Station météo Hirondelle
Le développement de l'électronique est pour moi à la fois un métier et un hobby. Dans la prochaine impulsion de désir de faire quelque chose, je suis tombé sur un ensemble de capteurs amateurs bon marché: pluie, vitesse et direction du vent. Il m'a fixé un nouveau domaine d'intérêt. Dans cet article, je parlerai du processus fascinant de conception de ma station météo.Après une courte fantaisie, un ensemble de capteurs a été formé:• température• humidité• pression• direction et vitesse du vent• précipitation• rayonnement ionisant• éclairageUne des options de mise en œuvre - assemblage à partir de modules prêts à l'emploi (carte processeur + boucliers) - Je n'ai pas aimé en raison des inconvénients suivants :• manque de flexibilité• conception monstrueuse• consommation d'énergie• ennuyeuxDe plus, je voulais développer moi-même une carte de circuit imprimé. En général, le projet était prévu comme divertissant. En raison des particularités de nos développements, je dois intégrer des cartes dans une construction strictement limitée, donc je voulais développer une conception «imposante» de l'unité principale, mettre beaucoup de LED, de beaux connecteurs, etc.Développer un système de microcontrôleur avec un ensemble de capteurs environnementaux est une tâche ordinaire, donc il a été complété par des panneaux solaires et des schémas électriques basés sur ceux-ci.Sur la base de la liste des capteurs, le schéma fonctionnel suivant a été formé:
Capteurs externes
Le choix des composants a commencé par la recherche d'une alternative à l'ensemble de capteurs précité. Leur performance n'inspirait pas confiance, je voulais trouver quelque chose de plus fiable et de plus beau. Après une longue recherche, j'ai trouvé Vaisala, spécialisée dans le développement de solutions professionnelles pour mesurer les paramètres environnementaux. Cette société produit, par exemple, un anémomètre combiné fiable, positionné comme une solution à faible coût.Il a une roue en forme de cône, pour des caractéristiques plus linéaires. Vitesse du vent - Fréquence de sortie. Après avoir demandé un prix (75 000 roubles), je devais encore revenir à la version amateur d'origine. Ces capteurs n'incluent pas de composants électriques actifs, ils utilisent des interrupteurs à lames et des aimants comme détecteurs de mouvement.L'anémomètre a une sortie de fréquence. Lorsque la roue tourne, l'interrupteur à lames se ferme avec une fréquence proportionnelle à la vitesse du vent. L'anémomètre est connecté à l'entrée de l'une des minuteries du microcontrôleur via un circuit de protection et un filtre RC pour supprimer le rebond de contact.Le capteur de direction du vent est un diviseur de tension réglable sur les interrupteurs reed. La sortie est la tension. Il est également connecté à l'ADC MK interne via un circuit de protection et un filtre.Le capteur de pluie a, à mon avis, le design le plus astucieux. C'est une balançoire avec deux réservoirs aux extrémités, remplis alternativement à partir d'un entonnoir situé au-dessus d'eux. À chaque basculement, le commutateur à lames se ferme. La connexion à MK est la même que celle de l'anémomètre.
Diagramme de l'appareil
Le microcontrôleur STM32F207VC a été sélectionné. Bien sûr, le microcontrôleur fera face à cette tâche plus simplement, mais la tâche est divertissante, le prix d'un seul produit n'est pas critique, et en outre, nous utilisons largement ce microcontrôleur dans nos conceptions - ce qui permet de gagner du temps lors de la conception.Le bus I2C_1 relie les capteurs de température de l'appareil, la pression, l'éclairage, ainsi qu'un accéléromètre et deux amplificateurs shunt de courant.Le capteur de température interne STLM75 vous permet de surveiller la température de l'appareil. Il est intéressant d'observer comment la température interne augmente au soleil.Capteur de pression de ST LPS25. Capteur MEMS avec sortie numérique.Capteur de lumière OPT3001 avec sensibilité spectrale proche de l'œil humain. Pas tout à fait adapté à cette tâche, car lors de la mesure de la puissance du rayonnement solaire, des capteurs avec une gamme spectrale plus large, avec capture d'IR et d'UV, sont utilisés. Cependant, il m'a suffi de déterminer l'illumination sous forme d'obscurité / lumière.Accéléromètre LSM303D. L'idée est de l'utiliser comme détecteur de vol dans l'autonomie de la batterie. Les fonctions intéressantes sont la détermination de la chute libre et la génération d'une interruption pour MK.Les amplificateurs du shunt de courant avec une sortie numérique vous permettent de mesurer la tension et le courant du bus d'alimentation, de calculer la puissance à bord, de générer des interruptions lorsque les paramètres dépassent les limites établies. Utilisé pour contrôler la consommation d'énergie et généré.Les 3 interfaces UART fonctionnent comme suit:• Interface filaire externe. Le convertisseur UART-RS485 avec isolation galvanique est installé. La solution Texas Instruments est basée sur la puce ISO3086T. Ce microcircuit intègre un pilote de transformateur, qui vous permet d'alimenter la partie de sortie du convertisseur sans source supplémentaire.