Макет системы автоматической очистки воды с применением датчиков поплавкового типа на платформе Arduino Uno

Губанова Александра Анатольевна преподаватель, Донской государственный технический университет. 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1 Gubanova Aleksandra Anatol'evna Lecturer at Don State Technical University. 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Другие публикации этого автора     Котковец Сергей Анатольевич не работает временно 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пл. Гагрина, 1 Kotkovets Sergei Anatol'evich temporarily unemployed 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, pl. Gagrina, 1 1057967@rambler.ru

Золотарев Владимир Владиславович не работает временно 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, ул. Пл. Гагрина, 1 Zolotarev Vladimir Vladislavovich temporarily unemployed 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, ul. Pl. Gagrina, 1 vz.27@mail.ru

Очистка бытовых вод продолжает являться актуальной проблемой современности, решение которой связано с бурным развитием средств электроники и автоматики.

Содержащиеся в бытовых водах различные органические вещества, попадая в значительных количествах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро загнивать и ухудшать санитарное состояние водоёмов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации бытовых вод являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения санитарного благоустройства городов и населённых пунктов.

В настоящее время существует большое множество различного рода установок для автоматической очистки воды ^[1]. Такие установки применяются не только в промышленности и медицине, но и в частных домах и офисах. Все они отличаются друг от друга сложностью реализации, методом очистки воды, габаритами, объёмом очистки воды в час и другими параметрами ^[2]. Принцип их функционирования заключается в том, что системы автоматического управления (САУ) в данных установках поддерживают в резервуаре оптимальный объём чистой воды, и в случае, когда этот уровень падает, пополняет резервуар с чистой водой из источника воды, очищая её ^[3]. Для реализации необходимого функционала САУ очистки воды должна иметь датчик уровня воды, фильтр для очистки воды, насос и резервуар для очистки воды (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема автоматизации системы автоматической очистки воды

Разработанный в данной работе макет очистки воды был создан для ознакомительных и учебных целей (рисунок 2). С помощью предлагаемого макета возможно изучить как принцип работы САУ очистки воды, так и принципы работы датчиков уровня воды. В макете были использованы поплавковые датчики, однако предусмотрена возможность использования других видов датчиков уровня воды, например, кондукторных, емкостных, ультразвуковых. Макет состоит из шести составляющих: подающий насос, фильтр, ArduinoUno, датчики уровня воды, бак для грязной воды и бак для чистой воды.

Принцип работы следующий: микроконтроллер считывает значение уровня воды с датчиков, находящихся в баке с чистой водой; если показатель воды ниже заданного, микроконтроллер включает насос, после включения насоса, из бака с грязной водой начинает поступать вода, и, проходя через фильтр, бак с чистой водой наполняется. После того, как уровень чистой воды в баке достигнет определённого уровня, микроконтроллер выключает насос.

Рисунок 2- Макет САУ очисткой воды

В качестве датчиков уровня воды был выбран поплавковый датчик уровня воды. Поплавковый датчик уровня воды используется в проектах, где необходимо измерить уровень жидкости в резервуаре. Данные датчики самые недорогие и не самые худшие по надежности ^[4]. Устройством управления – основой всей системы, является контроллер ArduinoUNOR3, построенный на основе ATmega328 микроконтроллера и обладающим множеством дискретных и аналоговых портов. Помимо этого, Arduino – открытая платформа, что в совокупности с большим количеством портов позволяет реализовать гибкую модульную систему, с возможностью модернизации и реализации дополнительных функций. Контроллер Arduino UNO R3 построен на основе чипа ATmega328 с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32кБ и имеет 20 контролируемых контактов ввода/вывода для взаимодействия с внешними устройствами.

Контроллер может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Однако при напряжении менее 7В работа может быть неустойчивой, а напряжение более 12В может привести к повреждению. Поэтому рекомендуемый диапазон: 7−12 В.

Исполнительным устройством – является насос для подачи воды. В качестве насоса для подачи грязной воды к фильтру был выбран насос омывателя стекла автомобиля КАЛУГА ЭНЦ2512.В качестве фильтра для макета САУ воды выбран топливный фильтр LUXE 03Т. В качестве баков для воды были взяты стандартные автомобильные емкости для воды.

