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MQTT- Kapazitiver Regensensor

14. Mai 2021 Thomas Dillinger Schreiben Sie einen Kommentar

Kapazitiver Regensensor Dokumentation
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Der Source Code für dieses Projekt kann in unserem Web Shop erworben werden.

MQTT-Kapazitiver Regensensor Source Code

Allgemeines

Anfang 2021, wurde von uns eine IoT-Wetterstation für eine Projekt in Südtirol entwickelt. Ein Teil der Aufgabenstellung bestand darin, einen kapazitiv arbeitenden Regensensor zu integrieren.
Nach Abschluss der Entwicklung, blieben aus dem Prototyping noch einige der Sensor Platinen übrig, daras entstand dann dieses Projekt.
Um dem interessierten Kunden das Funktionsprinzip näher zu bringen und eine Anleitung für den grundlegenden Aufbau eines kapazitiven Regensensors anzubieten, wurde der folgenden Artikel auf unserem Blog dazu veröffentlicht: Kapazitiver Regensensor.

Da die Anfragen für einen solchen Sensor sehr groß waren, haben wir uns entschlossen ein kleine Auswerte Platine zu entwickeln, die mit einem ESP8266 (WEMOS D1 mini) ausgestattet ist und die Sensordaten per Webserver und MQTT zur Verfügung stellt.
Zusätzlich befindet sich auf der Auswerte Platine ein potentialfreier Relais Schaltkontakt, der es erlaubt bei einer Regenerkennung auch direkt einen externen Schaltvorgang auszulösen. Um z.B. eine Markise ein zu fahren.

Aufbau Hardware

Das Regensensor Modul besteh aus drei Einzel Komponenten

Kapazitive Sensorplatine
Die Funktionsweise der Sensorplatine wird bereits im Beitrag Kapazitiver Regensensor ausführlich beschrieben, weshalb wir hier nicht mehr näher darauf eingehen werden.
Auswerteeinheit
Die Platine der Auswerteeinheit bildet das Gegenstück zur Sensorplatine. Die beiden Platinen besitzen dieselben Abmessungen, was bei der Befestigung z.B. in einem geeigneten Gehäuse wie einer Verteilerdose von großem Vorteil ist. Die Bohrlöcher für die Befestigung der Auswerteeinheit werden somit komplett von der aufgeklebten Sensorplatine überdeckt und bietet so einen perfekten Korrosionsschutz.
Auf der Platine befindet sich ein DS18B20 Temperatursensor, der durch seine Position die Gehäuseinnentemperatur und gleichzeitig die Temperatur kurz unterhalb der Sensorplatine erfasst. Auf diese Weise kann in den Wintermonaten verhindert werden, dass sich Forst auf dem Sensor bilden kann. Bei einem Regenereignis wird die Sensorheizung ebenfalls automatisch aktiviert, um ein schnelleres Abtrocknen der Sensoroberfläche und somit eine schnellere Reaktionszeit des Sensors nach einem Regenereignisses sicher zu stellen. Die Maximale Sensor Temperatur wird über den Temperatursensor geregelt, das spart Energie und erhöht die Lebensdauer des Regensensors.
Befindet sich kein Feuchtigkeit, Eis oder Kondensat auf der Sensoroberfläche, das durch die Erwärmung verdampfen kann, kommt es auch nicht zu einer Abkühlung durch Verdunstung und der Sensor würde sich immer mehr aufheizen.
Diese Regelung arbeitet mittels PWM (Pulsweitenmodulation), mit einer Frequenz von ca. 100Hz. Wurde Regen detektiert, findet im Temperaturbereich von 35 – 50°C eine stetige Regelung statt.
Unterschreitet die Temperatur 4 °C, wird die Sensor Heizung ebenfalls aktiviert um Frostbildung auf der Sensoroberfläche zu verhindern. Hierbei wird ebenfalls die Leistung der Sensorheizung in Abhängig der gemessenen Temperatur geregelt. Der Regelbereich liegt hier bei zwischen 4°C und -6°C, was dann einer Heizleistung von 100 % entspricht.
Um eine Betauung der Sensoroberfläche zu verhindern, .z.B. bei Morgentau oder Nebelbildung, wird die die kompensierte Sensorkapazität als Messgröße herangezogen. Überschreitet diese einen Wert von 5 pF, wird die Sensorheizung mit einer Leistung von 20 % betrieben, um diesen Effekt zu eliminieren. Die Maximale Sensorheizleistung kann über MQTT oder das Webfrondend in einem Bereich von 1 – 100% eingestellt und somit begrenz werden. Die Spannungsversorgung der Sensorheizung wird über eine 500mA selbstrückstellende Sicherung geschützt. Der WMOS D1 mini besitzt eine eigene selbstrückstellende Sicherung. Die Spannungsversorgung erfolgt nicht über die Micro USB-Buchse, sondern über die zwei auf der Platine herausgeführten Lötpunkte *5V und GND. Nähere Informationen hierzu erhalten Sie in der Dokumentation, die sie oben im Beitrag kostenlos herunterladen können.

