Un anemometru de înregistrare a datelor autonom: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Îmi place să colectez și să analizez date. De asemenea, îmi place să construiesc gadgeturi electronice. În urmă cu un an, când am descoperit produsele Arduino, m-am gândit imediat, „aș vrea să colectez date de mediu”. Era o zi cu vânt în Portland, OR, așa că am decis să captez date despre vânt. M-am uitat la unele dintre instructabile pentru anemometre și le-am găsit destul de utile, dar trebuia să fac câteva modificări de inginerie. În primul rând, am vrut ca dispozitivul să ruleze autonom, în aer liber, timp de o săptămână. În al doilea rând, am vrut să fie capabil să înregistreze rafale de vânt foarte mici, mai multe dintre proiectele de aici au necesitat vânturi destul de puternice pentru a începe. În sfârșit, am vrut să înregistrez datele. Am decis să aleg un design cu rotor foarte ușor, cu o inerție și o rezistență cât mai puține. Pentru a realiza acest lucru, am folosit toate piesele din plastic (inclusiv tijele de vinil filetate), legăturile cu rulmenți cu bile și senzorii optici. Alte modele foloseau senzori magnetici sau motoare de curent continuu, dar ambele încetinesc rotorul, optica utilizează puțină putere, dar nu oferă rezistență mecanică. Data logger-ul este pur și simplu un Atmega328P cu un cip flash de 8 mbit. M-am gândit să merg SD, dar am vrut să mențin costul, consumul de energie și complexitatea scăzute. Am scris un program simplu care a înregistrat numărul de rotații pe doi octeți în fiecare secundă. Cu 8 megabiți m-am gândit că aș putea colecta date în valoare de aproximativ o săptămână. În designul meu original, m-am gândit că voi avea nevoie de 4 celule C, dar după o săptămână acestea erau încă complet încărcate, așa că trebuie să fi fost oprit cu un ordin de mărime al consumului de energie. Nu am folosit regulatoare liniare, am condus toate șinele de tensiune la 6V (chiar dacă unele dintre piese au fost evaluate la 3,3V. Yay supradesign!). Pentru a descărca datele, am avut un sistem complex care citea blițul și îl arunca pe monitorul serial arduino și am tăiat și lipit în Excel. Nu am petrecut timp încercând să aflu cum să scriu o aplicație USB de linie de comandă pentru a arunca blițul la standard, dar la un moment dat va trebui să dau seama de acest lucru. Rezultatul a fost destul de surprinzător, am putut observa câteva tendințe foarte interesante, pe care le salvez pentru un alt raport. Noroc!

Pasul 1: Construiți rotorul

Am încercat o serie de idei diferite pentru cupele rotorului: ouă de Paște, bile de ping pong, pahare de plastic și bile goale de ornament ale pomului de Crăciun. Am construit mai multe rotoare și le-am testat pe toate cu un uscător de păr, care asigura o gamă de viteze ale vântului. Dintre cele patru prototipuri, cochiliile de ornament au funcționat cel mai bine. Aveau, de asemenea, aceste mici cleme care ușurau fixarea și erau realizate dintr-un plastic rigid care funcționa bine cu ciment din policarbonat. Am încercat câteva lungimi diferite ale arborilor, mici, medii și mari (aproximativ 1 "până la aproximativ 6") și am constatat că dimensiunile mai mari s-au torsionat prea mult și nu au răspuns bine la vitezele reduse ale vântului, așa că am mers cu arborii de dimensiuni mici. Deoarece totul era din plastic transparent, am făcut o mică imprimare la îndemână pentru a ajuta la descărcarea celor trei lame. Materiale: Ornamentele au venit de la Oriental Trading Company, articolul „48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT”, 6 USD plus 3 USD de expediere. Arborii de plastic și discul structural au venit de la un magazin local TAP Plastics, cu aproximativ 4 dolari în plus în piese.

