Проектная работа "Сигнализатор изменения уровня жидкости", Куранов Владимир, Косачев Глеб

Управление образования  Администрации города Воткинска

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №6 им. Героя Советского Союза Н.З. Ульяненко»

 

 

 

 

 

Научно-практическая конференции «Шаг в науку» - 2023

Секция: Информатика и робототехника, направление: IT-технологии

СИГНАЛИЗАТОР ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

 

Номинация: проект

 

 

 

 

 

Авторы:

Куранов Владимир Алексеевич

Косачёв Глеб Александрович

ученики 10«А» класса,

МБОУ СОШ № 6

Руководитель:

Тарасова Татьяна Ивановна, учитель математики,

МБОУ СОШ № 6

 

                                          г. Воткинск, 2023

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение		3-4
Глава 1. Теоретическая часть		5-9
	1.1 Анализ рынка	5
	1.2 Составные части электронной цепи 1.3 УЗ и вода                                                                                        1.4 Опросы.	6 10 10
Глава 2. Практическая часть		11-14
	2.1 Ход работы	11
	2.2 Электронная схема 2.2 Корпус модели	13      14
Заключение  Список использованных источников и литературы		15       16
Приложение                                                                               15-20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

   Сигнализатор изменения уровня жидкости – это устройство на базе микроконтроллера Ардуино, направленное на дистанционный контроль наполняемости ёмкостей с водой с помощью ультразвукового датчика расстояния и реле модуля. Данная тема проекта актуальна для нас, так как один из участников проекта, Владимир, имеет отца-инвалида по зрению, а другой, Глеб, имеет участок в садовом кооперативе, что напрямую связано с темой нашего проекта.

Характеристика источников:

Ардуино, как достаточно распространенное устройство, имеет множество пользовательских мануалов, библиотек как на английском, так и на русском языке, что сильно облегчало работу над проектом. 3Д модели и настройки 3Д принтера также достаточно распространены, поэтому разработка и печать не составило серьезных проблем.

Актуальность:

1. По данным Росстата в России около 210.000 слепых, что говорит об актуальности проблемы наполнения кружки или суповой тарелки слепому человеку.

2. По данным wordstat спелеотуризмом интересовалось 3500 человек за январь, в летние же месяцы спрос на туры и экскурсии по затопленным пещерам/шахтам вырастает в разы, в свою очередь контроль за уровнем жидкости в пещере, безопасность осуществляется человеком, что автоматизируется нашей системой.

3. По данным сайта президентскиегранты.рф количество садоводов составляет более 60 миллионов человек, при этом возможно провести городскую канализацию к участку есть не у всех, из-за чего воду приходится добывать из скважин, наливать в баки. Контроль за уровнем наполнения бака можно установить с помощью сигнализатор изменения уровня жидкости.

Цель: Создание устройства на базе микроконтроллера Ардуино, направленного на дистанционный контроль наполняемости ёмкости с жидким либо сыпучим веществом, при помощи ультразвукового датчика расстояния.

 

 

Задачи проекта:

1. Провести опрос целевой аудитории, выяснить, как садоводы/слабовидящие/ спелеотуристы решают проблему с контролем уровня жидкости на данный момент

2. Проведение экспериментов с ультразвуком,  подключение ультразвукового дальномера к Ардуино, проведение экспериментов по измерению уровня воды

3. Разработка устройства, подключение зумера, радио датчика, реле модуля, ультразвукового дальномера, ЖК экрана к ардуино. Разработка и печать корпуса на 3D принтере.

Проблема: Проблема проекта в данной работе, посвящённой автоматизации контроля уровня жидкости/сыпучего вещества, заключается в том, что в настоящее время недостаточное внимание уделяется теории и практике анализа и улучшения оборудования, контролируемого уровень жидкости/сыпучего вещества, что определяет значимость его реализации для садоводов/слабовидящих людей/туристов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Теоретическая часть.

1.1 Анализ рынка: На данный момент на рынке существует несколько аналогов нашего проекта. Изучив аннотации устройств и проанализировав отзывы к ним мы составили список их преимуществ и недостатков, соответственно расписав “плюсы” и “минусы”.

