Table of Contents
Dozator de apă inteligent
Introducere
Proiectul constă într-un dozator de apă inteligent, care detectează volumul curent de apă pe baza unui senzor de greutate și care umple recipientul, cu ajutorul unei pompe și a unui releu. Pentru afișaj, am folosit un ecran LCD și o bară de 10 led-uri pentru progres. LCD-ul va avea mai multe moduri, printre care: progres, timp rămas și statistici (câtă apă am băut în ziua respectivă spre exemplu). Pentru a schimba modurile de afișaj voi folosi niște butoane, iar pentru a măsura timpul precis un RTC.
Scopul proiectului și utilitatea o reprezintă, tocmai, automatizarea procesului, marea majoritate a dozatoarelor fiind manuale, deci incoveniente.
Ideea de la care am pornit a fost creearea unui aparat util, nu foarte scump, de care toată lumea are nevoie.
Descriere generală
1. Microcontroler-ul ATmega328P-XMINI - „creierul”, prelucrează datele primite de la senzor, acționează pompa, realizează statisticile și trimite semnal la LED-uri și LCD pentru afișaj
2. Senzor Greutate 1kg (analogic) - pentru detectarea volumului de apă curent
3. Modul Citire Greutate HX711 - funcționează ca un amplificator și convertește semnalul analogic primit de la senzor într-unul digital pe care îl poate procesa microcontrolerul
4. Sursa 12V - pentru alimentarea pompei
5. Convertor Step-Down 5V - pentru a modifica tensiunea de la 12V la 5V, alimentând microcontrolerul
6. Releu - întrerupător (pornește sau oprește pompa)
7. Pompa - pentru a extrage apa din rezervor
8. RTC - folosit pentru a colecta date pentru statistici. Un avantaj al utilizării unui RTC este acuratețea acestuia, precum și funcționarea independentă de sursa principală de curent datorită bateriei proprii (comunică pe baza protocolului I2C)
9. LCD - folosit pentru afișaj (funcționează pe baza protocolului I2C)
10. Butoane - folosite pentru a porni dozatorul sau a schimba modul de afișaj
11. Bara 10 LED-uri - folosită pentru a afișa progresul. Funcționează folosind PWM pentru a varia intensitatea, în timp ce numărul de LED-uri aprinse se modifică în funcție de progres
Laboratoare folosite:
- Întreruperi (butoanele care: pornesc aparatul, schimbă modul de afișaj etc.)
- PWM (intensitatea LED-urilor de progres crește treptat)
- I2C (Afișajul LCD și modulul RTC)
- UART (Pentru calibrarea senzorului de greutate)
Module externe:
- Timere (RTC)
- ADC (modulul HX711, care transformă semnalul analogic primit de la senzor într-unul digital)
Hardware Design
Lista de piese
| Componenta | Model | Cantitate |
|---|---|---|
| Microcontroler | ATmega328P-XMINI | 1 |
| Modul Cântar Electronic 1kg | YZC-133 | 1 |
| Modul Citire Greutate | HX711 | 1 |
| Display LCD 2×16 I2C | 1602 | 1 |
| Pompă peristaltică mini 12VDC | Kamoer CKP-DC-S08 | 1 |
| Modul Releu 1 canal 5V | SRD-05VDC-SL-C | 1 |
| Sursă alimentare 12V 2A | YDS-WA024 | 1 |
| Buton 6x6x6 | Sunrom 5827 | 4 |
| Bară leduri cu 10 segmente | F2510BH | 1 |
| Rezistență | 220 Ω | 12 |
| Rezistență | 1k Ω | 4 |
| Rezistență | 10k Ω | 4 |
| Condensator | 0.1µF | 4 |
| Modul RTC | DS3231 | 1 |
| Baterie | Varta CR2032 | 1 |
| Breadboard | 830 puncte | 1 |
