Ултразвуков измервател на капацитета на резервоарите за дъждовна вода: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Ако сте нещо подобно на мен и имате малко съвест за околната среда (или просто кожичките от кожа искат да спестят няколко долара - което също съм аз …), може да имате резервоар за дъждовна вода. Имам резервоар за събиране на доста редкия дъжд, който вали в Австралия - но момче о момче, когато вали тук, наистина вали! Резервоарът ми е висок около 1,5 м и е на цокъл, което означава, че трябва да изляза от стъпки, за да проверя нивото на водата (или - понеже съм толкова мързелив, балансирам несигурно върху стара газова бутилка от барбекюто, която сега е взета до постоянно пребиваване като „стъпка“до резервоара).

Исках някакъв начин да мога да проверя нивото на водата в резервоара, без цялото катерене и окачване на дренажната тръба с една ръка (докато се притеснявам какви паяци могат да стоят зад него - чували сте за австралийски паяци - нали?) … И така, с подновения интерес към електрониката в края на живота и евтините клонинги на Arduino от Китай в ebay, реших да започна да създавам „джаджа“, за да свърша работата вместо мен.

Сега моята джаджа „мечта“беше да бъда постоянно инсталиран в резервоара, да използвам източник на захранване със слънчева енергия, с дистанционно отчитане в гаража ми или може би безжичен предавател, използващ Bluetooth, който мога да проверя от телефона си, или може би дори Устройство тип ESP, хостващо автоматично актуализирана уеб страница, за да мога да проверя нивото на водата в моя резервоар от всяка точка на света през интернет … но наистина - защо ми е необходимо всичко това? Затова набрах малко своите велики идеали (добре, доста значително) и премахнах безжичността на решението, трайно инсталираното, слънчевото зареждане и възможността да проверявам нивото на резервоара си от задния край на отвъд (винаги ако приемем, че задната част на извън има WiFi, т.е. …)

Полученият проект беше понижен в ръчното устройство, видяно по -горе, което може просто да се задържи над отвора на резервоара и да се активира с бутон, с цифрово отчитане, което може да се чете от нивото на земята - далеч по -практично.

Стъпка 1: Математиката …

След като си поиграх с няколко идеи как да определям нивото на водата - реших да използвам ултразвуков предавател/приемник като основа за джаджата си и да използвам Arduino, за да взема показанията и да правя всички математически изчисления. Показанията, върнати от сензора, са (косвено) под формата на разстояние - от ултразвуковия сензор до повърхността, която е отскочила (повърхността на водата - или дъното на резервоара, ако е празно), и обратно, така че имаме нужда да направите няколко неща с това, за да стигнете до процент, останал в резервоара.

NB - всъщност стойността, върната от сензора, всъщност е само времето, необходимо на сигнала да напусне страната на излъчвателя и да се върне към приемника. Това е в микросекунди - но знаейки, че скоростта на звука е 29 микросекунди на см (Какво? Не знаехте това? Pfft…), прави лесно преобразуване от период от време в измерване на разстояние.

Първо - разбира се, трябва да разделим разстоянието на 2, за да изведем сензора на повърхностно разстояние. След това извадете постоянното разстояние от сензора до "максималната" дълбочина на водата. Останалата стойност е дълбочината на водата, която е била използвана. След това извадете тази стойност от максималната дълбочина на водата, за да намерите дълбочината на водата, останала в резервоара.

Тази стойност тогава е в основата на всякакви други изчисления, като например изработването на тази дълбочина на водата като процент от максималната дълбочина, или умножаването на дълбочината с постоянната „повърхностна площ“, за да се получи обем вода, който може да бъде показан в литри (или галони, или всяка друга единица - стига да знаете математиката, за да го направите - аз се придържам към процент за простота).

Стъпка 2: Практики

Устройството може да се държи на ръка, но това въвежда малка възможност за малки неточности, ако устройството не се държи на едно и също място и под един и същ ъгъл всеки път. Макар че това щеше да бъде само много малка грешка и вероятно дори не такава, която да се регистрира, това би било нещо, което ме присвиваше.

