Controlador de nivel de líquido UltraSonic: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Introducción Como probablemente sepa, Irán tiene un clima seco y hay escasez de agua en mi país. A veces, sobre todo en verano, se ve que el gobierno corta el agua. Por eso, la mayoría de los apartamentos tienen tanque de agua. Hay un tanque de 1500 litros en nuestro apartamento que proporciona agua. Además, hay 12 unidades residenciales en nuestro apartamento. Como resultado, se puede esperar que el tanque se vacíe muy pronto. Hay una bomba de agua conectada al tanque que envía agua al edificio. Siempre que el tanque está vacío, la bomba funciona sin agua. Esta situación provoca un incremento en la temperatura del motor y, durante el tiempo, puede provocar la avería de la bomba. Hace algún tiempo, esta falla de la bomba sucedió por segunda vez para nosotros, y después de abrir el motor, vimos que los cables de la bobina estaban quemados. Después de reemplazar la bomba, para evitar este problema nuevamente, decidí hacer un controlador de nivel de agua. Planeé hacer un circuito para cortar el suministro de energía de la bomba cada vez que el agua cayera por debajo del límite bajo en el tanque. La bomba no funcionará hasta que el agua llegue a un límite alto. Después de pasar el límite alto, el circuito volverá a conectar la fuente de alimentación. Al principio, busqué en Internet para ver si podía encontrar un circuito adecuado. Sin embargo, no encontré nada apropiado. Había algunos indicadores de agua basados en Arduino, pero no pudieron resolver mi problema. Como resultado, decidí diseñar mi controlador de nivel de agua. Un paquete todo en uno con una sencilla interfaz gráfica de usuario para configurar parámetros. Además, traté de considerar los estándares EMC para asegurarme de que el dispositivo funciona de manera válida en diferentes situaciones.

Paso 1: Principio

Probablemente conozca el principio antes. Cuando la señal de pulso ultrasónico se emite hacia un objeto, es reflejada por el objeto y el eco regresa al emisor. Si calcula el tiempo recorrido por el pulso ultrasónico, puede encontrar la distancia del objeto. En nuestro caso, el artículo es el agua.

Tenga en cuenta que cuando encuentra la distancia al agua, está calculando el volumen de espacio vacío en el tanque. Para obtener el volumen de agua, debe restar el volumen calculado del volumen total del tanque.

Paso 2: Sensor, fuente de alimentación y controlador

Hardware

Para el sensor, utilicé el sensor ultrasónico impermeable JSN-SR04T. La rutina de trabajo es como HC-SR04 (pin de eco y disparo).

Especificaciones:

• Distancia: 25 cm a 450 cm
• Voltaje de funcionamiento: DC 3,0-5,5 V
• Corriente de trabajo: ＜ 8mA
• Precisión: ± 1 cm
• Frecuencia: 40 kHz
• Temperatura de trabajo: -20 ~ 70 ℃

Tenga en cuenta que este controlador tiene algunas limitaciones. por ejemplo: 1- JSN-SR04T no puede medir distancias por debajo de 25 CM, por lo que debe instalar el sensor al menos 25 CM por encima de la superficie del agua. Además, la medida de distancia máxima es de 4.5M. Entonces este sensor no es adecuado para tanques grandes. 2- la precisión es de 1 CM para este sensor. Como resultado, en función del diámetro del tanque, se puede variar la resolución del volumen que mostrará el dispositivo. 3- la velocidad del sonido puede variar según la temperatura. Como resultado, la precisión puede verse afectada por diferentes regiones. Sin embargo, estas limitaciones no fueron cruciales para mí y la precisión fue adecuada.

El controlador

Usé STM32F030K6T6 ARM Cortex M0 de STMicroelectronics. Puede encontrar la especificación de este microcontrolador aquí.

La fuente de poder

La primera parte es convertir 220V / 50Hz (electricidad de Irán) a 12VDC. Para este propósito, utilicé el módulo de fuente de alimentación reductor HLK-PM12. Este convertidor CA / CC puede convertir 90 ~ 264 V CA a 12 V CC con una corriente de salida de 0,25 A.

