Prosty czujnik i kontroler poziomu wody
Autor projektu napisał: ,,Około 20 lat temu, mój przyjaciel przyszedł do mnie, aby porozmawiać ze mną o czujniku poziomu wody, wykonanym przy pomocy przekaźników, który naprawiał na zlecenie swojego klienta. Problem z czujnikiem polegał na tym, że przekaźniki te niszczyły się. Wiedział, że czujnik działa dzięki wykorzystaniu właściwości przewodnictwa elektrycznego wody. Klient nie zgadzał się jednak na wykorzystanie żadnego przełącznika pływającego.
Pompka powinna zacząć pompować za każdym razem, kiedy woda osiągnie zbyt niski poziom oraz powinna przestać pompować kiedy woda osiągnie poziom wysoki. Kiedy woda zostanie zużyta i jej poziom nieco opuści się poniżej poziomu ,,wysokiego", obwód powinien znów załączyć pompkę oraz wyłączyć ją, kiedy tafla wody znów dotknie elektrody odpowiedzialnej za sygnalizowanie ,,wysokiego" poziom wody. Proces ten będzie się powtarzał tak długo, aż jego zasilanie nie zostanie odłączone. Obwód ten był jednak niestabilny, oscylował, co nie było zbyt dobre dla pompy wody o mocy 5HP, zresztą, nie byłoby to dobre do jakiejkolwiek innej pompy.
Mój przyjaciel potrzebował pomocy. Zapytałem więc, czy nie lepiej zamiast pracować z przekaźnikami, zaprojektować obwód elektroniczny, co byłoby tańsze, bardziej niezawodne oraz miało dłuższą żywotność?"
Krok 1: Opis teoretyczny obwodu
Podstawowa teoria na temat projektu.
CELE:
*Utrzymywać poziom wody pomiędzy stanem "wysokim" i "niskim", czyli pomiędzy odpowiadającymi tym stanom elektrodami zamontowanymi w głównym zbiorniku.
*Ochrona pompki, w razie gdyby poziom wody w zbiorniku spadł poniżej poziomu zapewniającego prawidłowe działanie pompki.
*Wszystko to powinno zostać osiągnięte za pomocą możliwie jak najprostszego obwodu kontrolującego.
Serce całego układu - CMOS CD4001.
"Tabela prawd" dla bramki NOR.
Logiczne 0 i 1 układu.
Układ CD4001 podłączony, jako przerzutnik S-R
Obwód kontrolera
PIERWSZA MOŻLIWOŚĆ, ZASILANIE WŁĄCZONE
W zależności od tego, która bramka przerzutnika S-R będzie szybsza, pompa może się załączyć lub może się nie załączyć, kiedy poziom wody będzie znajdował się pomiędzy elektrodami odpowiadającym poziomowi niskiemu i wysokiemu. Zobaczmy co się stanie, jeśli pompka nie włączy się.
Pompka nie włącza się.
Pompka włącza się, zanim poziom wody osiągnie stan "niski".
Poziom wody podnosi się.
Woda osiąga poziom "wysoki", pompa zostaje wyłączona.
OBWÓD MUSI "PAMIĘTAĆ"
*Aby pompa była wyłączona, podczas gdy poziom wody będzie spadał z w czasie jej pobierania ze zbiornika.
*Aby włączyć ponownie pompę, kiedy poziom wody spadnie poniżej elektrody odpowiadającej niskiemu poziomowi wody.
*Opieramy się na działaniu przerzutnika S-R, więc obwód musi pamiętać te czynności.
Poziom wody znów się opuszcza.
Cykl ten powtarza się w nieskończoność.
DRUGA MOŻLIWOŚĆ
Pompa załączy się podczas, gdy tafla wody będzie znajdowała się pomiędzy poziomami "niskim" i "wysokim".
Po włączeniu zasilania pompa uruchomi się.
I wyłączy się, gdy poziom wody osiągnie stan "wysoki".
JEŚLI POZIOM WODY SPADNIE
Kontroler będzie zachowywał się tak jak zaplanowano.