• Module GSM SIM900. Vous pouvez choisir quelque chose de plus moderne avec la 3G et la faible puissance, mais celui-ci était sur l'étagère et dans la bibliothèque de composants PCB CAD.• Module GPS pour l'heure précise, sélectionné pour les mêmes raisons.Comme «quoi d'autre à mettre» sur les broches libres, j'ai trouvé un bel écran graphique OLED avec une résolution de 128 * 64. Oui, bien sûr, l'affichage à l'intérieur de la station est inutile, mais à travers le couvercle transparent du boîtier, il a l'air très agréable et est utile lors de l'installation pour contrôler l'exactitude des connexions.En raison de l'amour des appareils à décharge, un détecteur de rayonnement ionisant est apparu sur le compteur SBM-20 Geiger dans la liste des capteurs. Il détecte le rayonnement gamma. Je voulais mettre le SBM-19, il a une plus grande sensibilité, en raison du plus grand volume de la caméra, mais pour la même raison, il ne rentre pas dans le boîtier que j'aimais.Un compteur Geiger nécessite 400 volts pour fonctionner. La source haute tension est réalisée selon un circuit sans transformateur basé sur le MC33063AD. Une décision controversée, mais je voulais essayer de faire 400 sur 5 volts selon ce schéma. Parmi les caractéristiques - vous avez besoin d'un transistor haute tension avec une petite tension de grille de seuil, par exemple ZVN0545.Le compteur est activé en fonction du circuit de mise à la terre de la cathode. Un circuit plus courant est une résistance dans le circuit cathode-terre pour détecter un saut de courant dans le compteur. Fabriqué pour des raisons d'immunité au bruit, il est préférable d'avoir un contre-cylindre métallique mis à la terre, qui est la cathode. Il sépare également avec succès la source d'alimentation bruyante haute tension du reste des circuits de la carte.La section du détecteur est réalisée selon un schéma simple. Lorsqu'une particule pénètre dans le compteur, une surtension se produit à travers elle, en raison de laquelle le potentiel de l'anode change, ce qui conduit à l'apparition de courant dans le circuit de base et, par conséquent, à une diminution de la tension à la sortie du détecteur. Après la fin de l'acte d'ionisation, le courant s'arrête et la tension à la sortie du détecteur devient 3,3 volts. Le signal du détecteur est traité comme une interruption externe MK.
L'élaboration d'un plan d'alimentation a demandé le plus de temps. Il existe trois sources d'énergie: un réseau externe, un panneau solaire et une batterie intégrée. Un convertisseur DC-DC à isolation galvanique est installé à l'entrée d'alimentation externe. La plage d'entrée est de 9 à 36 volts, la sortie est de 5 volts.
Pour fonctionner avec la batterie solaire, un microcircuit convertisseur élévateur spécial est utilisé avec la fonction MPPT intégrée (suivi du point de puissance maximale). Cette méthode est utilisée pour obtenir la puissance de sortie maximale possible des photomodules.Le circuit utilise 2 multiplexeurs de puissance à commutation automatique pour sélectionner automatiquement une source d'alimentation. Des erreurs ont été commises dans ce schéma de commutation. Il n'y a aucun moyen de couper l'alimentation lorsque la batterie est faible. Et, probablement, il serait plus correct de faire charger la batterie solaire sans alimenter l'appareil. Dans des conditions de faible luminosité, la puissance sera suffisante pour charger lentement la batterie, mais elle ne sera pas suffisante pour alimenter l'appareil lui-même.Après le traçage, le jury a acquis la forme suivante:
Un boîtier spacieux a été choisi avec un couvercle avant transparent. L'option du fabricant s'est avérée très pratique - un élément pour égaliser la pression (sur la photo ci-dessous, il est à gauche des connecteurs). Il assure des pressions égales à l'intérieur et à l'extérieur du boîtier, ce qui est nécessaire pour un capteur de pression situé à l'intérieur, et offre également une plus grande étanchéité de l'appareil lors des chutes de pression. Les connecteurs industriels M12 sont utilisés pour connecter des capteurs externes, l'alimentation et les communications. Le connecteur M12 offre une étanchéité élevée et une connexion électrique fiable. Pour installer le boîtier sur un rack, les raccords pour conduites d'eau s'adaptent parfaitement.