ACHTUNG:
Auf der Platine ist kein Verpolungsschutz vorhanden! Ein falscher Anschluss der Spannungsversorgung führt zu einer Zerstörung der elektronischen Bauteile.
Das Netzteil benötigt eine stabilisierte Ausgangsspannung von 5V= und mindestens 1A Ausgangs Strom, um die Auswerteeinheit und die Sensor Heizung sicher zu betreiben.

Auf der Platine der Auswerteeinheit befindet sich auch noch der hochgenaue Langzeit Timer 7555, der hier als 3V Variante bestückt ist und die Kapazitätsfrequenzumsetzung durchführt. Als letztes Bauteil ist nun noch das Read Relais zu nennen, dass einen potentialfreien Ausgangskontakt zur Verfügung stellt und bei einem Regenereignis ein externes Schaltsignal zur Verfügung stellt.
Der ungenutzte Raum der Platine wurde mit einem 2,54mm Lochraster versehen, das noch genügend Raum für eigenen Erweiterungen und Ideen bietet.
WEMOS D1 mini pro
Das Schaltungsdesigne des WEMOS D1 mini Board der Auswerteeinheit musste ebenfalls modifiziert werden (Nähere Informationen hierzu finden Sie in der Technischen Beschreibung).
Es besitz 4 MB Flash, was ausreichend Platz für zukünftige Erweiterungen oder eigenen Ideeen bereithält. Das Modul wird mit der aktuellen Firmware ausgeliefert, kann aber jeder Zeit über ein Internetverbindung OTA auf die neueste Firmware Versionen upgedatet werden.
Alle Anschlüsse des WEMOS sind nochmals separat auf dem Lochraster (Stiftleiste 2,54mm) herausgeführt.

Aufbau der Firmware

Um das Regensensormodul in das lokale Netzwerk zu integrieren, wird Anfangs ein eigener AP geöffnet. Verbindet man sich mit diesem AP und öffnet man anschließend im Webbrowser die IP-Adresse 192.168.4.1 gelangt man in das Konfigurationsportal des Regensensor Moduls.
Hier können dann alle notwendigen Einstellungen für das lokale Netzwerk (SSID, Kennwort) und die die Verbindung zum MQTT-Broker (Server IP, Benutzername, Kennwort und Port) vorgenommen werden.
Konnte anschließend mit den eingegebenen Informationen eine Verbindung zum lokalen Netzwerk hergestellt werden, sind alle Daten und Konfigurationen des Sensors wie Einschaltschwellen, die Schalthysterese usw. neben dem MQTT-Broker auch über das integriertes Web-Interface erreichbar.

Die Kapazität des Sensors steht als Rohwert vom Sensor zur Verfügung. Für die Auswertung der Schaltschwelle, wird der kompensierte (kalibrierte) Sensorwert herangezogen.
Um nicht mit dem absoluten Kapazitätswert des Sensors arbeiten zu müssen, kann der Sensorwert bei Trockenheit selbst definiert werden. Hierfür wird eine Kalibrierung durchgeführt. So dass der Kompensierte Sensorwert dann bei Trockenwetter null hat.
Wandert der Wert um 10 pF in den negativen Bereich führt das Sensormodul einen automatischen Nullabgleich durch.

Übertragung der Werte per MQTT

Wird der Regensensor neu gestartet, werden alle Topics der Settings subscribed und anschließend alle Topics einmalig published.
Danach wird die publishing Routine in der Firmware fix alle 10 Sekunden aufgerufen und dabei nur die Werte published, die eine Änderung seit dem letzten publishing Zyklus erfahren haben.
Dies geschieht um den Traffic möglichst gering zu halten.

