив к этой статье) проведен расчет выходных напряжений в зависимости от питающего напряжения для всех возможных коэффициентов. По этой таблице выбирается подходящий коэффициент деления дающий напряжение опорного источника близкое к падению напряжения "эталонном" диоде.
Необходимо подобрать коэффициент так, что бы компаратор переключался примерно при питании равном 2.1-2.2 В. Из опыта, это происходит при выборе коэффициента равным 5, и установки резистора R1 в пределах 10 кОм.
Реальные испытания на макете показали что МК и передатчик сохраняют работоспособность при питании 1.4 В, поэтому об аварии питания успеет оказаться замеченным.
С целью еще большего снижения тока потребления, прежде чем отправлять микроконтроллер в сон, алгоритм выключает все лишние потребители. Источник опорного напряжения и компаратор. А когда МК разбудит прерывание от встроенного таймера, снова включит эти устройства и проводит требуемые процедуры измерения. Если напряжение окажется ниже нормы спустя паузу в 1 сек. после передачи кода состояния протечки (если она обнаружится) передает код «аварии питания».
Проверка показала что в режиме ожидания МК потребляет около 3 мкА при питании от 3 В.
Коды радиокоманд, формируемые радиодатчиками, распределены в памяти EEPROM следующим образом:
0х00-0х02 – код протечки,
0х03-0х05 – код аварии питания,
0х06 – коэффициент деления внутреннего делителя.
Для новой версии датчика я разработал два варианта печатных плат, в популярной системе проектирования EasyEDA. Проект находится вот тут.
Один вариант предусматривает самостоятельное изготовление методом ЛУТ, и предусматривает использование для питания литиевого элемента CR2032. Я изготовил 4 датчика таким методом и они уже несколько месяцев лежат под радиаторами отопления в ожидании начала отопительного сезона.
Литиевого элемента , по моим расчетам, в режиме ожидания устройству хватит на 3-5 лет. Посмотрим на практике как это будет.
Второй вариант печатных плат я разработал исходя из опыта сборки первых и с учетом предложений моего коллеги по разработке устройств автоматизации, Антона Бизяева @Zoolu. Скоро эти платки придут из Китая, и я попробую собрать еще несколько датчиков для установки их под кухонным гарнитуром и наверно подарю парочку соседке сверху. (Если не добъет радиосигнал то хоть у нее пищать будет)
Скачать прошивку и дополнительные материалы
Платы разрабатывались для размещения в корпусе малогабаритной, накладной распредкоробки, которую можно приобрести в магазине электротоваров. Корпус в сборе герметичен и устройство в сборе имеет положительную плавучесть.Внутрь корпуса вода проникает только до контактов датчика. поэтому при затоплении датчик сохраняет свою работоспособность.