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Estación meteorológica de senderismo portátil MiniBTH2 / 2M

En el articulo anteriorSe describió la historia de la creación y la experiencia del uso de la estación meteorológica de campo miniBTH. Este instrumento mide y muestra continuamente en la pantalla en forma gráfica la presión atmosférica, temperatura y humedad actuales. Todos los parámetros medidos se guardan en la tarjeta de memoria una vez por minuto. Además, el dispositivo tiene un sensor de luz, y los datos del sensor de presión se pueden convertir a una altura barométrica. Gracias al uso de una pantalla transflectiva, las lecturas del dispositivo son fácilmente legibles incluso a la luz del sol, y la carcasa del dispositivo está sellada. La experiencia con el uso de este dispositivo resultó ser generalmente positiva, pero se identificaron una serie de deficiencias que se examinaron en detalle en un artículo anterior, siendo el principal un gran peso. En este artículo consideraremos la experiencia de creación y operación de la segunda versión, más conveniente y funcional. Notaque al momento de escribir el último artículo, la segunda versión del dispositivo ya estaba en un alto grado de preparación, por lo tanto, se describieron las principales formas de superar las deficiencias.



Nuevo diseño del dispositivo y reducción de peso.


La primera estación meteorológica MiniBTH se concibió como un dispositivo independiente diseñado principalmente para su uso en caminatas. Es por eso que la caja del instrumento se hizo hermética, se utilizó una pantalla transflectiva y se calculó la capacidad de la batería durante más de un mes de funcionamiento. El principal inconveniente de la primera versión, en mi opinión, era mucho peso, así que decidí hacer la segunda versión lo más compacta y ligera posible. Para hacer esto, debe separar la placa del dispositivo del tamaño más pequeño posible: un poco más grande que la pantalla, y hacer que la carcasa sea lo más delgada y amurallada posible. Las partes electrónicas y de software se discutirán más adelante, pero por ahora pasamos al diseño de la carcasa de la segunda versión del dispositivo. Las ideas principales para reducir el tamaño del caso fueron las siguientes:

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Como resultado, fue posible conciliar las ideas propuestas entre sí y hacer una carcasa bastante compacta hecha de capralon del siguiente diseño:



se supone que el bloque del sensor es extraíble, unido a la caja con dos tornillos, y la estanqueidad del acoplamiento del bloque del sensor y la carcasa está asegurada por una junta anular a través de la cual pasan los cables. El conjunto de sensores se usa igual que en la primera versión del dispositivo: sensor de presión MS5803 y sensor de humedad sht21. La unidad del sensor está pegada con sellador de dos tapas de capralon. Entre ellos hay una placa en la que están montados los sensores. El tablero está hecho de fibra de vidrio de 0,75 mm de espesor. Durante el montaje de la unidad, para proteger el sensor de humedad de los vapores liberados por el sellador, su ventana se selló con cinta adhesiva Kapton (como se recomienda en la documentación).



El diseño de la unidad del sensor tiene en cuenta las deficiencias identificadas durante el funcionamiento de la primera versión del dispositivo. El sensor de humedad no está cubierto con una tapa de malla SF2, sino que simplemente se coloca en el hueco de la unidad. Esto resuelve el problema de humedecer la tapa, lo que conduce a un "pegado" prolongado de las lecturas de humedad en la marca máxima y, al mismo tiempo, la ubicación en el receso con el lado sensible del cuerpo elimina el daño causado por objetos externos. Se proporciona una protuberancia adicional en el bloque del sensor del dispositivo versión 2M para proteger el sensor de humedad del daño causado por objetos largos y delgados. El problema de proteger el sensor de presión MS5803 de la luz solar directa también se resuelve en la etapa de diseño del dispositivo. La parte sensible del sensor está cubierta con una tapa hecha de poliestireno negro pegado en un hueco en la carcasa.Dado que el sensor también es sensible a la iluminación desde el reverso, la metalización se deja en el tablero en el sitio de instalación en el lado opuesto.



Se accede al aire al sensor de presión a través de un canal delgado (0,5 mm) entre la carcasa del instrumento y el bloque del sensor. Tenga en cuenta que al elegir este diseño del bloque sensor, existía la preocupación de que en el agua de lluvia fluiría hacia un espacio delgado entre el bloque sensor y el cuerpo del dispositivo y bloquearía completamente el canal de acceso de aire directamente al sensor de presión, lo que provocaría un error sistemático en las lecturas de presión debido a tensión superficial del agua. Las pruebas de los dispositivos bajo la lluvia y en la ducha mostraron que debido a la no humectabilidad de capralon, no se producen fugas con un grosor de canal de 0,5 mm. Experimentos más exhaustivos han demostrado que si el bloque del sensor se instala con una inclinación y, por lo tanto, el grosor del canal se reduce hasta que el borde del bloque del sensor toque la carcasa, el agua puede filtrarse a la carcasa del instrumentoy conduce a una disminución en las lecturas de presión en aproximadamente 0.7 mm Hg. Si la unidad del sensor se instala de manera uniforme, el agua no tiene fugas.

A primera vista, poco ha cambiado externamente, pero en su diseño se tuvo que aplicar una serie de nuevas soluciones técnicas. Por un lado, reducir el número de tornillos de sujeción y aumentar la distancia entre ellos requiere un marco de sujeción más rígido y / o una junta más blanda para garantizar la compresión de la junta en toda su longitud. Por otro lado, por razones de conveniencia de usar el dispositivo, se decidió fabricar el marco de sujeción de plástico, y esto, por el contrario, reducirá su rigidez. Una posible forma de resolver esta contradicción es usar una almohadilla de goma más suave. Esta opción es más razonable que tratar de colocar "muletas" en forma de introducir insertos metálicos rígidos o elementos elásticos en la estructura del marco de sujeción y usar la misma cinta dura de la grabadora como sello.
Después de una breve búsqueda en Internet, se encontró una solución para hacer juntas de goma usted mismo. Existen siliconas especiales de dos componentes que se utilizan para la fabricación de moldes y juntas. La tecnología para trabajar con estas siliconas se ve brevemente de la siguiente manera: dos componentes líquidos deben mezclarse entre sí, luego de lo cual se vierten en el molde durante varios minutos y esperan hasta que la composición se endurezca. Después del endurecimiento, se obtiene un caucho de silicona muy flexible y suave, que se separa fácilmente de la forma en que se solidificó. Existen líneas enteras de tales siliconas de diferentes fabricantes, que difieren entre sí por el tipo de catalizador endurecedor utilizado y las propiedades fisicomecánicas y químicas del caucho resultante. Todas las siliconas tienen un alargamiento a la rotura igual a cientos de por ciento,relativamente suave, puede trabajar a temperaturas de hasta 200 grados centígrados y relativamente resistente a los productos químicos. Las siliconas con un catalizador de platino son químicamente más estables y tienen tolerancia alimentaria. Una de las aplicaciones típicas de tales siliconas es la fabricación de moldes para fundición a partir de yeso, cemento, jabón o incluso chocolate. La segunda aplicación típica es la fabricación de juntas.