Въпреки това, да бъдеш ръчен, въвежда много по-голямата възможност проклетото нещо да бъде изпуснато в резервоара и никога повече да не се види. Така че, за да се смекчат ДВЕ от тези възможности, тя ще бъде фиксирана върху дължина от дърво, която след това се поставя над отвора на резервоара - така че измерването да се взема от една и съща височина и ъгъл всеки път (и ако ИС пада в резервоар, поне дървото ще плува).

Бутонът активира устройството (като по този начин елиминира необходимостта от превключвател за включване/изключване и възможността за случайно сплескана батерия) и задейства скицата в Arduino. Това отнема редица показания от HC-SR04 и отнема средното от тях (за смекчаване на всякакви нестабилни показания).

Включих и малко код, за да проверя за високо или ниско на един от цифровите входно/изходни щифтове на Arduino и го използвах, за да поставя устройството в режим, който нарекох „Калибриране“. В този режим дисплеят просто показва действителното разстояние (разделено на 2), върнато от сензора, за да мога да проверя точността му спрямо рулетка.

Стъпка 3: Съставките

Устройството се състои от три основни компонента …

1. Модул за предавател/приемник HC-SR04 ултразвуков
2. Микроконтролер Arduino Pro Mini
3. 4 -цифрен 7 -сегментен LED дисплей или „модул“на дисплея, като TM1637

Всичко по -горе може лесно да бъде намерено в ebay, като просто потърсите термините, показани с удебелен шрифт.

В това приложение дисплеят просто използва 3 цифри, за да покаже % стойност от 0-100 или 4 цифри, за да покаже броя на литрите (максимум 2000 в моя случай), така че всеки 4 -цифрен дисплей ще направи - не е нужно притеснявайте се дали модулът има десетични точки или двоеточия. „Модул“на дисплея (LED, монтиран на пробивна платка, с интерфейсен чип) е по -лесен, тъй като използва по -малко пинови връзки, но суровият LED дисплей с 12 пина може да бъде настанен от Arduino с някои малки модификации на кода (всъщност моят оригинален дизайн се основаваше на тази настройка). Имайте предвид обаче, че използването на необработен LED дисплей също изисква 7 резистора за ограничаване на тока, който се изтегля от всеки сегмент. Случайно имах наличен модул за показване на часовник TM1637, затова реших да го използвам.

Допълнителните битове и бобове включват щипка за 9v батерия (и батерия, очевидно), моментален превключвател с бутон „push-to-make“, кутия за проект, щифтове за заглавки, свързващи проводници и дължина от 2 "x4" дървен материал, която надвишава диаметърът на отвора на резервоара.

Допълнителните битове и бобове (освен парчетата дървен материал) бяха закупени от моята местна верига за електроника за хоби - която е Jaycar в Австралия. Предполагам, че Maplin във Великобритания би била жизнеспособна алтернатива и мисля, че има няколко в САЩ, като Digikey и Mouser. Опасявам се, че не знам за други страни, но съм сигурен, че ако нямате подходящ търговски обект или онлайн доставчик във вашата страна, тогава китайските продавачи на ebay ще дойдат вместо вас, ако не имайте предвид, че чакате няколко седмици за доставка (по ирония на съдбата, въпреки че сте един от най -близките ни съседи, 6 седмици или повече не са необичайни за доставка до Австралия от Китай!).

Уверете се, че сте получили достатъчно голяма кутия за проект - предположих в моята, преди компонентите да са на разположение, и това е наистина много стегнато - може да се наложи да си взема различен бутон, който използва по -малко място.

О, и между другото, дължината на дървения материал просто дойде от някои отломки, които държа в ъгъла на гаража си (като дом за повече от тези прекрасни паяци).

След като разберете красотата и функционалността, може да решите да адаптирате версията си и да включите превключвател за включване/изключване или да използвате 18650 литиево-йонен източник на захранване, със слънчев панел и контролер за зареждане, за да го поддържате постоянно готов и готов за работа или променете простия LED дисплей за многоредов LCD или графичен OLED с повече опции за показване на информация, като например показване на процента И литри, останали по едно и също време. Или можете да отидете за изцяло пеещия, танцуващ безжичен IoT модул, постоянно инсталиран в резервоара СЪС слънчево зареждане. Бих искал да чуя за вашите вариации и модификации.

