👨🏾‍✈️ 🔵 🐣 محطة الطقس ابتلاع 🦈 🤩 🦉

إن تطوير الإلكترونيات بالنسبة لي هو عمل وهواية في نفس الوقت. في الدافع التالي للرغبة في القيام بشيء ، صادفت مجموعة من أجهزة الاستشعار غير المكلفة للهواة: المطر والسرعة واتجاه الرياح. لقد حدد لي مجال اهتمام جديد. في هذه المقالة سأتحدث عن العملية الرائعة لتصميم محطة الطقس الخاصة بي.

بعد خيال قصير ، تم تشكيل مجموعة من أجهزة الاستشعار:

• درجة الحرارة
• الرطوبة
• الضغط
• اتجاه الرياح وسرعتها
• هطول الأمطار
• الإشعاع المؤين
• الإضاءة

أحد خيارات التنفيذ - التجميع من الوحدات الجاهزة (لوحة المعالج + الدروع) - لم يعجبني بسبب العيوب التالية :

• قلة المرونة
• تصميم شنيع
• استهلاك الطاقة
• مملة

بالإضافة إلى ذلك ، أردت تطوير لوحة الدوائر المطبوعة بنفسي. بشكل عام ، تم التخطيط للمشروع على أنه ترفيهي. نظرًا لخصائص تطوراتنا ، يتعين عليّ تضمين الألواح في بنية محدودة للغاية ، لذلك أردت تطوير تصميم "مهيب" للوحدة الرئيسية ، ووضع الكثير من المصابيح ، والموصلات الجميلة ، وما

إلى ذلك. تم استكمالها بألواح الطاقة الشمسية ومخططات الطاقة القائمة عليها.

بناءً على قائمة المستشعرات ، تم تشكيل مخطط الكتلة التالي:

أجهزة استشعار خارجية

بدأ اختيار المكونات بالبحث عن بديل لمجموعة أجهزة الاستشعار المذكورة أعلاه. أداءهم لم يلهم الثقة ، أردت أن أجد شيئًا أكثر موثوقية وجميلة. بعد بحث طويل ، وجدت Vaisala ، التي تتخصص في تطوير حلول مهنية لقياس المعلمات البيئية. تنتج هذه الشركة ، على سبيل المثال ، مثل مقياس شدة الريح المشترك الموثوق به ، الذي تم وضعه كحل منخفض التكلفة.

لديها دافع مخروطي الشكل ، لمزيد من الخصائص الخطية سرعة الرياح - تردد الخرج. بعد أن طلبت سعرًا (75000 روبل) ، كان لا يزال يتعين علي العودة إلى إصدار الهواة الأصلي. لا تحتوي هذه المستشعرات على مكونات كهربائية نشطة ، فهي تستخدم مفاتيح القصب والمغناطيسات ككاشفات للحركة.

مقياس شدة الريح لديه خرج التردد. عندما تدور المكره ، يتم إغلاق مفتاح القصب بتردد يتناسب مع سرعة الرياح. يتم توصيل مقياس شدة الريح بإدخال أحد مؤقتات وحدة التحكم الدقيقة من خلال دائرة واقية وفلتر RC لمنع ارتداد الاتصال.

جهاز استشعار اتجاه الرياح هو مقسم جهد قابل للضبط على مفاتيح القصب. الإخراج هو الجهد. وهو متصل أيضًا بـ ADC MK الداخلي من خلال دائرة واقية وفلتر.

يمتلك جهاز استشعار المطر التصميم الأكثر دهاءً ، في رأيي. إنها أرجوحة مع دبابتين في النهايات ، مملوءة بالتناوب من قمع يقع فوقها. مع كل أرجوحة التمرير ، يتم إغلاق مفتاح القصب. الاتصال بـ MK هو نفس اتصال مقياس شدة الريح.

لقياس الرطوبة ودرجة الحرارة ، يتم استخدام مستشعر SHT15. تم اختياره كأكثر المكونات دقة المتوفرة من المورد المحبوب لدينا. يحتوي هذا المستشعر على واجهة مشابهة لـ I2C ، ولكنه لا يدعم العنونة ، لذلك كان لا بد من توصيله بناقل I2C_2 منفصل. أدت الاختلافات في الواجهة إلى تنفيذ برنامج المسح الخاص به. يتم تثبيت مستشعر SHT15 خارج الجهاز ، وهذا يتطلب أسلاك طويلة ، ويمكن أن تؤدي أجهزة إضافية على نفس الناقل إلى تشغيل غير صحيح. لقياس الرطوبة ودرجة الحرارة بشكل صحيح ، من الضروري حماية المستشعر من أشعة الشمس المباشرة وهطول الأمطار. كان من الممكن بناء الحماية من المواد المرتجلة ، ولكن منذ ذلك الحين تم التخطيط لإظهار محطة الطقس في معرض Radel ، وكانت متطلبات المظهر صارمة. نتيجة لذلك ، استقرنا على الحماية من Vaisala ، تكلفتها عالية ،لكنها تبدو مناسبة أيضًا.

