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Estação meteorológica portátil para caminhada MiniBTH2 / 2M

No artigo anteriorA história da criação e experiência do uso da estação meteorológica de campo miniBTH foi descrita. Este instrumento mede e exibe continuamente na tela, em forma de gráfico, a pressão atmosférica atual, temperatura e umidade. Todos os parâmetros medidos são salvos no cartão de memória uma vez por minuto. Além disso, o dispositivo possui um sensor de luz e os dados do sensor de pressão podem ser convertidos para uma altura barométrica. Graças ao uso de uma tela transflectiva, as leituras do dispositivo são facilmente legíveis, mesmo sob a luz do sol, e a caixa do dispositivo é selada. A experiência com o uso desse dispositivo acabou sendo geralmente positiva, mas foram identificadas várias deficiências que foram examinadas em detalhes em um artigo anterior, sendo a principal delas muito pesada. Neste artigo, consideraremos a experiência de criação e operação da segunda versão, mais conveniente e funcional. Notaque, no momento da redação do último artigo, a segunda versão do dispositivo já estava em um alto grau de prontidão, portanto as principais maneiras de superar as deficiências estavam descritas lá.



Novo design de dispositivo e redução de peso


A primeira estação meteorológica MiniBTH foi concebida como um dispositivo autônomo, projetado principalmente para uso em caminhadas. É por isso que a caixa do instrumento foi hermética, uma tela transfletiva foi usada e a capacidade da bateria foi calculada por mais de um mês de operação. A principal desvantagem da primeira versão, na minha opinião, era muito pesada, então decidi tornar a segunda versão o mais compacta e leve possível. Para fazer isso, é necessário separar a placa do dispositivo do menor tamanho possível: um pouco maior que a tela e deixar o gabinete o mais fino e murado possível. As partes eletrônicas e de software serão discutidas mais adiante, mas por enquanto nos voltamos para o design da carcaça da segunda versão do dispositivo. As principais idéias para reduzir o tamanho do caso foram as seguintes:

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Como resultado, foi possível reconciliar as idéias propostas entre si e fazer uma carcaça bastante compacta feita de capralon com o seguinte design:



O bloco do sensor deve ser removível, anexado ao gabinete com dois parafusos, e a estanqueidade do encaixe do bloco do sensor e o alojamento é garantido por uma junta anular pela qual os fios passam. O conjunto de sensores é usado da mesma forma que na primeira versão do dispositivo - sensor de pressão MS5803 e sensor de umidade sht21. A própria unidade do sensor é colada com selante de duas tampas de capralon. Entre eles está uma placa na qual os sensores estão montados. A placa é feita de fibra de vidro com 0,75 mm de espessura. Durante a montagem da unidade, para proteger o sensor de umidade dos vapores liberados pelo selante, sua janela foi selada com fita adesiva Kapton (conforme recomendado na documentação).



O design da unidade do sensor leva em consideração as deficiências identificadas durante a operação da primeira versão do dispositivo. O sensor de umidade não é coberto com uma tampa de malha SF2, mas simplesmente colocado no recesso da unidade. Isso resolve o problema de umedecer a tampa, o que leva a uma "aderência" prolongada das leituras de umidade na marca máxima e, ao mesmo tempo, a localização no recesso com o lado sensível do corpo elimina os danos causados ​​por objetos externos. Uma protrusão adicional é fornecida no bloco do sensor do dispositivo versão 2M para proteger o sensor de umidade contra danos causados ​​por objetos longos e finos. A questão de proteger o sensor de pressão MS5803 da luz solar direta também é resolvida no estágio de design do dispositivo. A parte sensível do sensor é coberta com uma tampa de poliestireno preto colada em um recesso na caixa.Como o sensor também é sensível à iluminação do lado oposto, a metalização é deixada na placa no local de instalação no lado oposto.



O ar é acessado pelo sensor de pressão através de um canal fino (0,5 mm) entre a carcaça do instrumento e o bloco do sensor. Observe que, ao escolher esse design do bloco do sensor, havia a preocupação de que na água da chuva fluiria um pequeno espaço entre o bloco do sensor e o corpo do dispositivo e bloquearia completamente o canal de acesso ao ar diretamente no sensor de pressão, o que levaria a um erro sistemático nas leituras de pressão devido a tensão superficial da água. Testes dos dispositivos na chuva e no chuveiro mostraram que, devido à não molhabilidade do capralon, não ocorre vazamento na espessura do canal de 0,5 mm. Experiências mais completas mostraram que, se o bloco do sensor for instalado com uma inclinação e, assim, a espessura do canal for reduzida até que a borda do bloco do sensor toque o alojamento, a água poderá vazar para o alojamento do instrumento,e leva a uma diminuição nas leituras de pressão em cerca de 0,7 mm Hg. Se a unidade do sensor estiver instalada uniformemente, a água não vaza.

À primeira vista, pouco mudou externamente, mas em seu design, várias novas soluções técnicas tiveram que ser aplicadas. Por um lado, reduzir o número de parafusos de aperto e aumentar a distância entre eles requer uma estrutura de aperto mais rígida e / ou junta mais macia para garantir a compressão da junta ao longo de todo o seu comprimento. Por outro lado, por razões de conveniência do uso do dispositivo, optou-se por tornar a armação de plástico, e isso, pelo contrário, reduzirá sua rigidez. Uma maneira possível de resolver essa contradição é usar uma almofada de borracha mais macia. Essa opção é mais razoável do que tentar colocar “muletas” na forma de introduzir inserções metálicas rígidas ou elementos elásticos na estrutura da estrutura de fixação e usar a mesma fita dura do gravador como selo.
Após uma breve pesquisa na Internet, foi encontrada uma solução sobre como fazer juntas de borracha. Existem silicones especiais de dois componentes usados ​​para a fabricação de moldes e juntas. A tecnologia para trabalhar com esses silicones tem a seguinte aparência: dois componentes líquidos devem ser misturados, após o que eles vazam no molde por vários minutos e esperam até a composição endurecer. Após o endurecimento, é obtida uma borracha de silicone muito flexível e macia, que se separa facilmente da forma em que solidificou. Existem linhas inteiras desses silicones de diferentes fabricantes, que diferem entre si pelo tipo de catalisador endurecedor usado e pelas propriedades físico-mecânicas e químicas da borracha resultante. Todos os silicones têm um alongamento na ruptura igual a centenas de por cento,relativamente macio, pode trabalhar em temperaturas de até 200 graus Celsius e relativamente quimicamente resistente. Os silicones com catalisador de platina são quimicamente mais estáveis ​​e têm tolerância alimentar. Uma das aplicações típicas desses silicones é a fabricação de moldes para moldagem de gesso, cimento, sabão ou mesmo chocolate. A segunda aplicação típica é a fabricação de juntas.

