Arduino ESP32 DIY水位傳感器和液位指示器

描述

儲水箱用于多種用途，例如在大篷車或露營車或植物澆水裝置等中。通常無法直接看到水箱中的可用水量。有多種方法可以測量水箱中的水位，您可以以高價購買或自己制作！

相反：帶上你自己的設(shè)備 -> 制作你自己的設(shè)備！

我決定制作一個水位傳感器和一個 5 個級別的水位指示器。

在這里你可以看到結(jié)果：

第 1 步：制作水位傳感器

DIY 傳感器由簡單的材料制成：

• 6 根電線（1 個，5 毫米銅，黑色 PVC 包層），兩端剝?nèi)ゼs 1 厘米

• 一根 3/4 英寸的電力管，長度與水庫的深度相匹配

• 1 個 PVC 3/4 英寸延長管

• 6*680KOhm電阻

• 一個 1 nF 電容器（用于噪聲抑制）

• 便宜的音頻線

• 一塊雙面原型PCB板

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用于水位傳感器的組件

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請注意，在管道上鉆一些 5 毫米的孔是必不可少的。

水位傳感器的工作原理是基于水的導(dǎo)電特性。鹽度越高，電導(dǎo)率越高，相當(dāng)于電阻越低。我所在地區(qū)供應(yīng)的自來水的平均電導(dǎo)率值約為 35 mS/m。水中的銅探針越多，梯形網(wǎng)絡(luò)的電阻就越低。這個較低的電阻值會導(dǎo)致 ESP32 的 GPIO 引腳上的 12 位 ADC 的輸入電壓更高。通過這種設(shè)置，可以測量 5 種不同的水位。

傳感器的電子方案如下：

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6*680 KOhm電阻的梯形網(wǎng)絡(luò)

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所有零件都組裝并焊接在一起：

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完成的傳感器組件

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將組件放入 3/4 英寸的延長管中，并填充透明硅膠以使其防水。

用于將傳感器連接到 Arduino 的電纜是來自當(dāng)?shù)?ACTION 商店的廉價音頻電纜

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用于傳感器連接的電纜

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完全組裝好的水位傳感器見下圖：

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完成的傳感器

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第 2 步：制作水位指示器

該指標(biāo)使用的組件是：

• 一塊深灰色切菜板（來自 ACTION），上面有孔，如下圖所示，并使用銼刀將孔打成方形

• 一條由 5 個 WS2812 LED 組成的 LED 燈帶（從較長的燈帶上切下）

• 打印 5 個級別的照片紙（1%、25%、50%、75%、100%）

• 一塊用于保護印刷品的透明箔

• 鋁箔作為蓋子（不是很容易處理，但這是我用的）

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用于電平指示器的部件

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組裝工作的最終結(jié)果如下圖所示：

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完成的水位指示器

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第 4 步：電子設(shè)置

面包板設(shè)置如下圖所示：

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用于測試和軟件開發(fā)的面包板設(shè)置

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在這個設(shè)置中，我使用了 ESP 32s（節(jié)點 MCU）。做出這種選擇的原因是，我計劃擴展此設(shè)置，使其具有制作具有在線監(jiān)測和警告功能的完整植物澆水系統(tǒng)的功能。（ESP 32 板載 WiFi 和藍牙）。

電路圖（用Fritzing制作）如下：

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水位測量系統(tǒng)的電子設(shè)置

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ESP 32 由 USB 端口提供 5 V 電源，并且板載 3、3V 穩(wěn)壓器。一個輸出 GPIO 引腳直接連接到水位傳感器，并向傳感器發(fā)送 3、3 V 信號，持續(xù)時間僅為 200 毫秒。這是為了避免水中的電解效應(yīng)，從而避免腐蝕銅端。

傳感器的輸出連接到兩個 1 M Ohm 電阻器，它們與傳感器和軟件中的比較器陣列形成“虛擬惠斯通電橋”。

我使用了這個設(shè)置，因為梯形網(wǎng)絡(luò)在水中作為水位函數(shù)的行為是非線性的（見下圖）：

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傳感器的近似輸出值（0 - 4095 位）

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理論上，當(dāng)傳感器不在水中時，傳感器引腳上的測量值約為 1,0855 V，相當(dāng)于 1347 位。與圖表的偏差可以用電阻器的公差、傳感器線中的電阻、ESP 32 的 3,3 伏電源的偏差以及 ESP32 的 12 位 ADC 中的一些非線性以及一些電路中的噪聲。

