Flowmeter Udara Residensial Berbasis Arduino: Buat & Pantau
Komponen dan Perlengkapan
Arduino UNO
×
1
Kabel jumper (umum)
25 kabel secara keseluruhan
×
25
Papan roti (umum)
×
1
Potensiometer Rotary, 10 kohm
×
1
LCD Adafruit RGB Backlight - 16x2
×
1
Resistor Through Hole, 220 kohm
×
1
Sensor Tegangan Diymall Dc0-25v
×
1
Penguat Sinyal DROK AD620
×
1
Anemometer Cup Blade
×
1
Alat dan Mesin yang Diperlukan
Solder (umum)
Tentang Proyek Ini
Latar Belakang
Kami diberi tugas untuk membuat flowmeter aliran udara yang dapat digunakan dalam lingkungan perumahan. Sayangnya, di industri HVAC saat ini, satu-satunya perangkat sensor aliran udara di pasar adalah untuk sistem yang dirancang untuk aplikasi industri. Perangkat yang saat ini digunakan untuk menghitung laju aliran udara di register berukuran industri terlalu besar untuk register perumahan atau tidak dapat menghitung laju aliran udara karena output aliran udara yang lebih kecil dari sistem HVAC perumahan.
Cara Kerja
Untuk menghasilkan sinyal dari aliran udara, kami menggunakan anemometer cup untuk menangkap udara. Kami membuat baling-baling 3D-printed kustom menggunakan Autodesk Inventor untuk mengoptimalkan kinerja baling-baling dalam menangkap udara. Kami juga mencetak 3D enclosure untuk menempatkan anemometer di dalamnya.
Untuk membaca sinyal yang dihasilkan anemometer, dipilih sensor tegangan. Sinyal dari sensor juga perlu diperkuat agar mendapatkan pembacaan tegangan yang lebih akurat. Penguat mengambil output tegangan dari anemometer dan memperkuatnya dengan faktor 10. Faktor ini dapat ditingkatkan atau diturunkan di mana saja antara 1,5 dan 1000 kali berdasarkan tegangan masukan.
Arduino Uno digunakan untuk membaca sinyal analog dari sensor tegangan dan mengontrol apa yang ditampilkan pada layar LCD. Untuk masalah spesifik ini kami ingin kecepatan angin dalam CFM jadi kami menampilkannya sebagai berikut pada layar.
Konstruksi
Elektronika
Langkah pertama dalam konstruksi adalah memulai dengan anemometer. Di bawah ini beberapa foto dari perangkat.
Lihat gambar yang berlabel "Anemometer Top View". Titik di mana baling-baling terhubung ke anemometer berbentuk L dan sangat tipis. Ini tidak akan tahan pada kecepatan tinggi jadi di sinilah kami merancang baling-baling baru. Yang kami inginkan adalah baling-baling yang lebih tebal dan desain tangga yang lebih kokoh. Tujuan baling-baling yang lebih besar adalah untuk mengurangi celah lintas udara antara baling-baling dan unit perumahan (di mana kipas akan duduk), yang pada gilirannya akan meningkatkan jumlah udara yang ditangkap oleh scoop dan tegangan yang dihasilkan oleh motor. Di bawah ini adalah foto di mana baling-baling terhubung ke anemometer.
Anda mungkin berpikir, apakah ini akan membuat banyak perbedaan? Itu adalah pertanyaan yang bagus. Untuk menjawabnya kami melakukan beberapa tes analisis stres di Autodesk Inventor untuk melihat seberapa jauh desain baru yang lebih kokoh. Gambar di bawah ini menunjukkan hasilnya.
Kami dapat melihat bahwa baling-baling baru jauh lebih efektif pada kecepatan tinggi. File STL untuk baling-baling dilampirkan di bagian file. JANGAN MELENGKAN BALING-BALING BARU MASUKAN.
Selanjutnya kita perlu menempatkan anemometer yang dimodifikasi ke dalam unit perumahan. File STL untuk unit perumahan ada di bagian file. Dengan tidak ada baling-baling di anemometer, geser anemometer ke atas melalui lubang di bagian bawah perumahan. Tempelkan bagian bawah anemometer ke dua lingkaran kayu tipis (dari Hobby Lobby). Bor 4 lubang kecil melalui lingkaran dan melalui perumahan plastik ABS. Satu lubang akan untuk menenangkan kabel melalui, tiga lainnya akan untuk sekrup. Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana itu akan terlihat.
Selanjutnya kita perlu menyalurkan anemometer ke penguat. Di bawah ini adalah gambar penguat.
*Catat semua kabel yang terhubung ke penguat adalah pria ke pria
Ambil dua kabel pria ke pria, warnanya tidak penting, tapi saya akan menyebutnya berdasarkan warna yang kami gunakan dalam proyek kita. Pasang kabel merah ke lingkaran +S di kanan. Pasang ujung lainnya ke kabel merah yang datang dari anemometer. Pasang kabel hitam ke lingkaran -S di kanan. Pasang ujung lainnya ke kabel kuning yang datang dari anemometer. Juga menambahkan kawat listrik bekerja baik untuk menjaga mereka tetap tempat.
