Sensor de Agua.docx Edson Escalera

FICHA DE IDENTIFICACIÓN DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN Título: SENSOR DEL NIVEL DE AGUA Autor: (1) Edson Escalera Medrano Fecha: 27/11/2016 Código de estudiante: 201300178 Carrera: Ing. Telecomunicaciones Asignatura: Microprocesadores y Microcontroladores Grupo: A Docente: Carlos Alejandro Heredia Flores Periodo Académico: II/2016 Subsede: Cochabamba Copyright © (AÑO) por (NOMBRES DE ESTUDIANTES). Todos los derechos reservados.

Título: PANEL SOLAR CASERO DE 1.5v Autor: Edson Escalera Medrano

RESUMEN:

En este artículo vamos a ver un ejemplo de cómo podemos crear un sensor de nivel de agua con Arduino. Cuando hablo de agua puede ser cualquier líquido e incluso sustancias sólidas. Lo único que debemos de tener en cuenta es la capacidad del recipiente. La aplicación es sencilla, con el sensor de ultrasonidos mediremos cuanta distancia hay hasta el líquido. Debemos conocer el recipiente para saber cuánta cantidad cabe y que medida se obtiene cuando está lleno. Lo mismo haremos cuando el recipiente esté vacío. Esto se llama calibración . Veremos las características principales para utilizarlo con Arduino. El otro componente será una pantalla LCD. Aquí es donde visualizaremos en todo momento la cantidad de agua o líquido que queda en el recipiente.

Palabras clave: Arduino, Arduino, Sensor, Sensor, Agua, Calibración. ABSTRACT: In this article we are going to see an example of how we can create a water level sensor with Arduino. When I speak of water can be any liquid and even solid substances. The only thing we should keep in mind is the capacity of the vessel. The application is simple, with the ultrasonic sensor we will measure how much distance there is until the liquid. We must know the container to know how much it fits and what measure is obtained when it is full. We will do the same when the container is empty. This is called calibration. We'll look at the main features to use with Arduino. The other component will be an LCD screen. This is where we will visualize at all times the amoun t of water or liquid left in the container.

Key words: Arduino, Sensor, Water, Calibration.

2


TABLA DE CONTENIDOS 1

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 4

2

JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... 4

3

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................. 4 3.1

4

5

6

OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................. 4

ALCANCE ..................................................................................................................... 5 4.1

ALCANCE TEMPORAL ........................................................................................ 5

4.2

ALCANCE ESPACIAL .......................................................................................... 5

4.3

ALCANCE TEMÁTICO ......................................................................................... 5

MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 5 5.1

ARDUINO UNO….. ............................................................................................... 5

5.2

SENSOR ULTRASONIDOS HC-SR04.................................................................. 6

5.3

PANTALLA LCD 16*2……………. .................................................................... 7

5.4

DEMAS COMPONENTES ELECTRICOS ......................................... ................. 8

MARCO PRÁCTICO ..................................................................................................... 8 6.1

DIAGRAMA DEL CIRCUITO………………… .................................................. 8

6.2

MATERIALES A UTILIZAR ................................................................................. 9

6.3

PROCEDIMIENTO ................................................................................................. 9

7

CONCLUSIONES........................................................................................................ 21

8

RECOMENDACIONES .............................................................................................. 21

9

Bibliografía ................................................................................................................... 22

3


1

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de la producción industrial está ligado a la electrónica a través de sus aplicaciones de medición, monitoreo y automatización de los procesos, permitiendo tener productos de alta calidad y bajo costo. La tecnología de medición industrial es un elemento clave para garantizar la calidad constante de los productos, la optimización de los procesos y la seguridad y protección del entorno. El desarrollo cada día más acelerado de la electrónica nos ha estado brindando nuevos sistemas de Medición de Nivel, cada vez más sofisticados a costos menores. No obstante, muchos principios físicos tradicionales tienen particularidades técnicas o prácticas que los mantienen siempre vigentes. En la actualidad existen una gran variedad de mecanismos y dispositivos utilizados como sensores de nivel análogos o digitales. Entre los que se destacan: de tubo de vidrio, indicador magnético, capacitivos, inductivos y de flotador. Con este proyecto se implementó un sistema de control de nivel basado en un sensor de flotador análogo, que permite conocer el nivel en tiempo real. El sistema desarrollado permite al operario definir el nivel deseado en el tanque mediante una interfaz, que acciona diferentes mecanismos externos como bombas y electroválvulas para la entrada y salida de líquido del tanque, hasta alcanzar los niveles deseados con muy alta precisión.

