Датчик TDS с Arduino: измерение ppm, калибровка и контроль качества воды

Объедини датчик TDS с Arduino — и получишь недорогой измеритель качества воды, который за несколько секунд покажет в ppm (миллионных долях), сколько в воде растворённых минералов, солей и металлов. TDS (общее содержание растворённых веществ) — самый практичный показатель для оценки жёсткости водопроводной воды, проверки работы фильтра, определения времени подмены воды в аквариуме или концентрации питательного раствора для гидропоники. Карманные TDS-метры работают по тому же принципу; с Arduino можно непрерывно записывать измерения, выводить их на дисплей и подавать сигнал при пересечении порога.

В этой статье мы пошагово разберём, что означает ppm, как датчик на самом деле измеряет электропроводность, как температура влияет на результат и как компенсировать её с помощью DS18B20, калибровку эталонным раствором, код для Arduino Uno, таблицы значений для питьевой воды, аквариумов и гидропоники, контроль фильтра воды, запись с метками времени на ESP32 и код для Raspberry Pi Pico. В последнем разделе ты узнаешь, чем датчик TDS отличается от датчика pH, и познакомишься с частыми ошибками.

Что такое TDS и что означает ppm?

TDS — общее количество всех веществ, растворённых в литре воды: основную часть составляют ионы кальция, магния, натрия, калия, гидрокарбоната, хлорида, сульфата и нитрата. Единица измерения — ppm (миллионные доли) или её эквивалент для воды мг/л; 1 ppm означает 1 миллиграмм растворённого вещества в 1 литре воды. Например, каждый литр водопроводной воды с TDS 250 ppm содержит четверть грамма минералов. У чистой (дистиллированной) воды TDS очень близок к нулю, а у морской — около 35 000 ppm.

Сразу важно понять: один лишь TDS не говорит, «чистая или грязная» вода. Богатая минералами родниковая вода может иметь высокий TDS и быть совершенно полезной для здоровья; с другой стороны, вода с низким TDS может содержать бактерии, свинец или пестициды, поскольку они почти не меняют её электропроводность. Датчик TDS отлично подходит для отслеживания минеральной нагрузки воды и её изменений; для оценки микробиологической безопасности нужен лабораторный анализ.

Как работает датчик TDS? От электропроводности к ppm

Датчики TDS для Arduino на самом деле измеряют электропроводность (EC). Чистая вода почти не проводит электричество; чем больше в ней растворённых ионов, тем выше её электропроводность. Плата подаёт небольшое напряжение между двумя электродами на конце зонда и измеряет протекающий ток. Это напряжение переменное, а не постоянное: при постоянном токе на электродах образовывались бы пузырьки газа (поляризация), показания уходили бы, а электроды быстро изнашивались. Плата преобразует результат в аналоговое напряжение от 0 до 2,3 V; Arduino считывает его, переводит сначала в электропроводность (µS/см), а затем в TDS с помощью коэффициента пересчёта.

Пересчёт электропроводности в TDS приблизителен: TDS (ppm) = EC (µS/cm) × k. Большинство измерителей и код в этой статье используют k = 0.5 (шкалу хлорида натрия, или «500»). Некоторые измерители для гидропоники используют 0,7, поэтому два прибора могут показывать для одной воды 500 и 700 ppm и оба быть «правы». При сравнении значений проверяй коэффициент, а в гидропонике по возможности работай напрямую с EC (mS/см).

Температурная компенсация: зачем нужен DS18B20

Электропроводность воды заметно меняется с температурой: при нагреве ионы движутся быстрее, и у одной и той же воды она становится примерно на 2% выше при повышении температуры на каждый 1 °C. Показания одной воды при 15 °C и 30 °C различаются примерно на треть; это намного больше погрешности самого измерения. Поэтому показания TDS приводят к 25 °C: скорректированное напряжение = измеренное напряжение / (1 + 0.02 × (T − 25)). Лучше всего для температуры воды подходит водонепроницаемый DS18B20 в гильзе из нержавеющей стали; его помещают в ту же воду рядом с зондом TDS.

