Stasiun Cuaca Menelan
Pengembangan elektronik bagi saya adalah pekerjaan sekaligus hobi. Dalam dorongan keinginan berikutnya untuk melakukan sesuatu, saya menemukan serangkaian sensor amatir yang murah: hujan, kecepatan, dan arah angin. Dia menetapkan bagi saya bidang minat baru. Pada artikel ini saya akan berbicara tentang proses menarik merancang stasiun cuaca saya.Setelah berfantasi singkat, serangkaian sensor terbentuk:• suhu• kelembaban• tekanan• arah dan kecepatan angin• curah hujan• radiasi pengion• peneranganSalah satu opsi untuk implementasi - perakitan dari modul yang sudah jadi (papan prosesor + pelindung) - Saya tidak suka karena kerugian berikut :• kurangnya fleksibilitas• desain mengerikan• konsumsi daya• membosankanSelain itu, saya ingin mengembangkan papan sirkuit cetak sendiri. Secara umum, proyek ini direncanakan sebagai hiburan. Karena kekhasan perkembangan kami, saya harus menanamkan papan dalam konstruksi yang sangat terbatas, jadi saya ingin mengembangkan "memaksakan" desain unit utama, meletakkan banyak LED, konektor indah, dll.Mengembangkan sistem mikrokontroler dengan satu set sensor lingkungan adalah tugas biasa, jadi itu dilengkapi dengan panel surya dan skema daya berdasarkan mereka.Berdasarkan daftar sensor, diagram blok berikut ini dibentuk:
Sensor eksternal
Pilihan komponen dimulai dengan mencari alternatif untuk set sensor yang disebutkan di atas. Performa mereka tidak menginspirasi kepercayaan diri, saya ingin menemukan sesuatu yang lebih dapat diandalkan dan indah. Setelah pencarian yang panjang, saya menemukan Vaisala, yang berspesialisasi dalam mengembangkan solusi profesional untuk mengukur parameter lingkungan. Perusahaan ini memproduksi, misalnya, anemometer gabungan yang andal, diposisikan sebagai solusi berbiaya rendah.Ini memiliki impeller berbentuk kerucut, untuk karakteristik yang lebih linier. Kecepatan angin - Frekuensi keluaran. Setelah meminta harga (75.000 rubel), saya masih harus kembali ke versi amatir yang asli. Sensor-sensor ini tidak termasuk komponen listrik aktif, mereka menggunakan saklar buluh dan magnet sebagai pendeteksi gerakan.Anemometer memiliki keluaran frekuensi. Ketika impeller berputar, saklar buluh ditutup dengan frekuensi yang sebanding dengan kecepatan angin. Anemometer terhubung ke input dari salah satu timer mikrokontroler melalui sirkuit pelindung dan filter RC untuk menekan pantulan kontak.Sensor arah angin adalah pembagi tegangan yang dapat disetel pada sakelar buluh. Outputnya adalah tegangan. Itu juga terhubung ke ADC MK internal melalui sirkuit pelindung dan filter.Sensor hujan memiliki desain yang paling licik, menurut saya,. Ayunan dengan dua tangki di ujungnya, diisi secara bergantian dari corong yang terletak di atas mereka. Dengan setiap ayunan rollover, sakelar buluh menutup. Koneksi ke MK sama dengan koneksi anemometer.
Diagram perangkat
Mikrokontroler STM32F207VC dipilih. Tentu saja, mikrokontroler akan mengatasi tugas ini dengan lebih sederhana, tetapi tugas itu menghibur, harga untuk satu produk tidak kritis, dan selain itu, kami banyak menggunakan mikrokontroler ini dalam desain kami - menghemat waktu dalam mendesain.Bus I2C_1 menghubungkan sensor suhu perangkat, tekanan, pencahayaan, serta akselerometer dan dua amplifier shunt saat ini.Sensor suhu internal STLM75 memungkinkan Anda untuk memonitor suhu perangkat. Sangat menarik untuk mengamati bagaimana suhu internal meningkat di bawah sinar matahari.Sensor tekanan dari ST LPS25. Sensor MEMS dengan output digital.Sensor cahaya OPT3001 dengan sensitivitas spektral dekat dengan mata manusia. Tidak cukup cocok untuk tugas ini, karena ketika mengukur kekuatan radiasi matahari, sensor dengan rentang spektral yang lebih luas, dengan penangkapan IR dan UV, digunakan. Namun, itu sudah cukup bagi saya untuk menentukan iluminasi dalam bentuk gelap / terang.Accelerometer LSM303D. Idenya adalah untuk menggunakannya sebagai detektor pencurian dalam masa pakai baterai. Dari fungsi yang menarik adalah penentuan jatuh bebas dan generasi interupsi untuk MK.Amplifier dari shunt saat ini dengan output digital memungkinkan Anda untuk mengukur tegangan dan arus bus suplai, menghitung daya di papan, menghasilkan gangguan ketika parameter melampaui batas yang ditetapkan. Digunakan untuk mengontrol konsumsi daya dan menghasilkan.3 antarmuka UART beroperasi sebagai berikut:• Antarmuka kabel eksternal. Konverter UART-RS485 dengan isolasi galvanik dipasang. Solusi Texas Instruments didasarkan pada chip ISO3086T. Microcircuit ini dilengkapi driver transformator, yang memungkinkan Anda memberi daya pada bagian output konverter tanpa sumber tambahan.