Golondrina de la estación meteorológica
El desarrollo de la electrónica para mí es tanto un trabajo como un pasatiempo al mismo tiempo. En el siguiente impulso de deseo de hacer algo, me encontré con un conjunto de sensores de bajo costo para aficionados: lluvia, velocidad y dirección del viento. Me puso una nueva área de interés. En este artículo hablaré sobre el fascinante proceso de diseño de mi estación meteorológica.Después de una breve fantasía, se formó un conjunto de sensores:• temperatura• humedad• presión• dirección y velocidad del viento• precipitación• radiación ionizante• iluminaciónUna de las opciones para la implementación - ensamblaje a partir de módulos listos (placa de procesador + protectores) - No me gustó debido a las siguientes desventajas :• falta de flexibilidad• diseño monstruoso• consumo de energía• aburridoAdemás, yo mismo quería desarrollar una placa de circuito impreso. En general, el proyecto fue planeado como entretenido. Debido a las peculiaridades de nuestros desarrollos, tengo que integrar placas en una construcción estrictamente limitada, por lo que quería desarrollar un diseño "imponente" de la unidad principal, colocar muchos LED, conectores hermosos, etc.Desarrollar un sistema de microcontrolador con un conjunto de sensores ambientales es una tarea ordinaria, por lo que se complementó con paneles solares y esquemas de energía basados en ellos.Basado en la lista de sensores, se formó el siguiente diagrama de bloques:
Sensores externos
La elección de los componentes comenzó con la búsqueda de una alternativa al conjunto de sensores antes mencionado. Su desempeño no inspiró confianza, quería encontrar algo más confiable y hermoso. Después de una larga búsqueda, encontré a Vaisala, que se especializa en desarrollar soluciones profesionales para medir parámetros ambientales. Esta compañía produce, por ejemplo, un anemómetro combinado tan confiable, posicionado como una solución de bajo costo.Tiene un impulsor en forma de cono, para características más lineales Velocidad del viento - Frecuencia de salida. Después de pedir un precio (75,000 rublos), aún tenía que volver a la versión original para aficionados. Estos sensores no incluyen componentes eléctricos activos, usan interruptores de láminas e imanes como detectores de movimiento.El anemómetro tiene una salida de frecuencia. Cuando el impulsor gira, el interruptor de láminas se cierra con una frecuencia proporcional a la velocidad del viento. El anemómetro está conectado a la entrada de uno de los temporizadores del microcontrolador a través de un circuito de protección y un filtro RC para suprimir el rebote de contacto.El sensor de dirección del viento es un divisor de voltaje ajustable en los interruptores de láminas. La salida es voltaje. También está conectado al ADC MK interno a través de un circuito de protección y un filtro.El sensor de lluvia tiene el diseño más astuto, en mi opinión. Es un columpio con dos tanques en los extremos, alternativamente llenos de un embudo ubicado sobre ellos. Con cada balanceo, el interruptor de láminas se cierra. La conexión a MK es la misma que la del anemómetro.
Diagrama del dispositivo
Se seleccionó el microcontrolador STM32F207VC. Por supuesto, el microcontrolador se encargará de esta tarea de manera más simple, pero la tarea es entretenida, el precio de un solo producto no es crítico y, además, utilizamos ampliamente este microcontrolador en nuestros diseños, ahorrando tiempo durante el diseño.El bus I2C_1 conecta los sensores de temperatura del dispositivo, presión, iluminación, así como un acelerómetro y dos amplificadores de derivación de corriente.El sensor de temperatura interno STLM75 le permite controlar la temperatura del dispositivo. Es interesante observar cómo aumenta la temperatura interna en el sol.Sensor de presión de ST LPS25. Sensor MEMS con salida digital.Sensor de luz OPT3001 con sensibilidad espectral cercana al ojo humano. No es muy adecuado para esta tarea, porque Al medir la potencia de la radiación solar, se utilizan sensores con un rango espectral más amplio, con captura de IR y UV. Sin embargo, fue suficiente para mí determinar la iluminación en forma de oscuridad / luz.Acelerómetro LSM303D. La idea es usarlo como detector de robo en la vida útil de la batería. Entre las funciones interesantes están la determinación de la caída libre y la generación de una interrupción para MK.Los amplificadores de la derivación de corriente con una salida digital le permiten medir el voltaje y la corriente del bus de suministro, calcular la potencia a bordo, generar interrupciones cuando los parámetros van más allá de los límites establecidos. Utilizado para controlar el consumo de energía y generado.Las 3 interfaces UART funcionan de la siguiente manera:• Interfaz externa con cable. Se instala el convertidor UART-RS485 con aislamiento galvánico. La solución de Texas Instruments se basa en el chip ISO3086T. Este microcircuito incorpora un controlador de transformador, que le permite alimentar la parte de salida del convertidor sin una fuente adicional.