Hier eine Übersicht der benötigten Werteänderung für eine erneute MQTT Übertragung:

curtemperature >= 1.0 °C
curfrequency >= 50.0 Hz
curcapacity >= 3.0 pF
compcapacity >= 3.0 pF
calcapacity >=1.0 pF
precipitation >= 0.01 l/m2
windspeed >= 0.5 m/s
heatsinkpower >= 0.01
rain true/false;
Uptime / Core Vcc >= 0.01 V

Die CurCapacity und damit auch Comp.Cap. schwankt natürlich auch ohne Regen immer ein wenig, abhängig von der Luftfeuchtigkeit, Nebel oder ähnlichem. Deshalb wurde für die Auswertung der Regenerkennung ein Schwellwert definiert.

Berechnung der Niederschlagsmenge

Eine neue, aber noch experimentelle Funktion ist eine Berechnung der Niederschlagsmenge anhand der Sensorkapazität und der Dauer des Regenereignisses. Hierfür wird der Wert der kalibrierten Sensorkapazität alle 30 Sekunden erfasst und in ein Array gespeichert. nach 15 Minuten, wird aus diesen Werten der Mittelwert gebildet. Die Summe der vier Viertelstundenwerten ergibt dann den Stundenwert, der nach der folgenden Funktion in eine Niederschlagsmenge (l/m2) umgerechnet wird und als 24 Stundenwerte ebenfalls in ein Array mit den Tageswerten geschrieben wird.

Diese Funktion berechnet sich nach der Formel:

float y = 3e-06 * sq(x) – 0.0004 * x + 0.0004;

Windgeschwindigkeitsmessung mit einem Anemometer

Ab Version 1.05 besteht die Möglichkeit ein Anemometer für die Ermittlung der Windgeschwindigkeit an die Auswerteeinheit anzuschließen. Der neue Sensor wird nach dem ersten Impuls automatisch von der Firmware erkannt, anschließend werden weitere Konfigurations- und Anzeigewerte per MQTT und im Web Frontend zur Verfügung gestellt.

Das Anemometer muss über einen potentialfreien Ausgangskontakt verfügen (Sensor mit Reed Ausgangskontakt). Die Erweiterung des Auswertemoduls um diese Funktion gestaltet sich recht einfach, es werden lediglich die folgenden Bauteile benötigt.

Ein Widerstand 10 KOhm 1/4 W, print
Ein Keramikkondensator 100 nF, print
Ggf. eine Schraubklemme 2-polig, Raster 5,08 mm für den Sensoranschluss.

Das folgende Bild zeigt die einfache Schaltung, die für den Anschluss eines Anemometers an der Auswerteeinheit nachgerüstet werden muss. Die beiden Verbindungsleitungen des Anemometers werden einmal mit den 3.3V und dem GPIO 14 (D5) des WEMOS D1 mini verbunden. Am GPIO14 (D5) wird dann nur noch der Widerstand (10K) und der Keramikkondensator (100nF) gegen Masse angeschlossen.

Es werden viele verschieden Anemometer mit Reed Schaltkontakten im Handel angeboten. Diese unterscheiden sich nicht nur durch verschieden Bauformen (Diameter) sondern auch durch die Anzahl der Impulse pro Umdrehung.

Deshalb stehen nach dem Anschluss eines Anemometers zwei weitere Eingabeparameter im MQTT-Broker und dem Web Frontend zur Verfügung, die eine individuelle Konfiguration des eingesetzten Anemometers zulassen. Der erste Parameter gibt die Anzahl der Impulse pro Umdrehung an. Wieviel Impulse pro Umdrehung der Sensor liefert, kann leicht mit einem einfachen Multimeter oder einem Durchgangsprüfer ermittelt werden, indem man das Windrad einmal um seine eigene Achse dreht und das Schließen des Kontaktes abzählt.
Der zweite Parameter gibt die Windgeschwindigkeit in km/h, wenn sich das Windrad innerhalb einer Sekunde einmal um die eigene Achse dreht. Lesen Sie hierfür in den Angaben des Herstellers nach.

Verwendet werden kann z.B. ein Anemometer der Firma TOOGOO mit der Typenbezeichnung „WH-SP-WS01 Anemometer“.
Für dieses Anemometer sind die Konfigurationseinstellungen bereits in der Firmware eingetragen.

Pulse/Umdrehung = 1 Puls
Geschwindigkeit in km/h bei 1U/s = 2,4 km/h

Ansicht im IO-Broker:

Die Ansicht zeigt alle verfügbaren Parameter des Sensormoduls.