Подача управляющего сигнала для активации насоса подачи воды обеспечивается силовым ключом. Для разрабатываемой системы был выбран силовой ключ IRF520, основанный на одноимённом транзисторе. Данный преобразователь напряжения по всем характеристикам подходит для рассматриваемой САУ. Он обеспечивает управление нагрузкой, в качестве которой выступает клапан, с напряжением питания постоянного тока в диапазоне от 0 до 24 В и рабочий ток от 0 до 5, уровень управляющего сигнала, обеспечиваемый клапан находится в пределах от 5 до 20 В (выходной управляющий сигнал Arduino составляет 5 В) ^[5].

Рисунок 3 – Схема электрических соединений (с поплавковыми датчиками)

Датчик верхнего уровня использует второй дискретный вывод, конфигурируемый как вход (для приёма сигнала). Датчик нижнего уровня, аналогично верхнему, использует вывод в качестве входа, но подключен уже к четвертому пину.

Насос подключен к седьмому дискретному выводу, обозначенному как выход. Фильтр соединён с насосом с помощью трубки, по которой осуществляется поток фильтруемой воды. Каждый из ОУ, кроме фильтра, имеет свой вывод GND.

Питание системы осуществляется от одного БП с выходным напряжением DC12V и силой тока 4 А. Ток распараллеливается с помощью сплиттера, одна линия идёт на контроллер Arduino UNO R3, другая, для подачи питания на насос, схема электрических соединений системы представлена на рис. 2. Для подачи управляющего сигнала на насос, в системе имеется силовой ключ.

Помимо датчиков поплавкового типа (являющихся сигнализаторами) в системе также могут использоваться уровнемеры. Для реализации работы учебного стенда достаточно лишь одного датчика данного типа, который будет считывать текущий уровень жидкости и передавать на контроллер, где будет происходить сравнение с граничными уровнями. Схема электрических соединений с подключенным уровнемером представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема электрических соединений (с уровнемером)

Создание программы управления было осуществлено в интегрированной среде разработки ArduinoIDE ^[6]. Программа управления состоит из трех основных частей – подпрограмм.

В первой подпрограмме осуществляется объявление переменных, содержащих номера портов подключенных элементов САУ. Для поплавкового сенсора верхней границы присвоен второй дискретный вывод (переменная up_sensor_pin), для сенсора нижней границы – четвёртый дискретный вывод (переменная down_sensor_pin). Управление насосом осуществляется через седьмой дискретный вывод.

Вторая подпрограмма – Setup, осуществляет инициализацию используемых портов и передачи данных. Порт, отвечающий за датчик верхней границы жидкости, инициализирован как вход, причём через внутренний подтягивающий резистор^[7]. Это сделано для того, чтобы не было неопределённости в состоянии датчика в реальном времени (0 или 1), так как резистор компенсирует малое напряжение на датчике.

Порт, отвечающий за датчик нижней границы, аналогично «верхнему», сконфигурирован как вход с использованием подтягивающего резистора.

Вывод насоса для подачи воды инициализирован как выход.

Третья подпрограмма – Loop, является основной. Она отвечает за принцип работы разрабатываемой системы. Также, в ней осуществляется вывод данных в монитор порта. Данная подпрограмма имеет ветвистую структуру, зависящую от выполнения определённых условий. Если на входах обоих датчиков зафиксирована логическая единица (т.е. датчики погружены в воду), то в монитор порты выводится надпись «БАК НАПОЛНЕН», и, в случае если работает насос, его питание прекращается. Обратно этому, когда на выходах обоих датчиков зафиксирован логический ноль – датчики не находятся в воде, в монитор порта поступает надпись «БАК ПУСТ», и подаётся питание на насос, для выполнения им подачи вода на фильтр. Если не одно из этих условий не зафиксировано, то подпрограмма Loop продолжает свою работу циклично, не изменяя стационарного состояния системы, до тех пор, пока не будет выполнено одно из двух описанных условий.

Для уровнемера условия аналогичны, но зависят от текущего уровня жидкости (изменения сопротивления на чувствительном элементе сенсора), на который погружен датчик уровня ^[8]. Сопротивление менее 250 – подаётся питание на насос, более 250 насос отключается.

Данная подпрограмма имеет ветвистую структуру, зависящую от выполнения определённых условий.

Представленная в статье система автоматической очистки воды с применением датчиков поплавкового типа на платформе Arduino Uno может считаться эффективной системой очистки, а применение широкодоступной и простой в работе элементной базы позволяет на примере макете изучить принцип работы датчиков и сам процесс бытовой очистки воды.