Leitura de Nível de Água

Introdução

Casas, prédios, shoppings e outros locais comuns possuem caixas d'água para armazenamento de água de consumo, e boa parte desses reservatórios tem um sensor de nível que é responsável por ajudar no controle do bombeamento da água no reservatório quando ela está abaixo de um nível determinado.

Neste tutorial iremos aprender como utilizar o sensor de nível d'água sem contato e comparar seu funcionamento com os sensores de bóia mais comuns.

Lista de Materiais

Lista completa de produtos

comprar

BlackBoard UNO R3

R$ 94,90 no PIX

Sensor de Nível de Líquidos Sem Contato - XKC-Y25-NPN

R$ 75,90 no PIX

Sensor de Nível de Água - Boia Plástica Preta

R$ 18,90 no PIX

Resistor 10kΩ - Pacote com 10 unidades

R$ 0,71 no PIX

Mini Protoboard 170 Pontos - Preta

R$ 3,70 no PIX

Jumpers Macho-Macho x40 Unidades

R$ 7,50 no PIX

Conceitos Teóricos

Sensor Tipo Bóia

Os sensores de nível d'água do tipo bóia são os mais populares e mais econômicos do mercado, e isso se deve à sua simplicidade, tanto de fabricação, quanto de funcionamento. Eles operam basicamente como botões, que abrem e fecham um contato elétrico conforme a sua posição na sua estrutura, como na imagem a seguir.

exemplo-funcionamento-sensor-tipo-boia — Exemplo de Funcionamento do Sensor Tipo Bóia
Fonte: Core Electronics

Este tipo de sensor é composto internamente por um reed switch e um ímã, que está fixado na parte flutuante do sensor. Assim, quando o ímã estiver bem próximo do reed switch, o contato será fechado, alegando que o tanque está cheio ou vazio, dependendo da disposição do sensor no reservatório ou da lógica utilizada no circuito. Vale lembrar que, como este tipo de sensor opera basicamente como um botão, é necessário incluir em seu circuito um resistor de "pull-down", ou "pull-up", para que um microcontrolador possa lê-lo.

Sensor Sem Contato

O sensor de nível d'água sem contato, por sua vez, é capacitivo e possui um funcionamento similar ao do sensor de solo capacitivo. Este tipo de sensor não precisa estar em contato direto com o líquido que irá medir o nível, porém o líquido do recipiente deve ser condutivo (gasolina e derivados do petróleo, por exemplo, não são condutivos). Além disso, o recipiente em que o líquido está armazenado e que está em contato com o sensor não pode ser metálico, assim como a fixação do sensor não pode interferir na sua leitura (costuma-se usar uma cola de silicone). A imagem a seguir mostra um exemplo de montagem deste tipo de sensor em um recipiente para a leitura de água.

Esse tipo de sensor é muito útil para aplicações que trabalham com líquidos químicos que são corrosivos ao plástico (material do sensor do tipo bóia) ou que são armazenados em temperaturas extremas, sejam elas muito altas ou muito baixas.

Leitura dos Sensores

Para que possamos entender um pouco melhor como cada tipo de sensor funciona e como utilizá-los com uma placa da plataforma Arduino, vamos realizar um experimento simples com ambos os tipos.

Sensor Tipo Bóia

Circuito

Para realizar a leitura do sensor tipo bóia, monte o circuito a seguir. O sensor está sendo representado pelo reed switch no esquema elétrico abaixo, já que o sensor em si é composto por um reed switch.

Código

Com o circuito montado, carregue o código a seguir para a sua placa.

