Nivel de un depósito con ultrasonidos

Construcción de un medidor de nivel de líquidos para un depósito con ultrasonidos. En un depósito simétrico, dividiendo su capacidad máxima en litros entre la altura en centímetros, obtendremos el número de litros que contiene cada centímetro del líquido dentro del depósito. Conociendo la capacidad máxima del depósito, es posible medir la distancia libre de la parte superior del depósito por reflexión de los ultrasonidos en la superficie del líquido. Luego restamos esa distancia con la altura total del depósito, y así podremos calcular los litros que almacena en su interior.

Medidor de nivel por ultrasonidos, instalado en el depósito

Aprovechando el medidor de distancias ultrasónico que hice el año 2018, sólo he tenido que adaptar su código para convertir el medidor de distancia en un medidor de litros, y mostrarlos en el display.

OLED: SSD1306 ‘Fake in China’ & Sensor de proximidad para invidentes

Litros de un depósito

Para calcular el número de litros que hay dentro de un depósito simétrico, podemos medir la distancia libre de líquido, desde su nivel máximo de llenado hasta la superficie del líquido. Luego restamos esa distancia de la altura total del depósito, y la multiplicamos por el número de litros por centímetro que previamente hemos calculado en función de la altura del depósito y su capacidad máxima.

Litros en el depósito

De esta forma podemos realizar la medida desde arriba, colocando un medidor de distancia ultrasónico en alguna de las bocas de respiración del depósito. Apuntando el haz ultrasónico del medidor hacia el fondo, el sensor recibirá el eco que se refleje en la superficie del líquido. A partir de esa medida ya podemos calcular el número de litros que contiene el depósito, evitamos que el sensor entre en contacto con el líquido, y podríamos medir cualquier producto químico o corrosivo.

Funcionamiento del sensor HC-SR04

El sensor de ultrasonidos HC-SR04 tiene dos cápsulas piezoeléctrias, por una de ellas transmite un tren de impulsos inaudible (40 KHz), y por la otra recibe el eco de la señal reflejada. Dependiendo de la distancia del punto de reflexión, el eco recibido llegará con mayor o menor retardo. Tomando como referencia la velocidad de propagación del sonido en el espacio libre, con tan sólo medir el tiempo de retardo del eco recibido con respecto al origen, podremos calcular con precisión a qué distancia del sensor se encuentra el obstáculo.

Sensor HC-SR04

El sensor HC-SR04 dispone de 4 pines de conexión, 2 de ellos son para alimentar su circuito con 5VDC (Vcc/GND), y los otros dos son para realizar las medidas:

      • Trig: Un microprocesador externo envía un impulso de corta duración cada vez que necesita obtener una medida.
      • Echo: El sensor entrega un impulso de ancho variable, y midiendo su duración obtenemos la distancia a la que se encuentra el obstáculo.


    Sensor HC-SR04

Esquema

Este circuito incluye un zumbador piezoeléctrico, el cual he aprovechado en este montaje para utilizarlo como alarma acústica, y avisar cuando el nivel del líquido está por debajo del nivel mínimo que hayamos prefijado (reserva).

Esquema: Detector de proximidad

Características del depósito

Las medidas y capacidad del depósito forman parte de los parámetros de ajuste del código del programa, pudiendo así adaptar con facilidad el firmware a las dimensiones y volumen de cualquier depósito.

Ajustes del tamaño del depósito

El nivel de la reserva también se configura en el código del programa, y son los centímetros desde el fondo del depósito hasta el nivel mínimo prefijado. En función del número de litros por centímetro del depósito, podemos calcular el número de litros de la reserva. En este caso, el nivel de reserva sería: 7,41 L/cm. X 40 cms. = 296,4 litros.

Montaje en el depósito

Como este medidor es muy pequeño, lo monté en una de las bocas de respiración para el llenado del depósito, sustituyendo su tapón por un soporte que hice a medida con la impresora 3D.