• Módulo GSM SIM900. Podría elegir algo más moderno con 3G y baja potencia, pero este estaba en el estante y en la biblioteca de componentes de PCB CAD.• Módulo GPS para hora precisa, seleccionado por los mismos motivos.Como "qué más poner" en los pines libres, encontré una hermosa pantalla OLED gráfica con una resolución de 128 * 64. Sí, por supuesto, la pantalla dentro de la estación es inútil, pero a través de la cubierta transparente de la carcasa se ve muy bien y es útil durante la instalación para controlar la corrección de las conexiones.Debido al amor por los dispositivos de descarga de gas, apareció un detector de radiación ionizante en el contador Geiger SBM-20 en la lista de sensores. Detecta radiación gamma. Quería poner el SBM-19, tiene una mayor sensibilidad, debido al mayor volumen de la cámara, pero por la misma razón, no encajaba en el estuche que me gustaba.Un contador Geiger requiere 400 voltios para funcionar. La fuente de alto voltaje se realiza de acuerdo con un circuito sin transformador basado en el MC33063AD. Una decisión controvertida, pero quería intentar hacer 400 de 5 voltios de acuerdo con este esquema. De las características: necesita un transistor de alto voltaje con un voltaje de puerta de umbral pequeño, por ejemplo ZVN0545.El contador se enciende de acuerdo con el circuito de conexión a tierra del cátodo. Un circuito más común es una resistencia en el circuito de tierra catódica para detectar un salto de corriente en el contador. Hecho por razones de inmunidad al ruido, es mejor tener un contracilindro de metal conectado a tierra, que es el cátodo. También separa con éxito la fuente de energía ruidosa de alto voltaje del resto de los circuitos en el tablero.La sección del detector se realiza de acuerdo con un esquema simple. Cuando una partícula ingresa al contador, se produce un pico de corriente a través de él, debido a lo cual cambia el potencial del ánodo, lo que conduce a la aparición de corriente en el circuito base y, como resultado, a una disminución en el voltaje en la salida del detector. Después del final del acto de ionización, la corriente se detiene y el voltaje en la salida del detector se convierte en 3,3 voltios. La señal del detector se procesa como una interrupción externa MK.
Desarrollar un plan de energía requirió la mayor parte del tiempo. Hay tres fuentes de energía: una red externa, un panel solar y una batería incorporada. Se instala un convertidor CC-CC aislado galvánicamente en la entrada de alimentación externa. El rango de entrada es de 9-36 voltios, la salida es de 5 voltios.
Para trabajar con la batería solar, se utiliza un microcircuito convertidor elevador especial con la función MPPT incorporada (seguimiento del punto de máxima potencia). Este método se utiliza para obtener la máxima potencia de salida posible de los fotomódulos.El circuito utiliza 2 multiplexores de potencia de conmutación automática para seleccionar automáticamente una fuente de alimentación. Se cometieron errores en este esquema de conmutación. No hay forma de apagar la energía cuando la batería está baja. Y, probablemente, sería más correcto hacer que la batería solar cargue la batería sin alimentar el dispositivo. En condiciones de poca luz, la potencia será suficiente para cargar lentamente la batería, pero no será suficiente para alimentar el dispositivo en sí.Después de rastrear, el tablero adquirió la siguiente forma:
Se eligió una carcasa espaciosa con una cubierta frontal transparente. La opción del fabricante fue muy útil: un elemento para igualar la presión (en la foto de abajo está a la izquierda de los conectores). Asegura presiones iguales dentro y fuera de la carcasa, lo cual es necesario para un sensor de presión ubicado en el interior, y también proporciona una mayor estanqueidad del dispositivo durante las caídas de presión. Los conectores industriales M12 se utilizan para conectar sensores externos, alimentación y comunicaciones. El conector M12 proporciona alta estanqueidad y una conexión eléctrica confiable. Para instalar la carcasa en un estante, los accesorios para tuberías de agua encajan perfectamente.
