Estação meteorológica Andorinha
O desenvolvimento de eletrônicos para mim é ao mesmo tempo um trabalho e um hobby. No próximo impulso de desejo de fazer algo, me deparei com um conjunto de sensores amador baratos: chuva, velocidade e direção do vento. Ele estabeleceu para mim uma nova área de interesse. Neste artigo, falarei sobre o fascinante processo de projetar minha estação meteorológica.Depois de um curto fantasia, um conjunto de sensores foi formado:• temperatura• humidade• pressão• direcção e velocidade do vento• precipitação• radiação ionizante• iluminaçãoUma das opções para a execução - montagem a partir de módulos pré-fabricados (placa processadora + escudos) - eu não como causa das seguintes desvantagens :• falta de flexibilidade• design monstruoso• consumo de energia• chatoAlém disso, eu queria desenvolver uma placa de circuito impresso. Em geral, o projeto foi planejado como divertido. Devido às peculiaridades de nossos desenvolvimentos, eu tenho que incorporar placas em uma construção estritamente limitada, então eu queria desenvolver um design "imponente" da unidade principal, colocar muitos LEDs, belos conectores etc.Desenvolver um sistema de microcontrolador com um conjunto de sensores ambientais é uma tarefa comum, por isso foi complementado por painéis solares e esquemas de energia baseados neles.Com base na lista de sensores, o seguinte diagrama de blocos foi formado:
Sensores externos
A escolha dos componentes começou com a busca de uma alternativa ao conjunto de sensores acima mencionado. Seu desempenho não inspirou confiança, eu queria encontrar algo mais confiável e bonito. Após uma longa pesquisa, encontrei a Vaisala, especializada no desenvolvimento de soluções profissionais para medir parâmetros ambientais. Essa empresa produz, por exemplo, um anemômetro combinado confiável, posicionado como uma solução de baixo custo.Possui um impulsor em forma de cone, para características mais lineares Velocidade do vento - Frequência de saída. Depois de pedir um preço (75.000 rublos), eu ainda tinha que voltar à versão amadora original. Esses sensores não incluem componentes elétricos ativos, eles usam chaves de palheta e ímãs como detectores de movimento.O anemômetro possui uma saída de frequência. Quando o impulsor gira, o interruptor reed fecha com uma frequência proporcional à velocidade do vento. O anemômetro é conectado à entrada de um dos temporizadores do microcontrolador através de um circuito de proteção e um filtro RC para suprimir o ressalto do contato.O sensor de direção do vento é um divisor de tensão ajustável nos interruptores reed. A saída é voltagem. Também é conectado ao ADC MK interno através de um circuito de proteção e um filtro.O sensor de chuva tem o design mais astuto, na minha opinião,. É um balanço com dois tanques nas extremidades, alternadamente preenchidos por um funil localizado acima deles. A cada oscilação de rolagem, o interruptor reed é fechado. A conexão ao MK é igual à do anemômetro.
Diagrama do dispositivo
O microcontrolador STM32F207VC foi selecionado. Obviamente, o microcontrolador lidará com essa tarefa de maneira mais simples, mas a tarefa é divertida, o preço de um único produto não é crítico e, além disso, usamos amplamente esse microcontrolador em nossos projetos, economizando tempo no design.O barramento I2C_1 conecta os sensores de temperatura, pressão e luz do dispositivo, bem como um acelerômetro e dois amplificadores de derivação de corrente.O sensor de temperatura interno do STLM75 permite monitorar a temperatura do dispositivo. É interessante observar como a temperatura interna aumenta no sol.Sensor de pressão da ST LPS25. Sensor MEMS com saída digital.Sensor de luz OPT3001 com sensibilidade espectral próxima ao olho humano. Não é adequado para esta tarefa, porque ao medir a potência da radiação solar, são utilizados sensores com uma faixa espectral mais ampla, com captura de IR e UV. No entanto, foi o suficiente para eu determinar a iluminação na forma de escuro / claro.Acelerômetro LSM303D. A idéia é usá-lo como um detector de roubo na duração da bateria. Entre as funções interessantes estão a determinação da queda livre e a geração de uma interrupção para o MK.Os amplificadores da derivação de corrente com uma saída digital permitem medir a tensão e a corrente do barramento de alimentação, calcular a potência a bordo, gerar interrupções quando os parâmetros ultrapassam os limites estabelecidos. Usado para controlar o consumo de energia e gerado.As 3 interfaces UART funcionam da seguinte maneira:• Interface com fio externa. O conversor UART-RS485 com isolamento galvânico está instalado. A solução da Texas Instruments é baseada no chip ISO3086T. Este microcircuito incorpora um driver de transformador, que permite alimentar a parte de saída do conversor sem uma fonte adicional.