Soportes 3D, para el interruptor y el sensor de medida por ultrasonidos

Para conectar el medidor ultrasónico sólo cuando lo necesite, cambié  su interruptor de encendido por un conector de alimentación. Desde el conector hice una prolongación con cable paralelo, hasta llegar al interruptor de encendido/apagado. El interruptor lo puse en la puerta de acceso al hueco donde tengo el depósito, con el fin de no tener que acercarme hasta el depósito para ver su contenido.

Test de funcionamiento

Antes de montar el sensor en el depósito, es conveniente comprobar que no hemos cometido algún error al introducir los parámetros de ajuste en el código del programa, y de paso comprobar que funciona correctamente en todo el rango de medidas.

Test del calibrado

En la imagen anterior, comprobé que el display mostraba 1000 litros a una distancia de 5 cms. La capacidad máxima de mi depósito es de 1000 litros, y la distancia entre el sensor y el nivel máximo del depósito (offset) es de 5 cms.

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Level-of-a-tank-with-ultrasound

Soportes 3D

El soporte del medidor y su interruptor remoto los hice on PLA de color negro. Los ficheros los puedes descargar desde el siguiente link:

https://www.thingiverse.com/thing:5633438

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Nivel de líquidos con Arduino

Hace unos días monté un Capacímetro con Arduino. Modificando ligeramente el código es posible añadir una función extra, y utilizarlo también como medidor de nivel de un depósito de agua o combustible.

Medida de nivel con el capacímetro

Capacímetro con Arduino

Sensor de nivel para líquidos

Para medir el nivel de líquidos en un depósito, lo mejor sería montar un sensor resistivo con una boya magnética. Estos sensores son bastante precisos y fiables, pero no son nada baratos cuando los depósitos son grandes. Los sensores resistivos de varilla están construídos con un tubo de acero inoxidale hermético, y una boya imantada en forma de toride por el exterior.

Sensor de nivel resistivo

La varilla del sensor mide lo mismo que la altura del depósito, en mi caso 130 cms. para un depósito de 1000 litros.  En el interior de la varilla hay muchas resistencias en serie, su número varía en función de la altura del depósito y la resolución del sensor. Cada resistencia incluye un microcontacto magnético, el cuál se cierra cuando la boya exterior alcanza su altura, modificando así el valor de la resistencia entre sus dos terminales de salida. Algunos sensores pueden tener tres cables, el cable extra va conectado a un microinterruptor que se posiciona casi al final de la varilla, al fondo del depósito,  y se puede utilizar como alarma para avisar cuando se ha llegado a la reserva.

Sensor de nivel Capacitivo

El inconveniente principal de un medidor de nivel de líquidos capacitivo, es que su precisión disminuye a medida que aumenta la longitud del cableado de conexión entre el sensor y el equipo de medida, y su resolución varía en función de las propiedades del líquido. A cambio es una alternativa barata, y es muy sencillo fabricar un sensor capacitivo de forma casera.

El extremo del cable-sensor hay que sellarlo, porque el líquido no puede entrar en contacto con el cobre. Para dar rigidez al cable, utilicé un trozo de canaleta de plástico del tamaño del depósito (130 cms).

Sensor de nivel capacitivo

Para sellar el extremo final del sensor utilicé adhesivo termofundible (error), pero después hice pruebas con gasoil, con el fin de comprobar el posibe deterioro del aislante, la canaleta y el sellado del extremo.

Al cable no le pasa nada, pero la canaleta pierde algo de rigidez, y el adhesivo termofundible pierde adherencia con el cable. Con el tiempo se podría desprender el sellado del cable y falsear la medida. La solución que tomé, fué quitar el adhesivo termofundible y la canaleta.

Sellado del cable: presionando y moviendo la funda del cable hacia fuera hasta ocultar el cobre. Luego con aire caliente puse el plástico del extremo muy viscoso, y lo sellé presionando con un alicante de punta estriada.

Mantener el cable rígido dentro del depósito: puse un trozo de acero inoxidable en el extremo inferior del cable-sonda, y luego tensando el cable hacia fuera del depósito y bloqueando con una brida en el extremo superior, el cable-sensor queda totalmente recto.

Esquema del capacímetro

Este capacímetro está construido con un ATMEGA328P y sus componentes mínimos: el circuito oscilador y el del Reset.

