Эта конструкция родилась в процессе создания системы накопления дождевой воды. Сложность была в том, что накопительный бак (бочка на 200 л) располагался в отдельном помещении на другом этаже дома, визуальный контроль количества воды в ней был затруднён.
Конструктивно устройство выполнено в виде двух блоков: измерительного и удалённого индикаторного, связанных по радиоканалу через сеть Wi-Fi. Основная цель, которая ставилась при разработке, - максимальная простота. Это подразумевало и простоту схемы, и лёгкость сборки, и доступность деталей, а также отсутствие необходимости регулировки и стабильность параметров. Решение было принято в пользу цифровой реализации на базе готовых модулей, с полным исключением аналоговой техники.
Для измерения уровня жидкости наиболее часто применяют следующие методы:
- кондуктивный, заключающийся в измерении напряжения на выходе делителя напряжения, один из резисторов которого образуют погружные электроды, напряжение между которыми линейно зависит от глубины их погружения в проводящую жидкость;
- ёмкостный, аналогичен кондук-тивному, но измеряется переменное напряжение на образованном погружными электродами конденсаторе;
- ультразвуковой, основанный на эхолокации границ раздела воздух- жидкость и жидкость - дно сосуда;
- гидростатический, основанный на измерении разности давления жидкости на дне бака и давления окружающего его воздуха.
Недостаток кондуктометрического метода - окисление электродов за счёт электрохимических процессов, происходящих при протекании измерительного тока через жидкость, кроме того, требуется аналоговое измерительное устройство и его регулировка.
Ёмкостный метод ещё более сложен в реализации и регулировке измерительного узла. Ультразвуковой метод требует тщательной гидроизоляции приёмно-передающего модуля и сложной цифровой обработки сигналов.
Учитывая всё это, был выбран гидростатический метод. Измерив разность давления жидкости на дне бака и воздуха снаружи его, можно вычислить глубину погружения датчика в жидкость по формуле
D = (Рд - Ра)/(р·g),
где D - глубина погружения датчика, м; Рд - давление на этой глубине, Па; Ра - атмосферное давление, Па; р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Максимальная измеряемая глубина зависит от верхнего предела измерения давления датчиком. Для используемого в предлагаемой конструкции цифрового датчика BMP180 - это 0,88 м (для воды). Но этот датчик предназначен для измерения давления в газовой среде, поэтому его контакт с жидкостью необходимо исключить.
Эскиз расположения датчика 3 в накопительном баке 1 представлен на рис. 1. Для защиты от влаги датчик помещён в частично заполненную воздухом пластиковую бутылку 2, удерживаемую грузом 5 вблизи дна бака.
Рис. 1. Эскиз расположения датчика в накопительном баке
Примечание. При таком расположении датчик измеряет давление воздуха в бутылке, которое меньше гидростатического давления на уровне горлышка бутылки на высоту водяного столба D1 в ней. Вследствие сжимаемости воздуха эта высота меняется при изменении количества жидкости в баке и, кроме того, зависит от температуры, что вносит ошибку в результат измерения.
Учтите, что утечка воздуха из бутылки, в том числе через зазоры между проводами соединительного кабеля 4 и его внешней изоляционной оболочкой, а также между медными жилами этих проводов и их собственной изоляцией, должна быть исключена. Для этого все места возможных утечек должны быть залиты герметиком или водостойким клеем. Также рекомендуется покрыть герметиком все элементы на плате модуля датчика давления, кроме отверстия для доступа воздуха к самому датчику (рис. 2).
Рис. 2. Провода обработанные герметиком
Для опроса датчиков, проведения необходимых вычислений и передачи их результатов пользователю выбран модуль WeMos D1 на основе Wi-Fi модуля ESP8266. Он доступен по цене, невелик по размерам, а на его плате есть всё необходимое для загрузки программы. Для отображения информации и управления выбран модуль А2 клавиатуры и дисплея на микросхеме TM1638 [1]. Все эти модули (датчики давления, вычислитель, клавиатура и дисплей) можно приобрести в интернет-магазинах.