Sobre la fabricación de juntas de goma de silicona

En su ciudad, encontró un proveedor que ofrece una línea completa de siliconas con un catalizador de estaño Sk-76x y silicona de platino Sk-790. Para los experimentos, compré dos juegos: silicona catalizadora de platino Sk-790 y silicona más suave Sk-762, y comencé a experimentar con la fundición.

En mi caso, hacer un molde para moldear no fue un problema, simplemente fresé las ranuras de la forma deseada en una lámina de acrilato de polimetilo. Al principio se suponía que debía verter silicona en el molde y cubrirlo con una segunda hoja plana de vidrio orgánico, exprimiendo el exceso de silicona. Sin embargo, resultó que no todo es tan simple, y cambié ligeramente la tecnología. El principal problema en la fundición de silicona son las burbujas de aire. Se forman tanto cuando se mezclan los componentes de partida como cuando la composición se vierte en un molde. Uno de los métodos para controlar las burbujas, recomendado por el fabricante, es colocar la silicona preparada para verterla al vacío durante varios minutos antes de verterla. En el vacío, todas las burbujas se hinchan y explotan, y todo el aire sale de ellas. Exteriormente, recuerda vagamente a la leche desbocada. Para luchar contra las burbujassurgiendo durante el vertido, puede pronunciar la composición después de verter. Sin embargo, decidí no forzar a mis colegas que tienen una cámara de vacío y buscar una forma más fácil de hacer piezas de fundición sin burbujas. Esto resultó no ser tan difícil, porque todas las burbujas formadas durante la mezcla y el vertido son bastante grandes. Aparentemente, la viscosidad de la silicona evita la formación de pequeñas burbujas durante la captura de aire o al aplastar burbujas grandes. Por lo tanto, las burbujas son claramente visibles a simple vista, e incluso logran flotar unos pocos milímetros hasta el endurecimiento de la silicona. Por lo tanto, se supone que la tecnología de vertido es la siguiente: se aplica silicona con exceso a lo largo de la ranura en el molde, y después de unos minutos se elimina el exceso de silicona, junto con todas las burbujas, con una espátula de metal. Si la burbuja se adhiere a la pared del molde,Se puede eliminar con la misma escápula. La superficie superior del relleno se vuelve lisa debido a la acción de la tensión superficial y la gravedad. Lo principal es eliminar de manera uniforme el exceso de silicona de la parte superior del molde. Pero si cubre el bastidor con una tapa, existe un gran riesgo de introducir la burbuja de aire en el molde.

Por lo tanto, se resolvió el problema de la fabricación de juntas de cualquier forma, lo que permitió elegir cualquier opción de diseño conveniente para la cubierta frontal. Un dilema separado fue la elección del material para la parte transparente de la tapa. Hay dos tipos de material transparente disponibles para mí. Uno es el policarbonato viscoso y flexible, que, sin embargo, no es muy resistente a la tensión mecánica y no es muy transparente, pero tiene un tinte azulado. El segundo es el acrilato de polimetilo transparente pero frágil. A pesar de que se usó policarbonato en la primera versión del dispositivo, en la segunda decidí usar acrilato de polimetilo. Por un lado, es más transparente, lo que mejora la legibilidad de la pantalla bajo una luz brillante y dispersa, por otro lado, introduce menos desviaciones en las lecturas de los sensores de luz. Además, se raya menos en condiciones de funcionamiento similares.Para reducir la probabilidad de grietas de acrilato durante un impacto frontal y mejorar la apariencia del dispositivo, la cubierta transparente se hace gruesa (5 mm) y el marco de presión se monta en una repisa fresada especial. La cubierta superior de este diseño resulta ser bastante rígida y puede usarse tanto con una junta de silicona suave Sk-762 como con una más rígida de Sk-790. Al final, decidí optar por la silicona 790, porque es con un catalizador de platino y es químicamente más inerte.y se puede usar tanto con una junta de silicona suave Sk-762 como con una más rígida de Sk-790. Al final, decidí optar por la silicona 790, porque es con un catalizador de platino y es químicamente más inerte.y se puede usar tanto con una junta de silicona suave Sk-762 como con una más rígida de Sk-790. Al final, decidí optar por la silicona 790, porque es con un catalizador de platino y es químicamente más inerte.



La capacidad de fundir juntas de cualquier forma hizo posible hacer una escotilla para un acceso rápido a SD, que se implementó en la versión 2M del dispositivo. Finalmente, la idea de hacer la escotilla tomó forma bastante tarde, cuando se ensambló y fabricó la versión 2 del dispositivo. La creación de la escotilla se basaba en tres problemas: cómo sellarla, dónde colocarla y cómo solucionarla. El primer problema se resuelve haciendo que la junta tenga la forma deseada. El segundo problema también se resolvió, porque en el rebajo en el lado inferior hay un lugar libre en el que es conveniente ocultar la tapa que sobresale hacia afuera. En mi opinión, resolví el tercer problema de la manera más simple: la escotilla se fija con tornillos. Por un lado, no abrirá sin una llave, pero por casualidad tampoco se abrirá. Y en los dispositivos sellados en serie, las cubiertas también suelen fijarse con tornillos.



La escotilla en sí se encuentra en la parte inferior del cuerpo, y es un orificio pasante fresado de forma oblonga, con un escalón en forma de T en la sección, en la cual la junta está engarzada. En el exterior, la junta se presiona con una cubierta plana, que se fija a la caja con dos tornillos M3x5. El grosor de la pared inferior de la caja es de 5 mm, la profundidad de la repisa es de 2 mm, el grosor de la junta sin comprimir es de 2,5 mm y el grosor de la cubierta es de 2 mm. Los orificios en los que se atornillan los tornillos no son pasantes, están empotrados en el cuerpo por 3.9 mm, la rosca en ellos se corta casi a toda la profundidad. El enhebrado no es posible en una máquina CNC disponible para mí, por lo que se llevó a cabo utilizando tres grifos especialmente afilados y un destornillador.