1. ПВ:
Плюсы устройства:
- Низкая цена
- Компактность
Минусы устройства:
- Наличие провода, который нужно самим паять
- Контакт с водой, что недостаточно гигиенично
- Абсолютно не применим для категории слабовидящих людей
- Стационарный, работает от напряжения 220 вольт
- Способен работать только с водой

2. Погружной Датчик уровня воды:
Плюсы устройства:
- Способен работать в абсолютно любых емкостях с водой
- Ограничен для использования из-за своей формы
Минусы устройства:
- Работает только с водой
- Работает только от напряжения 220 вольт
- Контактирует с водой

3. Exensus.3Ex-1:
Плюсы устройства:
- Сверхточный
- Работает в большом диапазоне температур
- Имеет взрывозащиту
- Работает от 12 вольт
Минусы устройства:
- Применим только на крупных производствах
- Очень высокая цена
- Сложная настройка

5. GXUM:
Плюсы устройства:
- Программируемый
- Способен измерять температуру
- Очень точный
- Применим только на крупных производствах
Минусы устройства:
- Цена
- Сложность в настройке

6. «Чудо Кузнечик»:
Плюсы устройства:
- Удобен для слепых
- Цена
- Измерять уровень горячей жидкости в чашке

       - Российская разработка
        Минусы устройства:
        - Приспособлен только для чашек
        - Из-за контактов с водой не гигиенично

7. Индикатор уровня жидкости:
Плюсы устройства:
- Удобен для слепых
- Цена
- Измерять уровень горячей жидкости в чашке
Минусы устройства:
- Приспособлен только для чашек
- Из-за контактов с водой не гигиенично

8. FT002:
Плюсы устройства:
- Дистанционное управление
- Цена
- Может измерять температуру
- Маленького размера
Минусы устройства:
- Можно использовать только для крупных ёмкостей с жидкостью
- Не приспособлен для сыпучих веществ

1.2 Составные части электронной сети.

Наше устройство – сигнализатор изменения уровня жидкости -  представляет из себя электрическую цепь из двух устройств, иначе Ардуино-приёмник и Ардуино-передатчик, соединенных по каналу 433 МГц(радиоканал),что позволяет передавать информацию на дальнее расстояние,  на базе печатной платы с центральным микроконтроллером и вспомогательными компонентами в основе, иначе – Ардуино, которое измеряет ультразвуковыми волнами расстояние до воды/сыпучего вещества, после чего отправляет полученные данные по каналу 433 МГц на Ардуино-приёмник, который их анализирует и на основе этих данных выдает звуковой сигнал при помощи зуммера, а так же подает сигнал на реле модуль, которые выключает\включает насос или иное устройство.   

 

Ардуино:

 

 

 

Принцип работы ультразвукового датчика расстояния HC-SR04:

Датчик отправляет ультразвуковую (не слышимую человеком) волну и начинает отсчёт времени. После того, как волна дошла до препятствия и отразилась, она фиксируется в приёмнике датчика, а время останавливается. Зная время с момента отправки до получения волны, а также скорость звука, можно определить расстояние до препятствия с помощью формулы S(см)=Tимп(мкс)/58, где Tимп – длительность импульса на выводе Echo в микросекундах, S – расстояние до объекта в сантиметрах.

Принцип работы датчиков 433 МГц:

Принцип работы передатчика FS1000A прост, если на вход «DATA» подается логическая «1» открывается транзистор и генератор работает, генерируя несущую волну на частоте 433 МГц, а когда на вход «DATA» устанавливается логическая «0», генератор останавливается.

 

 

Приемник RF-5V устроен по сложнее, но такой же простой как модуль передатчика. Состоит из радиочастотной схемы и пары операционных усилителей для усиления сигнала от передатчика.

Принцип работы зуммера:

Пьезопищалка конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-».

Принцип действия зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться.

При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.

 

Принцип работы реле переменного тока:

Принцип работы реле заключается в следующем. Когда подается ток на катушку, ее сердечник начинает притягивать к себе якорь. Далее он соединяется с контактом и цепь замыкается. Когда сила тока станет ниже, то происходит ее размыкание, т. е. якорь снова вернется в первоначальное положение с помощью пружины. Чтобы работа устройства продвигалась более точно, для этого используют резисторы.