Beschreibung der Notes

Note Name	Beschreibung	Lesen / Schreiben
INFO/Hostname	Bezeichnung des Moduls	Read
INFO/IPAdress	Aktuelle IP-Adresse	Read
INFO/Modul	WLAN-Modul	Read
INFO/Port	Webserver Port	Read
INFO/RestartReason	Beschreibung des letzten Neustart Ereignisses	Read
INFO/Device ID	Geräte ID	Read
INFO/Version	Aktuelle Firmware Version	Read
SETTINGS/Calibrate	Sensorkalibrierung (set true)	Read / Write
SETTINGS/CheckUpdate	Neustes Firmware Update laden (set true)	Read / Write
SETTINGS/HeatsinkMaxPower (ab Version x.04)	Maximale Sensor Heizleistung (%)	Read / Write
SETTINGS/HystCapacity	Schalthysterese Kapazitätswert (pF)	Read / Write
SETTINGS/LightRain	Schaltschwelle für die Textanzeige Light Rain (pF)	Read / Write
SETTINGS/ModerateRain	Schaltschwelle für die Textanzeige Moderate Rain (pF)	Read / Write
SETTINGS/ModerateRain	Schaltschwelle für die Textanzeige Normal Rain (pF)	Read / Write
SETTINGS/ NormalRain	Wirkrichtung (direct / inverse)	Read / Write
SETTINGS/TrshCapacity	Schaltschwelle für die Regenerkennung (pF)	Read / Write
SETTINGS/WSPulsNumber (optional)	Pulse/Umdrehung P/U	Read / Write
SETTINGS/WSWindSpeed (optional)	Geschwindigkeit in (km/h bei 1U/s)	Read / Write
Alive (ab Version x.05)	Online Status des Moduls (true/false)	Read
CalCapacity	Kapazitäts- Kompensationswert (pF)	Read
CompCapacity	Relativer (kompensierter Kapazitätswert (pF)	Read
CurCapacity	Aktuelle Sensor Kapazität (absolut Wert (pF)	Read
CurFrequency	Aktuelle Sensorfrequenz (Hz)	Read
HeatiSinkPower (ab Version x.04)	Aktuelle Leistung der Sensorheizung (%)	Read
Precipitation (ab Version x.05)	Niederschalgsmenge l/m2 (experimentell)	Read
SensorState (ab Version x.10)	Sensor Status (ok/failure)	Read
Rain	Status der Regenerkennung (true/false)	Read
RainState	Status der Regenerkennung (Textform) CompCapacity > TrshCapacity = „dry“ CompCapacity < 150 = „light rain“ CompCapacity < 350 = „moderate rain “ CompCapacity < 700 = „normaly rain“ > 700= „heavy rain“	Read
Temperature	DS18B20 Gehäuse/Sensor Temperatursensor Wert (°C)	Read
Uptime	Zeit seit dem letzten Neustart	Read
Vcc	Prozessor Core Spannung	Read
WindSpeed (optional)	Windgeschwindigkeit (m/s)	Read

Einfaches Blockly Skript für den IO-Broker

In diesem Abschnitt soll Beispielhaft die Integration einer Markisen Ansteuerung mit einem Blockly Skript für den IO-Broker gezeigt werden.
Die Variable „Rain-Trigger“ ist eine User definierte boolesche Variable im Broker und dient hier als Trigger für das Umschalten zwischen den Zuständen der Regenerkennung und der Regenende Erkennung.

In diesem Skript wird bei einer Regenerkennung ein kurzer „Close“ Befehl an einen Shelly 2.5 Rollladenschalter gesendet, eine Bedienung durch den Nutzer bleibt somit jederzeit weiterhin möglich.

Ansicht im Webbrowser:

Analog zur Ansicht im Broker stehen alle Parameter auch im Webbrowser Interface zur Verfügung.

Ab Firmware Version x.08 wurde aus Sicherheitsgründen eine Anmeldung am Webinterface eingeführt!

Die Standard Anmeldedaten für die Eingabeaufforderung lauten:

Benutzername: admin
Kennwort: Password

Hinweis:
Wird keine Sicherheitsabfrage für die Weboberfläche gewünscht, lassen Sie das Kennwortfeld einfach leer!

Montage Vorschlag:

Das Regensensor Modul sollte nach Westen ausgerichtet in einem Winkel von ca. 30° mountiert werden, damit der auftreffende Regen die Sensoroberfläche nur benetzt und abfließen kann.
Die Ausrichtung nach Westen schützt die Sensoroberfläche vor direkter Sonneneinstahlung, was die Lebensdauer der Lackschicht enorm verlängert!