Selanjutnya kita perlu menyalurkan penguat ke suplier baterai. Pasang kabel kuning ke GND di sisi kanan. Pasang ujung lainnya ke kabel hitam yang datang dari konektor tempat baterai. Pasang kabel putih ke lingkaran Vln di sisi kanan. Pasang ujung lainnya ke kabel merah yang datang dari konektor tempat baterai.
Selanjutnya kita perlu menyalurkan penguat ke sensor tegangan. Pasang kabel biru ke GND pada pengavat ujung lainnya ke VCC pada sensor tegangan. Pasang kabel hijau ke Vout pada pengavat ujung lainnya ke GND pada sensor tegangan.
Sekarang kita akan menyalurkan sensor tegangan ke Arduino dan menyelesaikan penyaluran. Diagram penyaluran di bagian skematik menunjukkan cara menyalurkan bagian ini.
Sentuhan Akhir
Bagian paling sulit telah selesai! Sekarang semuanya sudah disalurkan kita dapat meletakkan elektronika di flowmeter. Gunakan sepotong papan busa sebagai langit-langit untuk bagian atas perumahan kipas. Kami menggunakan gorilla glue untuk menjaganya tetap tempat. Anda kemudian dapat meletakkan elektronika di atas papan busa dan menggunakan lebih banyak papan busa untuk menutup elektronika. Dalam gambar di bawah ini Anda dapat melihat bagaimana busa digunakan untuk menutup elektronika.
Juga, lubang dibuat di busa untuk memungkinkan Arduino dan pengavat akses ke sumber daya baterai 9V masing-masing. Ini dapat dilihat dalam gambar di bawah ini.
Selanjutnya kita akan membuat cerucuk. Kami menggunakan bahan PVC untuk papan cerucuk. Ada 4 papan berbentuk trapesium. Untuk menghubungkan papan satu sama lain kami menggunakan gorilla glue dan caulking. Metode yang sama digunakan untuk menghubungkan cerucuk ke perumahan kipas. Di ujung besar cerucuk, weather stripping ditempatkan di sekitar perimeter. Ini dilakukan untuk membuat segel ketika cerucuk ditekan ke ventilasi. Bagian lintas ujung besar cerucuk adalah 14'' by 14''. Gambar di bawah ini menunjukkan tampilan depan cerucuk.
Kalibrasi
Setelah semuanya dibangun kami mengkalibrasi flowmeter kami. Kami mengujinya dengan perangkat yang mengetahui aliran udara yang tepat. Kode kami pertama menampilkan tegangan yang dibaca oleh sensor pada layar LCD. Kemudian kami menggunakan data yang dikumpulkan untuk membuat persamaan agar layar LCD menampilkan CFM. Data di bawah ini menunjukkan cara kami mengkalibrasinya.
Pada grafik Anda dapat melihat dua kurva, aliran udara awal dan aliran udara aktual. Mereka berbeda karena ketika kami menyaring udara, kecepatannya akan sedikit menurun. Di sini kami akan menggunakan persamaan best fit untuk aliran udara aktual,
y = 1.1409x^2 + 44.958x, dalam kode arduino kami. Kode akan dibagi menjadi tiga bagian, area dengan kecepatan angin nol, kecepatan angin kecil hingga menengah, dan kecepatan angin besar. Anda dapat menggunakan persamaan best fit di atas untuk memodelkan seluruh kecepatan aliran, tetapi kami menemukan persamaan yang lebih baik untuk memodelkan rentang kecil hingga menengah. Rentang akan digambarkan oleh persamaan berikut:
CFM Besar:
y = 1.1409x^2 + 44.958x
CFM Menengah hingga Rendah
y = 40x +20
CFM Nol:
y = 0
Anda dapat menemukan kode di bagian nanti.
Setelah Anda mengunggah kode ke Arduino Anda telah menyelesaikan flowmeter!
KalibrasiSendiri(Opsional)
Jadi katakanlah Anda ingin mengkalibrasinya sendiri. Mungkin Anda ingin aliran udara Anda diukur dalam m/s atau mph. Di sini kami akan membimbing Anda melalui langkah-langkah untuk mengkalibrasinya.
Langkah 1: Temukan cara untuk menemukan laju aliran aktual terlebih dahulu.
Cara termurah untuk melakukannya adalah membeli anemometer dari toko. Berikut ini yang bisa bekerja. Anemometer
Langkah 2: Letakkan anemometer di depan kipas yang memiliki berbagai pengaturan kecepatan. Kipas bisa seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah ini.
Langkah 3: Catat kecepatan angin anemometer pada setiap pengaturan yang berbeda.
