Kapazitiver Regensensor mit einem ESP8266 / Arduino

Allgemeines:

Im Internet wird eine Vielzahl von verschiedenen Regensensoren angeboten. Die meisten davon kommen aus Fernost und arbeiten nach dem Resistance Prinzip.

Resistance Regensensor

Trifft ein Regentropfen auf die nicht isolierten Kontakte des Sensors, werden die nebeneinanderliegenden kammförmigen Kontakte durch den Regen verbunden, was letztendlich zu einer Reduzierung des Sensorwiderstandesführt.

Diese Widerstandsänderung ist abhängig vom Verschmutzungsgrad des Regenwassers, sowie der bereits eingetretenen Oxidation des Regensensors.

Über eine Komparator Schaltung kann hierbei meist der Schaltpegel eingestellt werden, bei dem Regen detektiert wird und der dann das digitale Ausgangssignal setzt.

Manche Sensoren stellen zusätzlich zu diesem Digitalausgang noch ein Analogsignal zur Verfügung, was eine Lösung für eine zeitweilige Kalibrierung des Sensors durch die Software erlauben würde.

Das große Problem bei dieser Messmethode ist es, dass selbst bei Sensoren mit vergoldeten Kontaktoberflächen immer parasitäre Ströme fließen.

Da praktisch immer ein kleiner Gleichstrom an beiden Polen des Sensors anliegt, führt dies unabhängig von der Qualität des Sensors zu einem Elektrochemischen Prozess und damit über kurz oder lang zu einer schrittweisen Zerstörung des Sensors.

Eine bessere Lösung stellt dieser Sensor dar, da er nach einem anderen Prinzip, dem Kapazitiven Prinzip beruht.

Das Funktionsprinzip bei einem Kapazitiven Sensor ist dem oben vorgestellten Messverfahren durchaus ähnlich. Es unterscheitet sich jedoch in einem wesentlichen Punkt, bei Regen wird hier keine leitende Verbindung hergestellt. Durch die Wassertropfen auf der Oberfläche wird lediglich die Kapazität des Sensors verändert, das Wasser wirkt als Dielektrikum.

Der Vorteil bei diesem Lösungsansatz liegt darin, dass keine blanken Leiterbahnoberflächen der Witterung ausgesetzt sind und dadurch auch kein Elektrochemischer Prozess ausgelöst wird, der den Sensor beschädigt. Alle leitenden Teile sind durch eine Lackschutzschicht vor Witterungseinflüssen geschützt.

Die Kapazität des Sensors beträgt im trockenen Zustand ca. 170pF. Tritt eine Betauung ein oder trifft regen auf den Sensor auf, steigt die Kapazität an.
Durch das ermittelte Delta C, lässt sich sogar eine Aussage über die Art des Regens und dessen Intensität treffen.

Ist es z.B. Neblig oder es handelt sich um einen feinen Nieselregen, der die Sensoroberfläche benetzt, bilden sich viele kleine Wasser Tröpfchen auf dem Sensor, was wiederrum zu einem großen Delta C führt.
Bei einem Durchschnittlichen Regen Ereignis sind es vorwiegend größere Tropfen, die zu einem großen Teil sofort wieder abrutschen, so ergibt sich ein kleineres Delta C.

Um schnell festzustellen, wenn der Regen zu Ende ist, besitzt der Sensor eine Heizung an der Platinen Unterseite. Diese besteht aus zwanzig 15 Ohm Heizwiderstände, die es bei einer Versorgungsspannung von 5V immerhin auf eine Heizleistung von knapp 1,8 W bringen.
Sie sorgen für eine zügiges verdunsten der Flüssigkeit oder der Eisbildung auf der Sensoroberfläche.