Sobre a fabricação de juntas de borracha de silicone

Em sua cidade, ele encontrou um fornecedor que oferece toda uma linha de silicones com um catalisador de estanho Sk-76x e silicone de platina Sk-790. Para experimentos, comprei dois conjuntos - silicone catalisador de platina Sk-790 e silicone mais macio Sk-762, e comecei a experimentar a fundição.

No meu caso, fazer um molde para fundição não era um problema, eu apenas usinava as ranhuras da forma desejada em uma folha de acrilato de polimetil. No início, deveria derramar silicone no molde e cobri-lo com uma segunda folha plana de vidro orgânico, espremendo o excesso de silicone. No entanto, verificou-se que nem tudo é tão simples e mudei ligeiramente a tecnologia. O principal problema na fundição de silicone são as bolhas de ar. Eles são formados ao misturar os componentes de partida e quando a composição é derramada em um molde. Um dos métodos de controle das bolhas, recomendado pelo fabricante, é colocar o silicone preparado para vazar no vácuo por vários minutos antes de vazar. No vácuo, todas as bolhas incham e explodem, e todo o ar sai delas. Externamente, ele lembra vagamente o leite descontrolado. Para combater as bolhassurgir durante o vazamento, você pode vogar a composição após o vazamento. No entanto, decidi não forçar meus colegas que têm uma câmara de vácuo e procurar uma maneira mais fácil de fazer peças vazadas sem bolhas. Isso acabou não sendo tão difícil, porque todas as bolhas formadas durante a mistura e o vazamento são bastante grandes. Aparentemente, a viscosidade do silicone evita a formação de pequenas bolhas durante a captura do ar ou esmagando grandes bolhas. Portanto, as bolhas são claramente visíveis a olho nu e conseguem flutuar alguns milímetros até o endurecimento do silicone. Portanto, a tecnologia de vazamento deve ser a seguinte: o silicone é aplicado com excesso ao longo da ranhura no molde e, após alguns minutos, o excesso de silicone, juntamente com todas as bolhas, é removido com uma espátula de metal. Se a bolha aderir à parede do molde,pode ser removido usando a mesma escápula. A superfície superior do preenchimento se torna suave devido à ação da tensão e gravidade da superfície. O principal é remover uniformemente o excesso de silicone da parte superior do molde. Mas se você cobrir a peça fundida com uma tampa, há um grande risco de colocar a bolha de ar no molde.

Assim, a questão das juntas de fabricação de qualquer formato foi resolvida, o que possibilitou a escolha de qualquer opção de design conveniente para a capa. Um dilema separado foi a escolha do material para a parte transparente da tampa. Existem dois tipos de material transparente disponíveis para mim. Um é o policarbonato viscoso e flexível, que, no entanto, não é muito resistente ao estresse mecânico e não é muito transparente, mas possui um tom azulado. O segundo é acrilato de polimetil transparente, mas frágil. Apesar do policarbonato ter sido usado na primeira versão do dispositivo, na segunda decidi usar acrilato de polimetil. Por um lado, é mais transparente, o que melhora a legibilidade da tela sob luz difusa, por outro lado, introduz menos desvios nas leituras dos sensores de luz. Além disso, é menos arranhado sob condições operacionais semelhantes.Para reduzir a probabilidade de trincas de acrilato durante um impacto frontal e melhorar a aparência do dispositivo, a tampa transparente é espessa (5 mm) e o quadro de pressão é montado em uma borda fresada especial. A tampa superior desse design é rígida e pode ser usada tanto com uma junta de silicone macio Sk-762 quanto com uma junta mais rígida da Sk-790. No final, decidi optar pelo silicone 790, porque é com um catalisador de platina e é quimicamente mais inerte.e pode ser usado tanto com uma junta de silicone macio Sk-762 quanto com uma junta mais rígida da Sk-790. No final, decidi optar pelo silicone 790, porque é com um catalisador de platina e é quimicamente mais inerte.e pode ser usado tanto com uma junta de silicone macio Sk-762 quanto com uma junta mais rígida da Sk-790. No final, decidi optar pelo silicone 790, porque é com um catalisador de platina e é quimicamente mais inerte.



A capacidade de fundir juntas de qualquer formato tornou possível uma escotilha para acesso rápido ao SD, que foi implementado na versão 2M do dispositivo. Finalmente, a idéia de fazer a escotilha tomou forma bastante tarde, quando a versão 2 do dispositivo foi montada e fabricada. A criação da escotilha repousava em três problemas - como selá-la, onde colocá-la e como corrigi-la. O primeiro problema é resolvido criando a junta da forma desejada. O segundo problema também foi resolvido, porque no recesso no lado inferior há um local livre onde é conveniente esconder a tampa que se projeta para fora. Resolvi o terceiro problema da maneira mais simples na minha opinião - a escotilha é fixada com parafusos. Por um lado, você não abre sem uma chave, mas por acaso também não abre. E em dispositivos selados em série, as tampas também costumam ser fixadas com parafusos.



A escotilha em si está localizada na parte inferior do corpo e é um orifício passante fresado de forma oblonga, com um degrau em forma de T na seção, na qual a gaxeta é cravada. Do lado de fora, a junta é pressionada por uma tampa plana, que é fixada ao gabinete com dois parafusos M3x5. A espessura da parede inferior da caixa é de 5 mm, a profundidade da borda é de 2 mm, a espessura da junta não compactada é de 2,5 mm e a espessura da tampa é de 2 mm. Os furos nos quais os parafusos são parafusados ​​não são passantes, são recuados no corpo em 3,9 mm, a rosca neles é cortada quase em toda a profundidade. A rosqueamento não é possível em uma máquina CNC disponível para mim, por isso foi realizada com três torneiras especialmente afiadas e uma chave de fenda.