DS18B20 использует протокол с одной линией данных OneWire и обеспечивает точность ±0,5 °C. Между линией данных и VCC нужен подтягивающий резистор 4,7 kΩ; если не знаешь цветовой код, воспользуйся утилитой «Цветовой код». Подробности о датчике и подключении нескольких DS18B20 к одной линии — в статье «Датчик температуры DS18B20». Без датчика температуры код предполагает 25 °C, чего достаточно для простых проверок при комнатной температуре.

Подключение: Arduino Uno, ESP32 и Pico

Код TDS для Arduino: медианный фильтр и компенсация

1. Установи библиотеки OneWire и DallasTemperature через «Менеджер библиотек» (Library Manager).
2. Подключи модуль TDS и DS18B20 по таблице; опусти зонд и датчик температуры в одну и ту же воду.
3. Загрузи код и открой «Монитор порта» (Serial Monitor) на скорости 115200 бод.
4. Подожди 20–30 секунд, пока значения стабилизируются; сразу после погружения зонда в воду первые показания колеблются.
5. Если есть калибровочный раствор с известным значением, опусти в него зонд и введи в мониторе порта, например, cal:707.

1#include <OneWire.h>
2#include <DallasTemperature.h>
3#include <EEPROM.h>
4
5const int TDS_PIN = A0;          // TDS modülü sinyal (A) / TDS module signal (A)
6const int DS_PIN = 2;            // DS18B20 veri, 4,7 kΩ pull-up / DS18B20 data, 4.7 kΩ pull-up
7const float VREF = 5.0;          // Uno ADC referansı / Uno ADC reference
8const int ORNEK = 30;            // medyan filtresi örnek sayısı / samples for the median filter
9
10OneWire oneWire(DS_PIN);
11DallasTemperature ds(&oneWire);
12
13int ornekler[ORNEK];
14int indeks = 0;
15float kFaktor = 1.0;             // kalibrasyon katsayısı (EEPROM'da) / calibration factor (in EEPROM)
16float sicaklik = 25.0;
17float gerilim = 0;
18unsigned long sonOrnek = 0, sonOlcum = 0;
19
20int medyan() {                   // gürültüye karşı ortanca değer / median against noise
21  int t[ORNEK];
22  memcpy(t, ornekler, sizeof(t));
23  for (int i = 1; i < ORNEK; i++) {          // ekleme sıralaması / insertion sort
24    int x = t[i], j = i - 1;
25    while (j >= 0 && t[j] > x) { t[j + 1] = t[j]; j--; }
26    t[j + 1] = x;
27  }
28  return (t[ORNEK / 2] + t[ORNEK / 2 - 1]) / 2;
29}
30
31float tdsHesapla(float volt, float derece, float k) {
32  float komp = 1.0 + 0.02 * (derece - 25.0); // %2/°C sıcaklık kompanzasyonu / 2 %/°C compensation
33  float v = volt / komp;                     // 25 °C'ye indirgenmiş gerilim / voltage at 25 °C
34  float ec = 133.42 * v * v * v - 255.86 * v * v + 857.39 * v;   // iletkenlik, µS/cm / conductivity
35  return ec * 0.5 * k;                       // TDS (ppm) = EC x 0,5 / TDS (ppm) = EC x 0.5
36}
37
38void setup() {
39  Serial.begin(115200);
40  ds.begin();
41  ds.setWaitForConversion(false);            // 750 ms beklemeden ölç / measure without blocking 750 ms
42  ds.requestTemperatures();
43  EEPROM.get(0, kFaktor);
44  if (isnan(kFaktor) || kFaktor < 0.5 || kFaktor > 2.0) kFaktor = 1.0;   // boş EEPROM / empty EEPROM
45  Serial.println("Kalibrasyon / calibration: cal:707 gibi yaz / type e.g. cal:707");
46}
47
48void loop() {
49  if (millis() - sonOrnek >= 40) {           // 40 ms'de bir örnek / one sample every 40 ms
50    sonOrnek = millis();
51    ornekler[indeks] = analogRead(TDS_PIN);
52    indeks = (indeks + 1) % ORNEK;
53  }
54
55  if (millis() - sonOlcum >= 1000) {         // saniyede bir sonuç / one result per second
56    sonOlcum = millis();
57    float t = ds.getTempCByIndex(0);
58    if (t != DEVICE_DISCONNECTED_C) sicaklik = t;   // sensör yoksa 25 °C / 25 °C if no sensor
59    ds.requestTemperatures();                // bir sonraki okuma için / for the next reading
60    gerilim = medyan() * VREF / 1024.0;
61    float tds = tdsHesapla(gerilim, sicaklik, kFaktor);
62    Serial.print("Sicaklik / temp: ");
63    Serial.print(sicaklik, 1);
64    Serial.print(" C  TDS: ");
65    Serial.print(tds, 0);
66    Serial.println(" ppm");
67  }
68
69  if (Serial.available()) {                  // "cal:707" -> bilinen sıvıya göre K / K from a known solution
70    String s = Serial.readStringUntil('\n');
71    s.trim();
72    if (s.startsWith("cal:")) {
73      float hedef = s.substring(4).toFloat();
74      float ham = tdsHesapla(gerilim, sicaklik, 1.0);
75      if (hedef > 0 && ham > 10) {
76        kFaktor = hedef / ham;
77        EEPROM.put(0, kFaktor);              // kalıcı kaydet / save permanently
78        Serial.print("Yeni K / new K: ");
79        Serial.println(kFaktor, 3);
80      }
81    }
82  }
83}
84