Durch die sehr kleine Bauform des Sensors, kann selbst mit dieser relativ geringen  Leistung ein schnelles  (ca. 5 Minuten) Abtrocknen sichergestellt werden.
Energetisch gesehen ist es sinnvoll, die Sensorheizung nur für die Dauer einer Regenerkennung zu betreiben. Das bedeutet, wird keine Feuchtigkeit oder Regen mehr detektiert, soll die Sensorheizung abgeschaltet werden!
Hierfür ist bereits ein Transistor auf der Platine vorgesehen.
Wird hier ein Mosfet bestückt und ist der Pin für dessen Ansteuerung nicht angeschlossen, muss dieser auf Masse gelegt werden.
Da der Mosfet bei einem offenem Gate in einem Halbleitenden Zustand gehen könnte, was zur einer Zerstörung des Bauteils führen würde.

Bestückung der Platinen Unterseite

Diese Bild zeigt die Bestückung der Unterseite des Sensors. Es ist gut zu erkennen, das im Layout zwar Pats für eine Befestigung der Sensorplatine vorgesehen sind, diese jedoch keine Bohrung besitzen.
Weshalb hier auch kurz auf die Befestigung des Sensors eingegangen werden soll.

Wie zu sehen ist befinden sich die Anschlüsse annähernd mittig auf der Sensorplatine.

Verwandt man z.B. eine feste Wasserdichte Hensel Anschlussdose um die Elektronik darin zu verstauen, genügt es in den Deckel ein passendes rundes Loch zu bohren, damit die Anschlüsse nach innen ragen. Der Regensensor selbst wird am besten mit Silikon wasserdicht mit dem Deckel verklebt. Sollten dennoch Befestigungslöcher benötigt werden, so können diese nachträglich ausgebohrt werden.

Es bietet sich an die Platine für die Auswertung mit dem entsprechenden Gegenstück auszustatten, so dass diese von der Innenseite aufgesteckt werden kann.

Die Befestigung dieser Platine kann mit Distanzbolzen, die am Deckel eingeschraubt werden, erfolgen. Werden die Schrauben nicht vom Sensor (mit Silikon) überdeckt werden, sollte hier auf Edelstahlschrauben zurückgegriffen werden.

Im Unteren Bild ist der Schaltplan der Sensorplatine zu sehen. Bei der Steckverbindung wurde beim Entwurf wert daraufgelegt, dass die Signale für alle möglichen Anschlussvarianten an den Pins herausgeführt wurden.

Somit stehen dem Endanwender alle möglichen Verfahren, die zur Kapazitätsmessung angewandt werden können zur Verfügung.

Schaltplan Kapazitiver Regensensor V1.00

Pin Belegung:

  1.  VDD +5V / 3,3V
  2. NC
  3. Sensorheizung
  4. Ladewiderstand
  5. Analog wert (Ladezustand)
  6. Entladewiderstand
  7. GND
  8. GND

Kapazitätsmessung durch Laden- und Samplen der Kondensatorspannung

Source  Code als Anwendungsbeispiel von Matthias Busse
Quellenverweis :
Kapazitäten von 10nF bis 2000uF einfach messen mit dem Arduino

// Kapazität Messgerät 10nF bis 2000uF
//
// Matthias Busse 22.2.2015 Version 1.1

#define messPin 0            // Analog Messeingang
#define ladePin 13           // Kondensator lade Pin über einen 10kOhm Widerstand
#define entladePin 11        // Kondensator entlade Pin über einen 220 Ohm Widerstand 
#define widerstand  9953.0F  // 10 kOhm > gemessen 9,953 kOhm

unsigned long startZeit;
unsigned long vergangeneZeit;
float microFarad;
float nanoFarad;

void setup() {
  pinMode(ladePin, OUTPUT);     // ladePin als Ausgang
  digitalWrite(ladePin, LOW);  
  Serial.begin(9600);           // Serielle Ausgabe
  Serial.println("Kapazitaetsmesser Version 1.1");
}

