Qué tipos de anemómetro existen, cómo utilizarlos y si puedes fabricarlos tú mismo. Estación para medir la velocidad y dirección del viento Anemómetro casero con un ratón
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Un anemómetro es un dispositivo diseñado para medir la velocidad del flujo de aire (gas). A continuación se muestra un recuento abreviado autorizado de un artículo sobre cómo se puede hacer un anemómetro casero a partir de un motor eléctrico. El artículo original está publicado en este sitio. .
Si va a utilizar un generador eólico en su granja, necesitará evaluación inicial conocer las condiciones del viento en el lugar donde se supone que se instalará el aerogenerador. Esto le dará una estimación básica inicial del tamaño de turbina eólica y generador que puede construir. Los anemómetros comerciales son bastante caros, por lo que puedes fabricar tu propio anemómetro. Las mitades de huevos de Pascua de plástico funcionan bien como hojas de anemómetro.
También necesitamos un pequeño motor eléctrico sin escobillas con imanes permanentes. El principal criterio de selección es la resistencia mínima de los cojinetes en el eje del motor. Ya que el viento puede ser muy débil y debido a la fricción no podrá hacer girar el eje del motor. EN en este caso Usé un motor de uno viejo defectuoso. disco duro. (Estos discos se pueden comprar a precios muy económicos en subastas en línea, en mercados de radio locales o en tiendas y talleres que reparan y venden computadoras. sitio web). Sin embargo, el diseño del anemómetro se desprende claramente de las fotografías.
Un motor de este tipo consta de 12 bobinas ubicadas en el estator y un rotor en el que hay imán permanente. Para controlar dicho motor, se utilizan controladores y controladores especiales. Pero si comienzas a girar el rotor, las bobinas comenzarán a enfocarse. electricidad. Además, la frecuencia de esta corriente estará, naturalmente, directamente relacionada con la velocidad del rotor. Y esto, a su vez, depende de la velocidad del viento. Son estos hechos los que utilizaremos al construir un anemómetro casero.
La principal dificultad en la construcción es hacer un rotor de anemómetro excepcionalmente equilibrado. El motor en sí está montado sobre una base masiva y un disco de plástico grueso está montado en su rotor. Recortamos 3 hemisferios completamente idénticos de huevos de plástico. Con varillas o pasadores de acero, fijamos los hemisferios al disco, marcándolo cuidadosamente en sectores de 120 grados. El equilibrio cuidadoso se realiza en una habitación donde no hay movimiento del viento con el eje del anemómetro en posición horizontal. El peso se ajusta mediante limas de agujas. El rotor debe detenerse en cualquier posición y no en la misma.
Dado que estamos usando un motor eléctrico completamente aleatorio y molino de viento casero, no tenemos absolutamente ninguna idea de cómo interactuará con el viento. Tendremos que calibrar nuestro anemómetro nosotros mismos. Y para ello necesitamos hacer un frecuencímetro sencillo. Convertirá la frecuencia en su entrada en voltaje o corriente. Los esquemas de estos frecuencímetros se pueden encontrar en revistas para radioaficionados. El convertidor más simple es un integrador convencional (filtro de paso bajo), que consta de un diodo y un condensador. En la salida utilizamos un miliamperímetro de dial. (Para ejemplo diagramas de un frecuencímetro simple, ver el artículo original).
Si utiliza algún amplificador en el circuito del frecuencímetro y lo alimenta con una batería, debe comprender que una disminución en su voltaje puede afectar las lecturas del dispositivo.
Lo mejor es calibrar un anemómetro casero con un automóvil. Es cierto que necesitará algún tipo de mástil para que el anemómetro no caiga en la zona de aire perturbado creado por el automóvil. De lo contrario, su testimonio quedará muy distorsionado. Y el velocímetro del vehículo se controla mediante un navegador GPS, que muestra la velocidad real del vehículo.
Se selecciona un día tranquilo para la calibración. Entonces la calibración se puede realizar rápidamente. Si sopla viento, tendrás que conducir de un lado a otro a lo largo de la carretera durante bastante tiempo, de modo que la velocidad del viento primero se sumará a la velocidad del movimiento y luego se restará. Y tendrás que calcular algunos valores medios. Además, el viento no debería cambiar. Es difícil y tedioso. Por tanto, es mejor esperar a que se calme y calibrar rápidamente el anemómetro cuando se conduce por una carretera recta. Tenga en cuenta que el velocímetro nos mostrará km/hora y nos interesa la velocidad del viento en m/seg. Y la relación entre ellos es 3,6. Aquellos. La lectura del velocímetro debe dividirse por 3,6. Si un automóvil viaja a una velocidad de 40 km/h, entonces la velocidad del viento que sopla a través del anemómetro es de 11,12 m/s. Es conveniente utilizar una grabadora de voz durante la calibración. Simplemente dicta las lecturas del velocímetro y de los instrumentos, y en casa, en atmósfera tranquila Puedes hacer una nueva escala para tu anemómetro.
