UltraSonic Liquid Level Controller: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Úvod Ako asi viete, v Iráne je suché počasie a v mojej krajine je nedostatok vody. Niekedy, obzvlášť v lete, je vidieť, že vláda škrtá vodu. Väčšina bytov má teda nádrž na vodu. V našom apartmáne je k dispozícii 1 500 litrová nádrž na vodu. V našom byte je tiež 12 bytových jednotiek. V dôsledku toho sa dá očakávať, že nádrž sa veľmi skoro vyprázdni. K nádrži je pripevnené vodné čerpadlo, ktoré posiela vodu do budovy. Kedykoľvek je nádrž prázdna, čerpadlo funguje bez vody. Táto situácia spôsobuje zvýšenie teploty motora a v priebehu času môže spôsobiť poruchu čerpadla. Pred nejakým časom sa nám táto porucha čerpadla stala druhýkrát a po otvorení motora sme videli, že drôty cievky sú spálené. Potom, čo sme vymenili čerpadlo, aby som tomuto problému opäť predišiel, rozhodol som sa urobiť regulátor hladiny vody. Plánoval som vytvoriť obvod na prerušenie napájania čerpadla vždy, keď voda klesne pod dolný limit v nádrži. Čerpadlo nebude fungovať, kým voda nevystúpi na vysokú hranicu. Po prekročení vysokého limitu obvod opäť pripojí napájanie. Na začiatku som hľadal na internete, či nemôžem nájsť vhodný obvod. Nič vhodné som však nenašiel. Existovalo niekoľko indikátorov vody založených na Arduine, ale môj problém sa nepodarilo vyriešiť. V dôsledku toho som sa rozhodol navrhnúť svoj regulátor hladiny vody. Balíček typu všetko v jednom s jednoduchým grafickým používateľským rozhraním na nastavovanie parametrov. Tiež som sa pokúsil zvážiť štandardy EMC, aby som sa uistil, že zariadenie funguje platne v rôznych situáciách.

Krok 1: Zásada

Pravidlo už asi poznáte. Keď je ultrazvukový impulz vyslaný smerom k objektu, odrazí ho objekt a ozvena sa vráti odosielateľovi. Ak vypočítate čas prejdený ultrazvukovým impulzom, môžete nájsť vzdialenosť objektu. V našom prípade je touto položkou voda.

Všimnite si toho, že keď zistíte vzdialenosť od vody, vypočítate objem prázdneho priestoru v nádrži. Aby ste získali objem vody, musíte odpočítať vypočítaný objem od celkového objemu nádrže.

Krok 2: Senzor, napájací zdroj a ovládač

Hardvér

Na senzor som použil vodotesný ultrazvukový senzor JSN-SR04T. Pracovná rutina je ako HC-SR04 (echo a trig pin).

Špecifikácie:

• Vzdialenosť: 25 cm až 450 cm
• Pracovné napätie: DC 3,0-5,5V
• Pracovný prúd: ＜ 8mA
• Presnosť: ± 1 cm
• Frekvencia: 40kHz
• Pracovná teplota: -20 ~ 70 ℃

Tento ovládač má určité obmedzenia. napríklad: 1- JSN-SR04T nemôže merať vzdialenosť pod 25 cm, takže musíte snímač nainštalovať najmenej 25 cm nad hladinou vody. Maximálne meranie vzdialenosti je navyše 4,5 M. Tento senzor teda nie je vhodný pre obrovské nádrže. 2- presnosť tohto senzora je 1 cm. Výsledkom je, že na základe priemeru nádrže sa môže líšiť rozlíšenie objemu, ktoré zariadenie ukáže. 3- rýchlosť zvuku sa môže líšiť v závislosti od teploty. V dôsledku toho môžu byť presnosti ovplyvnené rôznymi oblasťami. Tieto obmedzenia však neboli pre mňa kľúčové a presnosť bola primeraná.

Ovládač

Použil som STM32F030K6T6 ARM Cortex M0 od STMicroelectronics. Špecifikáciu tohto mikrokontroléra nájdete tu.

Napájací zdroj

Prvá časť je previesť 220V/50Hz (Iran Electricity) na 12VDC. Na tento účel som použil modul napájania zdroja HLK-PM12 s nízkym výkonom. Tento menič AC/DC môže prevádzať 90 ~ 264 VAC na 12VDC s výstupným prúdom 0,25A.