A carcaça acabada foi testada quanto à estanqueidade por imersão em água por 12 horas. Papel de filtro foi usado para detectar possíveis vazamentos. Os compartimentos eram herméticos. Para evitar a condensação de água no interior do gabinete a baixas temperaturas, um saco de pano com sílica gel é colocado no volume livre próximo à bateria. Testes e operações posteriores mostraram que a condensação no invólucro não se forma.

Sobre o desenvolvimento da parte eletrônica



A parte eletrônica da segunda versão do dispositivo em termos de soluções utilizadas é muito semelhante à primeira versão. O microcontrolador ATmega1284p, operando a uma frequência de 8 MHz, é usado como processador principal.



Todos os sensores DS1337 e relógios em tempo real são conectados a ele através do barramento I2C. Um sinal adicional com uma frequência de 1 Hz é conectado a uma entrada separada do microcontrolador do processador. Isso permite que você use os modos de suspensão com o relógio principal parado para melhorar a eficiência energética. A bateria é carregada usando o controlador max1879 com uma chave externa, mas agora está diretamente conectada ao carregador através de bucins de pressão. Para indicar a corrente de carga, um circuito de medição de corrente é introduzido no amplificador operacional TS321, que é completamente semelhante ao usado na primeira versão do dispositivo. A tela e o cartão SD estão conectados ao controlador através do mesmo barramento SPI, mas agora o circuito fornece a capacidade de desligar a energia do cartão SD enquanto ele não estiver em uso.Os botões de toque nos detectores de fase são semelhantes aos usados ​​na primeira versão do dispositivo.



As placas dos botões de toque são colocadas no painel lateral do dispositivo e a fresagem é feita acima delas para facilitar a busca às cegas. Ainda existem três botões, o superior é convencionalmente chamado de "Entrada", o do meio é "-" e o inferior é "+". Quase todos os detalhes do dispositivo puderam ser colocados em uma placa do tamanho de 59x41mm com bordas arredondadas. Somente sapressores de proteção e bobinas L2-L3 são montados diretamente nos parafusos - entradas herméticas.



Os sensores de luz são colocados em uma placa fina separada localizada acima da tela. O tamanho da placa é escolhido para que, quando montado, a tela cubra quase toda a frente da placa.


Para dar ao dispositivo uma aparência mais estética, foi feita uma sobreposição decorativa, cobrindo tudo, exceto a parte de trabalho da tela e os sensores de luz.

Sobre a interface do dispositivo e o desenvolvimento de software



Antes de tudo, vale ressaltar que o rascunho da segunda versão do dispositivo foi transferido do Arduino para o AVR Studio. Isso foi feito porque não há nenhum benefício real do Arduino, exceto o firmware rápido via gerenciador de inicialização e UART, mas há problemas com o watchdog, a economia de energia e algumas pequenas coisas. A situação é agravada ainda mais pelo fato de não haver plataformas Arduino padrão no ATmega1284p; portanto, havia uma opção - terminar o IDE e o carregador de inicialização do Arduino ou transferir o projeto para o AVR Studio. Para não interferir muito no trabalho da biblioteca SDFATlib usada, deixei a parte do núcleo do arduino no projeto relacionado à inicialização, trabalhando com o cronômetro e as linhas de entrada / saída. No entanto, tive que fazer alterações na biblioteca SDFATlib, e isso se deve a uma alteração na polaridade do sinal SCK ao usar o circuito de desconexão do cartão SD.A propósito, o SDFATlib pode trabalhar com a biblioteca SPI herdada do arduino e com a sua própria. No meu projeto, o SDFATlib está configurado para trabalhar com o SPI por meio de sua própria biblioteca para AVR (a propósito, essa é sua configuração padrão, embora seja possível trabalhar com as bibliotecas do Arduino).

Uma diferença importante entre a segunda versão do dispositivo é a economia de energia. Como a tela colorida incluída consome cerca de 3mA no modo ativo, a principal maneira de economizar energia é colocar a tela no modo de suspensão após algum tempo de inatividade do dispositivo. A tela é ligada pela mesma combinação de botões "inicial", usada para ligar a luz de fundo na primeira versão do dispositivo - mantendo os botões extremos, com a média liberada.

Quando a tela está ligada, os sensores e os botões sensíveis ao toque são interrogados com um período do ciclo principal de aproximadamente 200ms, com o mesmo período interrogado, e alguns elementos do visor, como o estado dos botões e a hora, são atualizados. As informações exibidas nos sensores são atualizadas com um período duas vezes maior, aproximadamente uma vez a cada 400 ms. Esse período, na minha opinião, é ideal, pois com um período de atualização mais curto, é inconveniente a leitura de números alterados e, com um período mais longo, o atraso nas leituras será perceptível. A frequência de interrogação de todos os sensores foi especialmente selecionada duas vezes mais alta que a taxa de atualização da tela, porque dois parâmetros medidos são lidos a partir dos sensores de pressão e umidade: durante um interrogatório, temperatura, durante o próximo interrogatório - pressão ou umidade. Todo o tempo "livre" do ciclo principal, o processador está no modo de redução de ruído ADC,medindo a corrente da bateria. Como resultado, quando a tela está ligada, o dispositivo consome cerca de 6mA.