مخطط الجهاز

تم تحديد متحكم STM32F207VC. بالطبع ، سيتعامل المتحكم الدقيق مع هذه المهمة ببساطة أكثر ، ولكن المهمة مسلية ، سعر منتج واحد ليس حرجًا ، بالإضافة إلى ذلك ، نستخدم هذا المتحكم الدقيق على نطاق واسع في تصميماتنا - مما يوفر الوقت في التصميم.

يربط ناقل I2C_1 مستشعرات درجة حرارة الجهاز ، والضغط ، والإضاءة ، بالإضافة إلى مقياس التسارع ومضخمات تحويل التيار.

يسمح لك مستشعر درجة الحرارة الداخلية STLM75 بمراقبة درجة حرارة الجهاز. من المثير للاهتمام ملاحظة كيف تزداد درجة الحرارة الداخلية في الشمس.

جهاز استشعار الضغط من ST LPS25. جهاز استشعار MEMS مع الإخراج الرقمي.

مستشعر الضوء OPT3001 بحساسية طيفية قريبة من العين البشرية. ليست مناسبة لهذه المهمة ، لأن عند قياس قوة الإشعاع الشمسي ، يتم استخدام أجهزة استشعار ذات نطاق طيفي أوسع ، مع التقاط الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك ، كان كافياً بالنسبة لي تحديد الإضاءة في شكل الظلام / النور.

مقياس التسارع LSM303D. الفكرة هي استخدامه ككاشف للسرقة في عمر البطارية. من الوظائف المثيرة للاهتمام هي تحديد السقوط الحر وتوليد مقاطعة لـ MK.

تسمح لك مضخمات التحويلة الحالية ذات الإخراج الرقمي بقياس الجهد والتيار في ناقل الإمداد وحساب الطاقة على متن الطائرة وتوليد الانقطاعات عندما تتجاوز المعلمات الحدود الموضوعة. تستخدم للتحكم في استهلاك الطاقة ولدت.

تعمل واجهات UART الثلاث على النحو التالي:

• واجهة سلكية خارجية. يتم تثبيت محول UART-RS485 مع عزل كلفاني. يعتمد حل Texas Instruments على شريحة ISO3086T. تحتوي هذه الدائرة المصغرة على مشغل محول ، والذي يسمح لك بتشغيل جزء الإخراج من المحول بدون مصدر إضافي.

• وحدة GSM SIM900. يمكنك أن تلتقط شيئًا أكثر حداثة مع 3G وقوة منخفضة ، ولكن هذا كان على الرف وفي مكتبة مكونات PCB CAD.

• وحدة GPS لوقت دقيق ، مختارة لنفس الأسباب.

بصفتي "ماذا أضع" على دبابيس مجانية ، وجدت شاشة OLED رسومية جميلة بدقة 128 * 64. نعم ، بالطبع ، الشاشة داخل المحطة عديمة الفائدة ، ولكن من خلال الغطاء الشفاف للعلبة تبدو لطيفة للغاية ومفيدة أثناء التثبيت للتحكم في صحة التوصيلات.

بسبب حب أجهزة تفريغ الغاز ، ظهر كاشف إشعاع مؤين على عداد SBM-20 Geiger في قائمة أجهزة الاستشعار. يكتشف إشعاع جاما. كنت أرغب في وضع SBM-19 ، ولديه حساسية أكبر ، بسبب الحجم الأكبر للكاميرا ، ولكن لنفس السبب ، لم يتناسب مع الحالة التي أعجبتني.

يتطلب عداد جيجر تشغيل 400 فولت. يتم تصنيع مصدر الجهد العالي وفقًا لدائرة بدون محول استنادًا إلى MC33063AD. قرار مثير للجدل ، لكني أردت أن أحقق 400 فولت من 5 فولت وفقًا لهذا المخطط. من الميزات - تحتاج إلى ترانزستور عالي الجهد بجهد بوابة عتبة صغير ، على سبيل المثال ZVN0545.