                                  

1.3 УЗ и вода. Ультразвук активно отражается от границы раздела сред с разным акустическим сопротивлением. Так на границе воздух - вода отражается более 90% ультразвуковой энергии. 4. Ультразвуковая волна обладает достаточно большой энергией, которая зависит от частоты, поэтому при распространении ультразвука в различных средах могут наблюдаться механические разрушения и значительный тепловой эффект.

1.4 Опросы. Одна из задач нашего проекта - повести опросы предполагаемой целевой аудитории. Мы выделили 3 группы людей, а именно: спелеотуристы, слабовидящие, садоводы. Первым был проведён опрос спелеотуристов. Т.к. в городе Воткинске нет туристических компаний, занимающихся подобным туризмом, мы опросили 5 крупный паблики ВК, которые организовывают спелеотуристические поездки (См. Приложение 6. Опрос. Спелеотуристы.) Далее мы провели опрос слабовидящих людей. Опрос был проведен в Обществе Слепых города Воткинска. Из 30 опрошенных, только 7  использовали какие-либо средства для контроля уровня жидкости в чашках/кружках.( См. Приложение 7. Опрос. Инвалиды по зрению.) После был проведен опрос в СНТ №1 г. Воткинска. Опрошено было 25 человек, из которых 25 не пользуются никакими средствами для автоматизации процесса наполнения, или хотя бы его удалённого контроля.

 

 

Глава 2. Практическая часть.

2.1 Ход работы.

За основу кода электронной цепи и кода проекта был взят скетч с сайта https://роботехника18.рф/ардуино-готовые-проекты/, но с некоторыми доработками. Во-первых, мы поставили беспроводной канал 433 МГц, что позволяет повысить мобильность устройства, во-вторых, наше устройство может работать от кроны, что также делает его доступным даже в местах, где нет электричества. В-третьих, реле модуль, который автоматизирует систему и позволяет подключить к сигнализатору насос, чтобы Ардуино сам контролировал наполнение емкости. В-четвертых, удобное управление с помощью кнопок и LCD-дисплея 16х2.

Дорожная карта проекта Сигнализатор изменения уровня жидкости
Цель	Задачи	Мероприятия	Сроки	Результат	Участники
1.Создание Устройства на базе микроконтроллера Ардуино, направленного на дистанционный контроль наполняемости ёмкости с жидким либо сыпучим веществом, при помощи ультразвукового датчика расстояния.	1. Поиск проблемы, анализ гипотезы, с проведением экспериментов, подтверждающих или опровергающих гипотезу	1. а) Общее собрание с командой, анализ проблемы. б) Анализ гипотезы, поиск решения проблемы в) Провидение экспериментов с водой и ультразвуковым датчиком расстояния	1. 1-30 сентября 2022 г.	1.Подтверждение гипотезы, Исправление недочётов	1. Косачев, Куранов
	2.Обсуждение будущей конструкции системы, поиск наиболее подходящего материала для корпуса конструкции, проведение опросов с целевой аудиторией	2. а) Собрание с командой, обсуждение конструкции. б) Опрос целевой аудитории	2. 1-30 октября 2022 года	2. Готовый план создания системы, покупка необходимых модулей для системы	2. Косачев, Куранов
	3.Написание кода для ардуино, создание электро-схемы	3. Написание кода, проверка его работоспособности	3. 1-30 ноября 2022 г.	3. Готовый код системы, электро-схема	3.Куранов
	4.Подготовка документации проекта, дорожной карты, презентации	4.а) Создание презентации в canva б) Общее собрание с командой, подготовка письменной части проекта	4. 15-30 ноября 2022 г.	4. Готовая документация	4.Косачев, Куранов
	5.Создание корпуса системы в программе КОМПАС  3D	5. а)Создание 3D модели корпуса б) Распечатка корпуса на 3D принтере	5. 1-31 декабря 2022 г.	5. Готовый MVP	5. Косачёв
	6.Подготовка к защите проекта, написание текста выступления, доработка системы	6.Написание текста выступления ,отработка его на сцене.	6. 1-23 февраля 2023 г.	6.Подготовленная защита проекта	6. Косачев, Куранов
	7.Защита проекта	7. Защита проекта перед жюри, анализ всех пожеланий	7. 24 марта 2023 г.	7.Доработка проекта, обдумывание дальнейших действий.	7. Косачев, Куранов

 

 

2.2 Электронная схема.