Esquema del Capacímetro.

Código de programación

Para que este capacímetro pueda mostrar el nivel del depósito, he creado una tabla referenciando a cero el valor de capacidad que mide el sensor sin entrar en contacto con el gasoil, y la máxima la he calculado a partir de la medida que muestra el capacímetro con el sensor sumergido, actualmente el gasoil está a 93 cms. de altura desde el fondo del depósito.

Código: Capacímetro y Nivel de líquidos

Con el capacímetro colocado a dos metros del depósito, la capaciadad que medí con el sensor fuera del depósito era de 252pF, y con el sensor sumergido a 93 cms medí 267,26pF. Así  el incremento de capacidad por centímetro de gasoil en el depósito es: (267,26pF – 252pF) / 93 cms = 0,164pF. Y con el depósito lleno, la capacidad sería:  252 + (0,164pF x 130 cms) = 273,33pF.

Como podemos comprobar, existe una diferencia de capacidad entre el depósito lleno y vacío de tan apenas 21,33pF. para una distancia de 130 cms. En las pruebas que hice con la jarra de agua, el incremento de capacidad por centímetro era de 2pF… una resolución 12 veces mejor que en el depósito de gasoil. Aparte de la diferencia que exista entre el agua y el gasoil, poner el capacímetro tan lejos del sensor no ha sido buena idea. Para conseguir una mayor precisión y estabilidad en la medida, tendría que haber colocado el capacímetro más cerca del depósito.

Para minimizar la fluctuación de las medidas, se toman 150 muestras y se calcula el valor promedio, antes de mostrar los datos en la pantalla. El nivel del depósito se muestra de forma gráfica en la línea superior del display. La barra de nivel se forma a partir de 6 caracteres gráficos que se almacenan en la RAM, indexados del 0 al 5. El gráfico con index 0 es un caracter en blanco, el uno rellena la primera línea vertical de la matriz de 7×5 que conforma cada letra, y así sucesivamente hasta el index 5 que rellena las 5 líneas verticales. Así la barra gráfica completa se compone de 5 niveles por 16 caracteres = 80 niveles.

Nivel del depósito

Al inicio del void loop() se toma una medida de capacidad, y si el valor leído es inferior a 355pF se accede a la rutina de medida de pF con dos decimales, pero se muestra el valor directamente en pFx100. en la línea inferior del display, y la gráfica de nivel del depósito se muestra en la línea superior. Si la capacidad medida es superior a 355pF, funciona como un capacímetro y no se muestra la gráfica del nivel,

Madida de capacidad

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Capacimeter-Level

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Reloj Pac-Man con ESP32 & UTF-8

Actualización del firmware (v1.44) para el Reloj-Texto construido con 4 matrices LED, y controlado con el microprocesador ESP32. Con esta actualización, el display podrá mostrar los caracteres latinos de uso más frecuente: áéíóúü ÁÉÍÓÚÜ cÇ ñÑ. También se incluyen los avisos con voz sintetizada, y efectos gráficos Pac-Man.

Reloj-Texto con dos alarmas y 2 husos horarios

UNICODE & UTF-8

La conexión entre diferentes redes de ordenadores provocó la necesidad de crear un estándar que contemplara el juego de caracteres gráficos de cualquier lengua, incluyendo ideogramas, caracteres árabes, chinos, etc.

Caracteres UNICODE

El año 1991 se anunció públicamente la creación de Internet, y ese mismo año el Consorcio Unicode y la ISO desarrollaron ambos un estándar para codificar los caracteres:  Unicode – ISO / IEC 10646. Ambos estándares se pueden considerar equivalentes, si tenemos en cuenta que el repertorio, los nombres de caracteres y los puntos de código del estándar ‘Unicode Versión 2.0’, coinciden exactamente con los de ISO / IEC 10646-1: que fue publicado en 1993.