يتم تشغيل العداد وفقًا لدائرة تأريض الكاثود. والدائرة الأكثر شيوعًا هي المقاوم في دائرة الأرض الكاثودية للكشف عن قفزة حالية في العداد. تم تصنيعه لأسباب تتعلق بمناعة الضوضاء ، فمن الأفضل أن يكون لديك أسطوانة مضادة معدنية مؤرضة ، وهي الكاثود. كما أنه يفصل بنجاح مصدر الطاقة الصاخبة عالية الجهد عن بقية الدوائر على اللوحة.

قسم الكاشف مصنوع وفقًا لمخطط بسيط. عندما يدخل الجسيم إلى العداد ، يحدث طفرة تيار من خلاله ، مما يؤدي إلى تغير إمكانات الأنود ، مما يؤدي إلى ظهور التيار في دائرة القاعدة ، ونتيجة لذلك ، انخفاض الجهد عند خرج الكاشف. بعد نهاية قانون التأين ، يصبح التوقف الحالي والجهد عند خرج الكاشف 3.3 فولت. تتم معالجة الإشارة الواردة من الكاشف على أنها مقاطعة خارجية MK.

يتطلب تطوير خطة الطاقة معظم الوقت. هناك ثلاثة مصادر للطاقة: شبكة خارجية ولوحة شمسية وبطارية مدمجة. يتم تثبيت محول DC-DC معزول كلفانيًا عند إدخال الطاقة الخارجية. نطاق الإدخال هو 9-36 فولت ، الإخراج هو 5 فولت.

للعمل مع البطارية الشمسية ، يتم استخدام دارة تحويل دقيقة خاصة مع وظيفة MPPT المدمجة (الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة). يتم استخدام هذه الطريقة للحصول على أقصى طاقة إخراج ممكنة من الوحدات الضوئية.

تستخدم الدائرة 2 معددات طاقة ذاتية التبديل لتحديد مصدر الطاقة تلقائيًا. تم إجراء أخطاء في نظام التبديل هذا. لا توجد طريقة لإيقاف الطاقة عندما تكون البطارية منخفضة. وربما يكون من الأصح أن تجعل البطارية الشمسية تشحن البطارية دون تغذية الجهاز. في ظروف الإضاءة المنخفضة ، ستكون الطاقة كافية لشحن البطارية ببطء ، ولكنها لن تكون كافية لتشغيل الجهاز نفسه.

بعد التتبع ، حصل المجلس على النموذج التالي:

تم اختيار علبة فسيحة مع غطاء أمامي شفاف. كان خيار الشركة المصنعة مفيدًا جدًا - عنصرًا لمعادلة الضغط (في الصورة أدناه ، إلى يسار الموصلات). يضمن ضغوطًا متساوية داخل وخارج السكن ، وهو ضروري لمستشعر الضغط الموجود في الداخل ، ويوفر أيضًا إحكامًا أكبر للجهاز أثناء انخفاض الضغط. تستخدم الموصلات الصناعية M12 لتوصيل أجهزة الاستشعار الخارجية والطاقة والاتصالات. يوفر موصل M12 إحكامًا عاليًا واتصالًا كهربائيًا موثوقًا به. لتثبيت السكن على رف ، تناسب تركيبات أنابيب المياه تمامًا.

كان المعرض يقترب ، لكن دائرة الطاقة الشمسية لم يتم تصحيحها بعد ، لذلك تقرر استخدام الطاقة الخارجية وواجهة سلكية.

تمت كتابة البرنامج الثابت بسرعة ، كبداية ، اقتصرنا على استطلاع جميع أجهزة الاستشعار ، وعرض المعلمات وتبادل البيانات عبر واجهة RS-485 السلكية. تمت كتابة برنامج للكمبيوتر الشخصي يقوم بتنفيذ التبادل مع المحطة وإخراج المعلمات.

للتوصيل بمحول USB مصمم بواسطة الكمبيوتر - RS485 مع حاقن طاقة. تم تصميم العلبة في SoldWorks ؛ وهي مصنوعة من صفائح بلاستيكية شفافة لإمكانية التفكير في الدواخل. تم تصنيعه في أقرب ورشة إعلانية باستخدام القطع بالليزر. اتضح أنها جيدة ، في رأيي.