2

JUSTIFICACIÓN

Si una industria tiene distintos productos, muchos tanques, traslada productos, entonces requiere de un sistema de control de niveles automático, que opere durante décadas, 24 horas por día, sin fatiga ni falla, exento de error humano por operación y con una alta precisión.

3

OBJETIVO GENERAL

Crear un sensor de nivel de agua con arduino

3.1

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

 

Lograr comprender el funcionamiento del circuito Lograr el funcionamiento del sensor de nivel de agua Dar conocer la ventajas que tiene la implementación del sensor de agua 4


4

4.1

ALCANCE

ALCANCE TEMPORAL

El estudio de este proyecto realizo en la gestión II/2016 durante 1 semana

4.2

ALCANCE ESPACIAL

Este proyecto realizara en la Universidad de Aquino Bolivia en la facultada de tecnología km 8 carretera sacaba de la ciudad de Cochabamba provincia Cercado

4.3

ALCANCE TEMÁTICO

Este proyecto se contempla en el área de tecnología como sub área microprocesadores y microcontroladores como sub área

5

5.1

MARCO TEÓRICO

ARDUINO UNO

Definir Arduino es complicado, muy complicado. Cuando hablamos de Android, por ejemplo, todos sabemos que se trata de un sistema operativo. Sin embargo, Android no es un único sistema 5


Operativo estático, cada fabricante lo implementa a su modo, e incluso la comunidad de desarrollo independiente ha puesto en Internet multitud de versiones del sistema operativo. Y hasta empresas como Nokia y Amazon utilizan Android sin siquiera mencionarlo. Se trata de un microcontrolador, una placa, un pequeño sistema de procesamiento. Sin embargo, su condición de sistema libre ha propiciado tantas variaciones de lo mismo, que Arduino no es una pieza de hardware única, y de hecho podemos encontrar tantas configuraciones como desarrolladores dispuestos a hacer cambios en los esquemas puedan existir. Pero claro, debemos cuando menos darle una razón de ser a Arduino. Para ello tenemos que saber qué hace exactamente un microcontrolador. La respuesta, de nuevo, es que depende de la configuración. Así, encontraremos placas de Arduino capaces de dar vida a un teléfono móvil, un mando a distancia, consolas portátiles, y hasta cámaras fotográficas. Para simplificar las cosas (y tomando alguna licencia), Arduino es el hardware libre y hardware libre él es Arduino.

5.2 SENSOR ULTRASONIDOS CH-SR04

Los sensores de ultrasonido o sensores ultrasónicos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, diferentes colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, 6


es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.

5.3

PANTALLA LCD 16*2

La pantalla de cristal líquido o LCD (Liquid Crystal Display) es un dispositivo Controlado de visualización grafico para la presentación de caracteres, símbolos o incluso dibujos (en algunos modelos), es este caso dispone de 2 filas de 16 caracteres cada una y cad a cará cter dispon e de una matriz de 5x7 puntos (pixeles), aunque los hay de otro número de filas y caracteres. Este dispositivo está gobernado internamente por un microcontrolador regula todos los parámetros de presentación, este modelo es el más comúnmente usado y esta información se basará en el manejo de este u otro LCD compatible.

Características principales: 

Pantalla de caracteres ASCII, además de los caracteres Kanji y Griegos.



Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o la derecha.



Proporciona la dirección de la posición absoluta o relativa del carácter.