Ahora, al contar con un anemómetro, podremos recoger información muy fiable sobre la situación del viento en la zona. trabajo futuro molino Y esto nos permitirá hacer Buena elección y en cuanto al diseño y tipo de aerogenerador, así como a la potencia del generador.
(recuento de Konstantin Timoshenko).
Una estación meteorológica casera o de marca común mide dos temperaturas y humedad (en la habitación y en el exterior), Presión atmosférica y además tiene un reloj con calendario. Sin embargo, una estación meteorológica real tiene mucho más: un sensor. radiación solar, pluviómetro y similares, que, en general, son necesarios únicamente para necesidades profesionales, con una excepción. Un medidor de parámetros del viento (velocidad y, lo más importante, dirección) es una adición muy útil para casa de Campo. Además, los sensores de viento de marca son bastante caros incluso en Ali Baba, y tiene sentido echar un vistazo más de cerca a las soluciones caseras.
Diré de inmediato que si hubiera sabido de antemano cuánto salir adelante por sí mismo y el dinero gastado en experimentos desperdiciaría mi idea, tal vez no la comenzaría. Pero prevaleció la curiosidad y los lectores de este artículo tienen la oportunidad de evitar los obstáculos con los que tuve que tropezar.
Para mediciones de la velocidad del viento(anemometría) existen cientos de métodos, los principales de los cuales son:
anemómetro de hilo caliente,
- mecánico - con hélice (más precisamente, impulsor) o impulsor de copa horizontal (anemómetro de copa clásico en estos casos equivale a medir la velocidad de rotación del eje sobre el que está montada la hélice o el impulsor).
- así como ultrasónico, combinando mediciones de velocidad y dirección.
Para medidas de dirección Hay menos formas:
- el mencionado ultrasonido;
- Veleta mecánica con lectura electrónica del ángulo de giro. Para medir el ángulo de rotación también existen muchos de varias maneras: óptico, resistivo, magnético, inductivo, mecánico. Por cierto, simplemente puede conectar una brújula electrónica al eje de la veleta; solo tendrá que buscar métodos confiables y simples (para una repetición "hasta las rodillas") para transmitir lecturas desde un eje que gira caóticamente. Por lo tanto, elegimos además el método óptico tradicional.
Al repetir cualquiera de estos métodos por su cuenta, debe tener en cuenta los requisitos de consumo mínimo de energía y exposición las 24 horas (¿y tal vez todo el año?) al sol y la lluvia. El sensor de viento no se puede colocar bajo el techo a la sombra; al contrario, debe estar lo más lejos posible de todos los factores que puedan interferir y "abierto a todos los vientos". Lugar ideal colocación: la cumbrera del techo de una casa o, en el peor de los casos, un granero o un mirador, alejado de otros edificios y árboles. Tales requisitos requieren un suministro de energía autónomo y, obviamente, un canal de transmisión de datos inalámbrico. Estos requisitos determinan algunas de las “extras” del diseño, que se describen a continuación.
Acerca del consumo mínimo de energía
Por cierto, ¿cuánto es el consumo mínimo de energía? Basado en baterías AA domésticas comunes, lo ideal es que el consumo promedio del circuito no supere los 1-2 mA. Haga los cálculos usted mismo: la capacidad de una pila alcalina decente de tamaño AA es de unos 2,5-3 Ah, es decir, un circuito con el consumo indicado funcionará durante unas 1500-2500 horas, o 2-3 meses. En principio, esto tampoco es mucho, pero es relativamente aceptable: no hay forma de hacer menos: o se arruinarán las baterías o tendrá que usar baterías que deberán cargarse incluso con más frecuencia que cambiarlas. . Por esta razón, al elaborar un esquema de este tipo, estamos obligados a recoger las migajas: un modo de ahorro de energía obligatorio, un diseño de circuito cuidadosamente pensado y una secuencia de acciones en el programa. A continuación veremos que en el diseño final todavía no cumplía con los requisitos necesarios y tuve que usar energía de la batería.
Contaré una historia educativa sobre cómo intenté reproducir el método más moderno y avanzado: el ultrasónico, y fallé en otra ocasión. Todos los demás métodos requieren una medición separada de la velocidad y la dirección, por lo que tuvimos que cercar dos sensores. Habiendo estudiado teóricamente los anemómetros térmicos, me di cuenta de que no sería posible comprarnos un elemento sensible ya hecho a nivel de aficionado (¡están disponibles en el mercado occidental!), pero inventarlo por mi cuenta implicaría involucrarme en I+D regular con la correspondiente pérdida de tiempo y dinero. Por eso, después de pensarlo un poco, decidí hacer un diseño unificado para ambos sensores: un anemómetro de copa con medición óptica de la velocidad de rotación y una veleta con lectura electrónica del ángulo de rotación basada en un disco codificador (codificador).
Diseños de sensores
La ventaja de los sensores mecánicos es que no se requiere investigación y desarrollo, el principio es simple y claro y la calidad del resultado depende únicamente de la precisión de un diseño cuidadosamente pensado.Parecía que sí en teoría, pero en la práctica se convirtió en un montón. Trabajo mecánico, algunos de los cuales tuvieron que encargarse externamente debido a la falta de tornos y fresadoras disponibles. Diré de inmediato que nunca me arrepiento de haber confiado desde el principio en un enfoque de capital y no haber construido estructuras a partir de materiales de desecho.
