شرح دارة الكشف عن هطول الأمطار والري التلقائي
في بعض
الأحيان، قد نلجأ إلى البحث عن دارة كهربائية أو جهاز كشف الماء، تقوم باستشعار الرطوبة أو أي مصدر للمياه
في المناطق البعيدة، والتي يصعب الوصول اليها في جميع الأوقات. أو قد نرغب في
معرفة نسبة الرطوبة في التربة للمحاصيل الزراعية في المساحات الزراعية الشاسعة،
لتشغيل وضخ المياه تلقائياً عند نزول نسبة الرطوبة في تلك التربة. لذلك نلجأ إلى
وضع مستشعرات الكترونية تقوم بمثل تلك الوظائف.
مبدأ عمل دارة الكشف عن الرطوبة أو المياه
لفهم طريقة
ومبدأ عمل مستشعر الرطوبة والتنقيب عن المياه سنقوم بتركيب الدارة البسيطة التالية:
مكونات دارة الكشف عن المياه أو هطول الأمطار
كأس زجاجي،
قمع، جرس كهربائي يعمل على فرق جهد 3 فولت، بطاريات جافة بمقدار 9 فولت مع حاضنة
للبطاريات، أسلاك توصيل كهربائية، ملح الطعام NaCl وماء.
طريقة توصيل وتركيب الدارة
تأمل في مخطط دارة الكشف عن مياه الأمطار التالية ونفذ
الخطوات التي تليها
1-
ثبت طرفي السلكين (أ،ب)
في قاع الكاس الزجاجي، بحيث يفصلها مسافة قدرها 0.5 سم كما في المخطط أعلاه.
2-
ضع كميه كافيه من ملح
الطعام بين طرفي السلكين.
3-
قم بتوصيل طرف السلك (أ)
بأحد أقطاب البطاريات، وطرف السلك (ب) بأحد أطراف الجرس الكهربائي.
4-
صل القطب الآخر
للبطاريات الجافه بالطرف الآخر للجرس الكهربائي.
5-
قم بوضع أو سكب القليل
من المياه على الملح.
نلاحظ أن
الجرس يعمل ويصدر صوتاً بسبب مرور التيار الكهربائي من خلاله بعد إغلاق الدارة
الكهربائية بواسطة المحلول الملحي. أي انه دق بشكل آلي وتلقائي دون تدخل مباشر من
أي أحد.
يسمى هذا
النظام نظام الاستشعار عن بعد، والذي يمكِّننا من الإحساس بالظروف والعوامل الخارجية
البعيدة بواسطة تقنيات حديثه. ومن الممكن إبداء رد فعل تجاه هذه الظروف والعوامل،
ولكن ما أبرز مكونات هذا النظام؟ وكيف يمكنه الاحساس بهذه الظروف؟
يتم استخدام
دارات الكترونية متقدمة للكشف عن وجود المياه أو الرطوبة. كما ويتم ضبط مستوى
الاستشعار عن طريق ربط مقاومة متغيرة مع الترانزستور لزيادة حساسية الاستشعار أو
تقليلها. سنشرح بعد قليل دارة الكترونية متقدمة تشمل على مرحل يمكن توصيله مع مضخة
أو جهاز إنذار أو غيرها للعمل أو عدم العمل عند استشعار وجود رطوبة أو مياه في
التربة.
دائرة استشعار الرطوبة باستخدام مؤقت التايمر 555
في هذا المشروع، سيتم استشعار الرطوبة ببساطة باستخدام
دارة المؤقت المتكاملة 555 IC. تقوم
الدائرة بتنشيط وتفعيل الثنائي الباعث للضوء، وجهاز صفارة Buzzer (أو أي صفارة / جرس من 9 فولت إلى 12 فولت)، إضافة إلى تشغيل
المرحل، وذلك عندما يصل مستوى الرطوبة في التربة إلى القيمة المحددة مسبقاً. يمكنك
توصيل أي جهاز كهربائي سواء كان يعمل على تيار متردد أم مباشر AC / DC بمفتاح المرحل. لكن، من الضروري أولاً التحقق من مقدار أمبير
التبديل الخاص بالمرحل والذي يمكنه التعامل مع ما هو مكتوب على المرحل الكهربائي.
والدائرة التالية توضح مبدأ عمل استشعار الرطوبة:
لا تقتصر الدائرة على الإحساس برطوبة التربة فقط، ولكن
يمكن استخدامها أيضاً لاستشعار محتوى الرطوبة في مجموعة متنوعة من الأشياء
والأماكن المتعددة. إذ أنها تتطلب تعديلاً بسيطاً فقط. لتعديل الدائرة لاستشعار
الرطوبة في المواد الأخرى غير التربة، يجب عليك تجربة وتغيير من قيمة المقاومة المتغيرة
والتي بحدود 15 كيلو أوم.