Memoria de 40 caracteres por línea de pantalla.



Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.



Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.



Conexión a un procesador usando un interfaz de 4 u 8 bits

Funcionamiento: Para comunicarse con la pantalla LCD podemos hacerlo por medio de sus patitas de entrada de dos maneras posibles, con bus de 4 bits o con bus de 8 bits, este último es el que explicare y la rutina también será para este. 7


.

5.4

DEMAS COMPONENTES

Además de los componentes esenciales para el sensor de nivel de agua con Arduino, vamos a necesitar los típicos componentes que se suelen utilizar en muchos circuitos. Te los detallo a continuación.



Protoboard



Potenciómetro 10kΩ



Resistencia 220Ω



Cables

6

6.1

MARCO PRÁCTICO

DIAGRAMA DEL CIRCUITO

Con todos los componentes en nuestro poder, ya podemos empezar a montar el circuito. Como ya he comentado al principio del artículo, vamos a necesitar 8 entradas y salidas digitales. Además utilizaremos el pin de 5V y el GND (toma de tierra). El circuito sería el siguiente.

8


6.2

MATERIALES A UTILIZAR 

Arduino uno



Sensor de ultrasonidos HC-SR04



Pantalla LCD 16*2

Protoboard



Potenciómetro kΩ





Resistencia 220 Ω

Cables



6.3



PROCEDIMIENTO

Probar todos los componentes y conexiones

Antes de meternos en faena y empezar a programar el sensor de nivel de agua con Arduino, vamos a probar los diferentes componentes del circuito eléctrico. Es importante asegurarnos de que todo está bien conectado. Lo más sencillo es probar cada componente por separado y así es como lo haremos.



Sensor de ultrasonidos HC-SR04

Para probar este sensor vamos a cargar un sketch que nos servirá más adelante a la hora de medir el nivel. Las conexiones Echo y Trigger van a los pines 6 y 7 respectivamente. Carga el siguiente sketch en tu placa de Arduino y comprueba el monitor serie. // Configuramos los pines del sensor Trigger y Echo const int PinTrig = 7; const int PinEcho = 6; // Constante velocidad sonido en cm/s 9


const float VelSon = 34000.0; float distancia; void setup()

{ // Iniciamos el monitor serie para mostrar el resultado Serial.begin(9600); // Ponemos el pin Trig en modo salida pinMode(PinTrig, OUTPUT); // Ponemos el pin Echo en modo entrada pinMode(PinEcho, INPUT); } void loop() { iniciarTrigger(); // La función pulseIn obtiene el tiempo que tarda en cambiar entre estados, en este caso a HIGH unsigned long tiempo = pulseIn(PinEcho, HIGH); // Obtenemos la distancia en cm, hay que convertir el tiempo en segudos ya que está en microsegundos // por eso se multiplica por 0.000001 distancia = tiempo * 0.000001 * VelSon / 2.0; Serial.print(distancia); Serial.print("cm"); Serial.println(); delay(500); 10


}

// Método que inicia la secuencia del Trigger para comenzar a medir void iniciarTrigger() { // Ponemos el Triiger en estado bajo y esperamos 2 ms digitalWrite(PinTrig, LOW); delayMicroseconds(2); // Ponemos el pin Trigger a estado alto y esperamos 10 ms digitalWrite(PinTrig, HIGH); delayMicroseconds(10); // Comenzamos poniendo el pin Trigger en estado bajo digitalWrite(PinTrig, LOW); }



Pantalla LCD 16X2

Como su nombre indica, se trata de una pantalla de 16 columnas y 2 filas. Esto nos va a permitir escribir un total de 32 caracteres a la vez. Ahora lo que haremos es escribir un simple texto para comprobar que todo está bien conectado. Carga el siguiente sketch en tu placa. // Incluímos la libreria externa para poder utilizarla #include // Entre los símbolos <> buscará en la carpeta de librerías configurada // Lo primero is inicializar la librería indicando los pins de la interfaz LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // Definimos las constantes #define COLS 16 // Columnas del LCD 11


#define ROWS 2 // Filas del LCD void setup() {

// Configuramos las filas y las columnas del LCD en este caso 16 columnas y 2 filas lcd.begin(COLS, ROWS); } void loop() { lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Hola Mundo!!!!!!"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Probando el LCD."); } Por lo tanto, el resultado que debemos obtener es el texto “Hola Mundo!!!!!!” en la primera fila

y en la segunda fila “Probando el LCD”.