/*******************************************************************************
* RoboCore - Primeiros Passos com Sensor de Nivel
* Leitura do Sensor do Tipo Boia
*******************************************************************************/

//Declaracao do pino conectado ao sensor
const int PINO_SENSOR = 2;

void setup() {

  //Inicializacao do monitor serial
  Serial.begin(9600);

  //Configuracao do pino como uma entrada
  pinMode(PINO_SENSOR, INPUT);
  
}

void loop() {

  //Realiza a leitura do sensor e a exibe no monitor serial
  int leitura_sensor = digitalRead(PINO_SENSOR);
  Serial.print("Leitura do sensor: ");

  //Verifica a leitura do sensor
  if(leitura_sensor == LOW){ //Se for '0'
    Serial.print("LOW");
    Serial.print("   |  ");
    Serial.println("Switch ABERTO"); //O switch esta aberto
  } else { //Senao
    Serial.print("HIGH");
    Serial.print("  |  ");
    Serial.println("Switch FECHADO"); //O switch esta fechado
  }

  delay(100); //Aguarda 100 milissegundo para nova leitura
  
}

O Que Deve Acontecer

Após carregar o código, abra o monitor serial em 9600 bps e observe que o programa irá exibir um valor de nível lógico baixo ("LOW") enquanto a bóia está na parte superior da estrutura, ou seja, quando ela chega ao limite do seu curso, e um nível lógico alto ("HIGH") quando ela está na parte inferior da estrutura, como na imagem a seguir.

resultado-monitor-serial — Resultado no Monitor Serial

Ao lado do nível lógico, também é possível observar se o contato do reed switch do sensor está aberto ou fechado, basicamente como um pushbutton.

Sensor Sem Contato

Circuito

Para realizar a leitura do sensor de nível de líquidos sem contato, monte o circuito a seguir.

Código

Com o circuito montado, carregue o código a seguir para sua placa. Vale lembrar que existem alguns modelos de sensores que precisam de um resistor de "pull-up" ou de "pull-down" adicional em sua saída para que o sinal possa ser lido pela placa. Para facilitar, você pode substituir a configuração do pino de INPUT por INPUT_PULLUP (se o resistor for de "pull-up").

/*******************************************************************************
* RoboCore - Primeiros Passos com Sensor de Nivel
* Leitura do Sensor Sem Contato
*******************************************************************************/

//Declaracao do pino conectado ao sensor
const int PINO_SENSOR = 2;

void setup() {

  //Inicializacao do monitor serial
  Serial.begin(9600);

  //Configuracao do pino como uma entrada
  pinMode(PINO_SENSOR, INPUT);
  
}

void loop() {

  //Realiza a leitura do sensor e a exibe no monitor serial
  int leitura_sensor = digitalRead(PINO_SENSOR);
  Serial.print("Leitura do sensor: ");

  //Verifica a leitura do sensor
  if(leitura_sensor == LOW){ //Se for '0'
    Serial.print("LOW");
    Serial.print("   |  ");
    Serial.println("Liquido PRESENTE"); //O sensor esta identificando liquido
  } else { //Senao
    Serial.print("HIGH");
    Serial.print("  |  ");
    Serial.println("Liquido AUSENTE"); //O sensor nao esta identificando liquido
  }

  delay(100); //Aguarda 100 milissegundo para nova leitura
  
}

O Que Deve Acontecer

Após carregar o código para a placa, abra o monitor serial em 9600 bps e observe o comportamento do sensor. Com um copo meio cheio, ele irá enviar um sinal de nível lógico baixo ("LOW") quando ele estiver abaixo do nível da água no copo, e enviar um sinal de nível lógico alto ("HIGH") quando ele estiver acima do nível de água no copo, como na imagem a seguir.

O sensor possui um LED interno, que acende quando o sensor identifica a presença de água e que apaga quando ele está na ausência da água, o que pode ser um alerta muito útil para algumas aplicações manuais.

Indo Além

Anteriormente mencionamos que os sensores de nível de líquidos costumam ser utilizados para controlar o enchimento de seu reservatório, porém não chegamos a fazer isso neste tutorial. No tutorial Controle de Nível com Arduino, mostramos como criar um sistema simples de monitoramento de nível de um reservatório.

Conclusão

Neste tutorial aprendemos as diferenças entre os dois principais modelos de sensores de nível de líquidos, e vimos de maneira simples como lê-los com a plataforma Arduino, verificando na prática o seu funcionamento.