يتم استخدام محول 24V AC-DC كمصدر. يعتمد محول USB-UART على FTDI FT232 ، UART-RS485 المحبوب ، بناءً على نفس الحل من Texas Instruments كما هو الحال في محطة الطقس نفسها.

في المعرض ، أثارت محطة الطقس اهتماما كبيرا. أطلق المحترفون في صناعة الطقس الذين جاءوا إلى جناحنا اسمها الحرف ، التقط الطلاب صورًا على خلفيتها ، شعرنا بالرضا.

بعد المعرض ، كنت حريصة على تثبيت المحطة على السطح ، لاختبار العناصر الشديدة. تم تجميع القاعدة من مواد مرتجلة. الآن المظهر لم يزعجنا ، الشيء الرئيسي هو الموثوقية. كانت النتيجة تصميمًا قاسيًا مع قضبان من دبوس الشعر وسلسلة. النجاة من الإعصار!

تم تركيب المحطة على سطح مبنى سكني. كان سحب الزوج الملتوي من السقف من خلال 5 طوابق إلى الشقة هواية مثيرة للغاية.

الخبرة العملية

وبطبيعة الحال ، بمجرد انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون الصفر ، تجمد جهاز استشعار المطر بإحكام. ما زال لا يعرف كيف يكتشف الثلج. خلال عملية التطوير ، رأيت أن الحرفيين قاموا ببناء مقاومات قوية للتدفئة في هذا المستشعر ، لكني لم أحب هذا النهج. في المستقبل قررت تطوير كاشف بسيط للهطول ، يبدو كالتالي:

مبدأ تشغيلها هو كما يلي: هناك لوحة دائرة مطبوعة مع أزواج من الموصلات غير مغطاة بقناع ؛ عندما يدخل الماء إلى سطح اللوح ، تنخفض المقاومة بينهما. لكي يعمل المستشعر في موسم البرد ، من الضروري تسخين لوحة الدوائر المطبوعة.

كانت مشكلة أيضًا في العثور على عداد Geiger عامل. كان هناك طائرتان من طراز SBM-20 في المخزون ، لكن كلاهما لم يعمل. الآن يحتوي الجهاز على عداد Geiger صغير غير معروف ، والذي يمكن رؤيته على اللوحة في الزاوية اليسرى السفلية.

في هذه المرحلة ، تتركز جميع الجهود على إنهاء البرنامج ورفع خادم الويب لمحطة الطقس. تم العثور على برنامج WeeWX مفتوح المصدر ، يمكنه التواصل مع معظم محطات الطقس ، وكتابة قراءاتها إلى قاعدة البيانات ، وإنشاء صفحات HTML مع الرسوم البيانية والقراءات الحالية ، إلخ. يتم تنفيذ برنامج تشغيل لـ WeeWX الذي يقوم بتنفيذ بروتوكول التبادل الخاص بنا.

يمكن الاطلاع على صفحة تحتوي على قراءات محطة الطقس لدينا هنا . أثناء التطوير ، قد لا يتم عرض البيانات بشكل صحيح.

واحدة من الأفكار الطموحة هي تطوير اتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية ومستشعر السرعة ، ولها ميزة كبيرة على الميكانيكية - لا يمكن أن تتوقف بسبب الجليد. يعتمد مبدأ تشغيل أجهزة قياس شدة الرياح من النوع فوق الصوتي على قياس سرعة الصوت ، والتي تختلف اعتمادًا على اتجاه ناقل الحركة الهوائية (اتجاه الرياح) بالنسبة لمسار انتشار الصوت.

يبدو هذا التصميم على النحو التالي.

بالحكم على علامات الوقت المستغرق في المنجم الأحمر ، استغرق الأمر حوالي شهر لتطوير الجزء الحديدي. قضى الكثير من هذا الوقت في الإعجاب بمختلف أجهزة الاستشعار ورمي الروح عند اختيار مكونات النظام. تم إنفاق حوالي أسبوعين على البرنامج ، وحوالي أسبوع استغرق تطوير برنامج تشغيل لـ WeeWX.

بشكل عام ، تبين أن المشروع مثير للاهتمام للغاية بالنسبة لي ، فقد تم القيام برحلة مثيرة في عالم قياسات الأرصاد الجوية.

كما أود أن أشكر ana_lazareva لمشاركته النشطة في إنشاء محطة الطقس.

محطة الطقس ابتلاع

أجهزة استشعار خارجية

مخطط الجهاز

الخبرة العملية

More articles: