Máy đo mức bể siêu âm: 5 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Cần theo dõi mức chất lỏng trong giếng có đường kính lớn, bể chứa hoặc thùng chứa hở? Hướng dẫn này sẽ chỉ cho bạn cách chế tạo đồng hồ đo mức chất lỏng không tiếp xúc sonar bằng thiết bị điện tử giá rẻ!

Bản phác thảo trên cho thấy tổng quan về những gì chúng tôi nhắm đến với dự án này. Ngôi nhà tranh mùa hè của chúng tôi có một cái giếng đường kính lớn để cung cấp nước uống trong nhà. Một ngày nọ, tôi và anh trai nói về cách ông của chúng tôi thường đo mực nước theo cách thủ công để theo dõi lượng nước tiêu thụ và dòng chảy trong suốt mùa hè để tránh thấu chi. Chúng tôi nghĩ rằng với thiết bị điện tử hiện đại, chúng tôi có thể phục hồi truyền thống, nhưng với ít lao động chân tay hơn. Với một vài thủ thuật lập trình, chúng tôi đã quản lý để sử dụng Arduino với mô-đun sonar để đo khoảng cách xuống mặt nước (l) với độ tin cậy hợp lý và độ chính xác ± vài mm. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể ước tính thể tích V còn lại, sử dụng đường kính D và độ sâu L đã biết, với độ chính xác khoảng ± 1 lít.

Vì giếng nằm cách nhà khoảng 25m và chúng tôi muốn hiển thị trong nhà nên chúng tôi đã chọn sử dụng hai Arduinos có liên kết dữ liệu ở giữa. Bạn có thể dễ dàng sửa đổi dự án để chỉ sử dụng một Arduino nếu đây không phải là trường hợp của bạn. Tại sao không sử dụng truyền dữ liệu không dây? Một phần là do đơn giản và chắc chắn (dây ít bị hỏng do ẩm) và một phần là do chúng tôi muốn tránh sử dụng pin trên mặt cảm biến. Với một sợi dây, chúng tôi có thể định tuyến cả truyền dữ liệu và cấp nguồn qua cùng một dây cáp.

1) Mô-đun Arduino trong nhà Đây là mô-đun Arduino chính. Nó sẽ gửi tín hiệu kích hoạt đến Arduino trong giếng, nhận khoảng cách đo được và hiển thị lượng nước còn lại được tính toán trên màn hình.

2) Arduino bên giếng và mô-đun sonar Mục đích của Arduino này chỉ đơn giản là nhận tín hiệu kích hoạt từ ngôi nhà, thực hiện phép đo và gửi lại khoảng cách từ mô-đun sonar đến mực nước. Các thiết bị điện tử được tích hợp trong một hộp (tương đối kín), với một ống nhựa được gắn vào mặt nhận của mô-đun sonar. Mục đích của ống là giảm sai số đo bằng cách giảm trường quan sát để chỉ có mặt nước được "nhìn thấy" bởi máy thu.

Bước 1: Các bộ phận, Kiểm tra & Lập trình

Chúng tôi đã sử dụng các phần sau trong dự án này:

• 2 x Arduino (một để đo mức chất lỏng, một để hiển thị kết quả trên màn hình)
• Nguồn điện 12V cơ bản
• Mô-đun siêu âm (sonar) HC-SR04
• Mô-đun màn hình LED MAX7219
• Cáp điện thoại 25 m (4 dây: Nguồn, mặt đất và 2 tín hiệu dữ liệu)
• Hộp gắn kết
• Keo nóng
• Hàn

Chi phí phụ tùng: Khoảng € 70

Để đảm bảo rằng mọi thứ hoạt động như bình thường, trước tiên chúng tôi đã thực hiện tất cả quá trình hàn, đấu dây và kiểm tra băng ghế đơn giản. Có rất nhiều chương trình ví dụ cho cảm biến siêu âm và mô-đun LED trực tuyến, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng chúng để đảm bảo rằng khoảng cách đo được có ý nghĩa (hình 1) và chúng tôi có thể bắt được phản xạ siêu âm từ mặt nước trên- trang web (hình 2). Chúng tôi cũng đã thực hiện một số thử nghiệm kỹ lưỡng đối với liên kết dữ liệu để đảm bảo rằng nó hoạt động liên tục trong khoảng cách xa, điều này được chứng minh là không có vấn đề gì cả.

Đừng đánh giá thấp thời gian dành cho bước này, vì điều quan trọng là phải biết rằng hệ thống hoạt động trước khi nỗ lực gắn mọi thứ vào hộp, đào dây cáp, v.v.