Quando a tela está desligada, a atualização da exibição não é necessária; portanto, os sensores e botões são pesquisados ​​com menos frequência, uma vez a cada 500ms, e o processador passa todo o seu tempo livre no modo de desligamento. O modo de desligamento é encerrado pela interrupção da interrupção da troca de pinos do relógio em tempo real. Nesse caso, os dados médios de todos os sensores são gravados no cartão de memória uma vez por minuto, independentemente do modo de tela. Para reduzir o consumo de energia, toda a periferia do microcontrolador é ligada imediatamente antes do uso através dos registros PRR e desligada após o uso. A corrente consumida pelo dispositivo com a tela desligada é em média de cerca de 250 μA, dos quais cerca de 100 μA caem na tela no modo de desligamento, e o restante é principalmente no microcontrolador. Nesse caso, uma diminuição na frequência dos sensores de polling praticamente não reduz o consumo atual,porque uma parte significativa da energia é consumida durante a pesquisa dos botões de toque. Vale ressaltar que o tipo de relógio usado também afeta o consumo de energia. Portanto, ao cronometrar o microcontrolador a partir do oscilador RC embutido, o consumo de corrente no modo fora da tela é um pouco menor do que quando se usa quartzo externo. Obviamente, isso ocorre devido a um início mais rápido e a uma capacitância menos dissipativa do oscilador RC. Como resultado, como nesta versão do dispositivo não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência do relógio do microcontrolador, na versão final do dispositivo, o oscilador RC embutido é usado como gerador de relógio (embora exista um local para quartzo na placa).que o tipo de relógio usado também afeta o consumo de energia. Portanto, ao cronometrar o microcontrolador a partir do oscilador RC embutido, o consumo de corrente no modo fora da tela é um pouco menor do que quando se usa quartzo externo. Obviamente, isso ocorre devido a um início mais rápido e a uma capacitância menos dissipativa do oscilador RC. Como resultado, como nesta versão do dispositivo não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência do relógio do microcontrolador, na versão final do dispositivo, o oscilador RC embutido é usado como gerador de relógio (embora exista um local para quartzo na placa).que o tipo de relógio usado também afeta o consumo de energia. Portanto, ao cronometrar o microcontrolador a partir do oscilador RC embutido, o consumo de corrente no modo fora da tela é um pouco menor do que quando se usa quartzo externo. Obviamente, isso ocorre devido a um início mais rápido e a uma capacitância menos dissipativa do oscilador RC. Como resultado, como nesta versão do dispositivo não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência do relógio do microcontrolador, na versão final do dispositivo, o oscilador RC embutido é usado como gerador de relógio (embora exista um local para quartzo na placa).isso ocorre devido a um início mais rápido e a uma capacitância menos dissipativa do oscilador RC. Como resultado, como nesta versão do dispositivo não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência do relógio do microcontrolador, na versão final do dispositivo, o oscilador RC embutido é usado como gerador de relógio (embora exista um local para quartzo na placa).isso ocorre devido a um início mais rápido e a uma capacitância menos dissipativa do oscilador RC. Como resultado, como nesta versão do dispositivo não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência do relógio do microcontrolador, na versão final do dispositivo, o oscilador RC embutido é usado como gerador de relógio (embora exista um local para quartzo na placa).

Alterações importantes afetaram os modos de exibição da informação, todas as deficiências identificadas ao usar a primeira versão do dispositivo foram levadas em consideração e as alterações correspondentes foram feitas no programa. Agora, existem 4 modos de exibição de dados diferentes (o modo de exibição refere-se à aparência da tela principal), alternando entre os quais é realizado pelo botão Enter.



Primeira telaÉ usado para exibir o histórico de alterações nos dados climáticos na forma de gráficos, bem como as leituras atuais dos sensores, data e hora. À primeira vista, pode parecer que praticamente nada mudou aqui desde a primeira versão do dispositivo, mas na verdade não é. Agora, o dispositivo lembra temperatura, umidade e pressão a cada dois minutos e armazena dados dos últimos 4 dias em RAM - um total de 2880 leituras. Todos esses dados estão disponíveis para visualização, em diferentes escalas de tempo. Por padrão, os dados mais recentes são exibidos na tela; no entanto, pressionar o botão “-” permite alternar para o modo de rebobinar e, em seguida, usar os botões “+” e “-” para se mover para frente e para trás ao longo do eixo do tempo. Saia do modo de rebobinamento pressionando o botão "Enter". A mudança da balança no tempo é realizada pelo botão “+”. A versão final do firmware fornece 4 escalas de tempo:
  • 2/ (3.2 ).
  • 6/ (9.6 ).
  • 10/ (16 ).
  • 30/ (48 ).

Em princípio, também são possíveis outras opções de escala com múltiplos de 2 minutos. Agora, ao construir gráficos, várias interpretações de dados meteorológicos são possíveis. A pressão pode ser exibida diretamente ou pode ser convertida em uma altura barométrica em relação a um ponto com uma determinada pressão de referência. No primeiro caso, a escala correta é graduada em milímetros de mercúrio e, no segundo caso, em metros. A umidade também pode ser exibida diretamente (preenchimento azul) ou recalculada para o ponto de orvalho. Além da curva de temperatura, também é exibida uma curva de ponto de orvalho (framboesa). O modo de exibição de pressão e umidade alterna na segunda tela.

Segunda tela, como na primeira versão, está reservado para exibir todas as informações sobre o estado atual do dispositivo e dos sensores. Aqui são mostrados parâmetros como tensão da bateria, corrente de carga, leituras de corrente dos sensores principais, pressão de altitude zero, hora, data. A última linha mostra o resultado da última tentativa de gravação no cartão SD e a versão atual da interpretação dos dados meteorológicos nos gráficos. Nesta tela, usando os botões “+” e “-”, você pode mudar a interpretação dos dados climáticos e, pressionando a sequência inicial, entra no modo de ajuste do relógio. Quanto ao cartão SD, o resultado da última chamada é exibido. Se a gravação foi bem-sucedida, o número de bytes gravados durante o último acesso é exibido; se ocorrer um erro, “Err” será exibido e, se o cartão não estiver no leitor de cartões, “---” será exibido.

Terceira telaProjetado para definir a pressão de referência de um altímetro barométrico. A primeira linha mostra a pressão de referência atual e a altura barométrica correspondente. A pressão atmosférica atual é mostrada abaixo. A seguir, é apresentada uma tabela do histórico das pressões de referência com a data e a hora da instalação, a última linha mostra a data e a hora. A pressão de referência é alterada usando os botões “+” e “-” e é adicionada automaticamente à tabela de histórico se, ao alternar para a próxima tela, a pressão de referência atual definida for diferente do último valor histórico.

