هل تغيّر العينة صفاء الضوء؟ مشاريع تخرج Arduino لقياس العكارة النسبية

يمكن لحساس بصري بسيط أن يعطي قراءة مختلفة عندما تتغير كمية الجسيمات العالقة في عينة. لكنه لا يتحول تلقائياً إلى جهاز مختبر معتمد، ولا تثبت قيمة الجهد وحدها أن الماء صالح للشرب. هذا المشروع يبني اختباراً نسبياً لطلاب الإلكترونيات والهندسة البيئية: يثبت حساس SEN0189 ووعاء شفاف في حامل واحد، ثم يقارن استجابة خرج التناظرية لعينة أساس وعينات تدريبية أعدت بطريقة معلنة. تذكر صفحة DFRobot مواصفات وحدة تعمل بخمسة فولت وتنتج خرجاً تناظرياً يصل إلى 4.5 فولت، ولذلك لا يجوز توصيل الخرج مباشرة بمدخل ADC في ESP32 ذي منطق 3.3 فولت. إذا استعملت ESP32، فاختر لوحة قياس مناسبة ومقسم جهد محسوباً أو استخدم Arduino بمدخل مناسب وفق مواصفات لوحته.

ما الذي تعنيه كلمة «نسبي»؟

الهدف أن نعرف هل تتغير القراءة في ترتيب ثابت عندما نضيف كمية مختلفة من مادة آمنة إلى الماء، لا تحويل القراءة إلى وحدة NTU. نتيجة مستشعر رخيص تتأثر بهندسة الوعاء، لون الخلفية، مصدر الضوء، فقاعات الهواء، ومكان المجس. خذ عينة ماء صافية كخط أساس، ثم استخدم مزيجاً تدريبياً غير مخصص للشرب مثل كمية صغيرة من نشا غذائي في ماء، يخلط قبل كل قراءة. لا تستخدم تربة أو مياه صرف أو عينات مجهولة، ولا تعيد العينات إلى البيئة. اكتب المكونات وطريقة التحضير؛ التركيز المحضر ليس قياساً معتمداً لتركيز المواد العالقة.

المكونات والحامل

المكونات: حساس موثق الطراز، متحكم Arduino أو ESP32، كأس شفاف متماثل لكل قراءة، حامل يثبت ارتفاع المجس وعمق دخوله، ملعقة قياس صغيرة، ميزان مطبخ اختياري للتحضير، ومقياس متعدد للتحقق من مجال الخرج. يغذى SEN0189 وفق جهد الشركة، مع أرضي مشترك بين وحدة الحساس والمتحكم. في لوحة ESP32، قس الخرج أولاً بلا اتصال ثم تحقق بمقسم جهد أن أعلى قيمة متوقعة تبقى تحت الحد الآمن للمدخل، مع ترك هامش؛ لا تعتمد على وصف «خرج حساس» كأنه متوافق تلقائياً. استخدم إضاءة الغرفة الثابتة أو غطاء معتماً حول الحامل لتقليل الضوء الخارجي، دون تسخين الحساس أو إغلاقه في وعاء مضغوط.

من الشعاع إلى جدول قابل للتكرار

تتغير شدة الضوء المستقبلة مع الامتصاص والتشتت، ثم تتحول الإشارة إلى جهد تماثلي. يقرأ المتحكم المدخل عشرات المرات في فترة محددة، ويحسب الوسيط أو المتوسط، ثم يسجل رقم العينة والجهد الخام والجهد المحول ودرجة حرارة الغرفة وعدد مرات الخلط. اختر وسيطاً إذا كانت هناك قفزات عشوائية من فقاعات، لكن لا تمسح العينات الشاذة بلا تسجيل. من الأفضل تسجيل الجهد بعد التحقق بمقياس متعدد، لأن تحويل عدد ADC إلى جهد يعتمد على خصائص مرجع الشريحة والتوهين، وتشير وثائق Espressif إلى تفاوت المرجع بين الشرائح وإلى توفر مسار معايرة.