• Modul GSM SIM900. Anda dapat mengambil sesuatu yang lebih modern dengan 3G dan daya rendah, tetapi yang ini ada di rak dan di perpustakaan komponen CAD CAD.• Modul GPS untuk waktu yang akurat, dipilih karena alasan yang sama.Sebagai "apa lagi yang harus diletakkan" pada pin gratis, saya menemukan tampilan grafis OLED yang indah dengan resolusi 128 * 64. Ya, tentu saja, tampilan di dalam stasiun tidak berguna, tetapi melalui penutup transparan kasingnya terlihat sangat bagus dan berguna selama instalasi untuk mengontrol kebenaran koneksi.Karena kegemaran perangkat pelepasan gas, sebuah detektor radiasi pengion muncul di konter SBM-20 Geiger dalam daftar sensor. Ini mendeteksi radiasi gamma. Saya ingin meletakkan SBM-19, ia memiliki sensitivitas yang lebih besar, karena volume kamera yang lebih besar, tetapi untuk alasan yang sama, itu tidak cocok dengan casing yang saya suka.Penghitung Geiger membutuhkan 400 volt untuk beroperasi. Sumber tegangan tinggi dibuat sesuai dengan rangkaian transformerless berbasis MC33063AD. Keputusan yang kontroversial, tetapi saya ingin mencoba menghasilkan 400 dari 5 volt menurut skema ini. Dari fitur - Anda memerlukan transistor tegangan tinggi dengan ambang tegangan gerbang kecil, misalnya ZVN0545.Penghitung dihidupkan sesuai dengan sirkuit pembumian katoda. Sirkuit yang lebih umum adalah resistor di sirkuit katoda-tanah untuk mendeteksi lompatan arus di konter. Dibuat untuk alasan kekebalan kebisingan, lebih baik untuk memiliki silinder penghitung logam yang dibumikan, yang merupakan katoda. Itu juga berhasil memisahkan sumber daya berisik tegangan tinggi dari sisa sirkuit di papan.Bagian detektor dibuat sesuai dengan skema sederhana. Ketika partikel memasuki konter, lonjakan arus terjadi melalui itu, karena yang anoda berpotensi berubah, yang mengarah pada munculnya arus di sirkuit dasar dan, sebagai akibatnya, ke penurunan tegangan pada output detektor. Setelah akhir aksi ionisasi, arus berhenti dan tegangan pada output detektor menjadi 3,3 volt. Sinyal dari detektor diproses sebagai interupsi MK eksternal.
Mengembangkan rencana kekuatan paling banyak membutuhkan waktu. Ada tiga sumber energi: jaringan eksternal, panel surya, dan baterai bawaan. Konverter DC-DC yang diisolasi secara galvanis dipasang pada input daya eksternal. Kisaran input 9-36 volt, output 5 volt.
Untuk bekerja dengan baterai tenaga surya, rangkaian mikro konverter step-up khusus digunakan dengan fungsi MPPT bawaan (pelacakan titik daya maksimum). Metode ini digunakan untuk mendapatkan daya output maksimum yang mungkin dari fotomodul.Sirkuit ini menggunakan 2 multiplexer daya self-switching untuk secara otomatis memilih sumber daya. Kesalahan dibuat dalam skema switching ini. Tidak ada cara untuk mematikan daya saat baterai lemah. Dan, mungkin, akan lebih tepat untuk membuat baterai solar mengisi baterai tanpa memberi makan perangkat. Dalam kondisi cahaya redup, daya akan cukup untuk mengisi daya baterai secara perlahan, tetapi daya tidak akan cukup untuk menyalakan perangkat itu sendiri.Setelah ditelusuri, dewan memperoleh formulir berikut:
Kasing yang lapang dipilih dengan penutup depan transparan. Opsi dari pabrikan menjadi sangat praktis - sebuah elemen untuk menyamakan tekanan (pada foto di bawahnya ada di sebelah kiri konektor). Ini memastikan tekanan yang sama di dalam dan di luar rumah, yang diperlukan untuk sensor tekanan yang terletak di dalam, dan juga memberikan kekencangan perangkat yang lebih besar selama penurunan tekanan. Konektor industri M12 digunakan untuk menghubungkan sensor eksternal, daya, dan komunikasi. Konektor M12 memberikan kekencangan tinggi dan koneksi listrik yang andal. Untuk memasang rumah di rak, alat kelengkapan untuk pipa air sangat cocok.