Podczas, gdy woda będzie poniżej poziomu niskiego, pompa uruchomi się i cykl ten będzie powtarzał się przez cały czas.
OCHRONA POMPY
Kiedy ilość wody w zbiorniku spadnie poniżej określonego poziomu, pompa nie załączy się, aby zapobiec jej spaleniu i uszkodzeniu.
Ochrona pompy
Krok 2: Schemat
Schemat ten został oryginalnie narysowany za pomocą programu CadSoft Eagle służącego do projektowania płytek PCB. Wydawać by się mogło, że schemat jest trudny do odczytania, został on jednak nieco zmodyfikowany dla większej przejrzystości. Mały transformator 120VAC:12VAC step-down o wydajności prądowej 250mA jest podłączony do płytki zasilacza poprzez złącza X1-1 oraz X1-2. Transformator dostarcza niskie napięcie wymagane do zasilania sterownika oraz zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy obwodem sterującym, a siecią. Aby zminimalizować ilość wykorzystanych elementów, obwód CMOS CD4001 został użyty do wytworzenia jednego napięcia zasilającego, wykorzystanego do obydwu elementów, obwodu sterowania i do przekaźnika.
Dodatkowo, jak na wcześniejszych obrazkach można było zobaczyć, sterownik zawiera dwie diody LED, jedną zieloną, dla zasygnalizowania kiedy pompa pracuje, a drugą czerwoną, dla zasygnalizowania, kiedy pompa znajduje się w trybie ochronnym. Zielona dioda zapala się za każdym razem, kiedy przekaźnik załączy się. Ta dioda, wraz z rezystorem ograniczającym prąd jest połączona równolegle z cewką przekaźnika. Jeśli czerwona dioda świeci się, pompa wraz z zieloną diodą LED pozostaną wyłączone. Kiedy czerwona dioda zgaśnie, pompa oraz zielona dioda LED mogą się załączyć w razie potrzeby.
Obwód złożony z tranzystorów Q1 i Q2 jest zaprojektowany tak, aby włączać czerwoną diodę LED (zabezpieczenie pompy) za każdym razem, kiedy poziom wody będzie znajdował się pomiędzy elektrodą poziomu ochronnego pompy, a elektrodą umieszczoną na dnie. Q1 będzie załączony tak długo, jak długo poziom wody będzie utrzymywał się poniżej poziomu ochronnego. Prąd bazy Q1 jest zbyt mały, poniżej 1 mikroampera. Q1 i Q2 są połączone w układ Darlingtona, więc Q2 może uaktywnić w razie potrzeby diodę czerwoną.
Bramka IC1-B jest rodzajem bramki AND. To zaś oznacza, że za każdym razem, kiedy zbiornik będzie trzeba napełnić, a poziom ochronny pompy jest osiągnięty, bramka ta uruchomi tranzystor Q3, który zaś uruchomi pompę wody.
Krok 3: Płytka drukowana
Płytkę wraz z elementami potrzebnymi do jej wykonania można zakupić jako kit.
Poniżej link do pobrania wzoru płytki drukowanej wykonanej przez autora projektu.
Link
Krok 4: Lista elementów
Rezystory:
3x - 2.2M ohm 1/4W (R1, R2, R3)
1x - 4.7K ohm 1/4W (R4)
1x - 120K ohm 1/4W (R5)
2x - 470 ohm 1/2W (R6, R7)
1x - 15K ohm 1/4W (R8)
Kondensatory:
1x - 330uF 63V (C1)
1x - 220uF 25V (C2)
1x - 1uF 63V (C3)
Półprzewodniki:
5x - 1N4004 (D1, D2, D3, D4, D5)
1x - CD4001 (IC1)
1x - 7812T (IC2)
1x - Green LED (LED1)
1x - Red LED (LED2)
2x - 2N3904 (Q1, Q3)
1x - 2N3906 (Q2)
Pozostałe:
1x - 12V przekaźnik (RLY1) Jameco P/N: 144186
4x - 2 Terminal connector (X1, X2, X3, X4) Jameco P/N: 2094485*
Płytka drukowana Pliki Eagle zamieszczone w Kroku 3
1x - 14pin IC Socket
1x - 120V/12V @ 250mA transformator lub AC-to-AC adapter, Jameco P/N:2076543
Krok 5: Montaż
Najpierw wlutuj elementy pasywne, czyli rezystory i elektrolityczne kondensatory, zwracając uwagę na ich polaryzację. Później przylutuj elementy zasilacza, takie jak diody i stabilizatory napięcia, również zwracając uwagę na polaryzację.