Ako pravdepodobne viete, indukčné zaťaženie relé môže spôsobiť niekoľko problémov s obvodom a napájaním a problémy s napájaním môžu viesť k nestabilite, najmä v mikrokontroléri. Riešením je izolovať napájacie zdroje. Na reléových kontaktoch musíte použiť aj tlmiaci obvod. Existuje niekoľko spôsobov, ako izolovať napájacie zdroje. Môžete napríklad použiť transformátor s dvoma výstupmi. Okrem toho existujú izolované meniče DC/DC v malej veľkosti, ktoré môžu izolovať výstup od vstupu. Na tento účel som použil MINMAX MA03-12S09. Jedná sa o 3W menič DC/DC s izoláciou.

Krok 3: IC supervízora

Podľa poznámky k aplikácii TI: Supervízor napätia (známy tiež ako resetovací integrovaný obvod [IC]) je typ monitora napätia, ktorý monitoruje napájanie systému. Napäťové dohľady sa často používajú s procesormi, regulátormi napätia a sekvencermi - spravidla tam, kde je potrebné snímanie napätia alebo prúdu. Dozorní pracovníci monitorujú napäťové koľajnice, aby zaistili zapnutie, zistili chyby a komunikovali so vstavanými procesormi, aby zaistili zdravie systému. Túto poznámku k aplikácii nájdete tu. Napriek tomu, že mikrokontroléry STM32 majú vstavané dohľady, ako napríklad monitor napájania, na zaistenie toho, aby všetko fungovalo, som použil čip externého dozoru. V mojom prípade som použil TL7705 od TI. Popis tohto IC na webovej stránke Texas Instruments nájdete nižšie: Rodina dohľadov napájacieho napätia integrovaného obvodu TL77xxA je navrhnutá špeciálne na použitie ako regulátory resetovania v mikropočítačových a mikroprocesorových systémoch. Supervízor napájacieho napätia monitoruje napätie na vstupe SENSE kvôli podpätiu. Počas napájania sa výstup RESET stane aktívnym (nízkym), keď VCC dosiahne hodnotu blížiacu sa 3,6 V. V tomto bode (za predpokladu, že SENSE je nad VIT+) funkcia časovača oneskorenia aktivuje časové oneskorenie, po ktorom sa na výstupoch RESET a RESET (NENÍ) neaktívny (vysoký, respektíve nízky). Keď počas normálnej prevádzky dôjde k stavu podpätia, RESET a RESET (NIE) budú aktívne.

Krok 4: Doska s plošnými spojmi (PCB)

DPS som navrhol v dvoch kusoch. Prvým z nich je LCD PCB, ktorý je k základnej doske pripojený plochým/plochým káblom. Druhá časť je PCB regulátora. Na túto DPS som umiestnil napájací zdroj, mikrokontrolér, ultrazvukový senzor a súvisiace komponenty. A tiež výkonová časť, ktorou je relé, varistor a tlmiaci obvod. Ako pravdepodobne viete, mechanické relé, ako napríklad relé, ktoré som použil vo svojom obvode, sa môžu rozbiť, ak vždy fungujú. Na vyriešenie tohto problému som použil normálne blízky kontakt (NC) relé. V normálnej situácii teda relé nie je aktívne a normálne blízky kontakt môže privádzať energiu do čerpadla. Kedykoľvek voda klesne pod dolný limit, relé sa zapne a tým sa vypne napájanie. Keď som to povedal, toto je dôvod, prečo som použil tlmiaci obvod na kontakty NC a COM. Pokiaľ ide o skutočnosť, že čerpadlo malo vysoký výkon, použil som naň druhé 220 relé a poháňam ho relé na PCB.

Tu si môžete stiahnuť súbory PCB, ako sú súbory Altium PCB a Gerber, z môjho GitHubu.

Krok 5: Kód

Použil som STM32Cube IDE, čo je riešenie typu všetko v jednom pre vývoj kódu od STMicroelectronics. Je založený na Eclipse IDE s kompilátorom GCC ARM. Má tiež STM32CubeMX. Viac informácií nájdete tu. Najprv som napísal kód, ktorý obsahoval našu špecifikáciu nádrže (výška a priemer). Rozhodol som sa to však zmeniť na GUI na nastavenie parametrov na základe rôznych špecifikácií.

Krok 6: Inštalácia na nádrž

Nakoniec som preň vyrobil jednoduchý box na ochranu DPS pred vodou. Tiež som urobil otvor v hornej časti nádrže, aby som naň umiestnil senzor.