Montando el sensor en la cubeta

Ya hemos montado todo el circuito, hemos comprobado que todo funciona correctamente y ahora vamos a montar el sensor encima del recipiente o cubeta donde vamos a tener el líquido.

Lo podemos hacer de muchas formas, yo te voy a mostrar una muy sencilla utilizando dos palos de madera que se utilizan para cocinar. Son los típicos para saber si el bizcocho está hecho o para hacer brochetas. Además, he utilizado dos alambres de los típicos que vienen en cualquier embalaje para sujetar cables. Suelo recolectar este tipo de agarres ya que son muy útiles en muchas ocasiones. El resultado lo puedes ver en las siguientes imagenes.

12


Gracias a estos dos palos podemos situar los ultrasonidos baca abajo encima de cualquier recipiente o cubeta. En la siguiente imagen te muestro un ejemplo de cómo quedaría.

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Esto también nos puede servir de sujeción con alguna goma elástica u otro método para que no se mueva.



Calibrando el sensor de nivel de agua con Arduino

Ha llegado la hora de empezar a programar. Lo primero que debemos hacer es calibrar el sensor de nivel de agua con Arduino. Para ello voy a utilizar un vaso medidor es decir, un vaso que tiene marcadas las medidas. Así podremos asignar una medida del sensor de ultrasonidos a una cantidad de líquido. Esto nos permitirá saber qué cantidad de líquido tenemos en el recipiente. 14


Algo que tienes que tener en cuenta es que el sensor de ultrasonidos mide la cantidad de espacio vacío en el recipiente. Por lo tanto, si conocemos la capacidad total del recipiente, al restar la cantidad de espacio vacío sabremos cuánto líquido hay. Mira el esquema general.

Entonces, según este esquema general debemos conocer qué valor obtenemos con el sensor de ultrasonidos cuando está vacío, cuando está lleno y una medida conocida. Esta última medida la haremos con vaso medidor calculando el valor para 100ml. Antes de comenzar con las medidas, debemos de tener en cuenta que el vaso debe ser cilíndrico es decir, la base debe ser del mismo diámetro que la parte de arriba. Si intentamos medir en un recipiente que no es cilíndrico, en forma de cono, las medidas no serán proporcionales.



Calcular la media para eliminar el ruido

En todos los sistemas electrónicos se genera un ruido debido al movimiento de los electrones, al propio sensor, la placa de Arduino, etc… Esto se traduce en una variación o fluctuación en

las medidas que vamos obteniendo a través del sensor. Para eliminar este tipo de ruido se suele aplicar un filtro paso bajo que elimina las frecuencias bajas, justo donde se encuentra el ruido. 15


La forma más sencilla de aplicarlo a través de la programación es hacer una media de los valores que se van obteniendo. Pero no solo para eliminar el ruido, calculando la media podemos eliminar las fluctuaciones debidas al movimiento del recipiente. Imagínate un depósito de gasolina de un coche. Cuando va en marcha el combustible no está quieto, se va moviendo. Si se quiere medir con un sensor de ultrasonidos sería complicado si no se utiliza alguna técnica como esta. Dependiendo del número de muestras que utilicemos para obtener la media, podremos tener un valor más preciso o menos preciso. Pero esto también influye en cuánto tarda en estabilizarse la medida cuando se produce un cambio. Por lo tanto, si cogemos un número alto de muestras, la media será más precisa pero tardará más tiempo en reflejar los cambios. Por el contrario, si cogemos un número bajo de muestras, la media será menos precisa pero veremos reflejados más rápidos los cambios. Elegir uno u otro dependerá de lo que queramos conseguir, rapidez o precisión. Otro factor a tener en cuenta es el tamaño del tipo de dato que vamos a almacenar. Debemos de tener mucho ojo ya que podemos provocar un desbordamiento. Todas las muestras se irán almacenando en una variable para luego calcular la media, por lo tanto si elegimos un número alto de muestras debemos asegurarnos que no nos saldremos de rango. En este caso yo voy a elegir precisión, voy a coger un rango de muestras de 100. El código es muy parecido al que hemos utilizado para probar el sensor de ultrasonidos al que he añadido el cálculo de la media cada 100 valores.