Zamontuj 14-pinową podstawkę w odpowiednim miejscu na płytce drukowanej, a następnie przylutuj ją. Nanieś tylko tyle lutowia, ile jest potrzebne do przylutowania każdego wyprowadzenia. Zbyt duża ilość lutowia może spowodować zwarcie ze sobą poszczególnych wyprowadzeń. Zwróć uwagę na stronę, z której przypada wycięcie w podstawce.
Użyj zewnętrznego zasilacza napięcia stałego +15V lub dwóch baterii 9V połączonych szeregowo oraz pary krokodylków podłączając plus zasilania do anody diody D1 oraz minus zasilania do katody diody D4. Mierzone napięcie pomiędzy pinem 14 (Vdd) i 7 (GND) na podstawce półprzewodnika powinno wynosić +12V +/- 2%.
Jeśli napięcia w twoim obwodzie są takie same, jak podane wyżej, możesz przystąpić do następnego kroku.
Krok 6: Kończenie montażu płytki drukowanej
Zamontuj tranzystory NPN 2N3904 w miejsce Q1 i Q3 upewniając się, czy wszystkie wyprowadzenia pasują w odpowiednie otwory. Ostrożnie lutuj każde wyprowadzenie, robiąc po przylutowaniu każdej nóżki przynajmniej 20-30 sekund przerwy zanim przejdziesz do kolejnej. W ten sam sposób zamontuj tranzystor Q2, czyli 2N3906 PNP. Zamontuj zieloną diodę LED w miejscu oznaczonym jako LED1. Krótsza końcówka to katoda, powinna być zamontowana w miejscu oznaczonym na płytce jako katoda. Jeśli dioda LED zostanie zamontowana odwrotnie to nie zaświeci. Podobnie jak w przypadku tranzystorów, rób pomiędzy lutowaniem wyprowadzeń przynajmniej 20-30 sekund przerwy. Tak samo postępuj z czerwoną diodą LED, którą należy zamontować w miejscu oznaczonym, jako LED2.
Następnie zamontuj po dwa podwójne złącza w każdym miejscu. Zamontuj jedno złącze w miejscu X1 i jedno w miejscu X4, a następnie przylutuj je tak, aby ich wyjścia były skierowane w stronę krawędzi płytki drukowanej. Weź dwa pozostałe złącza, a następnie złącz je razem, wciskając wypustkę jednego z nich w rowek na drugim. Tak zmontowane złącza wlutuj w miejsce X2 i X3, tak samo jak poprzednio, zwróć uwagę aby ich wyjścia były skierowane w stronę krawędzi płytki drukowanej.
Zamontuj przekaźnik w miejscu RLY1 i przylutuj go. Po wykonaniu tej czynności płytka kontrolera będzie kompletna. Aby urządzenie było gotowe do testów należy umieścić układ scalony CD4001 we wlutowanej wcześniej podstawce.
Krok 7: Ostateczne testowanie
Połóż swoją zmontowaną płytkę układu na jakiejś nieprzewodzącej powierzchni, takiej jak na przykład tekturowa teczka lub zeszyt, aby zapobiec przypadkowemu zwarciu lutowanych punktów za pomocą jakiś przewodzących rzeczy. Uszykuj parę przewodów 24AWG o długości około 30 centymetrów, a następnie odizoluj ich końcówki. Włóż jeden koniec przewodu do złącza na płytce sterownika oznaczonego, jako Ground, a następnie umieść koniec innego przewodu w złączu opisanym, jako ,,poziom ochrony pompy (pump level protection)” pozostawiając drugie końcówki luzem, jednak tak, aby nie dotykały innych.