Стъпка 4: Тестване на прототипа (и кода)

След като закупих HC-SR04 от евтин китайски източник в ebay, всъщност не очаквах да получа изключително точна единица, затова исках първо да я тествам на макета, в случай че трябва да добавя код за корекция на разстоянието в моята скица.

В този момент се оглеждах за основна информация за това как да се свържа и използвам HC-SR04 и трябва да призная инструкциите на jsvester „Прост пример за Arduino и HC-SR04“. Неговият пример и опит бяха чудесна отправна точка, от която да започна да кодирам.

Открих библиотеката с функции на NewPing за HC-SR04, която включва вградена функционалност, за да вземе средната стойност от множество показания, като по този начин направи моя код много по-опростен.

Открих библиотека и за модула за показване на часовник TM1637, което направи показването на числа много по -лесно. В моя първоначален код (за 4-цифрения 7-сегментен дисплей) трябваше да разделя номера на отделни цифри, след което да изградя всяка отделна цифра на дисплея, като знам кои сегменти да осветявам, и след това да преминавам през всяка цифра в числото, и изграждане на този номер върху подходящата цифра на дисплея. Този метод се нарича мултиплексиране и ефективно показва само една цифра наведнъж, но преминава през тях от една цифра до друга толкова бързо, че човешкото око не забелязва и ви заблуждава да вярвате, че всички цифри са включени по същото време. Както при библиотеката HC-SR04, улесняваща измервателните операции, тази библиотека за дисплеи се грижи за цялото мултиплексиране и обработката на цифри. Референтните страници на Arduino, посочени по -горе, дават някои примери и, разбира се, всяка библиотека идва с примерен код, който може да бъде много полезен.

н

И така, горните снимки показват моята тестова платформа - тествам я на моя Arduino Uno за простота, тъй като тя вече е настроена за временни връзки за повторно използване за прототипиране. Устройството работи в режим „Калибриране“тук (забележете, че цифровият щифт 10 - белият проводник - е свързан към земята) и отчита точно 39 см към кутията, която бях поставил на случаен принцип пред него, както е показано на рулетката. В този режим показвам малкото „c“преди измерването, само за да покажа, че това не е нормалното измерване.

Освен Vcc (5v) и Ground, HC -SR04 се нуждае от 2 други връзки - спусъка (жълто към пин 6) и ехо (зелено към щифт 7). Дисплеят също се нуждае от Vcc (5v) и Ground и още 2 връзки - часовник (син към щифт 8) и DIO (лилав до щифт 9). Както вече беше споменато, режимът на работа се управлява от висок или нисък пин 10 (бял). Връзките ще използват същите щифтове на Arduino Pro Mini, но ще бъдат постоянно запоени. Режимът на работа ще може да се избира с помощта на джъмпер през два от трите щифта на заглавието, свързани съответно към Vcc, щифт 10 и маса.

Официалните спецификации за HC -SR04 твърдят нещо като максимална грешка от само 3 милиметра до максимално проектираното работно разстояние от 4 метра, така че представете си моята изненада да открия, че устройството ми със сигурност е било точно до тази степен до 2 метра - което е доста повече от това, от което се нуждая. Поради ограниченото място за бърза и мръсна настройка на теста, резултатите от моите тестове извън това разстояние бяха повредени от отражения от повърхности, различни от моята тестова цел, тъй като лъчът от предавателя се разпространяваше и поемаше в по -широка област. Но стига да е добре до 1,5 метра - това ще ми се отрази добре, благодаря ви много:-)

Стъпка 5: Ино скица с габарит на дъждовната вода

Пълният код е приложен, но по -долу ще включа няколко извлечения, за да обясня някои от стъпките.

На първо място, настройката …

#включва

#include #include // щифтове за HC-SR04 #define pinTrig 6 #define pinEcho 7 NewPing сонар (pinTrig, pinEcho, 155); // 400см е макс. За HC-SR04, 155см е макс. За резервоара // LED модулни свързващи щифтове (цифрови пинове) #определи CLK 8 #определи DIO 9 TM1637 Дисплей дисплей (CLK, DIO); // Други изводи #дефинирайте opMode 10

Освен библиотеките TM1637 и NewPing, включих и библиотека по математика, която ми дава достъп до функцията „закръгляване“. Използвам това в някои от математиките, за да ми позволи да покажа процента до най -близките 5% например.