Полином третьей степени в коде — эмпирическая кривая, преобразующая выходное напряжение платы в электропроводность; простого множителя недостаточно, поскольку схема на плате нелинейна. Эта кривая подходит для распространённой платы TDS типа Gravity; для другой платы используй формулу производителя или построй свою кривую по нескольким известным растворам. Помни: на Uno с питанием 5 V аналоговое измерение выполняется относительно 5,0 V, а на ESP32 и Pico — относительно 3,3 V; если не задать VREF под свою плату, результаты будут неверными с самого начала.

Калибровка датчика TDS эталонным раствором

Каждый зонд и каждая плата немного отличаются; для наиболее точных результатов откалибруй датчик жидкостью с известным значением. Чаще всего используют стандартный раствор хлорида калия (KCl) 1 413 µS/см, который продают поставщики лабораторного и электронного оборудования; с коэффициентом 0,5 он соответствует примерно 707 ppm. Подойдёт и раствор хлорида натрия 342 ppm, который входит в комплект некоторых карманных TDS-метров. Для калибровки промой зонд чистой водой, промокни бумажным полотенцем, опусти в раствор, подожди 1–2 минуты и введи в мониторе порта cal: со значением ppm раствора после двоеточия. Код сохраняет отношение между измеренным и истинным значениями как коэффициент K в EEPROM, поэтому настройка сохраняется после отключения питания.

Таблица TDS: питьевая вода, аквариум и гидропоника

Понимать значение полученного числа так же важно, как и иметь датчик. Согласно оценке вкуса Всемирной организации здравоохранения, вкус воды ниже 300 ppm считается отличным, при 300–600 ppm — хорошим, 600–900 ppm — удовлетворительным, 900–1 200 ppm — плохим, а выше 1 200 ppm — неприемлемым. Это диапазоны вкуса и пригодности к использованию, а не пределы безопасности для здоровья. В таблице ниже собраны типичные значения для распространённых применений.

В гидропонике концентрацию питательных растворов обычно выражают через электропроводность (EC), и она зависит от растения. Но учти: диапазон этого датчика заканчивается на 1 000 ppm, а раствор для требовательных к питанию растений, например томатов и перцев, превышает этот уровень. В таком случае разбавь пробу дистиллированной водой в известном соотношении, измерь её и умножь результат либо используй датчик EC с более широким диапазоном.

Контроль фильтра воды

Самое полезное домашнее применение датчика TDS — контроль фильтра обратного осмоса (RO). Исправная мембрана RO задерживает большую часть минералов входящей воды; при 300 ppm на входе на выходе обычно получается около 10–30 ppm. Эффективность рассчитывают так: степень задержания = (1 − выход / вход) × 100; если на входе 300 ppm, а на выходе 15 ppm, результат равен 95%. По мере старения мембраны TDS на выходе постепенно растёт; когда степень задержания начинает падать ниже 80–85%, приближается время замены мембраны и предварительных фильтров. Arduino с двумя зондами и двумя DS18B20, одновременно измеряющими вход и выход, может строить график этих изменений месяцами.