W tym teście użyjemy zasilacza, który wykorzystywaliśmy również w kroku 5. Podłącz zasilacz do obwodu w ten taki sam sposób, jak poprzednio. CD4001 w tym momencie powinien być już umieszczony w podstawce. Jeśli zasilacz jest poprawnie podłączony do płytki, a cała płytka bezbłędnie zmontowana, powinna zapalić się czerwona dioda LED. Jeśli zewrzesz ze sobą dwie odizolowane końcówki przewodów, czerwona dioda powinna zgasnąć, zaś zapalić powinna się dioda zielona. Powinno być również słyszalne ciche kliknięcie w przekaźniku. Rozwarcie końcówek przewodów z powrotem spowoduje wyłączenie zielonej diody LED, zapalenie się czerwonej diody oraz wydobycie się z przekaźnika dźwięku kliknięcia (rozwierające się styki). Jeśli wszystko działa tak, jak w opisie powyżej, to znaczy, że obwód został zmontowany poprawnie.
Postaraj się znaleźć płytki pojemnik, a następnie napełnij go wodą. Nie odłączaj zasilania od obwodu. Czerwona dioda powinna się świecić, a dwie odizolowane końcówki nie powinny się ze sobą stykać. Umieść końcówki przewodów w pojemniku z wodą. Czerwona dioda powinna zgasnąć, zaś zielona zaświecić się. Przekaźnik znów wyda cichy odgłos. Wyjmij końcówki z wody, zielona dioda powinna zgasnąć, a czerwona zaświecić się. Jeśli ten test również się powiódł, to znaczy, że obwód działa prawidłowo.
Test transformatora AC:
Teraz nadszedł czas na przetestowanie sterownika przy podłączonym zasilaniu pochodzącym z transformatora 120V/12V 250mA. Podłącz wyprowadzenia 12VAC transformatora do złącz na płytce kontrolera oznaczonych, jako 12VAC IN. Podłącz pierwotne uzwojenie transformatora za pomocą zewnętrznego kabla do sieci. Obwód powinien zachowywać się tak samo, jak podczas zasilania napięciem stałym. Jeśli tak jest, możemy przejść do następnego testu.
Symulowanie działania pompy:
Przygotuj kolejną parę przewodów o takiej samej długości jak te, podłączone już do płytki kontrolera, odizoluj ich końcówki i podłącz pierwszy przewód do zacisku "Low level" oraz drugi przewód do zacisku "high level". Z końcówkami przewodu ochrony pompy oraz "Ground" zanurzonymi w pojemniku z wodą, zielona dioda LED powinna się świecić. Teraz zanurz w tym samym pojemniku z wodą, co poprzednie kable przewód "low level". Zielona dioda powinna świecić się nadal, następnie zanurz w tym samym pojemniku z wodą przewód „high level”, zielona dioda powinna zgasnąć, a z przekaźnika wydobędzie się charakterystyczny dźwięk. Ten test zasymulował napełnianie zbiornika wodą przez pompę. Aby zasymulować pobieranie wody z pojemnika, możesz wyjąć przewód "high level" z pojemnika z wodą, obwód powinien zachowywać się cały czas tak samo. Teraz wyjmij z wody przewód "low level". Zielona dioda powinna się zapalić, a przekaźnik powinien załączyć pompę.
Jeśli twój układ przeszedł wszystkie testy pomyślnie, kontroler jest teraz gotowy do użytku, możesz wykorzystać go w praktyce. Zanim jednak to zrobisz, upewnij się, że podczas montażu układu nie będziesz narażony na zetknięcie się z wysokim napięciem. Elektrody pełniące rolę czujników powinny być rozmieszczone w pionie od góry do dołu zbiornika z wodą. Aby zapobiec korozji elektrod, warto jest wykonać je z materiału nierdzewnego, dla dłuższej żywotności. Jeśli elektrody będą przechodzić przez ścianę zbiornika, pamiętaj o uszczelnieniu otworu, aby zapobiec przeciekaniu.
Źródło:Link
Cool? Ranking DIY