Quarta teladestina-se à exibição detalhada dos dados fornecidos pelo sensor de luz RGB max44008. As cinco primeiras linhas mostram a iluminação atual dos canais em forma numérica e gráfica, seguida pelas coordenadas de cores estimadas e pela temperatura da luz da luz incidente. Isto é seguido por uma linha com duas leituras em suítes. O número esquerdo refere-se ao sensor atual max44008, o direito - a max44009. As últimas quatro linhas coincidem completamente com as da primeira tela.

Operação de luz de fundomudou ligeiramente em comparação com a primeira versão do dispositivo, porque o modo de operação da tela mudou. A luz de fundo ainda é ligada pela combinação inicial de botões (como a tela) e, se a iluminação for inferior a 100 lux quando a tela é ligada, a luz de fundo é ligada com a tela. No momento de ligar, o timer de desligamento da luz de fundo é definido por um período selecionado em 40 segundos. Se você pressionar o botão com a luz de fundo ligada, o temporizador será desligado para pelo menos outro período definido para 12 segundos. Antes de ligar a luz de fundo, todas as leituras dos sensores de luz são lembradas e, durante o período inicial da luz de fundo queimando por cerca de 7 segundos, são as leituras armazenadas dos sensores de luz que são exibidas em todas as telas, enquanto o fundo do texto exibido muda de branco para verde.Graças à memorização das leituras, o dispositivo pode exibir baixa iluminação não distorcida pela iluminação dos sensores com sua própria tela. Em todas as telas, exceto a segunda, pressionar a combinação de inicialização quando a luz de fundo está ligada acende a luz de fundo; na segunda tela, essa combinação ativa o modo de ajuste do relógio.

,especialmente sobre max44008 vale a pena falar separadamente. Este sensor foi adicionado na versão do instrumento 2M, a fim de expandir o alcance da operação do luxômetro da estação meteorológica na área de pouca luz. A sensibilidade máxima do sensor max44009 herdada da primeira versão do dispositivo é de 45 mililux / count, o que é suficiente para medir a iluminação ao entardecer, mas não o suficiente para medir a iluminação em uma noite de luar e sem lua. É claro que a medição da iluminação não é a principal tarefa da minha estação meteorológica, mas como existe um luxômetro no dispositivo e, às vezes, você precisa se mover à noite enquanto viaja, quero ter uma ferramenta que mostre como está escura a noite agora. Portanto, o sensor mais sensível foi selecionado, semelhante ao usado nas versões anteriores do max44009.O sensor possui seis canais para medir a iluminação em diferentes faixas e um canal para medir a temperatura. Já temos sensores de temperatura suficientes no dispositivo, portanto, o dispositivo busca apenas seis canais ópticos - visível (claro), vermelho (vermelho), verde (verde), azul (azul), infravermelho (IR) e compensação (IRcomp). Os cinco primeiros canais são projetados para medir a iluminação em diferentes partes do espectro, e o sexto é projetado para compensar a iluminação infravermelha dos canais visíveis. A configuração de parâmetros como ganho (essencialmente sensibilidade) e tempo de acumulação de sinal (também afeta a sensibilidade e a precisão das medições) é possível apenas para todos os canais de uma só vez e somente a partir do exterior. A capacidade de selecionar automaticamente esses parâmetros pelo próprio sensor não é fornecida e, ao contrário de max44009,a sensibilidade deve ser ajustada a partir do programa. De acordo com a documentação do sensor, os valores iniciais fornecidos podem ser convertidos na potência do fluxo de luz por unidade de área em miliwatts por centímetro quadrado. Também são mostradas curvas (na verdade linhas retas) para converter a saída em conjuntos para fontes como uma lâmpada incandescente e uma lâmpada fluorescente. Realizei minha calibração comparando as leituras de max44009 e o novo max44008, usando luz solar difusa, luz de uma lâmpada fluorescente, lâmpada LED e calculei a média das leituras como fonte. Como resultado, obtive valores semelhantes para fatores de conversão. Como resultado, a sensibilidade de max44008 é de aproximadamente 1,4 miliuks por leitura na faixa mais sensível, que é uma ordem e meia de magnitude melhor que max44009.O valor final das leituras do luxômetro é formado por dados de costura linear do max44009 de baixa sensibilidade e do max44008 sensível no intervalo de 5 a 10 lux. O cálculo das coordenadas da cor e da temperatura da cor é implementado de acordo com a documentação, simplesmente porque existe essa possibilidade.

Um estudo separado merece a questão da precisão dos sensores de luz e o efeito da iluminação infravermelha na confiabilidade das leituras. A raiz do problema está no fato de que os elementos fotossensíveis dos sensores max4400x (assim como muitos outros fotodiodos e sensores integrados, matrizes de câmeras e câmeras de vídeo e outros dispositivos) são feitos com base em silício. Por sua natureza física, esses elementos fotossensíveis registram radiação eletromagnética a partir de um longo comprimento de onda, menor que um determinado limite determinado pelo intervalo de banda. Para o silício, esse comprimento de onda final é de aproximadamente 1100nm. Ao mesmo tempo, o olho humano é completamente insensível à radiação eletromagnética com um comprimento de onda superior a 800 nm. Portanto, radiação com comprimento de onda superior a 800 nm (geralmente 800-1400 nm) é chamada de infravermelho próximo.Existe muita radiação nos espectros de emissão de corpos aquecidos, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas de arco ou o sol. E essa radiação está praticamente ausente nos espectros de LEDs brancos e lâmpadas fluorescentes. Normalmente, os elementos fotossensíveis são revestidos por cima com filtros especiais que aproximam sua curva de sensibilidade do que é necessário em uma aplicação específica. Esse filtro pode atenuar a radiação infravermelha próxima em várias ordens de magnitude, mas não a elimina completamente. Ao mesmo tempo, permanece um problema relacionado ao fato de o olho humano não enxergar na faixa próxima do infravermelho, e o dispositivo, que deve medir o fluxo da luz visível, registra-o ainda um pouco. Existem várias maneiras de resolver esse problema. Assim, em câmeras digitais ou câmeras de vídeo, um filtro especial de múltiplas camadas é colocado na frente da matriz,que atenua a radiação infravermelha próxima em cerca de 3 ordens de magnitude. Os sensores max4400x usam uma solução diferente - o uso de um canal adicional de "compensação". Vários fotodiodos com filtros diferentes são instalados no sensor, com aproximadamente a mesma transmissão na faixa do infravermelho próximo, e a iluminação total na faixa visível é determinada como a diferença nas medições de dois fotodiodos. No nosso caso, o sensor max44009 realiza a compensação automaticamente, e o sensor max44008 somente fornece os dados do canal de medição, e o usuário deve executar a compensação subtraindo os valores lidos um do outro.com aproximadamente a mesma transmitância na faixa do infravermelho próximo, e a iluminação total na faixa visível é determinada como a diferença nas medições de dois fotodiodos. No nosso caso, o sensor max44009 realiza a compensação automaticamente, e o sensor max44008 somente fornece os dados do canal de medição, e o usuário deve executar a compensação subtraindo os valores lidos um do outro.com aproximadamente a mesma transmitância na faixa do infravermelho próximo e a iluminação total na faixa visível é determinada como a diferença nas medições de dois fotodiodos. No nosso caso, o sensor max44009 realiza a compensação automaticamente, e o sensor max44008 somente fornece os dados do canal de medição, e o usuário deve executar a compensação subtraindo os valores lidos um do outro.