Se probó la estanqueidad de la carcasa terminada por inmersión en agua durante 12 horas. Se utilizó papel de filtro para detectar posibles fugas. Los recintos eran herméticos. Para evitar la condensación de agua dentro de la caja a bajas temperaturas, se coloca una bolsa de tela con gel de sílice en el volumen libre cerca de la batería. Las pruebas y otras operaciones mostraron que no se forma condensación en la carcasa.

Sobre el desarrollo de la parte electrónica



La parte electrónica de la segunda versión del dispositivo en términos de las soluciones utilizadas es muy similar a la primera versión. El microcontrolador ATmega1284p que funciona a una frecuencia de 8 MHz se utiliza como procesador principal.



Todos los sensores DS1337 y los relojes en tiempo real están conectados a través del bus I2C. Una señal adicional con una frecuencia de 1 Hz está conectada a una entrada separada del microcontrolador del procesador. Esto le permite utilizar los modos de suspensión con el reloj principal detenido para una mejor eficiencia energética. La batería se carga usando el controlador max1879 con una llave externa, pero ahora está directamente conectada al cargador a través de prensaestopas. Para indicar la corriente de carga, se introduce un circuito de medición de corriente en el amplificador operacional TS321, que es completamente similar al utilizado en la primera versión del dispositivo. La pantalla y la tarjeta SD están conectadas al controlador a través del mismo bus SPI, sin embargo, ahora el circuito proporciona la capacidad de apagar la alimentación de la tarjeta SD mientras no está en uso.Los botones táctiles en los detectores de fase son similares a los utilizados en la primera versión del dispositivo.



Las placas de los botones táctiles se colocan en el panel lateral del dispositivo, y el fresado se realiza por encima de ellas para facilitar la búsqueda a ciegas. Todavía hay tres botones, el superior se llama convencionalmente "Entrada", el medio es "-" y el inferior es "+". Casi todos los detalles del dispositivo se pudieron colocar en un tablero de 59x41 mm con bordes redondeados. Solo los compresores protectores y las bobinas L2-L3 se montan directamente en los tornillos: entradas herméticas.



Los sensores de luz se colocan en una placa delgada separada ubicada encima de la pantalla. El tamaño del tablero se elige de modo que cuando se ensambla, la pantalla cubra casi todo el frente del tablero.


Para darle al dispositivo una apariencia más estética, se realizó una superposición decorativa que cubría todo, excepto la parte funcional de la pantalla y los sensores de luz.

Sobre la interfaz del dispositivo y el desarrollo de software



En primer lugar, vale la pena señalar que el borrador de la segunda versión del dispositivo se transfirió de Arduino a AVR Studio. Esto se hizo porque no hay un beneficio real de Arduino, excepto el firmware rápido a través del gestor de arranque y UART, pero hay problemas con watchdog, ahorro de energía y algunas pequeñas cosas. La situación se agrava aún más por el hecho de que no hay plataformas Arduino estándar en el ATmega1284p, por lo que hubo una opción: terminar el IDE y el gestor de arranque Arduino, o transferir el proyecto a AVR Studio. Para no interferir mucho con el trabajo de la biblioteca SDFATlib utilizada, dejé la parte del núcleo arduino en el proyecto relacionada con la inicialización, trabajando con el temporizador y las líneas de entrada / salida. Sin embargo, tuve que hacer cambios en la biblioteca SDFATlib, y esto se debe a un cambio en la polaridad de la señal SCK al usar el circuito de desconexión de la tarjeta SD.Por cierto, SDFATlib puede funcionar tanto con la biblioteca SPI heredada de arduino como con la suya. En mi proyecto, SDFATlib está configurado para trabajar con SPI a través de su propia biblioteca para AVR (por cierto, esta es su configuración estándar, aunque es posible trabajar a través de las bibliotecas Arduino).

Una diferencia importante entre la segunda versión del dispositivo es el ahorro de energía. Dado que la pantalla a color incluida consume aproximadamente 3 mA en modo activo, la forma principal de ahorrar energía es poner la pantalla en modo de suspensión después de un tiempo de inactividad del dispositivo. La pantalla se enciende mediante la misma combinación de botones de "inicio", que se utilizó para encender la luz de fondo en la primera versión del dispositivo, manteniendo presionados los botones extremos, con el promedio liberado.

Cuando la pantalla está encendida, los sensores y los botones táctiles se interrogan con un período del ciclo principal de aproximadamente 200 ms, con el mismo período interrogado, y se actualizan algunos elementos de la pantalla, como el estado de los botones y el tiempo. La información que se muestra de los sensores se actualiza con un período dos veces más largo, aproximadamente una vez cada 400 ms. Este período, en mi opinión, es óptimo, porque con un período de actualización más corto, los números cambiantes son inconvenientes para leer, y con uno más largo, el retraso en las lecturas será notable. La frecuencia de interrogación de todos los sensores se seleccionó especialmente dos veces más que la frecuencia de actualización de la pantalla, porque dos parámetros medidos se leen a su vez desde los sensores de presión y humedad: durante una interrogación, temperatura, durante la siguiente interrogación: presión o humedad. Todo el tiempo "libre" del ciclo principal, el procesador está en modo de reducción de ruido ADC,midiendo la corriente de la batería. Como resultado, cuando la pantalla está encendida, el dispositivo consume aproximadamente 6 mA.

