Controlador Automático de Nível de Água Baseado em SRF04 para Uso Residencial e Comercial

Controlador Automático de Nível de Água Completo usando SRF04, L293D e PIC16F84A

Introdução ao Controlador Automático de Nível de Água

Monitorar e controlar o nível de água em caixas d'água é um dos trabalhos mais importantes em quase todas as áreas residenciais e comerciais. Na maioria dos casos, especialmente em edifícios residenciais, devido à falta de meios automáticos, torna-se cansativo e inconveniente monitorar frequentemente o nível de água nos reservatórios. Na verdade, em locais com escassez de água, o transbordamento seria algo bastante caro.

A única solução para o problema acima é ter uma forma automática de monitorar e controlar o nível de água. Embora existam muitas técnicas como uso de sensores de distância, sondas de corrente, medidores ultrassônicos, etc., aqui focaremos no uso de medidor ultrassônico (ranger ultrassônico).

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Visão Geral do Sistema de Controlador de Nível de Água

O sistema consiste em um sensor ultrassônico de distância colocado no topo do tanque de forma que, uma vez acionado, envia um sinal ultrassônico. A água presente no tanque reflete o sinal. O sensor recebe este sinal e o tempo entre estes dois sinais dá uma estimativa sobre a distância percorrida pelos sinais, assim o nível de água a partir do topo.

Aqui um microcontrolador é usado para enviar sinal de disparo ao medidor ultrassônico. Uma vez recebido o eco, o intervalo de tempo entre os dois pulsos é calculado e isto é diretamente proporcional ao nível de água. O intervalo de tempo é calculado com ajuda de Timer, cujo número de pulsos de contagem denota a distância percorrida pelo sinal, ou o nível de água.

Como aqui o medidor é colocado no topo do tanque, o controle de fluxo de água é feito considerando o nível de água a partir do topo. Por exemplo, se a distância medida for entre 0 a 1 cm, o tanque está transbordando e o microcontrolador envia sinal de controle para girar o motor em sentido reverso, para remover o excesso de água.

Se a distância for entre 2 a 5 cm, o tanque está cheio e o microcontrolador envia sinal para desligar o motor. Se a distância for acima de 5 cm, o tanque está quase vazio e o microcontrolador envia sinal para girar o motor no sentido direto.

Diagrama do Circuito do Controlador Automático de Nível de Água

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Figura 1: Controlador de Nível de Água

Descrição dos Componentes

Os seguintes componentes seriam usados para projetar o circuito:

1. Medidor de Distância Ultrassônico SRF04
2. Microcontrolador PIC PIC16F84A
3. Driver de Motor L293D
4. Motor DC
5. Dois Resistores de 1K

Vamos ter uma breve ideia sobre cada componente

Medidor de Distância Ultrassônico SRF04:

O SRF04 é um medidor ultrassônico de alta qualidade usado em muitas aplicações robóticas para fácil detecção de obstáculos. Requer sinal de 10 microssegundos para ser acionado.

Figura 2: Medidor de Distância Ultrassônico SRF04

Uma vez acionado, envia 8 pulsos de ultrassom, a uma frequência de 40 KHz e simultaneamente eleva sua linha de eco para HIGH. Uma vez que recebe o sinal refletido ou eco, abaixa a linha de eco para LOW.

Assim, a largura do pulso de eco denota a distância percorrida pelo sinal ou, em outras palavras, a distância do medidor ao objeto. A linha de eco é portanto um pulso cuja largura é proporcional à distância ao objeto. Para 1cm, a largura do pulso de eco seria 58 microssegundos.

Figura 3: Diagrama de Temporização SRF04

Microcontrolador PIC PIC16F84A:

Figura 4: Microcontrolador PIC PIC16F84A

É um microcontrolador Flash de 8 bits, 18 pinos, compatível CMOS, com um único Timer de 8 bits (com prescaler programável de 8 bits). A operação do Timer é controlada usando os seguintes registradores – OPTION_REG, TMR0 e INTCON. O OPTION_REG é um registrador de 8 bits cujo 5º bit (T0CS) seleciona a operação de timer ou contador requerida.