Para verificar a adequação da compensação de RI, realizei várias experiências simples. O primeiro é estudar o efeito da iluminação infravermelha de um LED infravermelho com comprimento de onda de 880 nm de radiação nas leituras de ambos os sensores. As leituras dos canais foram comparadas quando a fonte de radiação infravermelha foi ligada e desligada e as condições de luz permaneceram inalteradas. O experimento mostrou que a compensação IR funciona melhor no canal livre do sensor max44008. Quando a iluminação IR excede a luz visível em intensidade em cerca de uma ordem de magnitude, o erro do canal claro compensado não é superior a 10% e o sensor max44009 fornece leituras muito subestimadas sob essa iluminação (há sobrecompensação). Mas as leituras dos canais de cores do sensor RGB sob iluminação IR começam a "flutuar" e em direções diferentes.Outra peculiaridade foi encontrada na operação desse sensor - saltos em valores reais medidos ao alternar o ganho da PGA de 16 para 256 no canal ircomp.

O segundo experimento foi verificar a correção da medição da temperatura da cor usando várias fontes com uma temperatura de cor conhecida. Como não tenho um colorímetro preciso para verificação, posso concluir que max44008 mostra resultados mais ou menos adequados para fontes como LEDs e lâmpadas fluorescentes; no entanto, os resultados de medições para lâmpadas incandescentes que queimam com luz total e com brilho insuficiente são absolutamente não confiável devido à iluminação IR. Vale ressaltar que, ao usar uma lâmpada pré-aquecida como fonte de radiação infravermelha, a sobrecompensação do sensor max44009 ainda é perceptível.
Vale ressaltar outra desvantagem do sensor max44008 - a corrente escura. Portanto, em temperaturas abaixo de 15 graus Celsius na escuridão absoluta, as leituras do sensor de max44008 são zero, no entanto, com o aumento da temperatura, a corrente escura aumenta fortemente. A uma temperatura de 18 graus, são 1 contagem, 20 graus já 2 contagens e 30 graus já 7 contagens. É provável que o sensor possa ser calibrado para compensar termicamente a corrente escura, mas eu não lidei com esse problema porque só detectamos um aumento perceptível na corrente escura quando analisamos o registro de dados da viagem à Carélia, ou melhor, parte dela quando o dispositivo foi embalado em uma bolsa e uma bolsa de pressão.

Sobre o carregamento da bateria.Como pode ser visto no diagrama, um controlador max1879 separado gerencia a carga da bateria, e o processador e o programa executado nele só podem medir a tensão na bateria e a corrente de carga nos circuitos correspondentes. No entanto, várias medidas foram tomadas para que o dispositivo possa carregar e ligar normalmente, mesmo se a bateria estiver completamente descarregada. Agora, o projeto usa o watchdog e o fusível WDTON pisca, o que garante que o watchdog seja iniciado automaticamente quando o controlador for redefinido. O limite de queda de energia é definido em 1,8V, a fonte do relógio é o oscilador RC embutido e o fusível CKDIV8 também pisca. Para que o watchdog incluído não cause uma reinicialização cíclica, usando __attribute __ ((seção (". Init3")))), a redefinição do watchdog pelo período de quatro segundos é incorporada na inicialização do controlador.Graças ao CKDIV8 instalado, o controlador inicia na frequência de 1 MHz, o que é possível em tensões de 1,8V. Após a inicialização do controlador principal, verifica a tensão na bateria. Se for menor que o limite definido (2,7v), uma mensagem sobre a descarga da bateria e o valor da tensão na bateria é exibida na tela, após o que o controlador aguarda cerca de 500ms, desliga a tela e entra em energia até reiniciar pelo watchdog. Se a tensão estiver acima do limite, o programa altera a frequência do relógio para 8 MHz através do registro CLKPR e é inicializado no modo normal. Como precaução adicional, a gravação em um cartão microSD ocorre apenas se a voltagem da bateria estiver acima de um determinado limite selecionado em 3,2V. Como resultado, mesmo com uma descarga profunda da bateria, o dispositivo continua a operar no modo normal, enquanto é possível.Devido ao bloqueio da gravação no cartão, uma falha no cartão durante a gravação é excluída. Se durante uma descarga profunda a tensão cair tanto que o processador congela (a experiência mostrou que isso ocorre a uma tensão de cerca de 2,3V), um cão de guarda será redefinido e o dispositivo entrará em um ciclo interminável que consiste em reinicializações e uma indicação de curto prazo "a bateria está fraca". Se a descarga for ainda mais profunda, o dispositivo será desligado via DBO. Quando conectado ao carregamento, tudo acontece na ordem inversa. O controlador max1879 carrega uma bateria profundamente descarregada com uma corrente baixa de 8mA. Quando a voltagem da bateria exceder aproximadamente 2V, o microcontrolador será redefinido por BOD e exibirá a mensagem “bateria fraca” piscando uma vez a cada 4 segundos. Nesse caso, o consumo médio de corrente não excede 1 mA e o carregamento continuará. Quando a tensão da bateria atinge 2,5V,haverá uma transição para uma carga com corrente total e, a 2,7V, o dispositivo será ligado normalmente. Essa solução, na minha opinião, fornece melhor desempenho e indicação quando a bateria está profundamente descarregada e uma saída estável da descarga profunda. Mas se você definir o limite de DBO para 2,7 V, alarmes falsos acidentais serão possíveis em circunstâncias adversas (o limite máximo de DBO será muito próximo da tensão mínima de saída do estabilizador).alarmes falsos acidentais são possíveis em circunstâncias adversas (o limite máximo de DBO é muito próximo da tensão de saída mínima do estabilizador).alarmes falsos acidentais são possíveis em circunstâncias adversas (o limite máximo de DBO é muito próximo da tensão de saída mínima do estabilizador).

