Il clima sta cambiando: tutti ne parlano ma nessuno sta facendo nulla al riguardo. Ci sono molti progetti su piccola scala, ma questi sono spesso inefficaci. Sfortunatamente, a livello mondiale, c'è troppo poco sforzo per prevenire il cambiamento climatico. E le conseguenze sono evidenti dentro e fuori casa.
Introduzione
Una di queste conseguenze è un netto aumento delle forti piogge e dei temporali o rovesci, con precipitazioni superiori a 25 mm all'ora. Questi pochi millimetri potrebbero non sembrare molto, ma stiamo parlando di circa 25 litri per metro quadrato, come minimo. Una tale quantità d'acqua potrebbe causare un bel po' di problemi quando non si è a casa e si sono lasciate inavvertitamente le finestre aperte. Questo è un motivo sufficiente per sviluppare un rilevatore di pioggia con un sensore di temperatura che può essere utilizzato per chiudere automaticamente le finestre.
Una parte del sistema
Il rilevatore qui descritto è una piccola parte di un sistema più grande: un controller intelligente ed efficiente per un condizionatore e per la gestione di una finestra di una stanza. Tuttavia, tutte le componenti non possono essere trattate in un singolo articolo. Qui ci limitiamo al solo rilevatore di pioggia.
Il principio di funzionamento
In un rilevatore di pioggia "normale", le gocce di pioggia vengono contate in un sensore luminoso oppure le gocce cadono in un piccolo contenitore montato su una sorta di dispositivo meccanico basculante come un'altalena. Tutti questi tipi di rivelatori hanno in comune l'esigenza di una notevole abilità meccanica. Nonostante l'arrivo di stampanti 3D, questo lavoro meccanico risulta complicato ed è un settore verso cui gli appassionati di elettronica hanno una naturale avversione. Inoltre, la meccanica è destinata a non funzionare bene se non viene rispettata regolarmente una buona manutenzione. Poiché l'articolo presuppone la realizzazione di un rilevatore per importanti rovesci, si utilizza un principio completamente diverso, che non richiede parti mobili e meccaniche.
Caratteristiche
- rileva in modo affidabile gli acquazzoni;
- rileva anche grandine;
- efficace durante i periodi più caldi;
- senza parti mobili;
- trasferimento del segnale wireless;
- non ha bisogno di alcuna manutenzione.
Un rilevatore capacitivo potrebbe essere considerato una delle possibilità; con esso, la capacità del sensore cambia quando la superficie si bagna. E' un buon principio, ma ha uno svantaggio significativo: la condensa può falsare la misurazione. Per evitare che ciò accada, la superficie del sensore deve essere riscaldata, ma ciò rende l'intera realizzazione più complicata. Inoltre, l'involucro per il rilevatore di pioggia contiene un sensore di temperatura e il suo funzionamento sarebbe disturbato dal riscaldatore. Ecco perché è stato selezionato un altro principio: quello di misurare una differenza di temperatura. Due sensori di temperatura sono posti l'uno accanto all'altro. In condizioni normali (asciutte), si suppone che entrambi i sensori abbiano la stessa temperatura. Quando inizia a piovere, le gocce di pioggia (raccolte da un imbuto) cadono su un sensore, mentre l'altro sensore rimane asciutto. Poiché la pioggia cade a una temperatura inferiore a quella ambiente (e quindi al sensore), il sensore "umido" avrà una temperatura inferiore a quella del sensore "asciutto". Un segnale di differenza generato dal circuito può essere utilizzato per tutti i tipi di scopi. Un ulteriore vantaggio è che la misura della differenza non è influenzata dalla condensazione sui sensori, poiché le condensa saranno presenti su entrambi i dispositivi, in egual misura. Sia il segnale del rilevatore di pioggia che la temperatura esterna sono trasmessi in modalità wireless a un'unità centrale posizionata in casa.
Lo schema elettrico
In figura 1 si osserva lo schema elettrico. Iniziamo a descrivere l'alimentazione. La tensione proviene da un alimentatore (9 VDC). Il lungo cavo tra l'alimentatore, situato in casa, e il rilevatore in giardino implica che il circuito sia protetto da disturbi indotti (temporali). Il sistema di protezione è, dunque, costituito da tre parti:
- in serie alla tensione d'ingresso vi sono due diodi (1N4007) con una tensione di retroazione di 1000 V ciascuno;
- un varistore (18 VDC) è inserito nel circuito;
- un normale fusibile protegge ulteriormente il circuito.