Запись TDS с ESP32

С ESP32 ты можешь записывать показания TDS раз в минуту с меткой времени, а позже отправлять их в интернет. Код ниже получает время из интернета по NTP, каждую минуту измеряет температуру воды и TDS и добавляет строки «date,temperature,tds» в файл «/tds.csv» файловой системы LittleFS во встроенной флеш-памяти платы. Позже этот файл можно открыть в Excel и построить график. АЦП ESP32 нелинеен, поэтому код использует analogReadMilliVolts(), которая учитывает калибровочные данные, сохранённые в микросхеме. Подключи сигнал TDS к одному из пинов ADC1 (GPIO 32–39), работающих при включённом Wi-Fi; пины ADC2 нельзя использовать одновременно с Wi-Fi. Время по NTP разобрано в статье «Часы NTP на ESP32».

1#include <WiFi.h>
2#include <LittleFS.h>
3#include <OneWire.h>
4#include <DallasTemperature.h>
5#include <time.h>
6
7const char* WIFI_SSID = "AgAdi";
8const char* WIFI_PASS = "Sifre123";
9const int TDS_PIN = 34;                      // ADC1 kanalı, Wi-Fi ile çalışır / ADC1 channel, works with Wi-Fi
10const int DS_PIN = 4;
11const float K_FAKTOR = 1.0;                  // Arduino'daki gibi kalibre et / calibrate as on the Arduino
12const unsigned long ARALIK_MS = 60000;       // dakikada bir kayıt / one log per minute
13
14OneWire oneWire(DS_PIN);
15DallasTemperature ds(&oneWire);
16unsigned long sonKayit = 0;
17
18float gerilimOku() {                         // 30 örneğin ortancası, volt / median of 30 samples, volts
19  int mv[30];
20  for (int i = 0; i < 30; i++) { mv[i] = analogReadMilliVolts(TDS_PIN); delay(5); }
21  for (int i = 1; i < 30; i++) {
22    int x = mv[i], j = i - 1;
23    while (j >= 0 && mv[j] > x) { mv[j + 1] = mv[j]; j--; }
24    mv[j + 1] = x;
25  }
26  return mv[15] / 1000.0;
27}
28
29float tdsHesapla(float v, float derece) {
30  v = v / (1.0 + 0.02 * (derece - 25.0));    // sıcaklık kompanzasyonu / temperature compensation
31  return (133.42 * v * v * v - 255.86 * v * v + 857.39 * v) * 0.5 * K_FAKTOR;
32}
33
34void setup() {
35  Serial.begin(115200);
36  ds.begin();
37  LittleFS.begin(true);                      // ilk açılışta biçimlendir / format on first boot
38  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
39  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(500);
40  configTzTime("<+03>-3", "pool.ntp.org");   // zaman damgası için NTP / NTP for timestamps
41}
42
43void loop() {
44  if (millis() - sonKayit < ARALIK_MS && sonKayit != 0) return;
45  sonKayit = millis();
46
47  ds.requestTemperatures();                  // ~750 ms bekler / waits ~750 ms
48  float derece = ds.getTempCByIndex(0);
49  if (derece == DEVICE_DISCONNECTED_C) derece = 25.0;
50  float tds = tdsHesapla(gerilimOku(), derece);
51
52  struct tm t;
53  char zaman[20] = "saat-yok";
54  if (getLocalTime(&t, 2000)) strftime(zaman, sizeof(zaman), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &t);
55
56  char satir[64];
57  snprintf(satir, sizeof(satir), "%s,%.1f,%.0f", zaman, derece, tds);
58  File f = LittleFS.open("/tds.csv", FILE_APPEND);   // tarih,sicaklik,tds / date,temp,tds
59  if (f) { f.println(satir); f.close(); }
60  Serial.println(satir);
61}
62

Если хочешь хранить журнал в интернете, вместо LittleFS можно отправлять ту же строку в Google Sheets или в Home Assistant по MQTT; подробности — в статьях «ESP32 и Google Sheets» и «ESP32 и MQTT». У флеш-памяти ограничен ресурс записи; короткая строка раз в минуту не создаёт проблем, но вместо ежесекундной записи лучше привыкнуть собирать показания в ОЗУ и записывать их порциями.