След това се определят щифтовете за двете устройства и се инициират устройствата.

И накрая, определям щифт 10 за режима на работа.

// изключва всички сегменти за всички цифри

uint8_t байтове = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; display.setSegments (байтове);

Този раздел от код демонстрира един начин за управление на модула на дисплея, позволявайки индивидуален контрол на всеки сегмент във всяка цифра. Задал съм 4 -те елемента в масива, наречени байтове, всички да са нула. Това означава, че всеки бит от всеки байт е нула. 8 -те бита се използват за управление на всеки от 7 -те сегмента и десетичната запетая (или двоеточието в дисплей тип часовник). Така че, ако всички битове са нула, тогава нито един от сегментите няма да светне. Операцията setSegments изпраща съдържанието на масива на дисплея и не показва (в този случай) нищо. Всички сегменти са изключени.

Най -значимият бит в байт контролира DP, а след това останалите 7 бита контролират 7 -те сегмента от G до A в обратен ред. Така че, за да се покаже числото 1 например, са необходими сегменти B и C, така че двоичното представяне ще бъде '0b00000110'. (Благодаря на CircuitsToday.com за изображението по -горе).

// Вземете 10 показания и използвайте средната продължителност.

int duration = sonar.ping_median (10); // продължителността е в микросекунди, ако (продължителност == 0) // Грешка при измерване - неубедителна или без ехо {uint8_t байта = {0x00, 0b01111001, 0b01010000, 0b01010000}; // Сегменти за изписване на "Err" display.setSegments (байтове); }

Тук казвам на HC-SR04 да вземе 10 показания и да ми даде средния резултат. Ако не се връща стойност, тогава единицата е извън обхвата. След това използвам същата техника, както по -горе, за да контролирам специфични сегменти на 4 -те цифри, да изписвам буквите (празно), E, r и r. Използването на двоична нотация прави малко по -лесно свързването на отделните битове със сегментите.

Стъпка 6: Зареждане на код в Arduino Pro Mini (без USB)

Както казах по -рано, артикулите от китайските продавачи на ebay често отнемат 6 седмици или повече, за да пристигнат и голяма част от прототипирането и писането на кода ми бяха направени, докато чаках да пристигнат някои от компонентите - Arduino Pro Mini е един от тях.

Едно нещо, което не забелязах за Pro Mini, преди да го поръчам, е, че няма USB порт за изтегляне на скицата. Така че, след малко неистово гугъл, открих, че има два начина за зареждане на скица в този случай - единият изисква специален кабел, който преминава от USB на вашия компютър, до 6 специфични пина на Pro Mini. Тази група от 6 пина са известни като щифтове на ISP (програмист в системата) и всъщност можете да използвате този метод на всеки Arduino, ако искате - но тъй като USB интерфейсът е достъпен за почти всички други варианти на Arduino (аз мисля), използването на тази опция е много по -просто. Другият метод изисква да имате друг Arduino с USB интерфейс, който да действа като „посредник“.

За щастие наличието на моя Arduino Uno означаваше, че мога да използвам втория метод, който ще очертая за вас по -долу. Той се нарича с помощта на „Arduino като ISP“. Накратко, зареждате специална скица на вашия „посредник“Arduino, което я превръща в сериен интерфейс. След това заредете действителната си скица, но вместо нормалната опция за качване, използвате опция от менюто IDE, която качва „използвайки Arduino като ISP“. „Посредственият“Arduino след това взема действителната ви скица от IDE и я предава на ISP щифтовете на Pro Mini, вместо да я зарежда в собствената си памет. Не е трудно, след като разберете как работи, но това е допълнителен слой сложност, който може да искате да избегнете. Ако случаят е такъв или нямате друг Arduino, който можете да използвате като „посредник“, тогава може да искате да закупите Arduino Nano или някой от другите модели с малък форм-фактор, който включва USB интерфейса и прави програмирането по -проста перспектива.