Das Modul lässt sich leicht in eine Hensel Verteilerdose (ohne Klemmen) mit den Abmessungen 104 mm x 104 mm, vom Typ DK 0200 G / IP66 einbauen.

Hinweis:
Die oben genannte Abzweigdose besitzt keine Einführungen oder Würgenippel. Die Einführungsöffnungen sind mit einer Gummimembrane ausgestattet, die leicht durchstochen werden kann und das Kabel anschließend wieder Wasserdicht umschließt.

Im ersten Schritt werden die Befestigungslöcher für vier Distanzhülsen M3x8mm auf der Deckel Oberseite angezeichnet und mit einem 3,2mm Bohrer gebohrt.
Dann werden die Löcher mit einem Senker soweit angesenkt, dass die M3x4mm Senkkopfschrauben plan in den Senkungen verschwinden.

Anschließend wird mit einem Fräser oder einem Forstner Bohrer ein ca. 25 mm großes Loch für den Sensorstecker und den DS18B20 Sensor ausgemessen und gebohrt.

Nun werden die Distanzhülsen M3x6mm auf der Innenseite des Deckels befestigt und die Auswerteeinheit so montiert, dass die Buchsen Leiste und der Sensor im Sensorbohrloch platziert sind.

Danach kann der Sensor mit Silikon auf den Deckel aufgeklebt werden.

Achten sie beim Aufbringen des Sensors darauf, dass die Stiftleiste richtig in der zehn Poligen Buchsen Leiste steckt, so dass nach dem aufbringen der Sensorplatine auch alle vier Senkkopfschrauben verdeckt werden.

Versionsverlauf:

Intended:

Hard.Firmware Version 2.00
Integration einer LUX-Messung mit einem VEML7700 (I2C).

Released:

09.10.2023 Version 1.13
– HTML Code verbessert
07.08.2023 Version 1.12
– Fehlerhafte Windwerte größer 300 Km/h ausgeblendet.
09.03.2023 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.11
– Überwachung der Regensensor Funktion „SensorStatus“ verbessert. MQTT-Struktur neu angelegt, der führende „/“ wurde entfernt!.
Wichtiger Hinweis:
Bitte beachten, dass da durch ein neuer Eintrag im Broker erzeut wird!!!
20.10.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.10
– Überwachung der Regensensor Funktion „SensorStatus“ hinzugefügt.
23.08.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.09
– Fehler bei der Uptime behoben und Uptime Library eingebunden.
– Webserver Port in MQTT/Info eingefügt.
– Genauigkeit bei Chart und der Durchschnittlichen Regenmenge verbessert.
– Anzeige der Core VDD im Web Frontend.
29.07.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.08
Anzeige MQTT/Info/Port des Webservers.
Wird das Webserver Kennwort leer gelassen, erscheint kein Anmeldedialog im Webbrowser.
Fehlerbeseitigung Überlauf bei der Uptime Anzeige.
15.07.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.08
Erweiterung der Parametrierung für die Textausgabe des Regenstatus.
Erweiterung WIFI-Manager, um den Regensensor mit einem Port forwarding im Router auch aus dem Internet erreichen zu können, kann nun der Webserver Port frei konfiguriert werden.
Zusätzlich wird nun ein Anmeldename und ein Kennwort beim Aufrufen der Webseite abgefragt, um die Sicherheit zu erhöhen.
25.04.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.07
Aktualisierung der Arduino Librarys, neues Anmeldeportal.
04.02.2022 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.06
Optimierung bei der Übertragung der MQTT Daten. Updates bei der Genauigkeit der Messwerte verbessert.
28.08.2021 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.05
Integration eines Anemometers zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit.
Precipitation Wert (Experimentelle Niederschlagsmenge) Errechnung über Viertelstunden Mittelwerte der Comp. Kapazität in l/m2, in MQTT und im Web Browser eingerichtet. Niederschlags Chart Demo Version 24h.
LWT / Alive – Last Will Testament Onlinestatus des Sensormoduls in MQTT integriert. Reduzierung des MQTT Datenverkehrs.
29.07.2021 Alle HW Versionen
Firmware Version 1.04
– Sensor Temperatursteuerung, Regelung der Leistung per PWM
und Option zur Begrenzung der maximalen Heizleistung.
– Temperaturregelung der Sensorheizung für Frostschutz und
Maximaltemperatur.
– Betauungsschutzfunktion ab einer Kompensierten
Sensorkapazität von 5 PF, Heizleistung Sensorheizung auf 20%
16.07.2021: Alle HW Versionen
Firmware Version 1.03
– Überarbeitung im Dialog Update, Reset und Restart im
Web Frontend vorgenommen.
– Regen Status als Klartextausgabe.
03.07.2021: Alle HW Versionen
Firmware Version 1.02
– Anzeige im MQTT – Broker erweitert.
04.06.2021: Alle HW Versionen
Firmware Version 1.01
– In dieser Version wurde eine Fehlerbeseitigung im
Web Frontend vorgenommen, es betrifft die Umschaltung
der Wirkrichtung des potentialfreien Relais Ausgangs.