L'exposition approchait, mais le circuit d'énergie solaire n'avait pas encore été débogué, il a donc été décidé d'utiliser une alimentation externe et une interface filaire.Le firmware a été rapidement écrit, pour commencer nous nous sommes limités à interroger tous les capteurs, à afficher les paramètres et à échanger des données via l'interface filaire RS-485. Un programme a été écrit pour le PC qui implémente l'échange avec la station et la sortie des paramètres.Pour se connecter à un adaptateur USB-RS485 conçu par ordinateur avec un injecteur de puissance. Le boîtier a été conçu chez SoldWorks; il est fait d'une feuille de plastique transparente pour la possibilité de contempler l'intérieur. Elle a été réalisée dans l'atelier publicitaire le plus proche par découpe laser. Cela s'est avéré plutôt bien, à mon avis.
Un convertisseur 24 V CA-CC est utilisé comme source. Le convertisseur USB-UART est basé sur le FTDI FT232 bien-aimé, UART-RS485, basé sur la même solution de Texas Instruments que dans la station météo elle-même.Lors de l'exposition, la station météo a suscité un vif intérêt. Les professionnels de l'industrie météorologique qui sont venus sur notre stand l'ont appelé artisanat, les étudiants ont pris des photos dans son contexte, nous avons été satisfaits.Après l'exposition, j'avais hâte d'installer la station sur le toit, pour tester les éléments sévères. La base a été assemblée à partir de matériaux improvisés. Maintenant, l'apparence ne nous dérangeait pas, l'essentiel est la fiabilité. Le résultat a été un design dur avec des haubans d'une épingle à cheveux et d'une chaîne. Survivez à un ouragan!La station a été installée sur le toit d'un immeuble résidentiel. Faire glisser une paire torsadée du toit sur 5 étages jusqu'à l'appartement était un passe-temps très excitant.
Expérience d'exploitation
Naturellement, dès que la température est tombée en dessous de zéro, le capteur de pluie s'est figé. Il ne sait toujours pas détecter la neige. Au cours du processus de développement, j'ai vu que des artisans ont construit de puissantes résistances pour le chauffage dans ce capteur, mais je n'ai pas aimé cette approche. À l'avenir, j'ai décidé de développer un simple détecteur de précipitations, il ressemble à ceci:Le principe de son fonctionnement est le suivant: il existe une carte de circuit imprimé avec des paires de conducteurs non recouverts d'un masque; lorsque l'eau pénètre à la surface de la carte, la résistance entre eux diminue. Pour que le capteur fonctionne pendant la saison froide, il est nécessaire de chauffer la carte de circuit imprimé.C'était aussi un problème pour trouver un compteur Geiger en état de marche. Deux SBM-20 étaient en stock, mais les deux ne fonctionnaient pas. Maintenant, l'appareil a un petit compteur Geiger non identifié, qui peut être vu sur la carte dans le coin inférieur gauche.À ce stade, tous les efforts sont concentrés sur la finalisation du logiciel et l'augmentation du serveur Web de la station météo. Un logiciel open source WeeWX a été trouvé, il peut communiquer avec la plupart des stations météorologiques, écrire leurs lectures dans la base de données, générer des pages HTML avec des graphiques et des lectures actuelles, etc. Un pilote a été écrit pour WeeWX qui implémente notre protocole d'échange.Une page avec les lectures de notre station météo peut être vue ici . Pendant son développement, les données peuvent ne pas s'afficher correctement.L'une des idées ambitieuses est de développer un capteur de vitesse et de direction du vent à ultrasons, il a un grand avantage sur les capteurs mécaniques - il ne peut pas caler à cause du givrage. Le principe de fonctionnement des anémomètres à ultrasons est basé sur la mesure de la vitesse du son, qui varie en fonction de l'orientation du vecteur de mouvement de l'air (direction du vent) par rapport au chemin de propagation du son.Cette conception se présente comme suit.À en juger par les marques de temps passé dans la mine rouge, il a fallu environ un mois pour développer la partie en fer. Une grande partie de ce temps a été consacrée à admirer divers capteurs et à jeter des âmes lors du choix des composants du système. Environ deux semaines ont été consacrées au logiciel et environ une semaine a été nécessaire pour développer un pilote pour WeeWX.Dans l'ensemble, le projet s'est avéré très intéressant pour moi, un voyage passionnant a été fait dans le monde des mesures météorologiques.Je voudrais également remercier ana_lazareva pour sa participation active à la création de la station météo. Source: https://habr.com/ru/post/fr387589/
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