void loop() {
  // Kondensator laden
  digitalWrite(ladePin, HIGH);            // ladePin auf 5V, das Laden beginnt
  startZeit = micros();                   // Startzeit merken
  while(analogRead(messPin) < 648){}      // 647 ist 63.2% von 1023 (5V) 
  vergangeneZeit= micros() - startZeit - 114; // 0-Messung abziehen (112-116 us)
  if(vergangeneZeit > 4294960000) vergangeneZeit = 0; // Minuswerte auf 0 setzen (ist long deshalb der hohe Wert)
 // Umrechnung: us zu Sekunden ( 10^-6 ) und Farad zu mikroFarad ( 10^6 ),  netto 1  
  microFarad = ((float)vergangeneZeit / widerstand);   
  Serial.print(vergangeneZeit);           // Zeit ausgeben
  Serial.print(" nS    ");         

  if (microFarad > 1){
    if(microFarad < 100) {
      Serial.print(microFarad,2);         // uF.x ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
    else {
      Serial.print((long)microFarad);     // uF ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
  }
  else {
    nanoFarad = microFarad * 1000.0;     // in nF umrechnen
    if(nanoFarad > 10) {
      Serial.print((long)nanoFarad);     // nF ausgeben
      Serial.println(" nF     ");
      }
    else
      Serial.println("kleiner 10 nF");  
  }

  /* Kondensator entladen */
  digitalWrite(ladePin, LOW);             // ladePin auf 0V 
  pinMode(entladePin, OUTPUT);            // entladePin wird Ausgang 
  digitalWrite(entladePin, LOW);          // entladePin auf 0V 
  while(analogRead(messPin) > 0){}        // bis der Kondensator entladen ist (0V)
  pinMode(entladePin, INPUT);             // entladePin wird Eingang
  
  while((micros() - startZeit) < 500000){}   // bis 500ms warten, d.h. max 2 Ausgaben pro Sekunde
}

Kapazitätsmessung sehr kleiner Kapazitäten

Da bei sehr Kleien Kapazitäten die Ladezeit des Kondensators ebenfalls sehr klein wird, müsste beim oben vorgestellten Messverfahren der Ladewiederstand im Verhältnis hierzu entsprechend vergrößert werden. So das mit der Samplingrate des AD-Wandlers im Mikrokontrolers immer noch ein akzeptables Messergebnis erzielt werden könnte.

Das Problem bei einem sehr großen Ladekondensator liegt darin, dass natürlich auch der Analoge Eingang des Mikrokontrollers den Kondensator belastet und entläd. Der Messfehler wird also umso größer, je größer der Ladewiderstand wird, bis das System kippt und der Ladewiderstand die benötigte Ladung nicht mehr liefern kann.

Da sich der Regensensor in einem Kapazitätsbereich von 170pF – max. 400 pF bewegt, musste hierfür auf eine anders Messprinzip zurückgegriffen werden.

Das Frequenzmessverfahren

Bei diesem Messverfahren wird keine ADC benötigt, es kommt mit einem Digitaleingang des Mikrokontrollers aus.
Hierfür kommt der hochgenaue Langzeittimer NE555 zum Einsatz.
Dieser Timer seht sowohl in der 5V Variante als NE555 , als auch für Mikrokontroller die nicht 5V tolerant in der 3V Variante als ICM7555 zur Verfügung.

Arbeitet der Mikrokontroller mit 3,3,V und stehen nur ein NE555 zur Verfügung, kann auch ein Spannungsteiler am Ausgang den Levelshift übernehmen.

Der NE555 wird in dieser Schaltung als Multivibrator eingesetzt, der abhängig von angeschlossenen Kondensator seine Ausgangsfrequenz verändert.

Wenn am Ausgang gleiche Ein- und Ausschaltzeiten erzeugt werden sollen, muss die Standardschaltung (siehe oben) mit einer Diode parallel zum Widerstand R2 aufgebaut werden. Andernfalls kann diese Diode einfach entfallen. Im Programm des Regensensors werden sind beide Varianten berücksichtigt. Da sowohl die Zeitdauer der negativen als auch der positive Halbwelle gemessen und anschließend addiert werden und damit die ganze Periodendauer berechnet ist.