Ето няколко ресурса, които може да ви бъдат полезни при разбирането на процеса. Arduino Reference се отнася конкретно за записване на нов буутлоудър към целевото устройство, но можете също толкова лесно да заредите скица по същия начин. Открих, че видеоклипът на Джулиан Илет прави концепцията много по -ясна, въпреки че той прескача частта в справочника за Arduino, която обяснява как да свържете двете Arduino заедно, и вместо това програмира чип на макет.

• Референтното ръководство на Arduino - Използване на Arduino като ISP
• YouTube видео на Julian Ilett - Използване на Arduino като ISP

Тъй като Pro Mini няма удобно групираните 6 ISP пина, трябва да декодирате кои от цифровите пинове са свързани с 4 -те програмни пина (другите две връзки са само Vcc и Gnd - така че са доста ясни). За щастие за вас, вече съм преминал през това - и съм готов да споделя знанията с вас - какъв щедър човек съм !!

Arduino Uno и много други от семейство Arduino имат 6 -те пина, удобно подредени в 3x2 блок, като този (изображение от www.arduino.cc).

За съжаление, Pro Mini не го прави. Както можете да видите по -долу, те всъщност са доста лесни за идентифициране и все още са подредени в 2 блока от 3 щифта. MOSI, MISO и SCK са същите като цифровите пинове 11, 12 и 13 съответно както на Pro Mini, така и на Arduino Uno, а за програмиране на ISP просто свържете 11 до 11, 12 до 12 и 13 до 13. Pro Пенсът за нулиране на Mini трябва да бъде свързан към щифта Uno 10, а Vcc (5v)/Ground на Pro Mini трябва да бъде свързан към Arduino +5v/Ground. (Изображение от www.arduino.cc)

Стъпка 7: Монтаж

Както споменах, попих по случая и съжалих. За да се поберат всички компоненти, беше истински натиск. Всъщност трябваше да огъна контактите на бутоните настрани и да сложа малко опаковки отвън, за да го повдигна още малко, така че да се побере в дълбочината на кутията, и трябваше да смила 2-3 мм от всяка страна на платката на модула на дисплея, за да се побере и тя.

Пробих 2 дупки в кутията, за да проникнат ултразвуковите сензори. Пробих дупките малко прекалено малко и след това постепенно ги увеличих с помощта на малка въртяща се мелница, за да мога да ги накарам да се окажат хубави „притискане“. За съжаление, те бяха твърде близо до страните, за да могат да използват мелницата от вътрешността на кутията и това трябваше да се направи отвън, което доведе до много драскотини и следи от кънки, където мелницата се плъзна - о, добре, това е всичко на дъното все пак - на кой му пука..?

След това изрязах слот в единия край, който е с правилния размер, за да пробие дисплеят. Отново - предположението ми за размера на кутията ме захапа отзад, тъй като слотът ме остави с много тънко парче над дисплея, което неизбежно се счупи, докато го подавах гладко. О, добре - за това е измислено супер -лепилото …

И накрая, с всички компоненти, грубо разположени в кутията, измерих къде да поставя дупката в капака, така че тялото на бутона да попадне в крайното налично пространство. ПРОСТО!!!

След това запоех всички компоненти заедно, за да тествам, че те все още работят след моето огъване, смилане и подрязване, преди да ги сглобя всички в кутията. Можете да видите връзката на джъмпера точно под модула на дисплея, с щифт 10 на Arduino (бял проводник), свързан към Gnd, като по този начин устройството се поставя в режим на калибриране. Дисплеят отчита 122см нагоре от пейката ми - сигурно е взел сигнал, отразен обратно от горната част на рамката на прозореца (твърде ниска е, за да бъде таванът).

Тогава беше случай на разбиване на пистолета за горещо лепило и поставяне на всички компоненти на място. След като направих това, открих, че малката хлабина между горната част на модула на дисплея и капака, след като модулът е залепен на място, оставя малко издутина, където капакът няма да приляга толкова плътно, колкото бих искал. Може един ден да се опитам да направя нещо по въпроса - или по -вероятно няма да…

Стъпка 8: Готовата статия

След няколко теста след сглобяване и корекция на кода ми, за да се отчете дълбочината на парчето дърво, към което бях завинтвал устройството (което напълно пренебрегнах в изчисленията си - d'oh !!), всичко е готово. Най -после!