| Fire DuPont M-F | 10 bucăți 10cm | 2 |
| Fire DuPont M-M | 10 bucăți 20cm | 3 |
| Furtun silicon | 1.6m | 1 |
| Modul DC-DC Step Down | LM2596 | 1 |
| Mufă alimentare panou DC mamă | 5.5mm x 2.1mm 3 pini | 1 |
Pini folosiți
| Componentă | Pin componentă | Pin ATmega328P (Arduino) | Explicație |
|---|---|---|---|
| Sursă 12V | V+ (Plus) | - | Tensiunea de 12V merge la intrarea IN+ a convertorului Step-Down și la (+) pompei |
| Sursă 12V | V- (Minus) | - | Se conectează la IN- (convertor) și la borna COM a releului |
| Convertor Step-Down LM2596 | OUT+ | 5V | Furnizează 5V către magistrala breadboard-ului și pinul 5V al plăcii |
| Convertor Step-Down LM2596 | OUT- | GND | Conectat la magistrala de masă (GND) a breadboard-ului |
| Pompă de apă 12V | Minus (-) | - | Conectat la borna NO a releului |
| Modul Releu 5V | VCC (DC+) | 5V | Alimentarea părții logice a releului cu 5V |
| Modul Releu 5V | GND (DC-) | GND | Masă comună |
| Modul Releu 5V | S | PC1 | Pin configurat ca OUTPUT digital pentru a da comanda de închidere a circuitului |
| Senzor Greutate 1kg | Fir Roșu | - | Se conectează la borna E+ (Excitation Plus) a modulului HX711 pentru alimentarea cu curent de referință |
| Senzor Greutate 1kg | Fir Negru | - | Se conectează la borna E- (Excitation Minus) a modulului HX711, reprezentând masa senzorului |
| Senzor Greutate 1kg | Fir Alb | - | Se conectează la borna A- (Analog Minus) a modulului HX711. Este primul fir de semnal care citește variația de tensiune |
| Senzor Greutate 1kg | Fir Verde | - | Se conectează la borna A+ (Analog Plus) a modulului HX711. Al doilea fir de semnal - împreună cu cel alb creează diferența de potențial amplificată de modul |
| HX711 (Senzor Greutate) | VCC | 5V | Modulul este alimentat la 5V de la magistrala breadboard-ului |
| HX711 (Senzor Greutate) | GND | GND | Toate componentele trebuie să aibă masă comună |
| HX711 (Senzor Greutate) | DT / DAT | PC2 | Pin analogic folosit ca I/O digital pentru citirea datelor |
| HX711 (Senzor Greutate) | SCK / CLK | PC3 | Pin analogic folosit ca I/O digital pentru semnalul de clock |
| LCD 16×2 I2C | VCC | 5V | Display-ul este alimentat la 5V |
| LCD 16×2 I2C | GND | GND | Masă comună |
| LCD 16×2 I2C | SDA | PC4 | Pinul hardware standard dedicat pentru date I2C |
| LCD 16×2 I2C | SCL | PC5 | Pinul hardware standard dedicat pentru clock I2C |
| RTC DS3231 | VCC | 5V | Modulul ceasului este alimentat la 5V |
| RTC DS3231 | GND | GND | Masă comună |
| RTC DS3231 | SDA | PC4 | Conectat în paralel pe magistrala I2C cu LCD-ul |
| RTC DS3231 | SCL | PC5 | Conectat în paralel pe magistrala I2C cu LCD-ul |
| Buton 1 (Start/Pauză) | Semnal | PD2 | Pin dedicat pentru întreruperi hardware (INT0). Configurat cu INPUT_PULLUP |
| Buton 2 (Schimbare Afișaj) | Semnal | PD3 | Pin dedicat pentru întreruperi hardware (INT1). Configurat cu INPUT_PULLUP |
| Bară 10 LED-uri | Anozi (+) | PD0, PD1, PD4-PD7, PB0-PB3 | Pini digitali folosiți pentru controlul progresului |
| Bară 10 LED-uri | Catozi (-) | GND | Masă comună, prin intermediul rezistențelor |
Software Design
Am terminat partea de software design, integrând toate funcționalitățile menționate mai sus.