El código que debes cargar en tu placa es el siguiente

// Configuramos los pines del sensor Trigger y Echo const int PinTrig = 7; const int PinEcho = 6; 16


// Constante velocidad sonido en cm/s const float VelSon = 34000.0; // Número de muestras const int numLecturas = 100; float lecturas[numLecturas]; // Array para almacenar lecturas int lecturaActual = 0; // Lectura por la que vamos float total = 0; // Total de las que llevamos float media = 0; // Media de las medidas bool primeraMedia = false; // Para saber que ya hemos calculado por lo menos una void setup() { // Iniciamos el monitor serie para mostrar el resultado Serial.begin(9600); // Ponemos el pin Trig en modo salida pinMode(PinTrig, OUTPUT); // Ponemos el pin Echo en modo entrada pinMode(PinEcho, INPUT); // Inicializamos el array for (int i = 0; i < numLecturas; i++) { lecturas[i] = 0; } } void loop() 17

{


// Eliminamos la última medida total = total - lecturas[lecturaActual]; iniciarTrigger();

// La función pulseIn obtiene el tiempo que tarda en cambiar entre estados, en este caso a HIGH unsigned long tiempo = pulseIn(PinEcho, HIGH); // Obtenemos la distancia en cm, hay que convertir el tiempo en segudos ya que está en microsegundos // por eso se multiplica por 0.000001 float distancia = tiempo * 0.000001 * VelSon / 2.0; // Almacenamos la distancia en el array lecturas[lecturaActual] = distancia; // Añadimos la lectura al total total = total + lecturas[lecturaActual]; // Avanzamos a la siguiente posición del array lecturaActual = lecturaActual + 1; // Comprobamos si hemos llegado al final del array if (lecturaActual >= numLecturas) { primeraMedia = true; lecturaActual = 0; } // Calculamos la media 18


media = total / numLecturas;

// Solo mostramos si hemso calculado por lo menos una media if (primeraMedia) { Serial.print(media); Serial.println("cm"); } delay(500); } // Método que inicia la secuencia del Trigger para comenzar a medir void iniciarTrigger() { // Ponemos el Triiger en estado bajo y esperamos 2 ms digitalWrite(PinTrig, LOW); delayMicroseconds(2);

// Ponemos el pin Trigger a estado alto y esperamos 10 ms

digitalWrite(PinTrig, HIGH); delayMicroseconds(10); // Comenzamos poniendo el pin Trigger en estado bajo digitalWrite(PinTrig, LOW); }

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Título: PANEL SOLAR CASERO DE 1.5v Autor: Edson Escalera Medrano 

Programando el sketch para calcular el nivel

Todo esto tenemos que plasmarlo en un sketch para subirlo a nuestro Arduino. A continuación te dejo el código para que veas como lo he hecho. Fíjate en los comentarios. // Configuramos los pines del sensor Trigger y Echo const int PinTrig = 7; const int PinEcho = 6; // Constante velocidad sonido en cm/s const float VelSon = 34000.0; // Número de muestras const int numLecturas = 100; // Distancia a los 100 ml y vacío const float distancia100 = 2.15; const float distanciaVacio = 11.41; float lecturas[numLecturas]; // Array para almacenar lecturas int lecturaActual = 0; // Lectura por la que vamos float total = 0; // Total de las que llevamos float media = 0; // Media de las medidas bool primeraMedia = false; // Para saber que ya hemos calculado por lo menos una void setup() { // Iniciamos el monitor serie para mostrar el resultado Serial.begin(9600); // Ponemos el pin Trig en modo salida pinMode(PinTrig, OUTPUT); 20