Actualmente, la codificación dominante es UTF-8, que es una codificación de ancho variable diseñada para la compatibilidad con versiones anteriores de ASCII, y para evitar las complicaciones con las marcas de orden de bytes que existen con UTF-16 y UTF-32 . Además, el 93% de todas las páginas web están codificadas en UTF-8 y el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) requiere que todos los protocolos de Internet identifiquen las codificación UTF-8. También el Consorcio de correo de Internet (IMC), recomienda que todos los programas de correo electrónico puedan mostrar y crear correo utilizando UTF-8.

Codificación UTF-8

Los primeros 127 caracteres de cualquier tabla de caracteres de procedencia anglosajona o latina, son comunes y su origen es la tabla de caracteres ASCII. Este conjunto de caracteres se pueden codificar dentro de una matriz binaria de 7 bit., y son los caracteres que por defecto muestra cualquier display.

Caracteres ASCII de 7 bits

Si queremos mostrar los caracteres específicos de cualquier lengua, por ejemplo las letras acentuadas, tendremos que ampliar de tamaño la matriz del display que almacena los caracteres en memoria, y asociar una posición específica a cada uno de los caracteres dentro de esa matriz.  De esta forma, la tabla de caracteres que almacena el display no se corresponderá con el código del carácter que recibamos a través del interface Web. Así el procesador del display tendrá que comprobar el código del carácter que recibe, y si es superior al 127,  reposicionar el código para apuntar al gráfico que tenemos asociado a ese código entrante, dentro de la matriz gráfica del display. El tamaño de la matriz gráfica del display suele ser de 8 bit, y con esto es posible almacenar 127 caracteres extra, que podrían ser letras acentuadas, logotipos o cualquier dibujo.

Integración UTF-8 en el display

Si pretendemos que los caracteres de este reloj se puedan programar a través de un interface Web, es necesario utilizar una codificación de caracteres estándar, y la más versátil es la codificación UTF-8 de 2 Bytes.

Este reloj utiliza 3 tipos de fuentes gráficas, dos de ellas limitadas a los 10 números, utilizadas para mostrar los dígitos de la hora en formato estrecho y ancho, y la otra es la que almacena los caracteres ASCII, desde el espacio cuyo código es 32 en decimal, hasta el 126 que es la tilde de la letra eñe, más conocida como virgulilla ~. A continuación, y a partir del código 127, es donde se almacenan los caracteres extra.

Hay muchas formas de almacenar las fuentes gráficas en un display, pero la forma más eficiente es asociar un Byte a los 8 pixeles que tiene cada columna de la matriz LED. Así es más rápida la gestión que tiene que hacer el procesador para desplazar los textos por el display.

La fuente de textos y gráficos de este display es de ancho variable, entre 2 y 5 pixel de ancho por 8 pixel de altura. Así se limita el ancho a las letras que no lo necesiten, por ejemplo el espacio, y se pueden mostrar más caracteres en el display.  Para localizar los caracteres en la matriz, todos ellos ocupan 6 Bytes. El primer Byte indica el ancho del carácter, que se corresponde al número de Bytes que tiene que leer el procesador para formar la letra en el display.

Para facilitar la interpretación visual de los gráficos, los 5 Bytes de cada carácter se suelen escribir en formato binario, pero también se podría escribir en formato hexadecimal o decimal si se quisiera reducir el tamaño del archivo en el editor.

En el gráfico siguiente. vemos el esquema de codificación de caracteres UNICODE, junto con UTF-16 y UTF-8.

Cuando se asigna un código a un carácter, se dice que dicho carácter está codificado. El espacio para códigos tiene 1.114.112 posiciones posibles (0x10FFFF). En el grafico anterior vemos el espacio de códigos dividido en tramos, con el fin de mostrar los diferentes esquemas de codificación UTF. Los puntos de código se representan utilizando notación hexadecimal agregando el prefijo U+.

Actualmente los sistemas operativos limitan la tabla UNICODE a los primeros 65.536 caracteres (0xFFFF), y el valor hexadecimal se muestra añadiendo ceros a la izquierda si es necesario, hasta completar los 4 dígitos hexadecimales.

Es conveniente aclarar, que los sistemas operativos disponen de diferentes tablas de caracteres, algunas de ellas son privadas, y no se deberían utilizar en un documento público con acceso a Internet, ya que no son un estándar.