Измерительный блок и блок индикации выполнены по одной и той же схеме, изображённой на рис. 3, однако в блоке индикации датчики давления BK1 и BK2 отсутствуют. Питают оба блока напряжением 5 В от стандартных зарядных устройств, предназначенных для сотовых телефонов.
Рис. 3. Схема измерительного блока и блока индикации
Чтобы упростить процесс создания управляющей программы, её разработка велась с помощью среды Arduino IDE и использовались её стандартные, несколько доработанные библиотеки для работы со всеми модулями. За счёт этого программа получилась простой и компактной. При необходимости в неё можно самостоятельно внести изменения. Для работы с модулем WeMos D1 среду необходимо настроить так, как описано в статье [2].
Программы для измерительного и индикаторного блоков одинаковы. Блоки связаны между собой по каналу Wi-Fi. Измерительный блок создаёт точку доступа с SSID "ESP_LEVEL" и паролем доступа 00000000000 (11 нулей), индикаторный блок дистанционно подключается к ней как клиент. Передача происходит широковещательно в направлении от измерительного к индикаторному блоку по протоколу UDP (порт 8000).
К этой сети может подключиться и компьютер или мобильное устройство. Через браузер (порт 80) или через Telnet (порт 23) по адресу 192.168.4.1 они могут получить все результаты измерений. Можно подключить измерительный блок и к компьютеру кабелем USB-microUSB и получить ту же информацию через виртуальный СОМ-порт в терминальном режиме на скорости 115200 бит/с.
Конструктивно блоки состоят из наклеенных одна на другую плат образующих их модулей, соединённых отрезками провода МГТФ 0,07 (рис. 4). Так как платы модулей WeMos D1 имеют двухсторонний монтаж, для их крепления применены изготовленные по чертежу рис. 5 дополнительные прокладки из изоляционного материала, вклеиваемые между платами.
Рис. 4. Плата блока
Рис. 5. Чертёж дополнительных прокладок
Программное обеспечение отображает на ЖКИ следующие переключаемые нажатиями на кнопки S1-S7 параметры:
S1 - остаток воды в баке, л;
S2 - расход воды с момента включения устройства или его установки в исходное состояние, л;
S3 - уровень воды в баке, м;
S4 - атмосферное давления, Па;
S5 - давление на дне бака, Па;
S6 - температуру воздуха, оС;
S7 - температуру воды, оС.
Остаток воды и её расход программа рассчитывает в предположении, что бак имеет цилиндрическую форму и установлен вертикально. Диаметр бака задают в миллиметрах при одновременном нажатии на кнопку S8 и одну из кнопок S4-S7. После отключения и повторного включения питания установленное значение не меняется, так как сохраняется в энергонезависимой памяти. Для установки счётчика расхода в исходное состояние одновременно нажимают на кнопки S8 и S2.
Для загрузки программы модуль WeMos D1 mini необходимо подключить к разъёму USB компьютера, в котором установлен программный драйвер преобразователя интерфейса CH340 для соответствующей операционной системы [3]. Загрузка может быть выполнена из среды разработки Arduino IDE, настроенной согласно [2], или через приложение nodemcu-flasher [4].
Программа для модулей WeMos D1 имеется здесь.
Литература
1. Модуль клавиатуры и светодиодной индикации TM1638 LED&KEY. - URL: http://www.dessy.ru/catalog-pdc435684.html (16.04.17).
2. Arduino IDE для ESP8266. - URL: https://esp8266.ru/arduino-ide-esp8266/(15.04.17).
3. Установка драйвера CH340. - URL: http://arduino-project.net/driver-ch340g/(15.04.17).
4. A firmware Flash tool for nodemcu. - URL: https://github.com/nodemcu/nodemcu-flasher (09.05.17).