Pasul 2: Construiți baza superioară

Pentru a reduce inerția de rotație, am folosit o tijă filetată din nailon de la McMaster Karr. Am vrut să folosesc rulmenți, dar rulmenții mașinii sunt împachetați în grăsimi care încetinesc rotorul, așa că am cumpărat niște rulmenți ieftini pentru skateboard care nu aveau niciunul. S-au întâmplat să se potrivească în interiorul adaptorului de țeavă cu diametrul interior CPVC de 3/4 ". Abia când am asamblat structura, mi-am dat seama că rulmenții de skate se ocupă de sarcina plană și am aplicat sarcină verticală, așa că ar fi trebuit să folosesc un rulment de propulsie., dar au funcționat foarte bine și probabil au ajutat la gestionarea fricțiunii de la cuplul de precesiune. Am planificat să atașez un senzor optic la partea inferioară a arborelui, așa că am montat cuplajul CPVC într-o bază mai mare. Home Depot este un loc distractiv pentru a amesteca și potrivesc fitingurile CPVC / PVC. În cele din urmă am reușit să umplu cuplajul CPVC filetat de 3/4 "într-un reductor din PVC 3/4" la 1-1 / 2 ". A fost nevoie de mult joc pentru ca totul să se potrivească, dar a lăsat suficient spațiu pentru electronice. Materiale: 98743A235 - tijă din nailon filetat negru (filet 5/16 "-18) 94900A030 - piulițe hexagonale din nailon negru (filet 5/16" -18) Rulmenți ieftini pentru skateboard adaptor CPVC filetat 3/4 "3/4" la 1 -1/2 "Reductor de PVC la țeavă filetată de 3/4" Notă: Dimensiunile cuplajelor din PVC și CPVC nu sunt aceleași, probabil pentru a preveni utilizarea abuzivă accidentală; deci schimbarea într-un adaptor obișnuit din PVC 3/4 "nu va funcționa, totuși, FILETURILE unui adaptor filetat sunt aceleași, ceea ce este total ciudat. Filetele de cuplare CPVC în bucșa adaptorului din PVC. Adaptor … bucșă … cuplare … Probabil că amestec toți acești termeni, dar 15 minute în culoarul de instalații Home Depot vă vor îndrepta.

Pasul 3: Întrerupător optic

Pe măsură ce rotorul se rotește, rotația acestuia este numărată de un întrerupător optic. M-am gândit să folosesc un disc, dar asta însemna că va trebui să atașez sursa de iluminare și detectorul pe verticală, ceea ce ar fi foarte dificil de asamblat. În schimb, am optat pentru montare orizontală și am găsit niște căni mici care merg pe fundul scaunelor pentru a proteja podelele din lemn de esență tare. Am vopsit și am lipit șase segmente, ceea ce mi-ar da douăsprezece margini (aproape) uniforme sau 12 căpușe pe rotație a rotorului. M-am gândit să fac mai multe, dar nu eram prea familiarizat cu viteza detectorului sau cu câmpul vizual al opticii sale. Adică, dacă aș merge prea îngust, LED-ul ar putea să se strecoare în jurul marginilor și să activeze senzorul. Acesta este un alt domeniu de cercetare pe care nu l-am urmărit, dar ar fi bine să-l explorez. Am lipit cupa vopsită de o piuliță și am fixat-o la capătul arborelui. Materiale: Ochelari de protecție pentru picior scaun din vopseaua neagră Home Depot

Pasul 4: Atașați rotorul

În acest moment începea să arate destul de cool. Piulițele de nailon sunt într-adevăr alunecoase, așa că a trebuit să folosesc multe nuci (în cazul în care nu ați observat din imaginile anterioare). De asemenea, a trebuit să fac o cheie specială pentru a se potrivi în capacul de sub rotor, astfel încât să pot bloca ambele piulițe.