Схема состоит из нескольких элементов, формирующих электронную цепь(См. Приложение 2.Ардуино-приёмник., 1.Ардуино-передатчик), собираемых без какого-либо опыта в создании электронных устройств. Код для Ардуино писался в среде Arduino IDE, на языке Wiring, одной из разновидностей С++.

●       Зуммер

●       Arduino

●       УЗ дальномер

●       433 МГц радио модуль

●       Реле модуль

●       Крона

 

 

2.3 Корпус модели.  Корпус модели (См. Приложение 4. Задняя часть корпуса, 5. Передняя часть корпуса) состоит из PLA пластика, распечатанного на 3D принтере Tronxy X5SA-400 (См. Приложение 3. 3D принтер Tronxy X5SA-400), разрабатываемый в программе КОМПАС 3D, с использованием для печать слайсера Ultimaker Cura и печатаемый на домашнем 3D принтере одного из участников проекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

   Выполняя проект – создание сигнализатора уровня жидкости (можно использовать и для сыпучих материалов), мы ставили цели изучить различные источники технической литературы по созданию сигнализатора, изучить теоретический материал по созданию электрических цепей, работы контроллера, написание кода для Ардуино и создания 3D моделей, что у нас успешно получилось.

     В летний период садоводы, в основном это пожилые люди, испытывают неудобство с набором воды в баки, так как вода подаётся в некоторых СНТ с перебоями, данное устройство поможет им и спасет от перелива бака, а также освободит садоводов от постоянного ожидания графика подачи воды. Сигнализатор уровня жидкости напомнит садоводам-любителям об этом.

     Также наш сигнализатор спасёт слабовидящего или слепого человека от переливания жидкости в кружку, т.к. если человек не видит, то он проверяет уровень жидкости рукой, что не гигиенично.

      Наш сигнализатор работает с небольшими ёмкостями с водой, летом мы обязательно его апробируем  на большом баке с водой.

  Готовая система способна точно измерить высоту уровня жидкости и удалённо сообщить об этом своему хозяину. Однако, наше устройство не лишено недостатков, которые впоследствии будут решены. Опасность затопления самого датчика и проблема крепления задней части системы к сырым стенам до сих пор разрабатываются нами. Мы заинтересованы в реализации проекта, т.к. отец одного из участник является инвалидом по зрению, а также садоводом, что включает его в нашу целевую аудиторию и стимулирует разрабатывать проект.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников и литературы

 

1.     Информационный ресурс о видах датчиков уровня воды в резервуаре и емкости https://www.asutpp.ru/vybiraem-datchik-urovnya-vody-v-rezervuare-i-emkosti.html

2.     Принцип действия датчиков https://www.quora.com/How-can-ultrasonic-waves-pass-through-water-Is-it-not-reflected-by-water

3.     Обзор материалов для 3D печати https://blog.iqb.ru/3d-printing-materials/

4.     Лекция по теме «Ультразвук» https://studfile.net/preview/9709605/page:8/

5.     Актуальная информация про уровнемеры https://msk.urovnemer-usk.ru/pro-urovnemeri/urovnemery-skvazhinnye-modeli/

6.     Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости https://www.asutpp.ru/vybiraem-datchik-urovnya-vody-v-rezervuare-i-emkosti.html

7.     Опасности спелеотуристов https://tripmir.com/articles/1381/opasnosti_speleoturizma.html

8.     Снаряжение спелеолога: что брать для подходов к пещере и жизни под землёй   https://sport-marafon.ru/article/snaryazhenie-speleologa-chto-brat-dlya-podkhodov-k-peshchere-i-zhizni-pod-zemlyey/?ysclid=lbv5pgv0h388036460

9.     Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. М., 2020г.

10. Электротехника: Учеб. для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов. М., 1999г

11. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. С.-П., 2007

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение:

1.     Ардуино-передатчик.

 

 

2.     Ардуино-приёмник.

 

 

 

3. 3D принтер Tronxy X5SA-400.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Задняя часть корпуса.

 

5. Передняя часть корпуса.

6. Опрос. Спелеотуристы. Проводили в ВОС (Всероссийском обществе слепых в г. Воткинске)

7. Опрос. Инвалиды по зрению.

 

Скачано с www.znanio.ru