Setar o bit seleciona operação de contador, enquanto limpá-lo seleciona operação de timer. TMR0 é o registrador do timer, enquanto INTCON é o registrador de interrupção cujo 5º bit (T0IE) denota a flag do timer, ou seja, seta quando o Timer transborda.

Driver de Motor L293D:

Figura 5: Driver de Motor IC L293D

É um CI driver de motor DC de 16 pinos, baseado em ponte H. Tem capacidade para acionar dois motores e em ambas as direções. Consiste em dois pinos de habilitação (Pino 1 e 9) que, quando em HIGH, habilitam a operação do CI. Basicamente atua como interface entre o microcontrolador e o motor DC. Consiste em quatro pinos de entrada – dois para cada circuito de ponte H. Abaixo está uma tabela denotando o controle do motor.

IN1 (Pino 2)	IN2 (Pino 7)	EN1 (Pino 1)	Operação do Motor
HIGH	HIGH	HIGH	DESLIGADO
LOW	LOW	HIGH	DESLIGADO
HIGH	LOW	HIGH	LIGADO (Horário)
LOW	HIGH	HIGH	LIGADO (Anti-horário)
X	X	LOW	DESLIGADO

Nota: Como SRF04 é um dispositivo compatível TTL e PIC16F84A é compatível CMOS, estamos usando resistor pull-up de 1K para compensar a mudança de nível de tensão.

Funcionamento e Operação do Controlador Automático de Nível de Água

O programa é escrito de forma que um pulso de 10 microssegundos é enviado do microcontrolador para acionar o medidor ultrassônico. Isto é escrito usando uma função de atraso. O registrador do timer, TMR0, é carregado com valor decimal 200, para que faça 55 contagens.

A saída do SRF04, o sinal de eco, é recebida no pino RA4 (pino de clock do Timer, fornecendo pulso de clock externo ao timer). Uma vez que o sinal de eco faz transição de HIGH para LOW, o timer é ativado. Conforme o timer conta, a flag de interrupção, T0IE, é monitorada. Uma vez setada, o timer é desativado.

O procedimento é repetido para outro pulso de eco e assim por diante. O número de vezes que o timer opera é calculado e isto denota o número de pulsos de eco. Como cada pulso de eco é de 58 microssegundos, denota 1 cm. Assim, 5 pulsos de eco denotariam 5 cm. O valor desta contagem, armazenado em um inteiro, é usado para controlar o motor DC.

Se o valor estiver entre 2 a 5, o microcontrolador envia sinais HIGH para pinos RB0 e RB1 (conectados a IN1 e IN2 do L293D respectivamente), para desligar o motor. Se valor entre 5 a 20, envia HIGH para IN1 e LOW para IN2, para ligar o motor e girá-lo no sentido horário. Se valor entre 0 a 1, envia LOW para IN1 e HIGH para IN2, para ligar o motor e girá-lo no sentido anti-horário.

Vantagens do Controlador Automático de Nível de Água usando SRF04

1. Seria um sistema simples e conveniente.
2. Seria um sistema de baixo custo devido ao uso de componentes de baixo custo.
3. O uso de técnica automática eliminaria os obstáculos enfrentados no controle de nível de água por meios manuais.
4. Como nenhuma peça mecânica é usada, eliminaria o risco de desgaste mecânico ou corrosão.

Desvantagens do Controlador Automático de Nível de Água

1. O medidor ultrassônico, SRF04, estaria sujeito a amortecimento devido ao uso de muitos componentes eletrônicos e, portanto, deve ser devidamente isolado.
2. Este sistema é projetado de forma que o sensor e o atuador precisam ser colocados próximos um do outro. Em palavras leigas, este sistema de controle é para locais onde o tanque de água fica perto da bomba. Assim, para muitos edifícios onde bombas submersas são usadas e caixas d'água estão nos telhados, este sistema Controlador Automático de Nível de Água não pode ser usado. No entanto, pode ser modificado usando circuito de comunicação.