// Ponemos el pin Echo en modo entrada pinMode(PinEcho, INPUT); // Inicializamos el array for (int i = 0; i < numLecturas; i++) { lecturas[i] = 0; } } void loop() { // Eliminamos la última medida total = total - lecturas[lecturaActual]; iniciarTrigger(); // La función pulseIn obtiene el tiempo que tarda en cambiar entre estados, en este caso a HIGH unsigned long tiempo = pulseIn(PinEcho, HIGH); // Obtenemos la distancia en cm, hay que convertir el tiempo en segudos ya que está en microsegundos // por eso se multiplica por 0.000001 float distancia = tiempo * 0.000001 * VelSon / 2.0; // Almacenamos la distancia en el array lecturas[lecturaActual] = distancia; // Añadimos la lectura al total total = total + lecturas[lecturaActual]; // Avanzamos a la siguiente posición del array lecturaActual = lecturaActual + 1; 21


// Comprobamos si hemos llegado al final del array if (lecturaActual >= numLecturas) { primeraMedia = true; lecturaActual = 0; } // Calculamos la media media = total / numLecturas; // Solo mostramos si hemos calculado por lo menos una media if (primeraMedia) { float distanciaLleno = distanciaVacio - media; float cantidadLiquido = distanciaLleno * 100 / distancia100; Serial.print(media); Serial.println(" cm"); Serial.print(cantidadLiquido); Serial.println(" ml"); } delay(500); } // Método que inicia la secuencia del Trigger para comenzar a medir void iniciarTrigger() { // Ponemos el Triiger en estado bajo y esperamos 2 ms 22


digitalWrite(PinTrig, LOW); delayMicroseconds(2);

// Ponemos el pin Trigger a estado alto y esperamos 10 ms digitalWrite(PinTrig, HIGH); delayMicroseconds(10); // Comenzamos poniendo el pin Trigger en estado bajo digitalWrite(PinTrig, LOW); }



Mostrando los datos en el LCD

Por último y, aunque no es necesario, vamos a mostrar la información en una pantalla LCD de 16×2. La información que vamos a mostrar es la cantidad de líquido en ml y el porcentaje de llenado. Estos datos son fundamentales en el sensor de nivel de agua con Arduino.

7

CONCLUSIONES 23


Este proyecto permite a las pequeñas y medianas industrias la automatización del control de niveles en tanques o calderas a bajos costos, permitiendo la optimización de sus procesos. • El empleo de un microcontrolador en la implementación del sistema de control de nivel

permitió la conversión análoga-digital, comparar niveles con datos ingresados, y obtener salidas digitales para el funcionamiento de dispositivos externos. • Afianzar los conocimientos y las destrezas en la programación de microcontroladores.

8

RECOMENDACIONES

Hay que tener en cuenta algunos aspectos fundamentales que hacen a la instalación 

El sensor debe permanecer fijo en el espacio, cualquier movimiento del mismo producirá errores en la interpretación de la medición



Se debe tener especial cuidado en cuanto a la protección de la cápsula y evitar la rotura del cable ya sea por rozamiento o contacto con filos o bordes.



El sensor se deberá instalar a un nivel más bajo que el mínimo a medir.

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9

BIBLIOGRAFÍA http://programarfacil.com/blog/arduino-blog/sensor-de-nivel-de-aguacon-arduino/

https://www.youtube.com/watch?v=fXvAZYpUzvg

http://expoelectronica.upbbga.edu.co/pdf_2005/CONTROL%20DE%20NIV EL.pdf

http://www.monografias.com/trabajos85/controles-sistema-automaticoutesa/controles-sistema-automatico-utesa.shtml

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Sensor de Agua.docx Edson Escalera

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