• módulo GSM SIM900. Você poderia escolher algo mais moderno com 3G e baixa potência, mas este estava na prateleira e na biblioteca de componentes CAD para PCB.• Módulo GPS para hora exata, selecionado pelos mesmos motivos.Como um “o que mais colocar” em pinos livres, encontrei uma bela tela OLED gráfica com uma resolução de 128 * 64. Sim, é claro, a exibição dentro da estação é inútil, mas, através da tampa transparente do gabinete, parece muito agradável e é útil durante a instalação para controlar a exatidão das conexões.Devido ao amor pelos dispositivos de descarga de gás, um detector de radiação ionizante apareceu no contador Geiger SBM-20 na lista de sensores. Ele detecta radiação gama. Eu queria colocar o SBM-19, ele tem uma sensibilidade maior, devido ao maior volume da câmera, mas pelo mesmo motivo, não se encaixava no case que eu gostava.Um contador Geiger requer 400 volts para operar. A fonte de alta tensão é fabricada de acordo com um circuito sem transformador baseado no MC33063AD. Uma decisão controversa, mas eu queria tentar fazer 400 de 5 volts de acordo com esse esquema. Entre os recursos - você precisa de um transistor de alta tensão com uma pequena tensão de barreira, por exemplo, ZVN0545.O contador é ligado de acordo com o circuito de aterramento do cátodo. Um circuito mais comum é um resistor no circuito terra-cátodo para detectar um salto de corrente no contador. Feito por razões de imunidade a ruídos, é melhor ter um contra cilindro metálico aterrado, que é o cátodo. Também separa com êxito a fonte de energia ruidosa de alta tensão do resto dos circuitos na placa.A seção do detector é feita de acordo com um esquema simples. Quando uma partícula entra no contador, ocorre um surto de corrente através dele, devido ao qual o potencial do ânodo muda, o que leva ao aparecimento de corrente no circuito base e, como resultado, a uma diminuição da tensão na saída do detector. Após o término do ato de ionização, a corrente para e a tensão na saída do detector se torna 3,3 volts. O sinal do detector é processado como uma interrupção externa MK.
Desenvolver um plano de energia exigia mais tempo. Existem três fontes de energia: uma rede externa, um painel solar e uma bateria embutida. Um conversor DC-DC isolado galvanicamente é instalado na entrada de energia externa. A faixa de entrada é de 9 a 36 volts, a saída é de 5 volts.
Para trabalhar com a bateria solar, é usado um microcircuito conversor especial com a função MPPT integrada (rastreamento máximo de pontos de energia). Este método é utilizado para obter a potência de saída máxima possível dos fotomódulos.O circuito usa 2 multiplexadores de potência de comutação automática para selecionar automaticamente uma fonte de energia. Erros foram feitos neste esquema de comutação. Não há como desligar a energia quando a bateria estiver fraca. E, provavelmente, seria mais correto fazer a bateria solar carregar a bateria sem alimentar o dispositivo. Em condições de pouca luz, a energia será suficiente para carregar lentamente a bateria, mas não será suficiente para alimentar o próprio dispositivo.Após o rastreamento, o conselho adquiriu o seguinte formulário:
Um estojo espaçoso foi escolhido com uma capa frontal transparente. A opção do fabricante foi muito útil - um elemento para equalizar a pressão (na foto abaixo, à esquerda dos conectores). Ele garante pressões iguais dentro e fora da carcaça, o que é necessário para um sensor de pressão localizado dentro e também fornece maior estanqueidade do dispositivo durante quedas de pressão. Os conectores industriais M12 são usados para conectar sensores externos, energia e comunicações. O conector M12 fornece alta tensão e uma conexão elétrica confiável. Para instalar a caixa em um rack, os encaixes dos canos de água se encaixam perfeitamente.