TDS с Raspberry Pi Pico (MicroPython)

На Pico сигнал TDS подключается к GP26 (ADC0), а DS18B20 — к GP22. В MicroPython модули onewire и ds18x20, нужные для DS18B20, встроены в прошивку, поэтому ничего дополнительно устанавливать не нужно. АЦП Pico возвращает через read_u16() значение от 0 до 65535; мы преобразуем его в напряжение относительно 3,3 V. Формула и компенсация такие же, как в коде Arduino; K_FAKTOR можно найти методом калибровки для Arduino и вписать в код.

1from machine import ADC, Pin
2import onewire, ds18x20, time
3
4adc = ADC(26)                     # GP26 = ADC0, TDS sinyali / TDS signal
5ds = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(Pin(22)))   # DS18B20 veri pini / data pin
6roms = ds.scan()
7K_FAKTOR = 1.0                    # kalibrasyon katsayısı / calibration factor
8
9def gerilim_oku(n=31):            # ortanca ile gürültü filtresi / median noise filter
10    olcumler = []
11    for _ in range(n):
12        olcumler.append(adc.read_u16())
13        time.sleep_ms(5)
14    olcumler.sort()
15    return olcumler[n // 2] * 3.3 / 65535
16
17def tds_hesapla(v, derece):
18    v = v / (1.0 + 0.02 * (derece - 25.0))       # 25 °C'ye indir / normalise to 25 °C
19    ec = 133.42 * v ** 3 - 255.86 * v ** 2 + 857.39 * v
20    return ec * 0.5 * K_FAKTOR
21
22while True:
23    derece = 25.0
24    if roms:
25        ds.convert_temp()
26        time.sleep_ms(750)                       # DS18B20 dönüşüm süresi / conversion time
27        derece = ds.read_temp(roms[0])
28    tds = tds_hesapla(gerilim_oku(), derece)
29    print("Sicaklik: {:.1f} C  TDS: {:.0f} ppm".format(derece, tds))
30    time.sleep(1)
31

Датчик TDS и датчик pH: в чём разница

В проектах контроля качества воды датчики TDS и pH часто путают, хотя они измеряют совершенно разные вещи. TDS показывает количество ионов в воде, а pH — насколько она кислая или щелочная (активность ионов водорода). Добавь несколько капель лимонного сока в стакан воды — pH резко упадёт, а TDS почти не изменится; добавь щепотку соли — TDS резко вырастет, а pH останется почти тем же. В аквариумах и гидропонике обычно контролируют оба показателя.

Идеи проектов с датчиком TDS

• Сигнализация фильтра: включай зуммер и выводи на дисплей «replace filter», когда TDS на выходе RO превышает 50 ppm.
• Монитор аквариума: показывай TDS, температуру и уровень воды на одном дисплее и напоминай о времени подмены воды.
• Контроль питания в гидропонике: добавляй питательные вещества перистальтическим насосом при снижении EC; объедини с проектом умной теплицы.
• Журнал водопроводной воды: записывай TDS домашней воды в течение нескольких дней и наблюдай изменения в водоснабжении на графике.
• Вода для полива растений: сравни дождевую, водопроводную и фильтрованную воду и выбери лучшую для растений, чувствительных к засолению.
• Школьный опыт: растворяй разное количество соли и сахара, чтобы показать связь электропроводности с типом растворённого вещества.

Частые ошибки и их решения

Датчик TDS — самый дешёвый и простой инструмент для выражения качества воды числом: с правильной температурной компенсацией и простой калибровкой можно надёжно контролировать водопроводную воду, фильтр, аквариум или раствор для гидропоники. При интерпретации результатов помни, что TDS не измеряет микробиологическую безопасность. В приложении BlueGrays есть пошаговые проекты умной станции полива и регистратора температуры с метками времени, со схемами и кодом; к ним можно добавить датчик TDS.