↔️ 🔬 🉑 气象站燕子 🐧 🔗 🤷🏾

对我来说，电子学发展既是工作，也是业余爱好。在渴望做某事的下一个冲动中，我遇到了一套廉价的业余传感器：雨水，速度和风向。他为我设定了一个新的兴趣领域。在本文中，我将讨论设计气象站的迷人过程。

经过短暂的幻想，形成了一组传感器：

•温度
•湿度
•压力
•风向和速度
•降水
•电离辐射
•照明

实施的选项之一-由现成的模块组装（处理器板+防护罩）-由于以下缺点，我不喜欢：

•缺乏灵活性
•设计笨拙
•功耗
•无聊

另外，我想自己开发一块印刷电路板。通常，该项目被计划为娱乐性的。由于我们开发的特殊性，我必须将板卡嵌入严格限制的结构中，因此我想开发主机的“拼版”设计，放置大量LED，漂亮的连接器等。

开发带有一组环境传感器的微控制器系统是一项常见的任务，因此补充了太阳能电池板和基于它们的电源方案。

基于传感器列表，形成了以下框图：

外部传感器

组件的选择始于寻找上述传感器的替代品。他们的表现并没有激发人们的信心，我想找到更可靠，更美丽的东西。经过长时间的搜索，我找到了维萨拉公司，该公司专门开发用于测量环境参数的专业解决方案。例如，该公司生产的这种可靠的组合式风速计是一种低成本解决方案。

它具有圆锥形的叶轮，以获得更线性的特性。风速-输出频率。索要价格（75,000卢布）后，我仍然不得不返回原始的业余版本。这些传感器不包括有源电子元件，它们使用磁簧开关和磁铁作为运动检测器。

风速计具有频率输出。当叶轮旋转时，舌簧开关以与风速成正比的频率关闭。风速计通过保护电路和RC滤波器连接到微控制器的计时器之一的输入，以抑制接触反弹。

风向传感器是簧片开关上的可调分压器。输出是电压。它还通过保护电路和滤波器连接到内部ADC MK。

在我看来，雨水感应器的设计最为狡猾。它是一个秋千，两端有两个水箱，由位于它们上方的漏斗交替填充。每次翻转时，簧片开关都会闭合。与MK的连接与风速计的连接相同。

为了测量湿度和温度，使用了SHT15传感器。从我们心爱的供应商那里选出最准确的组件。该传感器具有类似于I2C的接口，但不支持寻址，因此必须将其连接到单独的I2C_2总线。界面上的差异导致了他的调查的软件实现。 SHT15传感器安装在设备外部，这需要较长的电线，并且同一总线上的其他设备可能导致错误的操作。为了正确测量湿度和温度，必须保护传感器免受阳光直射和雨淋。可以从即兴材料中获得保护，但是计划在Radel展览会上演示气象站，外观要求严格。结果，我们选择了免受维萨拉的保护，其成本很高，但它看起来也很合适。

设备图

选择了STM32F207VC微控制器。当然，微控制器将更轻松地完成此任务，但任务很有趣，单个产品的价格并不关键，此外，我们在设计中广泛使用了该微控制器-节省了设计时间。

I2C_1总线连接设备的温度传感器，压力，照度以及加速度计和两个电流分流放大器。

STLM75内部温度传感器使您可以监视设备的温度。观察内部温度在阳光下如何升高很有趣。

ST LPS25的压力传感器。具有数字输出的MEMS传感器。

光传感器OPT3001的光谱灵敏度接近人眼。不太适合此任务，因为在测量太阳辐射的功率时，使用了具有较宽光谱范围并捕获IR和UV的传感器。但是，对于我来说，以暗/亮形式确定照明就足够了。

加速度计LSM303D。想法是将其用作电池寿命的防盗检测器。有趣的功能包括自由落体的确定以及MK中断的产生。

带数字输出的电流分流放大器可让您测量电源总线的电压和电流，计算板载功率，在参数超出既定限制时产生中断。用于控制功耗和生成。

3个UART接口的操作如下：

•外部有线接口。已安装具有电流隔离的UART-RS485转换器。德州仪器（TI）解决方案基于ISO3086T芯片。该微电路包含一个变压器驱动器，使您无需额外的电源即可为转换器的输出部分供电。

•GSM模块SIM900。您可以通过3G和低功耗来获得更现代的功能，但是这个功能在架子上和PCB CAD组件库中。

•GPS模块出于相同的原因选择了准确的时间。

作为自由引脚上的“其他选择”，我发现了分辨率为128 * 64的精美OLED图形显示器。是的，当然，站内的显示器是没有用的，但是通过透明的外壳盖，它看起来非常漂亮，并且在安装过程中用于控制连接的正确性很有用。

由于喜欢气体放电设备，电离辐射探测器出现在传感器列表中的SBM-20 Geiger计数器上。它检测伽玛射线。我想放SBM-19，因为相机体积较大，所以灵敏度更高，但出于同样的原因，它不适合我喜欢的情况。

盖革计数器需要400伏才能工作。高压源是根据基于MC33063AD的无变压器电路制成的。一个有争议的决定，但我想尝试根据该方案在5伏特电压下制造400伏特。其中的功能-您需要一个具有较小阈值栅极电压的高压晶体管，例如ZVN0545。