Am folosit bibliotecile:
- HX711 pentru a putea conecta senzorul de greutate la breadboard, cât și pentru a putea interpreta datele primite
- LiquidCrystal_I2C pentru a afișa diferite mesaje pe ecranul LCD
- RTClib pentru a putea realiza statisticile menționate, spre exemplu câtă apă am băut în ziua respectivă
- SoftPWM pentru a varia intensitatea ledurilor
- EEPROM pentru a putea salva statisticile chiar și dacă dozatorul nu mai este alimentat
- Wire pentru comunicarea I2C
Elementele de noutate ale proiectului sunt reprezentate de funcționalitățile diverse:
- utilizatorul poate seta la început volumul sticlei folosite (de la 50 ml la 1000 ml, increment de 50 ml)
- după ce se așază sticla cu apa inițială, senzorul detectează exact masa, luând în calcul masa sticlei goale
- la pornirea dozatorului, progresul este afișat atât pe baza LED-urilor (acestea se aprind alternativ, variind intensitatea pe baza volumului rămas), cât și prin intermediul ecranului LCD (afișează volumul rămas)
- există mai multe moduri de afișaj (volumul rămas sau cantitatea de apă consumată în ziua respectivă, acest lucru fiind foarte important în nutriție)
- dozatorul se poate pune pe pauză în orice moment, respectiv se poate relua activitatea rămasă
- după ce sticla se umple, se poate pune o nouă sticlă, fără a fi necesară repornirea aparatului
Codul propriu-zis se bazează pe un automat de stări circular, astfel:
- starea 0 (selecția) - se citește starea butoanelor. În această etapă, butoanele sunt utilizate pentru selectarea volumului sticlei
- starea 1 (așteptare) - se așteaptă punerea sticlei pe cântar și calcularea masei
- starea 2 (umplere) - microcontrolerul acționează releul, pornind pompa
- starea 3 (pauză) - pompa este oprită, iar totul (LCD, releul etc.) este pus pe pauză, în standby
- starea 4 (finalizarea) - pompa s-a oprit, se salvează statisticile în EEPROM și se așteaptă ca sticla să fie ridicată. După ce se ridică sticla, se pornește din nou din starea 0
Senzorul de greutate a fost calibrat pe baza unui cod software. Acesta poate fi vizualizat pe git. Am pus pe cântar o sticlă cu masă cunoscută (250 ml), iar apoi am reglat, prin UART, factorul de calibrare din software.
Optimizări:
- întreruperi externe (ca să nu facem polling) - proiectul este destul de complex. Fără întreruperi nu puteam detecta simultan și masa sticlei, și starea butonului etc.
- debouncing (software) - pentru a se înregistra o singură apăsare
- variabile volatile - pentru a nu fi optimizat accesul de către compilator
- timere în loc de delay - pentru a nu bloca execuția inutil
- accesul EEPROM - modificăm cantitatea de apă băută numai după ce sticla s-a umplut complet, pentru a proteja memoria sensibilă EEPROM
Ca mediu de dezvoltare am folosit VS Code cu extensia PlatformIO, framework Arduino.
Rezultate Obţinute
Concluzii
Download
.
Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea Add Images or other files. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul :pm:prj20??:c? sau :pm:prj20??:c?:nume_student (dacă este cazul). Exemplu: Dumitru Alin, 331CC → :pm:prj2009:cc:dumitru_alin.
Jurnal
Am terminat proiectul
Bibliografie/Resurse
Resurse Hardware (datasheets)
Modul Cântar Electronic 1kg YZC-133
Pompă peristaltică mini 12VDC Kamoer CKP-DC-S08
Modul Releu 1 canal 5V SRD-05VDC-SL-C
Resurse Software