Trong quá trình thử nghiệm, chúng tôi nhận ra rằng mô-đun sonar đôi khi nhận phản xạ âm thanh từ các bộ phận khác của giếng, chẳng hạn như thành bên và ống cấp nước, chứ không phải bề mặt nước. Điều này có nghĩa là khoảng cách đo được đột ngột sẽ ngắn hơn nhiều so với khoảng cách thực đến mực nước. Vì chúng tôi không thể chỉ đơn giản sử dụng tính trung bình để làm phẳng loại lỗi đo lường này, chúng tôi quyết định loại bỏ bất kỳ khoảng cách đo mới nào quá khác với ước tính khoảng cách hiện tại. Điều này không có vấn đề gì vì chúng tôi cho rằng mực nước sẽ thay đổi khá chậm. Khi khởi động, mô-đun này sẽ thực hiện một loạt các phép đo và chọn giá trị lớn nhất nhận được (tức là mức nước thấp nhất) làm điểm bắt đầu có thể xảy ra nhất. Sau đó, ngoài quyết định "giữ / loại bỏ", bản cập nhật một phần của mức ước tính được sử dụng để làm phẳng các lỗi đo ngẫu nhiên. Điều quan trọng nữa là phải cho phép tất cả tiếng vọng tắt đi trước khi tiến hành một phép đo mới - ít nhất là trong trường hợp của chúng tôi khi các bức tường được làm bằng bê tông và do đó rất có tiếng vang.

Bạn có thể tìm thấy phiên bản cuối cùng của mã mà chúng tôi đã sử dụng cho hai Arduinos tại đây:

github.com/kelindqv/arduinoUltrasonicTank

Bước 2: Công trình dân dụng

Vì giếng của chúng tôi nằm cách xa nhà nên chúng tôi phải tạo một rãnh nhỏ trên bãi cỏ để đặt dây cáp.

Bước 3: Kết nối và gắn tất cả các thành phần

Kết nối mọi thứ như ban đầu trong quá trình thử nghiệm và hy vọng rằng nó vẫn hoạt động! Hãy nhớ kiểm tra xem chân TX trên một Arduino có chuyển sang chân RX của một Arduino khác hay không và ngược lại. Như trong hình 1, chúng tôi đã sử dụng cáp điện thoại để cấp nguồn cho Arduino trong giếng, để tránh sử dụng pin.

Hình thứ hai và thứ ba cho thấy cách sắp xếp ống nhựa, với máy phát được đặt bên ngoài ống và máy thu được đặt bên trong (vâng, đây là một vị trí chụp không thoải mái…)

Bước 4: Hiệu chuẩn

Để đảm bảo rằng khoảng cách từ cảm biến đến mực nước được tính toán chính xác, việc hiệu chuẩn chỉ là vấn đề đo đường kính của giếng và tổng độ sâu để có thể tính được thể tích chất lỏng. Chúng tôi cũng điều chỉnh các thông số thuật toán (thời gian giữa các lần đo, các thông số cập nhật từng phần, số lần đo ban đầu) để đưa ra một phép đo mạnh mẽ và chính xác.

Vậy cảm biến theo dõi mức chất lỏng tốt như thế nào?

Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy hiệu quả của việc xả vòi trong vài phút, hoặc xả bồn cầu, đó là những gì chúng ta mong muốn. Chúng tôi thậm chí có thể thấy rằng giếng được lấp đầy với tốc độ tương đối có thể dự đoán được chỉ qua một đêm - tất cả chỉ bằng một cái nhìn thoáng qua trên màn hình. Sự thành công!

Lưu ý: - Việc chuyển đổi khoảng cách thời gian hiện không hiệu chỉnh đối với những thay đổi về tốc độ âm thanh do sự thay đổi nhiệt độ. Đây có thể là một bổ sung tốt đẹp trong tương lai, vì nhiệt độ trong giếng sẽ thay đổi khá nhiều!

Bước 5: Sử dụng lâu dài

Cập nhật 1 năm: Cảm biến hoạt động hoàn hảo mà không có dấu hiệu bị ăn mòn hoặc hư hỏng bất chấp môi trường ẩm ướt! Vấn đề duy nhất trong năm là hơi nước tích tụ trên cảm biến khi thời tiết lạnh (vào mùa đông), điều này rõ ràng là làm tắc cảm biến. Đây không phải là vấn đề trong trường hợp của chúng tôi vì chúng tôi chỉ cần các bài đọc trong mùa hè, nhưng những người dùng khác có thể phải sáng tạo!:) Cách nhiệt hoặc thông gió có lẽ là những giải pháp khả thi. Chúc bạn phát minh vui vẻ!