计数器根据阴极接地电路开启。更常见的电路是阴极接地电路中的电阻器，用于检测计数器中的电流跳变。出于抗噪声的考虑而制造，最好有一个接地的金属对置圆柱体，它是阴极。它还可以成功地将高压噪声电源与板上其余电路分离。

检测器部分是根据简单方案制成的。当粒子进入计数器时，会发生电流浪涌，由于该电流浪涌，阳极电势会发生变化，这会导致基本电路中出现电流，并因此导致检测器输出电压降低。电离作用结束后，电流停止，检测器输出端的电压变为3.3伏。来自检测器的信号被作为外部中断MK处理。

制定电源计划需要最多的时间。共有三种能源：外部网络，太阳能电池板和内置电池。在外部电源输入处安装了电隔离的DC-DC转换器。输入范围是9-36伏，输出是5伏。

为了与太阳能电池一起工作，需要使用带有内置MPPT功能（最大功率点跟踪）的特殊升压转换器微电路。此方法用于获取光电模块的最大可能输出功率。

该电路使用2个自开关功率多路复用器来自动选择电源。在此切换方案中出错。电池电量不足时，无法关闭电源。而且，可能更正确的做法是使太阳能电池为电池充电而不给设备供电。在弱光条件下，电源足以为电池缓慢充电，但不足以为设备本身供电。

跟踪后，董事会获得了以下表格：

选择了一个带透明前盖的宽敞案例。制造商的选项非常方便-用于均衡压力的元素（在下面的照片中，它在连接器的左侧）。它确保了壳体内部和外部的压力相等，这对于位于内部的压力传感器是必需的，并且还可以在压力下降期间为设备提供更大的密封性。 M12工业连接器用于连接外部传感器，电源和通信。 M12连接器提供高密封性和可靠的电气连接。要将外壳安装在机架上，水管配件可完美配合。

展览即将进行，但是太阳能电路尚未调试，因此决定使用外部电源和有线接口。

很快就写入了固件，一开始，我们仅限于轮询所有传感器，显示参数并通过RS-485有线接口交换数据。为PC编写了一个程序，该程序实现了与站的交换和参数的输出。

要连接到带有电源注入器的计算机设计的适配器USB-RS485。该表壳是由SoldWorks设计的；它由透明的薄塑料制成，以考虑内部的可能性。它是在最近的广告车间使用激光切割制成的。我认为结果非常好。

24V AC-DC转换器用作电源。 USB-UART转换器基于广受欢迎的FTDI FT232，UART-RS485，并基于Texas Instruments与气象站本身相同的解决方案。

在展览会上，气象站引起了人们的极大兴趣。来到我们展位的气象行业专业人员称其为工艺品，学生们在它的背景下拍照，我们对此感到满意。

展览结束后，我渴望将车站安装在屋顶上，以测试恶劣的环境。底座是用简易材料组装而成的。现在外观并没有打扰我们，主要是可靠性。结果是采用发夹和链条的拉杆进行了苛刻的设计。幸存飓风！

该站安装在居民楼的屋顶上。将双绞线从屋顶穿过5层楼到公寓是一种非常令人兴奋的消遣。

操作经验

自然，一旦温度降至零以下，雨水传感器就会紧紧冻结。他仍然不知道如何检测雪。在开发过程中，我看到工匠在该传感器中内置了用于加热的强大电阻，但我不喜欢这种方法。将来，我决定开发一个简单的降水检测器，它看起来像这样：

其工作原理如下：有一块印刷电路板，其成对的导体没有被掩模覆盖；当水进入电路板表面时，它们之间的电阻减小。为了使传感器在寒冷的季节工作，必须加热印刷电路板。

找到工作的盖革计数器也是一个问题。有两个SBM-20，但都没有工作。现在，该设备具有一个未标识的微型盖革计数器，可以在左下角的板上看到。

在此阶段，所有工作都集中在完成软件和提高气象站的Web服务器上。发现了WeeWX开源软件，它可以与大多数气象站通信，将其读数写入数据库，生成带有图形和当前读数的HTML页面等。已经为WeeWX编写了一个驱动程序，该驱动程序实现了我们的交换协议。

可以在此处找到包含我们气象站读数的页面。在开发过程中，数据可能无法正确显示。

雄心勃勃的想法之一是开发一种超声波风向和速度传感器，它与机械传感器相比具有很大的优势-它不会因结冰而失速。超声波型风速仪的工作原理基于测量声速，声速根据空气运动矢量相对于声传播路径的方向（风向）而变化。

该设计如下。

从花在红矿上的时间来看，开发铁零件需要大约一个月的时间。在选择系统组件时，很多时间都花在欣赏各种传感器和投掷灵魂上。在该软件上花了大约两个星期，而为WeeWX开发驱动程序花了大约一个星期。

总体而言，该项目对我来说非常有趣，这是进入气象测量领域的激动人心的旅程。

我还要感谢 ana_lazareva积极参与创建气象站。

气象站燕子

外部传感器

设备图

操作经验

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