Pasul 5: Construiți baza inferioară

Baza inferioară găzduiește bateriile și oferă o structură de susținere. Am găsit online o cutie rezistentă la apă de la o companie numită Polycase. Este o carcasă foarte elegantă, care se etanșează, iar șuruburile sunt mai late la bază, astfel încât să nu cadă ușor din vârf. Am folosit un mate din PVC la bucșa superioară din PVC. Această bază inferioară este doar o cuplă filetată de 1-1 / 2 din PVC. Presiunea superioară a bazei rotorului se potrivește în baza inferioară prin intermediul acestui cuplaj. După cum veți vedea mai târziu, nu am lipit aceste piese împreună pentru că am vrut să să îl puteți deschide și să faceți reglaje, dacă este necesar, plus asamblarea este mai ușoară atunci când atașați plăcile de circuite. Materiale: Cutie impermeabilă de la Polycase, articolul nr.

Pasul 6: Construiți senzorul optic

Mecanismul senzorului este un LED de 940nm și un receptor Schmitt-trigger. Îmi place dragostea, iubesc circuitul de declanșare Schmitt, se ocupă de toate nevoile mele de trimitere și trimite un semnal compatibil CMOS / TTL. Singurul dezavantaj? Funcționare de 5V. Da, am condus excesiv întregul design la 6V, dar aș fi putut merge la 3,3V dacă nu ar fi această parte. Ideea este că acest circuit se montează sub cupa rotorului, care întrerupe fasciculul în timp ce se rotește, generând tranziții logice pentru fiecare margine. Nu am o imagine bună despre cum a fost montat acest lucru. Practic am lipit două decalaje din plastic în cuplajul din baza inferioară din PVC și le-am înșurubat de sus. A trebuit să mănânc marginile plăcii pentru a se potrivi bine. Nici măcar nu am o schemă pentru acest lucru, este foarte ușor: pur și simplu rulați un rezistor de 1k de la Vin și conectați-l, astfel încât LED-ul să fie întotdeauna aprins și ieșirea detectorului să fie pe pinul său. Materiale: 1 LED 940nm 1k rezistor 1 senzor OPTEK OPL550 1 mufă cu trei pini (mamă) 1 placă de circuite de 1,5 "x1,5" Diverse lungimi de sârmă Tuburi termocontractabile dacă vă plac firele la pachet

Pasul 7: Construiți Data Logger

Placa de prototipare Arduino a fost foarte mare pentru a se încadra în șasiu. Am folosit EagleCAD pentru a întinde o placă de circuite mai mică și am pierdut un singur strat … sunt patru fire urâte de care aveam nevoie pentru a acoperi câteva goluri.

(Am crezut că am măsurat acest lucru la o putere de funcționare de ~ 50mW și, pe baza Watt-orelor bateriilor, am crezut că voi scădea sub 5V într-o săptămână, dar fie măsurarea puterii mele, fie matematica mea a fost greșită, deoarece 4 celule C păstrau funcționează mult timp.) Aspect destul de simplu: doar un rezonator, ATmega328, un cip flash, un jumper de depanare, un LED de depanare, capacul sursei de alimentare și cam atât. Există ceva numit DorkBoard pe care aș fi putut să-l folosesc și eu, este practic tot ce este necesar pentru o placă de dezvoltare ATMega328 în mărimea socketului DIP. M-am gândit să cumpăr una, dar abordarea mea discretă a fost cu aproximativ 50% mai ieftină. Iată link-ul dorkboard:

Iată ideea de bază (codul sursă va fi inclus mai târziu) cum funcționează placa: Jumper setat în modul „depanare”: atașați o întrerupere a valorii de schimbare la ieșirea senzorului optic și luminați LED-ul de testare la unison cu detectorul. Acest lucru a fost foarte util pentru depanare. Jumper setat în modul „înregistrare”: atașați aceeași întrerupere la un contor și, în bucla principală, întârziați 1000 msec. La sfârșitul celor 1000 msec, scrieți numărul de margini pe o pagină flash de 256 de octeți, iar când pagina este plină, scrieți-o și resetați numărul. Simplu, nu? Cam destul de mult. Îmi plac foarte mult dispozitivele flash Winbond, obișnuiam să proiectez blițul în anii 90, așa că a fost distractiv să le programez din nou. Interfața SPI este genială. Atât de simplu de utilizat. Voi lăsa schemele și codul sursă să vorbească de la sine. Am menționat că EagleCAD este minunat? Chiar este. Există câteva tutoriale minunate pe YouTube.