إن أفضل فرق جهد لتشغيل هذه الدائرة، يكون ما بين 9 فولت
إلى 12 فلت.
دائرة استشعار الرطوبة باستخدام المقارن 741
يمكن بناء دائرة استشعار الرطوبة البسيطة القابلة
للبرمجة والموضحة في الشكل التالي كما يلي:
كما ويمكن التحكم في مستوى استشعار الرطوبة بحسب البيئة
المحيطة. بالرجوع إلى مستشعر الرطوبة المقترح في الأعلى، نجد أن التصميم يعتمد على
وحدة المقارن 741 opamp المفردة.
الطرف رقم 3 يطلق عليه الطرف غير العاكس أو غير القلاب Non-inverting
Pin، ويتم ضبط قيمة التيار الكهربائي التي ستعبر
من خلاله عن طريق ربطه وتوصيله مع مقاومة متغيرة بمقدار 10 كيلو أوم. أما الطرف
رقم 2 فيتم توصيله بالقطب الموجب للمصدر الكهربائي بواسطة مقاومة ثابتة بمقدار 100
كيلو أوم. علماً أن هذا الطرف مرتبط أيضاً مع الطرف الجامع للترانزستور الذي من
النوع NPN، مشكلاً دارة داخلية لتقسيم الجهد. نلاحظ أن
طرفي الاستشعار Sensing mesh أحدهما موصول مع قاعدة الترانزستور والثاني
مرتبط مباشرة مع القطب الموجب للدارة.
يجب أن تكون المسافة بين طرفي منطقة الاستشعار قريبة من
بعضها البعض، وذلك لتمكن الدارة من اكتشاف أي مقدار من الرطوبة، وإحداث توصيل فعال
ومثالي عند وجودها. وكلما قلت المسافة بين طرفي نقاط توصيل الاستشعار زادت دقة
الاستشعار.
عند تشغيل الدارة، وفي حال استشعار رطوبة، يتوقف عمل
بخاخ الماء، والمتصل بمرحل كهربائي على طرف N/C. أي عندما يعمل المرحل (الريلي)، تتوقف المضخة عن العمل.
عند ارتفاع نسبة الرطوبة، واعتماداً على قيمة المقاومة
المتغيرة ذات العشرة كيلو أوم، يتم اشباع قاعدة الترانزستور لحد يمكنه من الوصول إلى
درجة التوصيل. الأمر الذي يجعل الطرف رقم 2 موصولاً مع القطب السالب، مما يجعل
الطرف رقم 3 من دارة المقارن أكثر موجبيه في الجهد من الطرف رقم 2. مما يؤدي إلى إخراج
إشارة كهربائية من المخرج رقم 6 إلى قاعدة الترانزستور ليقوم بتشغيل المرحل
الكهربائي في هذه الدارة.
ما يجب مراعاته في هذه الدارة أن المضخة الكهربائية أو
أي جهاز يراد استعماله مع تلك الدارة، عليه أن يكون موصولا بالمرحل مع الطرف
المغلق للريلي أو المرحل، أي Normally Closed. وذلك ليفتح الريلي عند استشعار مصدر الرطوبة ويقطع التيار
الكهربائي عن الجهاز المرتبط به.
كما ويمكن استبدال المضخة بأي عنصر أو جهاز كهربائي ذات
صلة بالمياه أو الرطوبة مثل: مروحة، مكيف كهربائي، نشافة كهربائية، مجفف شعر، لمبة
حرارية والعديد من الأجهزة الأخرى.
استخدام الزجاج كمستشعر للرطوبة
إن شبكة النحاس المستخدمة كمصدر استشعار الموضحة أعلاه
لها عيوب متعددة، أهمها؛ أن تتحول الفراغات المحصورة داخل الخطوط النحاسية إلى
قطرات ماء، تعلق وتغلق الشبكة مسببة مفتاح تشغيل دائم. لذلك، يتم تغليف شبك
المستشعر النحاسي بلوحي زجاج كما يلي:
لذلك، قد تكون الطريقة الأكثر ذكاء لاستشعار الرطوبة هي
استخدام زجاج ومقاومة معتمدة على الضوء أي LDR. ولتنفيذها عملياً مع الدائرة، يمكن إجراء التغييرات التالية في
التصميم أعلاه.
1- قم بإزالة الترانزستور BC547 ومكوناته الأساسية.
2- قم بتوصيل ثنائي زينر عبر الدبوس رقم 2 والقطب الأرضي
السالب.