Cuando la pantalla está apagada, no es necesario actualizar la pantalla, por lo que los sensores y botones se sondean con menos frecuencia, cada 500 ms, y el procesador pasa todo su tiempo libre en modo apagado. Se sale del modo de apagado por interrupción de la interrupción de cambio de pin del reloj de tiempo real. En este caso, los datos promediados de todos los sensores se registran en la tarjeta de memoria una vez por minuto, independientemente del modo de pantalla. Para reducir el consumo de energía, toda la periferia del microcontrolador se enciende inmediatamente antes de su uso a través de los registros PRR y se apaga después de su uso. La corriente consumida por el dispositivo con la pantalla apagada es, en promedio, de aproximadamente 250 μA, de los cuales aproximadamente 100 μA se encuentran en la pantalla en modo de apagado, y el resto está principalmente en el microcontrolador. En este caso, una disminución en la frecuencia de los sensores de sondeo prácticamente no reduce el consumo de corriente,porque una parte importante de la energía se consume durante el sondeo de los botones táctiles. Vale la pena señalar que el tipo de reloj utilizado también afecta el consumo de energía. Entonces, cuando se registra el microcontrolador desde el oscilador RC incorporado, el consumo de corriente en el modo fuera de pantalla es ligeramente menor que cuando se usa cuarzo externo. Obviamente, esto se debe a un arranque más rápido y a una menor capacidad de disipación del oscilador RC. Como resultado, dado que en esta versión del dispositivo no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia de reloj del microcontrolador, en la versión final del dispositivo, el oscilador RC incorporado se utiliza como generador de reloj (aunque hay un lugar para el cuarzo en el tablero).que el tipo de reloj utilizado también afecta el consumo de energía. Entonces, cuando se registra el microcontrolador desde el oscilador RC incorporado, el consumo de corriente en el modo fuera de la pantalla es ligeramente menor que cuando se usa cuarzo externo. Obviamente, esto se debe a un arranque más rápido y a una menor capacidad de disipación del oscilador RC. Como resultado, dado que en esta versión del dispositivo no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia de reloj del microcontrolador, en la versión final del dispositivo, el oscilador RC incorporado se usa como generador de reloj (aunque hay un lugar para el cuarzo en el tablero).que el tipo de reloj utilizado también afecta el consumo de energía. Entonces, cuando se registra el microcontrolador desde el oscilador RC incorporado, el consumo de corriente en el modo fuera de pantalla es ligeramente menor que cuando se usa cuarzo externo. Obviamente, esto se debe a un arranque más rápido y a una menor capacidad de disipación del oscilador RC. Como resultado, dado que en esta versión del dispositivo no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia de reloj del microcontrolador, en la versión final del dispositivo, el oscilador RC incorporado se utiliza como generador de reloj (aunque hay un lugar para el cuarzo en el tablero).Esto se debe a un arranque más rápido y a una menor capacidad de disipación del oscilador RC. Como resultado, dado que en esta versión del dispositivo no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia de reloj del microcontrolador, en la versión final del dispositivo, el oscilador RC incorporado se utiliza como un generador de reloj (aunque hay un lugar para el cuarzo en el tablero).Esto se debe a un arranque más rápido y a una menor capacidad de disipación del oscilador RC. Como resultado, dado que en esta versión del dispositivo no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia de reloj del microcontrolador, en la versión final del dispositivo, el oscilador RC incorporado se utiliza como generador de reloj (aunque hay un lugar para el cuarzo en el tablero).

Los cambios importantes afectaron los modos de visualización de la información, se tomaron en cuenta todas las deficiencias identificadas al usar la primera versión del dispositivo y se realizaron los cambios correspondientes en el programa. Ahora hay 4 modos diferentes de visualización de datos (el modo de visualización se refiere a la apariencia de la pantalla principal), el cambio se realiza mediante el botón enter.



Primera pantallaSe utiliza para mostrar el historial de cambios en los datos meteorológicos en forma de gráficos, así como las lecturas actuales de los sensores, la fecha y la hora. A primera vista, puede parecer que prácticamente nada ha cambiado aquí desde la primera versión del dispositivo, pero de hecho no lo ha sido. Ahora el dispositivo recuerda la temperatura, la humedad y la presión cada dos minutos, y almacena datos de los últimos 4 días en RAM, un total de 2880 lecturas. Todos estos datos están disponibles para su visualización, en diferentes escalas de tiempo. Por defecto, los últimos datos se muestran en la pantalla, sin embargo, mantener presionado el botón "-" le permite cambiar al modo de rebobinado y luego usar los botones "+" y "-" para moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje de tiempo. Salga del modo de rebobinado presionando el botón "enter". El cambio de las escalas a tiempo se realiza mediante el botón "+". La versión final del firmware proporciona 4 escalas de tiempo:
  • 2/ (3.2 ).
  • 6/ (9.6 ).
  • 10/ (16 ).
  • 30/ (48 ).

En principio, también es posible cualquier otra opción de escala que sea múltiplo de 2 minutos. Ahora, al construir gráficos, son posibles diversas interpretaciones de datos meteorológicos. La presión se puede mostrar directamente o se puede convertir a una altura barométrica relativa a un punto con una presión de referencia dada. En el primer caso, la escala correcta se gradúa en milímetros de mercurio, y en el segundo caso, en metros. La humedad también se puede mostrar directamente (relleno azul) o recalcularse al punto de rocío, luego, además de la curva de temperatura, también se muestra una curva de punto de rocío (frambuesa). El modo de visualización de presión y humedad cambia en la segunda pantalla.

Segunda pantalla, como en la primera versión, está reservado para mostrar toda la información sobre el estado actual del dispositivo y los sensores. Aquí se muestran parámetros como el voltaje de la batería, la corriente de carga, las lecturas actuales de los sensores principales, la presión de altitud cero, la hora y la fecha. La última línea muestra el resultado del último intento de escribir en la tarjeta SD y la versión actual de la interpretación de los datos meteorológicos en los gráficos. En esta pantalla, con los botones "+" y "-", puede cambiar la interpretación de los datos meteorológicos y, al presionar la secuencia de inicio, ingrese al modo de configuración del reloj. En cuanto a la tarjeta SD, se muestra el resultado de la última llamada. Si la grabación fue exitosa, se muestra la cantidad de bytes grabados durante el último acceso; si ocurre un error, se muestra "Err", y si la tarjeta no estaba en el lector de tarjetas, se muestra "---".

Tercera pantallaDiseñado para establecer la presión de referencia de un altímetro barométrico. La primera línea muestra la presión de referencia actual y la altura barométrica correspondiente. La presión atmosférica actual se muestra a continuación. La siguiente es una tabla del historial de presiones de referencia con la fecha y hora de su instalación, la última línea muestra la fecha y la hora. La presión de referencia se cambia usando los botones "+" y "-", y se agrega automáticamente a la tabla de historial si, al cambiar a la siguiente pantalla, la presión de referencia actual establecida es diferente del último valor histórico.