La exposición se acercaba, pero el circuito de energía solar aún no había sido depurado, por lo que se decidió utilizar energía externa y una interfaz con cable.El firmware se escribió rápidamente, para empezar nos limitamos a sondear todos los sensores, mostrar los parámetros e intercambiar datos a través de la interfaz cableada RS-485. Se escribió un programa para la PC que implementa el intercambio con la estación y la salida de parámetros.Para conectar a un adaptador USB diseñado por computadora - RS485 con un inyector de corriente. La carcasa fue diseñada en SoldWorks; está hecha de plástico transparente para la posibilidad de contemplar el interior. Se realizó en el taller de publicidad más cercano mediante corte por láser. Resultó bastante bien, en mi opinión.
Se utiliza un convertidor de 24 V CA-CC como fuente. El convertidor USB-UART se basa en el querido FTDI FT232, UART-RS485, basado en la misma solución de Texas Instruments que en la estación meteorológica misma.En la exposición, la estación meteorológica despertó gran interés. Los profesionales de la industria del clima que vinieron a nuestro stand lo llamaron manualidades, los estudiantes tomaron fotos en su contexto, quedamos satisfechos.Después de la exposición, estaba ansioso por instalar la estación en el techo, para probar los elementos severos. La base fue ensamblada con materiales improvisados. Ahora la apariencia no nos molestó, lo principal es la fiabilidad. El resultado fue un diseño duro con varillas de una horquilla y cadena. Sobrevivir a un huracán!La estación se instaló en el techo de un edificio residencial. Arrastrar un par trenzado desde el techo a través de 5 pisos hasta el apartamento fue un pasatiempo muy emocionante.
Experiencia operativa
Naturalmente, tan pronto como la temperatura cayó por debajo de cero, el sensor de lluvia se congeló por completo. Todavía no sabe cómo detectar nieve. Durante el proceso de desarrollo, vi que los artesanos construyeron resistencias potentes para calentar en este sensor, pero no me gustó este enfoque. En el futuro decidí desarrollar un detector de precipitación simple, se ve así:El principio de su funcionamiento es el siguiente: hay una placa de circuito impreso con pares de conductores no cubiertos por una máscara; cuando el agua entra en la superficie de la placa, la resistencia entre ellos disminuye. Para que el sensor funcione en la estación fría, es necesario calentar la placa de circuito impreso.También fue un problema encontrar un contador Geiger que funcionara. Dos SBM-20 estaban en existencias, pero ambos no funcionaban. Ahora el dispositivo tiene un pequeño contador Geiger no identificado, que se puede ver en el tablero en la esquina inferior izquierda.En esta etapa, todos los esfuerzos se concentran en finalizar el software y aumentar el servidor web para la estación meteorológica. Se encontró el software de código abierto WeeWX, puede comunicarse con la mayoría de las estaciones meteorológicas, escribir sus lecturas en la base de datos, generar páginas HTML con gráficos y lecturas actuales, etc. Se ha escrito un controlador para WeeWX que implementa nuestro protocolo de intercambio. Aquíse puede ver una página con las lecturas de nuestra estación meteorológica . Mientras está en desarrollo, los datos pueden no visualizarse correctamente.Una de las ideas ambiciosas es desarrollar un sensor ultrasónico de dirección y velocidad del viento, tiene una gran ventaja sobre las mecánicas: no puede detenerse debido a la formación de hielo. El principio de funcionamiento de los anemómetros de tipo ultrasónico se basa en la medición de la velocidad del sonido, que varía según la orientación del vector de movimiento del aire (dirección del viento) en relación con la ruta de propagación del sonido.Este diseño se ve de la siguiente manera.A juzgar por las marcas de tiempo que pasaron en la mina roja, tardó aproximadamente un mes en desarrollar la parte de hierro. Gran parte de este tiempo lo pasé admirando varios sensores y lanzando almas al elegir los componentes del sistema. Se dedicaron aproximadamente dos semanas al software, y aproximadamente una semana llevó desarrollar un controlador para WeeWX.En general, el proyecto resultó ser muy interesante para mí, se realizó un emocionante viaje al mundo de las mediciones meteorológicas.También me gustaría agradecer a ana_lazareva por su activa participación en la creación de la estación meteorológica. Source: https://habr.com/ru/post/es387589/
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