Für die Messung werden vom Regensensor nur der Pin 5. Analogwert und Pin 7. GND benötigt.
Soll die Heizung genutzt werden kommen noch die Pin 1. VDD und Pin 3. Sensorheizung aktivieren hinzu.

Die Ein- Zeit berechnet sich wie folgt:
T1= 0,694 * (R1 + R2) * C

Die Aus- Zeit berechnet sich wie folgt:
T2= 0,694 * R2 * C

Die gesamte Periodendauer ist die Summe aus T1 +T2
T = 0,694 * C * (R1 +(2 * R2))
f = 1 / T

Die Frequenz ist 1 / T1 + T2, damit ergibt sich die Ausgangsfrequenz nach folgender Formel:
f = 1 / (0,694 * C * (R1 +2 * R2))

Da bei dieser Anwendung für uns nicht wichtig ist, welche Kapazität der Sensor hat, kann bereits die gemessene Frequenz für eine Regenauswertung verwendet werden.

Der Vollständigkeit halber hier trotzdem noch die kurz die nach C umgestellte Formel:
C =1 / ( f * 0,694 * (R1 + 2 * R2))

Programaufbau für die Kapazitätsmessung des Regensensors

/* Capacitivemeasurement (c) by Dillinger-Engineering 10/2020

   Funktionsweise:
   Um die kleinen Kapazitätsveränderungen des Regensensors (pF-Bereich)
   mit einer hohen Genauigkeit zu messen, wird hier ein NE555/3V verwendet.
   Dieser arbeitet als Multivibrator mit einer Frequenz im KHz Bereich.
   Ändert sich die Messkapazität, ändert (sinkt) auch die
   Frequenz. Je nach Auslegeung der Schaltung kann über die
   Frequenzänderung dann die entsprechende Kapazität errechent werden. 
   Je gröer der Parameter "MeasuringCycleleTime" gewählt wird,
   um so genauer wird auch die Messung. Zu beachten ist dabei jedoch,
   dass sich, sollte ein Sensor Fehler (kein Signal vom Eingang) vorliegt, damit
   auch die Timeoutzeit entsprechnde verlängert !
*/

const byte InputPin = 5;                       // Wemos D1 mini (Pin D1)
const unsigned int MeasuringCycleleTime = 1e6; // 1000000 us
const long R1 = 10000;   //  10 KOhm
const long R2 = 100000;   // 100 KOhm


float GetFrequeny(){  // Ergebnis in Hz
  float fsum = 0.0;
  unsigned int counts = 0;
  double f, T;
  unsigned long SartTtime = micros();
  bool Fail = false;
  do {
    T = pulseIn(InputPin, HIGH, MeasuringCycleleTime) + pulseIn(InputPin, LOW, MeasuringCycleleTime);
    if(T==0){
      Fail = true;
    }
    f=1/T;      
    counts++;    
    fsum += f * 1e6;
  } while(micros() < (SartTtime + MeasuringCycleleTime) && !Fail); // 1 Sekunde mitteln
  if(Fail){
    return(0);
  }else{
    f = fsum / counts * 0.9925;    //Korrekturwert ermitteln und einrechnen
    return(f);
  }
}

float GetCapacity(){  // Ergebnis in pF
  return(1/(GetFrequeny() * 0.694 * (R1 + 2 * R2))* 1e12);
}

void setup() {
  pinMode(InputPin, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  char CharStr[30];
  
  // Show Data on Serial if available
  sprintf(CharStr,"Capacity: %.3f pf", GetCapacity()); 
  Serial.println(String(CharStr));
  sprintf(CharStr,"Frequenz: %.3f Hz", GetFrequeny()); 
  Serial.println(String(CharStr));
}

 

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