Đo mực nước bằng cảm biến siêu âm

Để làm hệ thống tưới cây tự động cần đồng hồ đo mực nước. Có thể chọn phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc để do mực chất lỏng trong bể. Tuy nhiên để không ảnh hưởng đến chất lượng của nước thì phương pháp không tiếp xúc được lựa chọn. Trong phương pháp không tiếp xúc đó phương pháp quang, radar, siêu âm nhưng trong bài này sẽ nói về đo mực nước bằng cảm biến siêu âm.

Nội dung sẽ nói về đồng hồ đo mực nước với nền tảng Arduino (trong bài sử dụng Arduino Mega2560, nhưng bạn có thể sử dụng bất kỳ arduino nào bạn có).

Những thứ bạn cần

- arduino (Uno, Mega 2560, ...)

(Tham khảo sản phẩm https://dientutuonglai.com/kit-arduino/)

- cảm biến siêu âm HC SR04

(Tham khảo sản phẩm https://dientutuonglai.com/cam-bien-sieu-am-hc-sr04.html)

- dây để kết nối cảm biến với arduino

- kính acrylic cho nhà ở (tùy chọn)

Lý thuyết về cảm biến siêu âm

Đầu tiên, chúng ta hãy nói về lý thuyết của phương pháp siêu âm đo lường mực chất lỏng. Các phương pháp không tiếp xúc sẽ đo khoảng cách giữa thiết bị thu phát và chất lỏng. Chúng ta sẽ truyền xung siêu âm ngắn và đo thời gian di chuyển của xung đó từ thiết bị thu phát sang chất lỏng và trở lại thiết bị. Xung siêu âm sẽ bật khỏi chất lỏng vì thay đổi mật độ của môi trường truyền xung siêu âm (đầu tiên xung siêu âm đi qua không khí và bật khỏi chất lỏng với mật độ cao hơn không khí). Bởi vì nước có mật độ cao hơn, phần lớn xung sẽ bật ra.

Hai nhược điểm của phương pháp siêu âm:

- Thứ 1: do độ dài xung có một khoảng nhỏ không thể nhận xung với bộ thu phát vì bộ thu phát đang truyền. Vấn đề này giải quyết rất đơn giản: đặt cảm biến cao hơn mực nước tối đa vài cm cho phép thiết bị thu bắt đầu thu.

- Thứ 2: vì chiều rộng của chùm tia đường kính bể bị giới hạn. Nếu đường kính bể quá nhỏ, tín hiệu có thể bị dội lại từ thành bể và có thể cho kết quả đọc sai.

Trước khi cài đặt cảm biến trong bể, cần phải thử nghiệm hai nhược điểm đó. Trong bài này thì các phép đo ổn định với khoảng cách tối thiểu 5 cm từ cảm biến. Điều đó có nghĩa là phải cài đặt cảm biến cao hơn 5 cm so với mực nước tối đa. Đối với nhược điểm thứ hai thì đã xác định không có bất kỳ vấn đề nào với tín hiệu dội lại từ thành bể có đường kính 7,5 cm (chiều dài của bể là 0,5 m). Bể nước được xây dựng sẽ tuân thủ hai kết quả này sau đó mới thiết lập cảm biến siêu âm.

Bể nước

Hệ thống tưới nước sẽ vận hành với nước rơi tự do kiểu nhỏ giọt. Do đó, bể nước cần phải được nâng lên từ mức sàn. Bạn có thể làm bể chứa nước từ ống nước có chiều dài 1m và đường kính 16 cm. Chia đường ống thành hai phần. 50 cm đầu tiên sẽ là buồng van. Phần trên sẽ làm bể nước. Ở phần trên sử dụng nắp đầu ống làm nắp bể nước. Phần cuối của nắp gắn cảm biến siêu âm. Để ổn định hơn gắn bể nước vào một cái đế bằng gỗ trong đó có chứa các thiết bị điện tử và pin.

Tiếp theo là đến phần tính toán bể. Phần này rất cần thiết và chiều cao chất lỏng sẽ được tính theo phần trăm.  Đo có thể từ 6 đến 56 cm (bù 6 cm). Và sẽ được tính theo phần trăm là từ 0 đến 100%.

Chúng ta chọn bể đồng nhất vì tính toán thể tích dễ dàng hơn (đường ống - hình trụ). Đường kính của ống là như nhau suốt chiều dài của ống. 

Cảm biến siêu âm, sơ đồ 

Hàn dây vào cảm biến siêu âm (có thể sử dụng cáp FTP hoặc UTP). Sau đó lắp cảm biến vào lớp vỏ bằng làm bằng kính acrylic. Vỏ bọc với cảm biến trong đó đã được niêm phong và gắn trên nắp bể nước. Lớp vỏ acrylic chỉ là phụ không cần thiết. 

Lập trình

Trong bài này chương trình đo khoảng cách đã được chuyển sang chương trình đo mực nước. 

Đầu tiên chúng ta truyền tín hiệu và sau đó chúng ta chờ đợi và đo thời gian giữa tín hiệu truyền và tín hiệu thu được. Thời gian này sau đó được chuyển đổi thành centimet và centimet sau đó được chuyển đổi thành % và gửi qua kết nối nối tiếp với máy tính. Chúng ta cũng có thể tính được lượng nước còn trong bể.