Il resto del circuito di alimentazione è tradizionale, utilizzando un regolatore di tensione 7805 che fornisce 5 V per tutta l'elettronica e un LM317, impostato in modo tale da fornire una tensione di 3 V per il modulo trasmettitore. Il sensore di temperatura è semplice: un sensore I2C a due fili tipo DS1621. Esso è calibrato e invia la temperatura assoluta sotto forma di 2 byte al processore. Il primo byte (MSB) fornisce la temperatura in gradi interi Celsius, il secondo byte (LSB) il valore frazionario dopo il punto decimale. Nel datasheet [1] è riportata la codifica della temperatura nonché le istruzioni su come effettuare la decodifica. Il rilevatore di pioggia attuale è composto da due resistori NTC (NTC833, R13 e R15) con un tempo di risposta (specificato dal produttore) di soli 0,7 s [2]. Insieme alle due resistenze fisse (R12, R14) e un potenziometro per la calibrazione (R9), questi formano un ponte di Wheatstone, il cui punto di bilanciamento è regolato con R9. I nodi degli NTC e le resistenze fisse sono collegati agli ingressi di un amplificatore di strumentazione di tipo INA114BP (IC5). Il guadagno di questo è dato da:
G=1+(50000/R10)
Con un valore di 10 kohm per il potenziometro R10, il guadagno può essere regolato da 6 a 500. Poiché il rilevamento della pioggia non è un processo ad alta frequenza, il ponte viene filtrato con un "passa-basso" con i condensatori C14 e C15 e l'uscita dell'amplificatore con C16. Questo sopprime qualsiasi eventuale oscillazione. Il segnale di uscita dell'amplificatore va al microcontrollore (PIC16F88). Esso elabora il segnale (insieme a quello del sensore di temperatura DS1621) in modo che possa essere trasmesso in modalità wireless all'unità interna. Per questo viene utilizzato un modulo da 868 MHz di Aurel [3]. In questo articolo ci concentriamo solo sul rilevatore di pioggia; per una esauriente descrizione del protocollo di trasmissione vi rimandiamo alla documentazione, disponibile gratuitamente con il software per il microcontrollore [4].
Figura 1: lo schema elettrico del rilevatore di pioggia
Realizzazione pratica
La Figura 2 mostra l'alloggiamento del rilevatore di pioggia, realizzata utilizzando una stampante 3D. La custodia con l'elettronica è montata su un piccolo angolo, mentre la pioggia va a colpire uno solo dei sensori di temperatura NTC833, attraverso un imbuto. L'intero gruppo è posizionato sotto una piccola copertura a tetto in modo che il sensore di temperatura "a secco" rimanga effettivamente asciutto durante la pioggia e non ristagni acqua piovana sul sensore "bagnato".
Figura 2: realizzazione pratica del rilevatore di pioggia
I due sensori stessi sono montati su una sorta di "puntina da disegno" sovradimensionata (vedi figura 3). Queste "puntine" hanno un diametro di 20 mm e sono realizzati in argento da 0,5 mm di spessore, per una minore capacità termica e resistenza termica possibili. I tubi, in cui le resistenze NTC sono montate con pasta termoconduttrice, sono saldate (con argento) sui dischi d'argento. Successivamente i sensori sono fissati con colla epossidica all'esterno della custodia; solo i tubi passano all'interno.
Figura 3: entrambi i sensori di temperatura vengono spinti in piccoli tubi saldati a piccoli dischi d'argento
Il terzo sensore di temperatura (DS1621) non è montato nella sua presa; questo è incollato su un disco di alluminio e successivamente collegato tramite un cavo a nastro alla presa. Le figura 4a e 4b danno un'idea di come sia possibile realizzare il prototipo.
Figura 4: una possibile realizzazione del dispositivo
In figura 5 è possibile osservare il modello effettivamente creato.
Figura 5: il prototipo realizzato
Calibrazione e utilizzo
Per un funzionamento stabile e affidabile, è importante che l'uscita dell'amplificatore della strumentazione, per l'intera gamma di temperatura, sia compresa tra 2 V a 3 V (con un guadagno impostato inizialmente a circa 100 volte, con P10 ruotato in senso orario a un valore di circa 500 Ω). Il bilanciamento del ponte di Wheatstone è impostato con R9 in modo che quando entrambi i resistori NTC sono alla stessa temperatura, la tensione di uscita dell'amplificatore della strumentazione è uguale alla tensione di riferimento sul pin 5 dell'amplificatore. A impostazioni corrette, il rilevatore reagirà istantaneamente a una differenza minima di temperatura tra i due sensori (che può essere controllata toccandoli brevemente con un dito). Potrebbe essere necessario ridurre il guadagno per evitare che il rivelatore reagisca alla minima differenza. Solitamente un guadagno di circa 40 volte è sufficiente. Una volta realizzato il prototipo del sensore, esso può lavorare tranquillamente per anni. Soprattutto perché le gocce di pioggia sono decisamente più fredde rispetto alla temperatura ambiente. In questo caso il sensore reagisce in modo affidabile. L'imbuto di raccolta dell'acqua dovrebbe essere termicamente isolante ma nello stesso tempo non deve riscaldare le gocce.
>>>Leggi anche: Stazione meteo con Raspberry Pi
Links Web
[1] https://pdfserv.maximintegrated.com/en/ds/DS1621.pdf
[2] www.conrad.nl/p/temperatuursensor-b-b-thermo-technik-praezisions-ntc-40-tot-100-c-radiaal-bedraad-188506
[3] www.conrad.nl/p/zendmodule-aurel-tx-8l25ia-191564
[4] www.elektormagazine.com/170494-01
Bello!!!. Realmente ingegnosa la tecnica per capire se sta piovendo. Misurare la temperatura della superficie dove cadono le goccie d’acqua è davvero una bella idea.
Progetto molto interessante e ben realizzato. Fa un certo effetto vedere ancora (con piacere) dei circuiti realizzati con componenti dual in line anziché SMD. Un tuffo nel passato..
Già… specialmente per quelli come me che non hanno la vista prorio al massimo, è l’ideale… 🙂
Un sistema molto utile basato sul protocollo di comunicazione wireless. Interessante immaginarlo implementato in un controllore che regola sistema di condizionamento e finestra.
Da utilizzatrice trovo sempre molto interessante il supporto della stampa 3D, in questo caso nella realizzazione dell’alloggiamento ma più in generale nella realizzazione dei prototipi.
Tra l’altro la combinazione tra automazione, prototipazione e informatica sono un mix giusto per l’autoproduzione anche per nuove professionalità.