A indicação padrão de uma bateria fraca na forma de letras intermitentes "LB" tem um limite de trip de 3,65V, o que corresponde a cerca de 20% da carga restante da bateria, ou seja, o dispositivo pode funcionar por cerca de um mês após ativar a indicação de necessidade de carga. Portanto, perder o momento em que você precisa carregar o dispositivo é muito difícil, pelo menos algumas vezes, para examinar suas leituras. Por esse motivo, decidi que não é necessária uma indicação mais irritante de uma bateria descarregada. O LED indicador de carga conectado ao max1879 está localizado na placa no lado oposto da tela, de modo que o dispositivo brilha em verde por dentro ao carregar.



Para carregar o dispositivo, fez uma posição especial com um recesso sob o dispositivo e dois grupos de contatos. O suporte está equipado com um conector microUSB para conectar uma fonte de corrente. O suporte não possui circuitos eletrônicos no interior, apenas fios e um fusível reinicializável. Para um leitor atento, a escolha do chip max1879 como controlador de carga pode parecer um tanto absurda, porque com um esquema de carga selecionado de uma fonte de corrente compatível com USB, seria mais lógico usar um controlador com limitação de corrente embutida. No entanto, o circuito selecionado é confiável, não tem medo de fontes com baixa estabilização da tensão de saída e sua única desvantagem, de fato, não é a total compatibilidade com o padrão USB, devido à falta de regulação automática da corrente máxima permitida.Mas esse esquema fornece uma taxa mais rápida ao usar um adaptador de rede.

Experiência de Operação do Instrumento



Na primavera, uma cópia da versão dois estava pronta, e eu a levei para uma caminhada na montanhosa Crimeia. No verão, em uma caminhada ao longo do Mar Branco e Kovdozer, fiz a próxima instância da versão 2M. Como antes, ao dirigir em um caiaque, coloquei o dispositivo no corpo do caiaque na minha frente, durante uma viagem pela Crimeia, usei o dispositivo no pescoço, durante paradas, parques e dias em que pendurei o dispositivo em uma árvore na sombra, em um local soprado pelo vento.



Como a primeira versão, o dispositivo parece um órgão sensorial adicional e seu uso se tornou mais conveniente em comparação com a primeira versão. Com uma massa de aproximadamente 128g (em comparação com 330g da primeira versão), o dispositivo praticamente não é sentido no pescoço. A aparência do dispositivo tornou-se, na minha opinião, mais precisa em comparação com a primeira versão. Os botões de toque na segunda versão são mais convenientes devido à localização lateral e à ausência de peças de metal próximas ao gabinete, embora, tendo em vista a pesquisa não tão rápida, nem todos possam usá-los pela primeira vez. A necessidade de ligar a tela para ver as leituras do dispositivo não causa nenhum inconveniente. A tela é fácil de ligar, mesmo com o toque na escuridão completa. O método de exibição dos gráficos usados ​​na segunda versão do dispositivo, com diferentes escalas e rolagem para trás, acaba sendo muito prático,facilitando a análise do clima ou do perfil percorrido nos últimos dias.

Ao caminhar, especialmente nas montanhas, é muito conveniente usar a exibição de pressão no gráfico como uma altura barométrica. O gráfico mostra o perfil do caminho percorrido. Por um lado, esse cronograma facilita a avaliação da rugosidade de uma trilha percorrida, o que é especialmente verdadeiro para os caminhos montanhosos da Crimeia que atravessam a floresta.



Por outro lado, de acordo com o cronograma, é fácil ver o seu próprio ritmo de movimento para cima e para baixo (na verdade, em subidas íngremes) e estimar quanto resta até o final do movimento em áreas com uma diferença conhecida. Durante viagens de água no mar ou lagos, quando a altitude é constante, é mais conveniente exibir a pressão como pressão. As tendências de pressão podem ser usadas para julgar o clima nos próximos dois dias. Nas montanhas, acompanhar as tendências de pressão é mais difícil, elas são visíveis no gráfico apenas durante a parada.



Além disso, como já observado no artigo anterior, o próprio movimento nas montanhas e mesmo em terrenos acidentados acarreta mudanças significativamente mais rápidas na pressão do que processos típicos que ocorrem na atmosfera. Por esse motivo, o erro diário no gráfico de altitude barométrica é geralmente pequeno; além disso, é fácil avaliá-lo visualmente extrapolando as mudanças de pressão durante paradas e paradas.

Os gráficos de temperatura e pressão também são interessantes, mas seu significado prático não é tão óbvio. Eles permitem determinar as tendências climáticas, escolher as roupas certas e avaliar as perspectivas de tentar secar o equipamento. Com a medição de temperatura, como a primeira versão, existem recursos. Assim, a entrada de luz solar no dispositivo leva a um aquecimento notável e a um erro na medição da temperatura. Além disso, a temperatura do ar (e do dispositivo) é afetada pela temperatura dos objetos ao redor e pelo aquecimento radiante. Assim, mesmo em um dia nublado, o dispositivo colocado na sombra acima da terra mostra uma temperatura vários graus mais baixa do que se fosse colocado no corpo de uma canoa na água. Aparentemente, isso se deve ao aquecimento do caiaque e do ar acima dele por luz dispersa e radiação infravermelha. Para estudar essa circunstância, eu até conduzi o seguinte experimento.Como é sabido, o fluxo de ar pode ser usado para acelerar a transferência de calor. A maneira mais fácil de organizar o sopro do termômetro em um clima calmo é simplesmente girá-lo em uma corda ao seu redor. Ao virar o dispositivo sobre a terra em um dia nublado na sombra, eu estava convencido de que o fluxo de ar não afetava as leituras. Portanto, as leituras estão na sombra e correspondem à temperatura do ar. Afinal, se a temperatura do dispositivo diferisse da temperatura do ar, devido, por exemplo, ao aquecimento radiante, a intensificação da transferência de calor levaria a mudanças nas condições de equilíbrio e nas leituras para baixo. Se você girar o dispositivo sobre a superfície da água, as leituras de temperatura se tornarão menores do que se o dispositivo estiver em um caiaque, e o efeito será observado mesmo na presença de um pequeno vento. A partir disso, podemos concluir que o aquecimento do dispositivo a partir do caiaque é significativo e provavelmentede outras superfícies subjacentes iluminadas.