Cuarta pantallaestá destinado a la visualización detallada de los datos proporcionados por el sensor de luz max44008 RGB. Las primeras cinco líneas muestran la iluminación actual de los canales en forma numérica y gráfica, seguidas de las coordenadas de color estimadas y la temperatura de color de la luz incidente. Esto es seguido por una línea con dos lecturas en suites. El número izquierdo se refiere al sensor de corriente max44008, el derecho a max44009. Las últimas cuatro líneas coinciden completamente con las de la primera pantalla.

Operación de luz de fondoligeramente cambiado en comparación con la primera versión del dispositivo, porque el modo de funcionamiento de la pantalla ha cambiado. La luz de fondo todavía se enciende mediante la combinación de botones de inicio (como la pantalla), y si la iluminación es inferior a 100 lux cuando se enciende la pantalla, la luz de fondo se enciende con la pantalla. En el momento del encendido, el temporizador de retroiluminación se establece durante un período seleccionado de 40 segundos. Al presionar el botón con la luz de fondo encendida, el temporizador de apagado se establece en al menos otro período establecido en 12 segundos. Antes de encender la luz de fondo, se recuerdan todas las lecturas de los sensores de luz, y durante el período inicial de la iluminación de la luz de fondo durante aproximadamente 7 segundos, son las lecturas almacenadas de los sensores de luz las que se muestran en todas las pantallas, mientras que el fondo del texto mostrado cambia de blanco a verde.Gracias a la memorización de lecturas, el dispositivo puede mostrar poca iluminación no distorsionada por la iluminación de los sensores con su propia pantalla. En todas las pantallas, excepto en la segunda, al presionar la combinación de inicio cuando la luz de fondo está encendida, la luz de fondo se apaga, en la segunda pantalla esta combinación activa el modo de configuración del reloj.

,especialmente sobre max44008 que vale la pena hablar por separado. Este sensor se agregó en la versión del instrumento 2M, para ampliar el rango de operación del luxómetro de la estación meteorológica en el área con poca luz. La sensibilidad máxima del sensor max44009 heredado de la primera versión del dispositivo es de 45 mililux / count, que es suficiente para medir la iluminación al anochecer, pero no lo suficiente para medir la iluminación en una noche iluminada y sin luna. Por supuesto, la medición de la iluminación no es la tarea principal de mi estación meteorológica, pero dado que hay un luxómetro en el dispositivo y, a veces, tienes que moverte por la noche cuando viajas, quiero tener una herramienta que muestre cuán oscura es la noche ahora. Por lo tanto, se seleccionó el sensor más sensible, similar al utilizado en versiones anteriores de max44009.El sensor tiene seis canales para medir la iluminación en diferentes rangos y un canal para medir la temperatura. Ya tenemos suficientes sensores de temperatura en el dispositivo, por lo que el dispositivo solo sondea seis canales ópticos: visible (claro), rojo (rojo), verde (verde), azul (azul), infrarrojo (IR) y compensación (IRcomp). Los primeros cinco canales están diseñados para medir la iluminación en diferentes partes del espectro, y el sexto está diseñado para compensar la iluminación infrarroja de los canales visibles. El ajuste de parámetros como la ganancia (esencialmente sensibilidad) y el tiempo de acumulación de señal (también afecta la sensibilidad y la precisión de las mediciones) solo es posible para todos los canales a la vez, y solo desde el exterior. No se proporciona la capacidad de seleccionar automáticamente estos parámetros por el sensor en sí, y a diferencia de max44009,la sensibilidad tiene que ser ajustada desde el programa. Según la documentación del sensor, los valores iniciales suministrados se pueden convertir a la potencia del flujo de luz por unidad de área en milivatios por centímetro cuadrado. Allí también se muestran curvas (en realidad líneas rectas) para convertir la salida a suites para fuentes como una lámpara incandescente y una lámpara fluorescente. Realicé mi calibración comparando las lecturas de max44009 y el nuevo max44008, utilizando luz solar difusa, luz de una lámpara fluorescente, lámpara LED, y promedié las lecturas como fuente. Como resultado, obtuve valores similares para los factores de conversión. Como resultado, la sensibilidad de max44008 es de aproximadamente 1,4 miliuks por lectura en el rango más sensible, que es un orden y medio de magnitud mejor que max44009.El valor final de las lecturas del luxómetro está formado por datos de costura lineal del max44009 de baja sensibilidad y el max44008 sensible en el rango de 5-10 lux. El cálculo de las coordenadas de color y la temperatura de color se implementa de acuerdo con la documentación, simplemente porque existe tal posibilidad.

Un estudio separado merece la cuestión de la precisión de los sensores de luz y el efecto de la iluminación IR en la confiabilidad de las lecturas. La raíz del problema radica en el hecho de que los elementos fotosensibles de los sensores max4400x (así como muchos otros fotodiodos y sensores integrados, matrices de cámaras y cámaras de video y otros dispositivos) están hechos a base de silicio. Por su naturaleza física, estos elementos fotosensibles registran la radiación electromagnética de una longitud de onda larga, más corta que un cierto límite determinado por el intervalo de banda. Para el silicio, esta longitud de onda final es de aproximadamente 1100 nm. Al mismo tiempo, el ojo humano es completamente insensible a la radiación electromagnética con una longitud de onda de más de 800 nm. Por lo tanto, la radiación con una longitud de onda de más de 800 nm (generalmente 800-1400 nm) se llama infrarrojo cercano.Hay mucha radiación de este tipo en los espectros de emisión de cuerpos calientes, como lámparas incandescentes, lámparas de arco o el sol. Y dicha radiación está prácticamente ausente en los espectros de LED blancos y lámparas fluorescentes. Típicamente, los elementos fotosensibles están recubiertos en la parte superior con filtros especiales que acercan su curva de sensibilidad a lo que se requiere en una aplicación particular. Tal filtro puede atenuar la radiación infrarroja cercana en varios órdenes de magnitud, pero no la corta por completo. Al mismo tiempo, sigue habiendo un problema relacionado con el hecho de que el ojo humano no ve en el rango infrarrojo cercano y el dispositivo, que debe medir el flujo de luz visible, lo registra al menos un poco. Hay varias formas de resolver este problema. Por lo tanto, en cámaras digitales o videocámaras, se coloca un filtro multicapa especial frente a la matriz,que atenúa la radiación infrarroja cercana en aproximadamente 3 órdenes de magnitud. Los sensores max4400x utilizan una solución diferente: el uso de un canal de "compensación" adicional. Se instalan varios fotodiodos con diferentes filtros en el sensor, con aproximadamente la misma transmisión en el rango infrarrojo cercano, y la iluminación total en el rango visible se determina como la diferencia en las mediciones de dos fotodiodos. En nuestro caso, el sensor max44009 realiza la compensación automáticamente, y el sensor max44008 solo entrega los datos del canal de medición, y el usuario debe realizar la compensación él mismo restando los valores leídos entre sí.con aproximadamente la misma transmitancia en el rango infrarrojo cercano, y la iluminación total en el rango visible se determina como la diferencia en las mediciones de dos fotodiodos. En nuestro caso, el sensor max44009 realiza la compensación automáticamente, y el sensor max44008 solo proporciona los datos del canal de medición, y el usuario debe realizar la compensación él mismo restando los valores leídos entre sí.con aproximadamente la misma transmitancia en el rango infrarrojo cercano, y la iluminación total en el rango visible se determina como la diferencia en las mediciones de dos fotodiodos. En nuestro caso, el sensor max44009 realiza la compensación automáticamente, y el sensor max44008 solo proporciona los datos del canal de medición, y el usuario debe realizar la compensación él mismo restando los valores leídos entre sí.