Sonstiges

Kapazitiver Regensensor Funktionsweise

20. Oktober 2020 Thomas Dillinger Schreiben Sie einen Kommentar

Zum Blogbeitrag MQTT-Regensensor Modul

Allgemeines:

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

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 Sensorwiderstandes führt.

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 ein digitales 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 auf 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 auf Dauer irreversibel 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, 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 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 zu können, ob 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 bzw. einer Eisbildung auf der Sensoroberfläche.

Durch die sehr kleine Bauform des Sensors, kann selbst mit dieser relativ geringen Leistung ein schnelles (ca. 5 Minütiges) 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 ein Transistor auf der Sensorplatine vorgesehen.
Wird hier ein Mosfet bestückt und ist der Pin in dieser Hardware Version 1.00 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.

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 geleitet werden können. 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, sollte hier auf Edelstahlschrauben zurückgegriffen werden.

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

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

Pin Belegung:

VDD +5V / 3,3V
NC
Sensorheizung
Ladewiderstand
Analog wert (Ladezustand)
Entladewiderstand
GND
GND

Kapazitätsmessung durch Laden- und Samplen der Kondensatorspannung

Die Platine des kapazitiven Regensensors wurde für verschieden Anwendungsbereiche entwickelt, deshalb gibt es auch verschieden Bestückungsvarianten.

Wenn man z.B. einen PIC Mikrokontroller mit einem Komperatoreingang verwnden, kann eine Messmethode angewendet werden, bei die Kapazität des Sensor über den Pin 6, R23 entladen wird (Pin auf LOW) und der Pin anschließend wieder als Komperator Eingang umgeschaltet wird.
Der Pin 4, der zu diesem Zeipunkt im Tristate (hochohmig) war, wird nun als Ausgang programmiert und auf LOW geschaltet. Dieser läd nun die die Kapazität des Regensensors über R22 auf, bis der Komperatoreingang kippt.
Die ermittelte Zeit dient dann als Grundlage für die Kapazitätsbestimmung.
Beim MQTT-Regensensormodul wird ein anderes Messvervahren angewannt, da dieser nicht über einen Komperatoreingang verfügt.

Hier wird der AOUT (der gegen GND direkt die Kapazität des Sensors dartellt) als Kapazität eines Multivibrators genutzt, der abhängig von dieser Kapazität seine Ausgangsfrequenz ändert. Diese Ausgangsfrequenz wird an einem digitalen Eingang des ESP8266 gemessen und die Sensorkapazität aus der Frequenz berrechnet.

Da für dieses Messverfahren der C1, R22 und R23 nicht benötigt werden, müssen diese Bauteile bei diesem Messverfahren nicht mit bestückt werden.

Das obengenannte Messverfahren, dass sich jedoch nur für größere Kapazitäten im Bereich zwischen 10 nF und 2000 uF eigent, beschreibt der folgende Source Code von 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, um mit der Samplingrate des AD-Wandlers im Mikrokontroller immer noch ein akzeptables Messergebnis erzielen zu können.

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 am Ende kippt und der Ladewiderstand die benötigte Ladung nicht mehr liefern kann.

Da sich die Kapazität des Regensensors in einem Bereich von 170pF – max. 400 pF bewegt, wird hier für auf eine anderes Messverfahren 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 einer 5V Variante als NE555, als auch für Mikrokontroller die nicht 5V tolerant in einer 3V Variante ICM7555 zur Verfügung.

Arbeitet der Mikrokontroller mit 3,3,V und stehen nur ein NE555 zur Verfügung, kann natürlich 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. In der obigen Bauteilauslegung ist das Tastverhältnis annähernd 1:1 was auch hier die Diode unnötig macht.
Im Programm des Regensensors werden 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 wird.

Für die Messung wird vom Regensensor nur der Pin 5 (Analogwert) und Pin 7 (GND) benötigt.
Soll die Heizung genutzt werden kommen noch der 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));
}