Pameran sudah dekat, tetapi sirkuit tenaga surya belum debugged, jadi diputuskan untuk menggunakan daya eksternal dan antarmuka kabel.Firmware dengan cepat ditulis, sebagai permulaan kami membatasi diri untuk polling semua sensor, menampilkan parameter dan bertukar data melalui antarmuka kabel RS-485. Sebuah program ditulis untuk PC yang mengimplementasikan pertukaran dengan stasiun dan output dari parameter.Untuk menghubungkan ke adaptor USB - RS485 yang dirancang komputer dengan injektor daya. Kasing dirancang di SoldWorks, terbuat dari plastik lembaran transparan untuk kemungkinan merenungkan bagian dalam. Itu dibuat di bengkel periklanan terdekat menggunakan pemotongan laser. Ternyata menurut saya cukup bagus.
Konverter 24V AC-DC digunakan sebagai sumber. Konverter USB-UART didasarkan pada FTDI FT232 tercinta, UART-RS485, berdasarkan solusi yang sama dari Texas Instruments seperti pada stasiun cuaca itu sendiri.Di pameran, stasiun cuaca membangkitkan minat. Profesional dari industri cuaca yang datang ke gerai kami menyebutnya kerajinan, siswa mengambil gambar dengan latar belakangnya, kami puas.Setelah pameran, saya ingin sekali memasang stasiun di atap, untuk menguji elemen-elemen parah. Basis dirakit dari bahan improvisasi. Sekarang penampilannya tidak mengganggu kita, yang utama adalah keandalan. Hasilnya adalah desain yang keras dengan batang pria dari jepit rambut dan rantai. Selamat dari badai!Stasiun itu dipasang di atap bangunan tempat tinggal. Untuk menyeret pasangan bengkok dari atap melalui 5 lantai ke apartemen adalah hobi yang sangat menarik.
Pengalaman operasi
Tentu saja, begitu suhu turun di bawah nol, sensor hujan membeku dengan kencang. Dia masih belum tahu cara mendeteksi salju. Selama proses pengembangan, saya melihat bahwa pengrajin membuat resistor yang kuat untuk memanaskan sensor ini, tetapi saya tidak suka pendekatan ini. Di masa depan saya memutuskan untuk mengembangkan detektor curah hujan sederhana, tampilannya seperti ini:Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: ada papan sirkuit tercetak dengan pasangan konduktor tidak ditutupi oleh topeng, ketika air masuk ke permukaan papan, resistensi di antara mereka berkurang. Agar sensor dapat bekerja di musim dingin, perlu untuk memanaskan papan sirkuit tercetak.Itu juga masalah untuk menemukan penghitung Geiger yang berfungsi. Dua SBM-20 ada dalam persediaan, tetapi keduanya tidak berfungsi. Sekarang perangkat memiliki penghitung Geiger kecil yang tidak dikenal, yang dapat dilihat di papan di sudut kiri bawah.Pada tahap ini, semua upaya terkonsentrasi pada penyelesaian perangkat lunak dan meningkatkan server web untuk stasiun cuaca. Ditemukan perangkat lunak sumber terbuka WeeWX, dapat berkomunikasi dengan sebagian besar stasiun cuaca, menulis bacaan mereka ke database, menghasilkan halaman HTML dengan grafik dan bacaan saat ini, dll. Driver telah ditulis untuk WeeWX yang mengimplementasikan protokol pertukaran kami.Halaman dengan bacaan stasiun cuaca kami dapat dilihat di sini . Saat sedang dalam pengembangan, data mungkin tidak ditampilkan dengan benar.Salah satu ide ambisius adalah mengembangkan arah angin ultrasonik dan sensor kecepatan, ia memiliki keunggulan besar dibandingkan yang mekanis - tidak dapat berhenti karena lapisan gula. Prinsip operasi anemometer tipe ultrasonik didasarkan pada pengukuran kecepatan suara, yang bervariasi tergantung pada orientasi vektor gerakan udara (arah angin) relatif terhadap jalur rambat suara.Desain ini terlihat sebagai berikut.Dilihat dari tanda waktu yang dihabiskan di tambang merah, butuh sekitar satu bulan untuk mengembangkan bagian besi. Banyak waktu ini dihabiskan untuk mengagumi berbagai sensor dan jiwa ketika memilih komponen sistem. Sekitar dua minggu dihabiskan untuk perangkat lunak, dan sekitar satu minggu untuk mengembangkan driver untuk WeeWX.Secara keseluruhan, proyek ini ternyata sangat menarik bagi saya, sebuah perjalanan yang mengasyikkan dibuat ke dunia pengukuran meteorologis.Saya juga ingin mengucapkan terima kasih kepada ana_lazareva atas partisipasinya yang aktif dalam penciptaan stasiun cuaca. Source: https://habr.com/ru/post/id387589/
All Articles