A exposição estava se aproximando, mas o circuito de energia solar ainda não havia sido depurado, por isso foi decidido usar energia externa e uma interface com fio.O firmware foi rapidamente escrito, para começar, nos limitamos a pesquisar todos os sensores, exibir os parâmetros e trocar dados por meio da interface com fio RS-485. Um programa foi escrito para o PC que implementa a troca com a estação e a saída dos parâmetros.Para conectar a um adaptador USB - RS485 projetado por computador com um injetor de energia. O gabinete foi projetado na SoldWorks e é feito de chapa de plástico transparente para a possibilidade de contemplar o interior. Foi feito na oficina de publicidade mais próxima usando o corte a laser. Acabou muito bom, na minha opinião.
Um conversor de 24V CA-CC é usado como fonte. O conversor USB-UART é baseado no amado FTDI FT232, UART-RS485, com base na mesma solução da Texas Instruments que na própria estação meteorológica.Na exposição, a estação meteorológica despertou grande interesse. Profissionais da indústria do tempo que vieram ao nosso estande chamaram de artesanato, os alunos tiraram fotos no contexto, ficamos satisfeitos.Após a exposição, eu estava ansioso para instalar a estação no telhado, para testar os elementos severos. A base foi montada a partir de materiais improvisados. Agora, a aparência não nos incomodou, o principal é a confiabilidade. O resultado foi um design agressivo, com hastes tipo gancho de cabelo e corrente. Sobreviva a um furacão!A estação foi instalada no telhado de um edifício residencial. Arrastar o par trançado do telhado por 5 andares até o apartamento era um passatempo muito emocionante.
Experiência operacional
Naturalmente, assim que a temperatura caiu abaixo de zero, o sensor de chuva congelou com força. Ele ainda não sabe como detectar neve. Durante o processo de desenvolvimento, vi que os artesãos construíram resistores poderosos para aquecimento neste sensor, mas não gostei dessa abordagem. No futuro, decidi desenvolver um simples detector de precipitação, algo parecido com isto:O princípio de funcionamento é o seguinte: existe uma placa de circuito impresso com pares de condutores não cobertos por uma máscara; quando a água entra na superfície da placa, a resistência entre eles diminui. Para que o sensor funcione na estação fria, é necessário aquecer a placa de circuito.Também foi um problema encontrar um contador Geiger funcionando. Dois SBM-20 estavam em estoque, mas ambos não estavam funcionando. Agora, o dispositivo possui um pequeno contador Geiger não identificado, que pode ser visto no quadro no canto inferior esquerdo.Nesta fase, todos os esforços estão concentrados na finalização do software e na elevação do servidor da web para a estação meteorológica. Foi encontrado o software de código aberto WeeWX, que pode se comunicar com a maioria das estações meteorológicas, gravar suas leituras no banco de dados, gerar páginas HTML com gráficos e leituras atuais, etc. Um driver foi escrito para o WeeWX que implementa nosso protocolo de troca.Uma página com as leituras de nossa estação meteorológica pode ser vista aqui . Enquanto estiver em desenvolvimento, os dados podem não ser exibidos corretamente.Uma das idéias ambiciosas é desenvolver um sensor ultrassônico de direção e velocidade do vento, que possui uma grande vantagem sobre os mecânicos - ele não pode parar devido ao gelo. O princípio de operação dos anemômetros do tipo ultrassônico é baseado na medição da velocidade do som, que varia de acordo com a orientação do vetor de movimento do ar (direção do vento) em relação ao caminho de propagação do som.Esse design tem a seguinte aparência.A julgar pelas marcas de tempo gasto no redmine, demorou cerca de um mês para desenvolver a parte de ferro. Passou muito tempo admirando vários sensores e lançando almas ao escolher componentes do sistema. Foram gastas cerca de duas semanas no software e cerca de uma semana para o desenvolvimento de um driver para o WeeWX.No geral, o projeto acabou sendo muito interessante para mim, uma emocionante jornada foi feita no mundo das medições meteorológicas.Gostaria também de agradecer a ana_lazareva por sua participação ativa na criação da estação meteorológica. Source: https://habr.com/ru/post/pt387589/
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