Langkah 4: Anda harus membuat flowmeter membaca output tegangan kipas. Untuk melakukannya, unggah kode berjudul "Voltage Sensor Code" ke Arduino.
Langkah 5: Sekarang setelah Anda memiliki flowmeter yang membaca tegangan, catat tegangan pada setiap pengaturan kecepatan kipas yang berbeda.
Langkah 6: Gunakan Excel untuk membuat diagram pencarkan "Kecepatan Angin vs. Tegangan".
Langkah 7: Gunakan fitur garis tren untuk menemukan persamaan yang secara akurat memodelkan "Kecepatan Angin vs. Tegangan".
Langkah 8: Jika Anda merasa garis tren Anda tidak cukup linier, Anda dapat menemukan persamaan terpisah untuk bagian bawah dan atas grafik.
Langkah 9: Sekarang Anda dapat mengganti persamaan Anda dengan persamaan saya dalam "Flowmeter Code". Setelah Anda mengunggah kode ke Arduino Anda siap!
Kode
Flowmeter Code
Code untuk Sensor Tegangan
Voltage Sensor Code
Flowmeter CodeC/C++
1. #include <LiquidCrystal.h> 2. 3. LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); 4. // Pin-pin yang akan digunakan 5. 6. // Nilai resistor di sensor di bawah 7. float R1=30000; 8. 9. float R2=7500; 10. 11. void setup() 12. { 13. 14. Serial.begin (9600); 15. lcd.begin(16, 2); 16. // Ini memungkinkan layar LCD digunakan 17. 18. 19. } 20. 21. void loop() 22. // Awal loop 23. { 24. 25. int sensorValue = analogRead(A0); 26. // Membaca nilai sensor 27. 28. float voltage = ((5*sensorValue*(R1+R2))/(1024*R2)); 29. // Persamaan untuk tegangan aktual 30. 31. 32. //*********************************************************// 33. // Persamaan CFM adalah fungsi piecewise dari tegangan, 34. // jadi pernyataan if digunakan untuk membagi fungsi ke 35. // daerah masing-masing di bawah 36. //*********************************************************// 37. 38. 39. if (voltage > 1) 40 // Daerah pertama dari fungsi untuk CFM besar 41. { 42. 43. float cfm = (1.1409*(voltage))*((voltage))+44.258*(voltage); 44. 45. Serial.println(cfm); 46. // Menampilkan CFM 47. lcd.print("CFM = "); 48. lcd.setCursor(0, 1); 49. lcd.print(cfm); 50. delay(1000); 51. // Penundaan 1000 ms 52. lcd.clear(); 53. // Membersihkan untuk pengulangan 54. delay(1000); 55. 56. } 57. 58. else if (.01 < voltage < 1) 59 // Daerah kedua untuk CFM menengah hingga rendah 60. { 61. 62. float cfm = (40*(voltage)+20); 63. 64. Serial.println(cfm); 65. // Menampilkan CFM 66. lcd.print("CFM = "); 67. lcd.setCursor(0, 1); 68. lcd.print(cfm); 69. delay(1000); 70. // Penundaan 1000 ms 71. lcd.clear(); 72. // Membersihkan untuk pengulangan 73. delay(1000); 74. 75. } 76. 77. else 78 // Jika kipas tidak berputar, CFM akan nol 79. { 80. float cfm = 0; 81. 82. Serial.println(cfm); 83. lcd.print("CFM = "); 84. lcd.setCursor(0, 1); 85. lcd.print(cfm); 86. delay(1000); 87. lcd.clear(); 88. delay(1000); 89. } 90. 91. 92. }
Code untuk Sensor TeganganC/C++
Ini adalah kode untuk membaca tegangan jika Anda ingin mengkalibrasinya sendiri
// Nilai resistor di sensor di bawah float R1=30000; float R2=7500; void setup() { Serial.begin (9600); } void loop() { // Membaca nilai sensor int sensorValue = analogRead(A0); // Persamaan untuk tegangan aktual float voltage = ((5*sensorValue*(R1+R2))/(1024*R2)); // Mencetak tegangan ke komputer Serial.printIn(voltage); delay(1000); }
Voltage Sensor CodeC/C++
Ini adalah kode yang Anda gunakan untuk mengkalibrasikan Flowmeter sendiri.
#include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // Pin-pin yang akan digunakan // Nilai resistor di sensor di bawah float R1=30000; float R2=7500; void setup() { // Ini memungkinkan layar LCD digunakan Serial.begin (9600); lcd.begin(16, 2); } void loop() { // Membaca nilai sensor int sensorValue = analogRead(A0); // Persamaan untuk tegangan aktual float voltage = ((5*sensorValue*(R1+R2))/(1024*R2)); // Menampilkan tegangan di layar LCD Serial.println(voltage); lcd.print("V = "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(voltage); delay(1000); lcd.clear(); delay(1000); }