Pasul 8: Atașați electronica

Din nou, nu am multe poze bune aici, dar dacă vă imaginați două distanțe de plastic lipite de interiorul PVC-ului, ambele plăci sunt înșurubate în el. Iată o fotografie a plăcii de înregistrare conectată la partea de jos. Placa detectorului se află în interiorul carcasei.

Pasul 9: Calibrare

Am făcut o instalație de testare pentru a calibra bestia, astfel încât să pot converti numărul rotorului brut în MPH. Da, acesta este un 2x4. Am atașat anemometrul la un capăt, iar un depanare Arduio la celălalt. LCD-ul afișează numărul rotorului. Procesul a decurs astfel: 1) Găsiți un drum lung drept, fără trafic. 2) Țineți 2x4 astfel încât să scape cât mai departe posibil de fereastră 3) Activați înregistrarea vocală pe iPhone sau Android 4) Porniți un vitezometru GPS digital pe dispozitivul portabil la alegere 5) Conduceți constant la mai multe viteze și anunțați la înregistratorul dvs. viteza și rotorul mediu contează 6) Nu se blochează 7)? 8) Mai târziu, când nu conduceți, reluați mesajul telefonului și introduceți datele în Excel și sperați că un liniar, un exponențial sau un polinom se potrivește cu o valoare R-pătrat mai mare de 99% Această conversie # va fi utilizată mai târziu. Dispozitivul captează doar date brute, le-am procesat în MPH (sau KPH) în Excel. (Am menționat că am aplicat un strat de vopsea ternie de măsline? Aș fi numit-o „Anemometru de înregistrare a datelor tactice”, dar mi-am amintit că „Tactic” înseamnă „negru”.)

Pasul 10: Mergeți la colectarea unor date despre vânt

Cam asta e tot. Cred că lipsesc câteva imagini, de ex. nu sunt prezentate cele patru celule C înghesuite în baza inferioară. Nu puteam monta un suport cu arc, așa că am ajuns să lipesc cablurile de la baterii. Scriu acest lucru instructabil la un an după ce l-am construit și, în revizuirea nr. 2, am folosit baterii AA, deoarece am supraestimat în mare măsură consumul de energie. Folosirea AA mi-a permis să adaug un comutator on-off și chiar am eliberat puțin spațiu în interior, altfel era destul de strâns. În total, am fost destul de mulțumit de design. Graficul de mai jos prezintă valoarea medie de o săptămână. Bateriile au început să moară în ziua a șaptea. Aș fi putut îmbunătăți durata de viață a bateriei rulând LED-ul la un ciclu de funcționare mai mic la aproximativ 1 kHz și nu aș fi pierdut margini din cauza vitezei unghiulare a rotorului relativ scăzută.

A se distra! Spuneți-mi dacă vedeți loc de îmbunătățire!

Pasul 11: Cod sursă

Atașat este un singur fișier sursă Arduino. L-am GPL pentru că, hei, GPL.

EDIT: Aș dori să subliniez că implementarea mea de a folosi o întârziere de 1s () este o idee teribilă și în h Cantitatea de timp necesară pentru a scrie pe bliț și a citi senzorul poate părea mică, dar pe parcursul a 7 -10s se adaugă la o derivă semnificativă. În schimb, utilizați întreruperea temporizatorului de 1Hz (Temporizatorul nr. 1 de pe 328P poate fi calibrat perfect la 1Hz). Pentru a fi în siguranță, ar trebui să codați un gard în cazul în care scrierea paginii și citirea senzorului dintr-un anumit motiv durează mai mult de 1 secundă (manipulați mostrele scăpate), dar o întrerupere a temporizatorului este modalitatea de a face lucruri care trebuie să fie, bine, timp- exact. Noroc!