Para verificar la adecuación de la compensación de IR, realicé varios experimentos simples. El primero es estudiar el efecto de la iluminación IR de un LED IR con una longitud de onda de radiación de 880 nm en las lecturas de ambos sensores. Las lecturas del canal se compararon cuando la fuente de radiación infrarroja se encendió y apagó y las condiciones de luz no cambiaron. El experimento mostró que la compensación IR funciona mejor en el canal claro del sensor max44008. Cuando la iluminación IR excede la intensidad de la luz visible en aproximadamente un orden de magnitud, el error del canal libre compensado no supera el 10% y el sensor max44009 ofrece lecturas muy subestimadas bajo dicha iluminación (se produce una sobrecompensación). Pero las lecturas de los canales de color del sensor RGB bajo iluminación IR comienzan a "flotar" y en diferentes direcciones.Se encontró otra rareza en el funcionamiento de este sensor: saltos en los valores medidos reales al cambiar la ganancia PGA de 16 a 256 en el canal ircomp.

El segundo experimento fue verificar la exactitud de la medición de la temperatura del color usando varias fuentes con una temperatura de color conocida. Dado que no tengo un colorímetro preciso para la verificación, puedo concluir que max44008 muestra resultados más o menos adecuados para fuentes como LED y lámparas fluorescentes, sin embargo, los resultados de las mediciones para lámparas incandescentes que se queman tanto a plena luz como con poca luz son absolutamente poco confiable debido a la iluminación IR. Vale la pena mencionar que cuando se usa una lámpara precalentada como fuente de radiación infrarroja, la sobrecompensación del sensor max44009 todavía es notable.
Vale la pena mencionar otra desventaja del sensor max44008: la corriente oscura. Entonces, a temperaturas inferiores a 15 grados Celsius en la oscuridad absoluta, las lecturas del sensor de max44008 son cero, sin embargo, con el aumento de la temperatura, la corriente oscura aumenta fuertemente. A una temperatura de 18 grados, es 1 cuenta, 20 grados ya 2 cuentas, y a 30 grados ya 7 cuentas. Es probable que el sensor se pueda calibrar para compensar térmicamente la corriente oscura, pero no me ocupé de este problema porque detecté un aumento notable en la corriente oscura solo cuando analicé el registro de datos del viaje a Karelia, o más bien esa parte cuando el dispositivo se empacó en una bolsa y una bolsa de presión.

Sobre la carga de la batería.Como se puede ver en el diagrama, un controlador max1879 separado administra la carga de la batería, y el procesador y el programa ejecutado en él solo pueden medir el voltaje en la batería y la corriente de carga a través de los circuitos correspondientes. Sin embargo, se han tomado una serie de medidas para que el dispositivo pueda cargarse y encenderse normalmente, incluso si la batería se coloca por completo. Ahora el proyecto usa watchdog, y el fusible WDTON parpadea, lo que garantiza que el watchdog se inicie automáticamente cuando se reinicie el controlador. El umbral de caída de voltaje se establece en 1.8V, la fuente del reloj es el oscilador RC incorporado y el fusible CKDIV8 también se ilumina. Para que el perro guardián incluido no provoque un reinicio cíclico, usando __attribute __ ((sección (". Init3"))), el reinicio del perro guardián por el período de cuatro segundos está integrado en la inicialización del controlador.Gracias al CKDIV8 instalado, el controlador comienza a una frecuencia de 1 MHz, que es posible con voltajes de 1.8V. Después de la inicialización del controlador principal verifica el voltaje en la batería. Si es inferior al umbral establecido (2.7v), en la pantalla se muestra un mensaje sobre la descarga de la batería y el valor de voltaje en la batería, después de lo cual el controlador espera unos 500 ms, apaga la pantalla y se apaga hasta que el perro guardián lo reinicie. Si el voltaje está por encima del umbral, el programa cambia la frecuencia del reloj a 8 MHz a través del registro CLKPR y se inicializa en modo normal. Como precaución adicional, la grabación en una tarjeta microSD ocurre solo si el voltaje en la batería está por encima de un cierto umbral seleccionado a 3.2V. Como resultado, incluso con una descarga profunda de la batería, el dispositivo continúa funcionando en modo normal, mientras es posible.Debido al bloqueo de la grabación en la tarjeta, se excluye una falla de la tarjeta durante la grabación. Si durante una descarga profunda el voltaje cae tanto que el procesador se congela (la experiencia ha demostrado que esto ocurre a un voltaje de aproximadamente 2.3V), se reiniciará un watchdog y el dispositivo entrará en un ciclo interminable que consiste en reinicios y una indicación a corto plazo "la batería está baja". Si la descarga es aún más profunda, el dispositivo se apagará a través de BOD. Cuando se conecta a la carga, todo sucede en orden inverso. El controlador max1879 carga una batería profundamente descargada con una corriente baja de 8 mA. Cuando el voltaje de la batería excede aproximadamente 2V, el microcontrolador se reiniciará mediante BOD y mostrará el mensaje "batería baja" parpadeando una vez cada 4 segundos. En este caso, el consumo de corriente promedio no excede 1 mA, y la carga continuará. Cuando el voltaje de la batería alcanza 2.5V,habrá una transición a una carga con corriente completa, y a 2.7V el dispositivo se encenderá normalmente. Tal solución, en mi opinión, proporciona un mejor rendimiento e indicación cuando la batería está profundamente descargada y una salida estable de la descarga profunda. Pero si establece el umbral de DBO en 2.7V, son posibles falsas alarmas accidentales en circunstancias adversas (el umbral máximo de DBO está demasiado cerca del voltaje de salida mínimo del estabilizador).son posibles falsas alarmas accidentales en circunstancias adversas (el umbral de DBO máximo está demasiado cerca del voltaje de salida mínimo del estabilizador).son posibles falsas alarmas accidentales en circunstancias adversas (el umbral de DBO máximo está demasiado cerca del voltaje de salida mínimo del estabilizador).