Como probablemente sepa, la carga inductiva en el relé puede causar varios problemas en el circuito y la fuente de alimentación, y la dificultad en la fuente de alimentación puede provocar inconstancia, especialmente en el microcontrolador. La solución es aislar las fuentes de alimentación. Además, debe usar un circuito amortiguador en los contactos del relé. Existen varios métodos para aislar las fuentes de alimentación. Por ejemplo, puede utilizar un transformador con dos salidas. Además, existen convertidores CC / CC aislados en un tamaño pequeño que pueden aislar la salida de la entrada. Usé MINMAX MA03-12S09 para este propósito. Es un convertidor DC / DC de 3W con aislamiento.

Paso 3: el supervisor IC

Según la nota de la aplicación TI: Un supervisor de voltaje (también conocido como circuito integrado de reinicio [IC]) es un tipo de monitor de voltaje que monitorea la fuente de alimentación de un sistema. Los supervisores de voltaje se utilizan a menudo con procesadores, reguladores de voltaje y secuenciadores, en general, donde se requiere detección de voltaje o corriente. Los supervisores monitorean los rieles de voltaje para asegurar el encendido, detectar fallas y comunicarse con los procesadores integrados para garantizar el estado del sistema. puedes encontrar esta nota de la aplicación aquí. Aunque los microcontroladores STM32 tienen supervisores integrados, como el monitor de suministro de energía, utilicé un chip supervisor externo para asegurarme de que todo funcionará bien. En mi caso, utilicé TL7705 de TI. Puede ver la descripción del sitio web de Texas Instruments para este IC a continuación: La familia TL77xxA de supervisores de voltaje de suministro de circuito integrado está diseñada específicamente para su uso como controladores de reinicio en sistemas de microcomputadoras y microprocesadores. El supervisor de voltaje de suministro monitorea el suministro en busca de condiciones de bajo voltaje en la entrada SENSE. Durante el encendido, la salida RESET se activa (baja) cuando VCC alcanza un valor cercano a 3.6 V. En este punto (asumiendo que SENSE está por encima de VIT +), la función de temporizador de retardo activa un retardo de tiempo, después del cual las salidas RESET y RESET (NO) pasar a inactivo (alto y bajo, respectivamente). Cuando ocurre una condición de bajo voltaje durante el funcionamiento normal, RESET y RESET (NO) se activan.

Paso 4: la placa de circuito impreso (PCB)

Diseñé el PCB en dos piezas. La primera es la PCB LCD que está conectada a la placa base con un cable plano / plano. La segunda parte es la PCB controladora. En este PCB, coloqué la fuente de alimentación, el microcontrolador, el sensor ultrasónico y los componentes relacionados. Y también la parte de potencia que es el circuito de relé, varistor y amortiguador. Como probablemente sepa, los relés mecánicos, como un relé que usé en mi circuito, pueden romperse si siempre funcionan. Para superar este problema, utilicé el contacto normalmente cerrado (NC) del relé. Entonces, en una situación normal, el relé no está activo y normalmente un contacto cercano puede conducir energía a la bomba. Siempre que el agua descienda por debajo del límite bajo, el relé se encenderá y esto cortará la energía. Dicho esto, esta es la razón por la que utilicé el circuito amortiguador en los contactos NC y COM. Con respecto al hecho de que la bomba tenía alta potencia, utilicé el segundo relé 220 para ella y lo conduzco con el relé en PCB.

Puede descargar archivos PCB como archivos Altium PCB y archivos Gerber desde mi GitHub aquí.

Paso 5: Código

Usé el STM32Cube IDE, que es una solución todo en uno para el desarrollo de código de STMicroelectronics. Está basado en Eclipse IDE con compilador GCC ARM. Además, tiene STM32CubeMX. Puedes encontrar más información aquí. Al principio, escribí un código que incluía la especificación de nuestro tanque (altura y diámetro). Sin embargo, decidí cambiarlo a GUI para configurar parámetros basados en diferentes especificaciones.

Paso 6: instalación en el tanque

Al final, hice una caja simple para proteger el PCB del agua. Además, hice un agujero en la parte superior del tanque para colocar el sensor.