3- استبدل 10K بـ LDR، وقم بتركيب ثنائي باعث للضوء LED وزجاج شفاف بحيث يسقط الضوء من الـ LED على الـ LDR من خلال ذلك
الزجاج.
والآن، ما دام مستوى البلل أو الرطوبة منخفضاً، يبقى
الزجاج نظيفاً، ويسمح بأقصى قدر من الإضاءة للعبور إلى الـ LDR مما يؤدي إلى تشغيل المرحل ورش الرذاذ.
بمجرد أن يرتفع مستوى الرطوبة أعلى من المستوى المحدد،
يصبح الزجاج غير نفاذ للضوء بشكل ممتاز وبشكل غير كاف، مما يتسبب في نزول الجهد عن
الطرف رقم 3 مقارنة بالطرف رقم 2. وعليه، يتوقف عمل المرحل، لحين يصبح الزجاج واضح
مجدداً.
تطبيقات دارة الكشف عن الرطوبة في التربة
هنالك العديد من استخدامات دارة استشعار الرطوبة والتي
لا تعد ولا تحصى، نذكر منها:
1-
فحص نسبة الرطوبة أو المياه في التربة، لمعرفة متى نحتاج إلى سقي النباتات.
2- يمكن استخدام الدائرة في مزارع الدواجن أو في مناطق
مماثلة حيث يصبح مستوى الرطوبة ضرورياً للحفاظ على صحة الحيوانات وريّها بانتظام.
3-
فحص نسبة الرطوبة في الغرف الصحية والكشف عن وجود الرذاذ.
4-
الكشف عن وجود حالات تسريب للمياه في الأنظمة وخاصة الكهربائية منها.
5-
بشكل عام، فإن هذه الدارة الكهربائية تختص باستشعار الرطوبة أو الجفاف
وابداء رد فعل كهربائي تجاهها.
أسئلة شائعة عن دارة الكشف عن هطول الأمطار
سؤال: لماذا نستخدم بطارية 9 فولت مع جرس 3 فولت في دارة الكشف
عن هطول الأمطار؟
جواب:
كما نعلم، فإن التيار الكهربائي ينتقل من القطب الموجب للبطارية (أي الجهد
العالي) إلى القطب السالب (الأقل جهد). لكن الأسلاك النحاسية ليست الوحيدة في
الدارة الكهربائية تلك. إذ أن التيار الكهربائي أثناء سريانة سيعبر من خلال الأسلاك
النحاسية ذات المقاومة المنخفضة ثم المياه المالحة ذات المقاومة العالية والمرتفعة
ومن ثم عبر الأسلاك النحاسية مرة أخرى. تلك المقاومة العالية للتيار أثناء عبوره
في المياه المالحة تتطلب فرق جهداً كبيراً للعبور من خلال المياه المالحة. وبما أن
المياه المالحة موصولة على التوالي مع الجرس فإن فرق الجهد الكهربائي سيتجزأ عند
المياه المالحة وعند الجرس كل بحسب مقاومته. لكن، مقاومة المياه المالحة للتيار
الكهربائي هي ضعف مقاومة الجرس لذلك التيار. الأمر الذي يؤدي إلى توزيع فرق الجهد
الكهربائي بحسب قانون أوم إلى ثلث مقدار الجهد عند الجرس وثلثي فرق الجهد عند المياه
المالحة. أي 3 فولت عند الجرس، و6 فولت يتم استهلاكها وضياعها في المياه
المالحة.
سؤال: لماذا يتم إضافة الملح إلى الماء في دارة الكشف عن هطول
الأمطار؟
جواب:
كما نعلم، فإن مقاومة
الماء للتيار الكهربائي عند فرق جهد منخفض تكون عالية جداً، لدرجة القطع. علماً أن
أقل فرق جهد يؤثر على جزيئات الماء ويحللها هي 1.23 فولت. لكن، لزيادة ورفع مستوى
التوصيل الكهربائي للماء، يضاف الملح لتكوين ما يعرف بالمحلول الملحي، والذي بدوره
يتحلل إلى أيونات موجبة Na+ وأيونات سالبة Cl- تساعد على نقل التيار الكهربائي بكفاءة أعلى
منها في حال الماء العذب. لذلك، فإن الجرس يدق نتيجة اغلاق الدراه الكهربائية
بواسطه المحلول الملحي.
سؤال: تسميات أخرى لدارة الكشف عن الرطوبة؟
جواب:
هنالك تسميات متعددة أخرى لتلك الدارة أهمها: دارة الكشف عن وجود المياه، دارة
الكشف عن نسبة الرطوبة أو الجفاف، دارة الكشف عن وجود تسييل أو تسريب مائي ودارة
الكشف عن هطول الأمطار.