مثال ترتيب قياس

حضّر 100 مل ماء أساس، ونسختين أخريين بوصفة مخففة معلنة: ربع ملعقة صغيرة من نشا غذائي في لتر ماء ثم خذ 10 و20 مل من المعلق واخلط كل منهما مع 100 مل ماء جديد. هذه أرقام وصفة تجريبية وليست معياراً علمياً للعكارة. لكل كأس، حركه عشر ثوان ثم اتركه خمس ثوان، ثبت الحساس، وسجل 30 قراءة خلال ثلاث ثوان. افترض لأغراض الشرح أن الوسيط كان 2.10 فولت للعينة الأولى و2.04 و1.96 فولت للعينتين التاليتين؛ أبلغ عن القيم كما هي وكررها في ثلاث جلسات. لا تحولها إلى NTU بمجرد البحث عن معادلة عشوائية أو ملاءمة منحنى خطي.

خط الأساس ومصفوفة الاختبار

ابدأ بعشر قراءات للحساس في الهواء أو في الماء الصافي فقط لمعرفة ضوضاء النظام، ثم كرر العينة الأساسية مع إزالة الوعاء وإعادته بين المحاولات. قارن مجموعة بمصدر الضوء الداخلي ومجموعة مع درع يحجب ضوء الغرفة، ثم أعد اختباراً بعد تنظيف السطح الخارجي للمجس. غيّر متغيراً واحداً في كل جلسة: كمية المعلق أو زمن الانتظار أو زاوية الوعاء. سجل ترتيب التجارب، لا تجمع كل التغييرات في جدول واحد؛ وإلا لن تعرف أي عامل سبب الفرق. معيار القبول المقترح أن تكون فروق العينات أكبر من تغير خط الأساس المعتاد، وأن يعيد فريق آخر النمط نفسه ضمن هامش يحدده مسبقاً.

مصادر نتيجة مضللة

قد يعطي الحساس خرجاً ثابتاً إذا كان السلك معكوساً أو لم يصل جهد التغذية، وقد تبدو القراءة مرتفعة بسبب فقاعات ملتصقة بالمجس. الترسب يغيّر العينة مع الزمن حتى إن لم تغير الوصفة. كأس ذو خطوط أو لون مختلف يبدل مسار الضوء؛ لذلك استخدم النوع نفسه وموضعاً ثابتاً. لا تترك الماء على الدارة، وامسح الانسكاب بعد فصل الطاقة. عند ظهور قيم ADC مسطحة قرب الحد الأعلى، أوقف الاختبار وافحص التوافق الكهربائي قبل قراءة المزيد؛ لا ترفع جهد الدخل لمعالجة التشبع. إذا اختلف شكل القراءة بين USB ومصدر آخر، افحص الأرضي والضوضاء والمرجع قبل استنتاج تغير العينة.

ما الذي لا تقيسه التجربة؟

لا تقيس بكتيريا أو مواد كيميائية مذابة ولا صلاحية مياه للشرب، ولا تقدم قياساً معيارياً لـNTU ما لم تنفذ معايرة مرجعية بطريقة موثقة ومعدات مناسبة. صفحة DFRobot تشرح أن الوحدة تستجيب لتغيرات النفاذ والتشتت وتعرض نطاق خرجها، لكنها لا تحول كل إعداد منزلي إلى مقياس مختبري. يستطيع مشروع تخرج في الهندسة البيئية أو الإلكترونيات عرض حامل مطبوع، كود التسجيل، وصفات عينات آمنة، وتقرير عدم يقين. ولمن يريد توسيع النموذج يمكن مراجعة خدمة مشاريع التخرج أو خدمة Arduino وإنترنت الأشياء. إبقاء الحدود واضحة يجعل المشروع صادقاً وقابلاً للتطوير بدلاً من تقديم رقم يوحي بسلامة لا يقيسها الحساس.

ارجع إلى مواصفات DFRobot للوحدة وتوثيق ADC في ESP32 قبل اعتماد جهد التوصيل أو أي تحويل.

يمكن أن تكون هذه التجربة جزءاً من مشاريع تخرج في الهندسة البيئية والإلكترونيات عندما يشرح الفريق حدود القياس ويشارك إعدادات النموذج. للمراجعة التقنية، افتح المصادر الأصلية: Gravity: Analog Turbidity Sensor for Arduino - DFRobot Wiki، Non-contact Turbidity Sensor SEN0554 - DFRobot، Analog to Digital Converter - ESP32 Programming Guide.