Arduino & 超音波HC-SR04によるスマート液面センサー & コントローラー

概要

超音波センサーHC-SR04とArduinoを用いた液面レベル監視・自動制御システムです。工業用レベルインジケーターの原理を小規模・家庭用に応用。タンク内の液量を連続監視し、ポンプ制御によるフィードバック制御で液面を設定範囲内に維持します。

システム構成

ブロック図

• Arduino UNO: メインマイコン
• HC-SR04超音波センサー: タンク天面に取り付け、液面までの距離を測定
• 潜水ポンプ ×2: タンク内排水用・貯水槽から給水用（単方向ポンプ）。双方向ポンプなら1台で代替可能
• モータードライバー: ポンプ駆動用（12V駆動のため必須。ブロック図では省略）

測定原理（センシングシステム）

HC-SR04は40kHz超音波を送信（Trigピン）、液面で反射した波を受信（Echoピン）。往復時間から距離を算出：

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = duration * 0.034 / 2;  // cm単位

音速 340m/s = 0.034cm/μs を利用。往復距離なので2で割る。

制御ロジック（コントロールシステム）

Arduinoが距離データを読み取り、閾値判定でポンプを制御：

• 距離 > 10cm（液面低い）: タンク内ポンプOFF、貯水槽ポンプON → 給水
• 距離 < 6cm（液面高い）: 貯水槽ポンプOFF、タンク内ポンプON → 排水
• 6〜10cm: 両ポンプOFF（目標範囲内）

※ 距離センサーから液面までの距離なので、値が大きい＝液面が低い、値が小さい＝液面が高い。

ソースコード

int tankPump = 3;
int reserviorPump = 2;
int trigPin = 9;
int echoPin = 10;
long duration;
int distance;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(tankPump, OUTPUT);
  pinMode(reserviorPump, OUTPUT);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  ultrasound();
  pump();
}

void ultrasound() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = duration * 0.034 / 2;
  Serial.print("Distance:"); Serial.println(distance);
  delay(1000);
}

void pump() {
  if (distance > 10) {
    digitalWrite(tankPump, HIGH);
    digitalWrite(reserviorPump, LOW);
  } else {
    digitalWrite(tankPump, LOW);
  }
  if (distance < 6) {
    digitalWrite(reserviorPump, HIGH);
    digitalWrite(tankPump, LOW);
  } else {
    digitalWrite(reserviorPump, LOW);
  }
}

今後の改良案

• 双方向ポンプ採用でポンプを1台に集約
• OLED/LCDディスプレイで液面・温度表示
• IoT接続でクラウドデータ蓄積・遠隔監視・アプリ制御
• 満水時の安全ブザー、オーバーフロー防止ロジック追加

提供ファイル

• Arduinoスケッチ
• 回路図・ブロック図・配線写真