La indicación estándar de batería baja en forma de letras intermitentes "LB" tiene un umbral de disparo de 3,65 V, que corresponde a aproximadamente el 20% de la carga restante de la batería, es decir, el dispositivo puede funcionar durante aproximadamente un mes después de encender la indicación de la necesidad de una carga. Por lo tanto, perder el momento en el que necesita cargar el dispositivo es muy difícil, si al menos algunas veces puede ver sus lecturas. Por esta razón, decidí que no se requiere una indicación más molesta de una batería descargada. El LED indicador de carga conectado a max1879 se encuentra en el tablero en el lado opuesto de la pantalla, por lo que el dispositivo se ilumina en verde desde el interior durante la carga.



Para cargar el dispositivo hizo un soporte especial con un hueco debajo del dispositivo y dos grupos de contacto. El soporte está equipado con un conector microUSB para conectar una fuente de corriente. El soporte no tiene circuitos electrónicos en su interior, solo cables y un fusible reiniciable. Para un lector atento, la elección del chip max1879 como controlador de carga puede parecer un tanto absurda, porque con un esquema de carga seleccionado de una fuente de corriente compatible con USB sería más lógico usar un controlador con limitación de corriente incorporada. Sin embargo, el circuito seleccionado es confiable, no teme a las fuentes con una pobre estabilización del voltaje de salida, y su único inconveniente, de hecho, no es la compatibilidad total con el estándar USB en vista de la falta de regulación automática de la corriente máxima permitida.Pero tal esquema proporciona una carga más rápida cuando se usa un adaptador de red.

Experiencia de operación del instrumento



En la primavera, una copia de la versión dos estaba lista, y la llevé a una caminata en la montañosa Crimea. En el verano, en una caminata por el Mar Blanco y Kovdozer, tomé la siguiente instancia de la versión 2M. Como antes, cuando conducía en un kayak, coloqué el dispositivo en el cuerpo del kayak frente a mí, durante un viaje por Crimea usé el dispositivo en mi cuello, durante paradas, parques y días colgué el dispositivo en un árbol a la sombra, en un lugar soplado por el viento.



Al igual que la primera versión, el dispositivo se siente como un órgano sensorial adicional, y su uso se ha vuelto más conveniente en comparación con la primera versión. Con una masa de aproximadamente 128 g (en comparación con 330 g de la primera versión), el dispositivo prácticamente no se siente en el cuello. La apariencia del dispositivo se ha vuelto, en mi opinión, más precisa en comparación con la primera versión. Los botones táctiles en la segunda versión son más convenientes debido a la ubicación en el costado y la ausencia de partes metálicas cercanas de la carcasa, aunque en vista de la encuesta no tan rápida, no todos pueden usarlos la primera vez. La necesidad de encender la pantalla para ver las lecturas del dispositivo no causa ningún inconveniente. La pantalla es fácil de encender incluso al tacto en completa oscuridad. El método de mostrar gráficos utilizados en la segunda versión del dispositivo, con diferentes escalas y desplazarse hacia atrás, resulta muy práctico,facilitando el análisis del clima o perfil viajado en los últimos días.

Al caminar, especialmente en las montañas, es muy conveniente usar la pantalla de presión en el gráfico como una altura barométrica. El gráfico muestra el perfil de la ruta recorrida. Por un lado, este calendario facilita la evaluación de la aspereza de un sendero recorrido, lo cual es especialmente cierto para los senderos de las montañas de Crimea que atraviesan el bosque.



Por otro lado, de acuerdo con el cronograma, es fácil ver su propio ritmo de movimiento hacia arriba y hacia abajo (en realidad en subidas pronunciadas) y estimar cuánto queda hasta el final del movimiento en áreas con una diferencia conocida. Durante los viajes de agua en el mar o los lagos, cuando la altitud es constante, es más conveniente mostrar la presión como presión. Las tendencias en la presión pueden usarse para juzgar el clima durante los próximos dos días. En las montañas, el seguimiento de las tendencias de presión es más difícil, son visibles en el gráfico solo durante la parada.



Además, como ya se señaló en el artículo anterior, el movimiento propio en las montañas e incluso en terrenos accidentados y accidentados conduce a cambios de presión significativamente más rápidos que los procesos típicos que ocurren en la atmósfera. Por esta razón, el error del día a día en el gráfico de altitud barométrica suele ser pequeño, además, es fácil evaluarlo visualmente extrapolando los cambios de presión durante paradas y paradas.

Los gráficos de temperatura y presión también son interesantes, pero su significado práctico no es tan obvio. Le permiten determinar las tendencias climáticas, elegir la ropa adecuada y evaluar las posibilidades de tratar de secar su equipo. Con la medición de temperatura, como la primera versión, hay características. Por lo tanto, la entrada de luz solar en el dispositivo provoca un calentamiento notable y un error en la medición de la temperatura. Además, la temperatura del aire (y el dispositivo) se ve afectada por la temperatura de los objetos circundantes y el calentamiento radiante. Entonces, incluso en un día nublado, el dispositivo colocado a la sombra sobre la tierra muestra una temperatura varios grados más baja que si se coloca en el cuerpo de una canoa parada sobre el agua. Aparentemente, esto se debe al calentamiento del kayak y al aire por encima de él por la luz dispersa y la radiación infrarroja. Para estudiar esta circunstancia, incluso realicé el siguiente experimento.Como se sabe, el flujo de aire se puede utilizar para acelerar la transferencia de calor. La forma más fácil de organizar soplar el termómetro en clima tranquilo es simplemente girarlo con una cuerda alrededor de sí mismo. Al girar el dispositivo por tierra en un día nublado a la sombra, estaba convencido de que el flujo de aire no afectaba las lecturas. Entonces las lecturas están a la sombra y corresponden a la temperatura del aire. Después de todo, si la temperatura del dispositivo difiere de la temperatura del aire, debido, por ejemplo, al calentamiento radiante, la intensificación de la transferencia de calor conduciría a cambios en la condición de equilibrio y cambios en las lecturas hacia abajo. Si gira el dispositivo sobre la superficie del agua, las lecturas de temperatura son menores que si el dispositivo está en un kayak, y el efecto se observa incluso en presencia de un pequeño viento. De esto podemos concluir que el calentamiento del dispositivo desde el kayak es significativo, y probablementede otras superficies subyacentes iluminadas.