電平指示器中使用的 5 個 LED 的 5V 電源直接來自 5V 引腳（連接到 USB 端口的 5V 輸入）；

在我的實驗中，結(jié)果證明使用 5V 電話充電器與 PC 的 5V USB 端口或 5V 移動電源的結(jié)果不同。移動電源雖然提供了穩(wěn)定的結(jié)果，但會在短時間內(nèi)關(guān)閉（睡眠模式），因為系統(tǒng)消耗的電流很低。

第 3 步：制作軟件

Arduino Sketch 中的循環(huán)函數(shù)很簡單，只包含調(diào)用 2 個函數(shù):

void loop(){
 MEASUREWATERLEVEL ();
 INDICATEWATERLEVEL ();
 delay(1000);                            // Check for new value every 1 sec;

1 秒測量僅用于實驗和演示目的。在實際應(yīng)用中，這種情況會少得多（取決于水庫中水的使用速度）

ARDUINO IDE 的繪圖監(jiān)視器以及串行監(jiān)視器在實驗過程中非常有用。下面給出了繪圖監(jiān)視器圖的視圖。

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ARDUINO IDE 繪圖監(jiān)視器圖

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該圖顯示了傳感器上下進入水中的（1 秒）測量值（綠線）；紅線代表 LEVELarray [] 中設(shè)置的參考值。這些值已通過實驗確定，并清楚地顯示了傳感器的非線性行為。

//                      0    1    2    3    4    5
int LEVELarray [6] = {1125,1245,1450,1720,2080,2630} ; 

“0”級適用于蓄水池?zé)o水，“5”級適用于蓄水池滿水。

傳感器的非線性行為可以通過制作具有非均勻分布電阻值的梯形網(wǎng)絡(luò)來校正。

我得出的結(jié)論是，在軟件中處理這個問題要容易得多。

此外，測量傳感器值上存在的自然抖動可以通過允許測量值的容差（例如 4%）在軟件中輕松消除（另請注意與兩個 1 M 歐姆電阻器并聯(lián)的 220nF 電容器）

for (int i = 0; i < 6 ; i++)
   {
if ((WaterLevelValue > (LEVELarray[i] * 0.96)) && (WaterLevelValue < (LEVELarray[i] * 1.04))) 
// allow a margin of 4% on the measured values to eliminate jitter and noise
     {
     level = i;
     } 

最后，上面確定的水位用于在水位指示器上用顏色顯示水位，感謝 庫，這很容易：

redVal = color_scheme[level*3];   
greenVal = color_scheme[level*3 + 1];
blueVal = color_scheme[level*3 + 2];
strip.setPixelColor(level-1, strip.Color(redVal, greenVal, blueVal) ); 
strip.show();

要通過 USB 端口將草圖下載到 ESP 32，需要按住Boot按鈕。

筆記：

當(dāng)使用常規(guī)的 ARDUINO（例如 UNO）而不是 ESP 32 時，需要在代碼中進行一些更改，例如：

• 引腳分配

• LEVELarray 中的值，考慮到 UNO 有一個 10 位 ADC（在引腳 A0 上）；第一個最佳猜測是將值除以 4

• 傳感器的 5V 觸發(fā)脈沖（而不是 3、3V）不應(yīng)產(chǎn)生影響

與 Fritzing 圖相比，您可能會在面包板上的實際設(shè)置中發(fā)現(xiàn)一個額外的 680 kOhm 電阻。這是因為最初，我想讓“0”傳感器線從梯形網(wǎng)絡(luò)斷開（出于實驗原因），所以我還使用了 3 線傳感器電纜，而在最終設(shè)計中只需要 2 根。

我很想知道是否有人真的要復(fù)制這個項目。

由 Pierre Pennings 開發(fā)和制作（2018 年 12 月）。