Vale ressaltar a possibilidade de exibir o ponto de orvalho. A temperatura do ponto de orvalho é uma função da umidade absoluta do ar (massa de vapor de água por unidade de volume) e permite avaliar o conteúdo de água na atmosfera. Se você pegar uma certa quantidade de ar e aquecê-la, a temperatura aumentará, a umidade relativa cairá e a temperatura do ponto de orvalho não mudará. Consequentemente, como o sensor está sempre em equilíbrio com uma fina camada de ar ao seu redor, se o sensor (ou todo o dispositivo) estiver aquecido, a temperatura exibida aumentará, a umidade exibida cairá e a temperatura do ponto de orvalho exibida não mudará. Na realidade, tudo é um pouco mais complicado, porque o erro e a discrição da medição da temperatura e principalmente da umidade afetam fortemente a precisão do cálculo do ponto de orvalho. No entanto, podemos dizer que o ponto de orvalho calculado,e a umidade não relativa são informações sobre a quantidade de água na atmosfera e não são afetadas pelos erros de medição de temperatura associados ao aquecimento do dispositivo pelo sol. Como regra, a temperatura do ponto de orvalho muda muito lentamente e suas flutuações diárias podem ser de apenas 2-5 graus contra 10-15 na temperatura do ar. No verão, um aumento no ponto de orvalho de aproximadamente 20 graus é um indicador da formação de tempestades.

O luxômetro, agora equipado com dois sensores, permite medir a iluminação e obter resultados confiáveis ​​de medição em uma variedade de condições: em um dia ensolarado, em uma noite sem lua e até em salas muito escuras. Seu testemunho nos permite julgar a espessura da nebulosidade no céu ou a profundidade do crepúsculo. A possibilidade de construir um gráfico de iluminação no instrumento não é fornecida, porque as leituras dependem fortemente não apenas da iluminação, mas também da posição espacial dos objetos ao redor, e o próprio instrumento, portanto, seria difícil extrair informações desse gráfico. Devido à presença de dois sensores, um dos quais é RGB com um canal de infravermelho, o luxômetro fornece muitas informações sobre iluminação, temperatura de cor e nível de radiação infravermelha. No entanto, na minha opinião,Essa funcionalidade é mais útil na avaliação da iluminação interna do que nas caminhadas.

Em resumo, observamos que o segundo dispositivo acabou sendo mais conveniente e prático do que o primeiro. O case é bastante leve, compacto e agradável ao toque, mesmo em baixas temperaturas. O tempo de operação com uma carga de bateria é mais que suficiente para qualquer viagem. Os gráficos podem ser facilmente redimensionados e invertidos nos últimos quatro dias, o que é suficiente para analisar o clima e / ou o perfil percorrido, e a funcionalidade do dispositivo, na minha opinião, é suficiente. O cartão SD pode ser facilmente removido para copiar dados.



Se a descrição da experiência operacional da primeira versão do dispositivo terminar com uma lista de deficiências, não fornecerei uma lista aqui, porque, na minha opinião, o dispositivo não possui deficiências óbvias. Obviamente, sempre existem idéias para criar funcionalidades, mas durante a operação não senti falta de nenhuma função. Portanto, considerarei ainda possíveis opções para o desenvolvimento do projeto.

Uma maneira possível de desenvolver o instrumento é adicionar novos recursos ao software do instrumento. Aqui você pode oferecer as seguintes áreas:
  • . , , , .
  • SD .
  • ( ) , .
  • RGB SD .


Além disso, existem idéias sobre o desenvolvimento de um conjunto de sensores para o futuro. Por exemplo, você pode adicionar um sensor especial projetado para medir a temperatura da água em reservatórios e nascentes, um sensor de salinidade da água (medidor TDS) e adicionar a capacidade de armazenar o histórico de medições correspondente no software. Afinal, às vezes é interessante medir a temperatura da água em uma lagoa e os sensores de temperatura disponíveis no dispositivo são um pouco inerciais e não se destinam ao mergulho, embora o mergulho seja inofensivo para eles. Além disso, um sensor ultravioleta pode ser adicionado ao conjunto de sensores de luz para determinar o quão perigoso é estar sob a luz do sol sob o estado atual da atmosfera.

O design do gabinete do dispositivo da segunda versão também possui alguma margem para maior redução de peso e tamanho. Ao reduzir a espessura da parede, usando uma almofada mais macia e uma tampa mais fina (por exemplo, vidro temperado), reduzindo o tamanho da bateria, a caixa pode ser levemente menor e mais leve. Separadamente, vale a pena dizer que consegui encontrar a tela transfletiva de 2,4 ”atualmente produzida com uma resolução de 320x240 pixels. Portanto, a terceira versão do dispositivo provavelmente será feita inteiramente a partir de componentes disponíveis comercialmente. No entanto, ao alternar para uma tela de resolução mais alta, você deve aumentar a frequência do clock do processador para que o redesenho não demore muito e aumentar o volume da RAM para usar efetivamente o aumento do número de pixels na tela, reduzindo o número mínimo de graus, metros e minutos por pixel.Por esse motivo, é provável que a terceira versão do dispositivo seja montada em um microcontrolador AVR Xmega ou STM32.

O código fonte do programa, as curvas para fresamento e a fiação da placa estão disponíveis aqui .

Source: https://habr.com/ru/post/pt384641/

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