Vale la pena mencionar la posibilidad de mostrar el punto de rocío. La temperatura del punto de rocío es una función de la humedad absoluta del aire (masa de vapor de agua por unidad de volumen) y le permite juzgar el contenido de agua en la atmósfera. Si toma una cierta cantidad de aire y la calienta, la temperatura aumentará, la humedad relativa disminuirá y la temperatura del punto de rocío no cambiará. En consecuencia, dado que el sensor siempre está en equilibrio con una capa delgada de aire que lo rodea, si el sensor (o todo el dispositivo) se calienta, la temperatura mostrada aumentará, la humedad mostrada disminuirá y la temperatura del punto de rocío mostrado no cambiará. En realidad, todo es algo más complicado, porque el error y la discreción de medir la temperatura y especialmente la humedad afectan fuertemente la precisión del cálculo del punto de rocío. Sin embargo, podemos decir que el punto de rocío calculado,y no la humedad relativa es información sobre la cantidad de agua en la atmósfera, y no se ve afectada por los errores de medición de temperatura asociados con el calentamiento del dispositivo por el sol. Como regla general, la temperatura del punto de rocío cambia bastante lentamente, y sus fluctuaciones diarias pueden ser tan pequeñas como 2-5 grados contra 10-15 a la temperatura del aire. En verano, un aumento en el punto de rocío de aproximadamente 20 grados es un presagio de la formación de tormentas eléctricas.

El luxómetro, ahora equipado con dos sensores, le permite medir la iluminación y obtener resultados de medición confiables en una variedad de condiciones: tanto en un día soleado, en una noche sin luna e incluso en habitaciones muy oscuras. Su testimonio nos permite juzgar el grosor de la capa de nubes en el cielo o la profundidad del crepúsculo. No se ofrece la posibilidad de construir un gráfico de iluminación en el instrumento, ya que las lecturas dependen en gran medida no solo de la iluminación, sino también de la posición espacial de los objetos circundantes y del instrumento en sí mismo, por lo tanto, sería difícil extraer información de dicho gráfico. Debido a la presencia de dos sensores, uno de los cuales es RGB con un canal IR, el luxómetro proporciona mucha información sobre la iluminación, la temperatura del color y el nivel de radiación infrarroja. Sin embargo, en mi opinión,Esta funcionalidad es más útil cuando se evalúa la iluminación interior que el senderismo.

En resumen, observamos que el segundo dispositivo resultó ser más conveniente y práctico que el primero. El estuche es bastante ligero, compacto y agradable al tacto incluso a bajas temperaturas. El tiempo de funcionamiento con una carga de batería es más que suficiente para cualquier viaje. Los gráficos se pueden escalar y voltear fácilmente en los últimos cuatro días, lo que es suficiente para analizar el clima y / o el perfil recorrido, y la funcionalidad del dispositivo, en mi opinión, es suficiente. La tarjeta SD se puede quitar fácilmente para copiar datos.



Si la descripción de la experiencia operativa de la primera versión del dispositivo terminó con una lista de deficiencias, entonces no daré dicha lista aquí, porque, en mi opinión, el dispositivo no tiene deficiencias obvias. Por supuesto, siempre hay ideas para crear funcionalidad, pero durante la operación no tuve la sensación de falta de función. Por lo tanto, consideraré las posibles opciones para el desarrollo del proyecto.

Una posible forma de desarrollar el instrumento es agregar nuevas funciones al software del instrumento. Aquí puede ofrecer las siguientes áreas:
  • . , , , .
  • SD .
  • ( ) , .
  • RGB SD .


Además, hay ideas sobre el desarrollo de un conjunto de sensores para el futuro. Por ejemplo, puede agregar un sensor especial diseñado para medir la temperatura del agua en depósitos y manantiales, un sensor de salinidad del agua (medidor TDS) y agregar la capacidad de almacenar el historial de mediciones correspondiente en el software. Después de todo, a veces es interesante medir la temperatura del agua en un estanque, y los sensores de temperatura disponibles en el dispositivo son algo inerciales y no están destinados al buceo, aunque el buceo es inofensivo para ellos. Además, se puede agregar un sensor ultravioleta al conjunto de sensores de luz para determinar qué tan peligroso es estar bajo la luz del sol bajo el estado actual de la atmósfera.

El diseño de la carcasa del dispositivo de la segunda versión también tiene cierto margen para una mayor reducción de peso y tamaño. Al reducir el grosor de la pared, usando una almohadilla más suave y una cubierta más delgada (por ejemplo, vidrio templado), reduciendo el tamaño de la batería, la carcasa se puede hacer un poco más pequeña y liviana. Por separado, vale la pena decir que logré encontrar la pantalla transflectiva de 2.4 "producida actualmente con una resolución de 320x240 píxeles. Por lo tanto, la tercera versión del dispositivo probablemente estará hecha completamente de componentes disponibles comercialmente. Sin embargo, al cambiar a una pantalla de mayor resolución, debe aumentar la frecuencia del reloj del procesador para que el rediseño no tome demasiado tiempo, y aumentar la RAM para usar efectivamente el mayor número de píxeles en la pantalla, reduciendo el número mínimo de grados, metros y minutos por píxel.Por esta razón, es probable que la tercera versión del dispositivo se monte en un microcontrolador AVR Xmega o STM32.

El código fuente del programa, las curvas para fresar y cablear la placa están disponibles aquí .

Source: https://habr.com/ru/post/es384641/

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