Internamente en un PC se podría crear un documento utilizando cualquier fuente de caracteres, con el fin de mostrar algún gráfico en especial. El problema es si ese mismo documento se abriese utilizando una fuente de caracteres diferente; porque algunos caracteres ya no serían los mismos.

Si queremos codificar caracteres en UTF-8, limitando su longitud máxima a dos Bytes por carácter, sólo podremos codificar los primeros 2.048 caracteres UNICODE, y recibiremos caracteres de 11 bits. Así cuando recibamos un Byte en UTF-8 que comience con 110, sabremos que se trata de un carácter doble, y los 5 bits siguientes de ese Byte serán los 5 bits más significativos del carácter UNICODE que estamos recibiendo, sin olvidar que este carácter  tiene una longitud de 11 bits. A continuación recibiremos el segundo Byte, el cuál empezará con los bits 10, y a continuación recibiremos los 6 bits menos significativos del carácter UNICODE.

Decodificación UTF-8

  1. Cuando el bit más significativo de un Byte en UNICODE comience con un 0, la longitud del código UTF-8 no cambia, manteniendo el mismo valor UNICODE, y respetando así su compatibilidad con la tabla ASCII.
  2. Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 110, su longitud será de 2 Bytes, y el segundo Byte empezará siempre por 10.
  3. Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 1110, su longitud será de 3 Bytes, y los dos Bytes siguientes al primero empezarán con 10.
  4. Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 11110, su longitud será de 4 Bytes y los 3 Bytes siguientes al primero empezarán con 10.

Esquema de montaje

Para que este display Reloj-Texto funcione, sólo hay conectar 5 hilos entre un lateral del display LED y el módulo ESP32. El sonido de la alarma y el audio sintetizado sale por el pin GPIO26 del módulo ESP32, y hay que conectarlo a un amplificador de audio con su altavoz.

Firmware (v1.44)

El archivo que necesitas para programar el ESP32, lo puedes descargar de forma gratuita desde el repositorio GitHubClock-Text_ESP32

Interface Web y ajustes

Este reloj se controla a través de cualquier dispositivo móvil, siempre que esté conectado a la misma red WiFi. El reloj dispone de 2 interfaces Web diferentes, pudiendo elegir su modo de funcionamiento. El reloj funciona de forma muy parecida en ambos modos, presentando la hora de acuerdo al formato que se haya configurado, y cada 30 segundos mostrando un rotación de texto.

  • Cuando el display está configurado en modo RELOJ: el texto será el día de la semana y la fecha; pero sólo en caso de que estuviese habilitada su presentación, porque en caso contrario el reloj siempre mostrará la hora.

Interface RELOJ: se puede modificar el huso horario al cuál se debe sincronizar el reloj, realizar los ajustes de formato y presentación de la hora, y modificar el brillo del display.

  • Cuando el display está funcionando  en modo MENSAJE: cada 30 segundos intercalará una rotación del texto que tenga programado.

Interface MENSAJE: se puede ajustar la velocidad de desplazamiento del texto, modificar el contenido del mensaje, y fijar la hora y repeticiones de sus dos alarmas.

Ambos interfaces disponen de un botón para cambiar su modo de funcionamiento, teniendo en cuenta que el reloj primero se reiniciará, sincronizando de nuevo la fecha y hora con el servidor NTP que le corresponda al uso horario ajustado. Al reiniciar el reloj, el punto de acceso WiFi al que se conecta,  podría asignar una dirección IP diferente a la anterior. También se han incorporado dos botones nuevos, uno para mostrar la hora con voz, muy interesante para personas invidentes, y el otro para forzar el borrado del display en cualquier momento, mediante la aparición de Pac-Man.

Con esta nueva versión (v1.44), es posible escribir textos utilizando letras acentuadas y la letra Ñ, tanto en mayúsculas como en minúsculas. Además, si el reloj está configurado con el huso horario de España y el formato de presentación de la hora es el Europeo, los textos del día de la semana y fecha, aparecerán traducidos al Español.

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