Сглобено тестване

Когато устройството просто седи с лице надолу на пейката ми, очевидно няма да има отражен сигнал, така че устройството правилно показва състояние на грешка. Същото би било вярно, ако най -близката отразяваща повърхност е извън обхвата на устройството.

Изглежда, че от пейката ми до пода е 76 см (добре, 72 см плюс 4 см дълбочина на парчето дърво).

Долната страна на устройството, показваща предавателя и приемника, надвиснали върху парчето дърво - наистина трябва да спра да го наричам парче дърво - отсега нататък ще бъде наричано платформа за стабилизация и прецизно поставяне на габарита! За щастие, това вероятно е последният път, когато ще го спомена;-)

Ооо - можете да видите всички тези гадни драскотини и следи от кънки в тази …

… и ето готова част, поставена в нормален режим на работа, действително измерващ капацитета на моя резервоар с точност до 5%. Беше (много) дъждовен неделен следобед, който ме накара да завърша този проект, следователно дъждовните капки на устройството и много приятните 90% четене.

Надявам се, че сте се радвали да прочетете тази инструкция и че сте научили малко за програмирането на Arduino, физиката и използването на сонар/ултразвуково отражение, подводните камъни при използването на догадки при планирането на вашия проект и че сте се вдъхновили да направите своя собствен габарит на резервоара за дъждовна вода - и след това да инсталирате резервоар за дъждовна вода, за да го използвате, като същевременно помагате малко на околната среда и спестявате от сметката си за вода.

Моля, прочетете нататък - за случилото се на следващия ден …!

Стъпка 9: Послепис - Сто (и пет) процента?

Така че, в понеделник след дъждовната неделя, резервоарът беше напълно толкова пълен, колкото би могъл да бъде. Тъй като това е един от много малкото случаи, в които съм го виждал напълно пълен, мислех, че това ще бъде идеалното време за сравняване на габарита, но познайте какво - той се регистрира като 105%, така че очевидно имаше нещо нередно.

Извадих моята пръчка и установих, че първоначалните ми предположения за 140 см като максимална дълбочина на водата и 16 см за височина (въз основа на визуални прогнози, направени извън резервоара), и двете са малко по -различни от действителните измервания. Така въоръжен с реалните данни за моя 100% бенчмарк, успях да оправя кода си и да презаредя Arduino.

Оказва се, че максималната дълбочина на водата е 147 см, като точката на измерване е 160 см, като дава 13 см височина на главата (сумата от пространството за глава в резервоара, височината на гърлото на резервоара и дълбочината на …, не, какво ?! Имам предвид дълбочината на платформата за стабилизация и прецизно поставяне на габарита!).

След съответното коригиране на променливите maxDepth и височината, както и нулиране на максималния обхват на сонарния обект да бъде 160 см, бързо повторно тестване показа 100%, което спадна до 95%, докато повдигнах малко габарита (за да симулира малко количество от използвана вода).

Работата свършена!

PS - това е първият ми опит за инструктаж. Ако харесвате моя стил, чувство за хумор, честност да признавам грешки (ей - дори аз не съм перфектен …) и т.н. - уведомете ме и това може да ми даде тласък да направя още една.

Стъпка 10: Следмислене

Използваем капацитет

Така че минаха няколко седмици, откакто публикувах тази инструкция, и имах много коментари в отговор, някои от които предлагаха някои алтернативни механизми - както електронни, така и ръчни. Но това ме накара да се замисля и има нещо, което вероятно трябваше да посоча в началото.

• Моят резервоар има помпа, която е инсталирана на нивото на земята - малко под основата на резервоара. Тъй като помпата е най -ниската точка в системата и водата от помпата е под налягане, мога да използвам пълния капацитет на моя резервоар.
• ОБАЧЕ - ако вашият резервоар няма помпа и разчита на гравитачно захранване, тогава ефективният капацитет на резервоара е ограничен от височината на крана ви. След като водата, останала във вашия резервоар, е по -ниска от чешмата, тогава водата няма да тече.

Така че, независимо дали използвате електронен габарит, или ръчно мерно стъкло, или система с тип поплавък и флаг, просто имайте предвид, че без помпа ефективната „основа“на вашия резервоар всъщност е височината на изхода на резервоара или докоснете.