Para la veleta y el anemómetro se necesitan las siguientes piezas, que se tuvieron que pedir a un volteador-fresador (para ambos sensores está indicada la cantidad y el material):
Los ejes, observamos, deben mecanizarse para torno: Es casi imposible hacer un eje en una rodilla con una punta exactamente en el centro. Y la colocación de la punta exactamente a lo largo del eje de rotación es el factor determinante del éxito. Además, el eje debe quedar perfectamente recto, no se permiten desviaciones.
Sensor mecánico de dirección del viento - veleta electrónica
La base de la veleta (y más tarde del sensor de velocidad) es un soporte en forma de U hecho de aleación D-16, como se muestra en el dibujo de arriba a la izquierda. En el hueco inferior se presiona un trozo de fluoroplástico, en el que se realiza sucesivamente un hueco escalonado con brocas de 2 y 3 mm. En este hueco se inserta un eje (para una veleta, de latón) con su extremo afilado. Desde arriba pasa libremente a través de un orificio de 8 mm. Encima de este orificio se fija al soporte con tornillos M2 una pieza rectangular del mismo fluoroplástico de 4 mm de espesor de manera que cubra el orificio. Se hace un agujero en el fluoroplástico exactamente a lo largo del eje con un diámetro de 6 mm (ubicado exactamente a lo largo eje común agujeros - ver plano de conjunto abajo). El fluoroplástico en la parte superior e inferior desempeña aquí el papel de cojinetes de deslizamiento.
El eje en el punto de fricción con el fotoroplasto se puede pulir y el área de fricción se puede reducir avellanando el orificio en el fluoroplasto. ( Ver UPD sobre este tema a continuación del 13/09/18 y 05/06/19). Para una veleta, esto no juega un papel especial; algo de "lentitud" incluso es útil para ella, pero para un anemómetro habrá que intentar minimizar la fricción y la inercia.
Ahora sobre medir el ángulo de rotación. En nuestro caso, un codificador gris clásico de 16 posiciones se ve así: 
El tamaño del disco se eligió en función de la condición de aislamiento óptico confiable de los pares emisor-receptor entre sí. Con esta configuración, las rendijas de 5 mm de ancho están espaciadas a intervalos de 5 mm y los pares ópticos están espaciados exactamente 10 mm. Las dimensiones del soporte al que se fija la veleta se calcularon en base al diámetro del disco de 120 mm. Todo esto, por supuesto, se puede reducir (especialmente si se seleccionan LED y fotodetectores con el diámetro más pequeño posible), pero se tuvo en cuenta la complejidad de fabricar el codificador: resultó que los fresadores no realizan un trabajo tan delicado, por lo que tuvo que cortarse manualmente con una lima de aguja. Y esto es lo que tamaños más grandes, más fiable será el resultado y menos molestias.
El dibujo de montaje de arriba muestra cómo se fija el disco al eje. El disco cuidadosamente centrado se fija con tornillos M2 al casquillo de caprolon. El casquillo se coloca en el eje de modo que el espacio en la parte superior sea mínimo (1-2 mm), de modo que el eje gire libremente en la posición normal y, al girarlo, la punta no se caiga del casquillo de abajo. Los bloques de fotodetectores y emisores están unidos al soporte en la parte superior e inferior del disco; más específicamente sobre su diseño a continuación.
Toda la estructura se coloca en una caja de plástico (ABS o policarbonato) de 150x150x90 mm. Cuando está ensamblado (sin cubierta ni paleta), el sensor de dirección se ve así:
Tenga en cuenta que la dirección norte seleccionada está marcada con una flecha; esto deberá observarse al instalar el sensor en su lugar.
La propia veleta está unida a la parte superior del eje. Está fabricado sobre la base del mismo eje de latón, en el corte en cuyo lado romo está soldado un vástago de chapa de latón. En el extremo afilado, se corta una rosca M6 a una cierta longitud y se le fija un contrapeso redondo de plomo mediante tuercas:
El peso está diseñado de modo que el centro de gravedad caiga exactamente sobre el punto de fijación (moviéndolo a lo largo del hilo se consigue un equilibrio perfecto). La veleta se fija al eje mediante un tornillo M3 de acero inoxidable, que pasa por el orificio del eje de la veleta y se atornilla en una rosca cortada en el eje de rotación (el tornillo de fijación se ve en la foto de arriba). Para una orientación precisa, la parte superior del eje de rotación tiene un hueco semicircular en el que encaja el eje de la paleta.
Sensor de velocidad del viento - anemómetro de taza de bricolaje
Como ya entendiste, la base para el sensor de velocidad, a efectos de unificación, se eligió de la misma manera que para la veleta. Pero los requisitos de diseño aquí son algo diferentes: para reducir el umbral de arranque, el anemómetro debe ser lo más ligero posible. Por lo tanto, en particular, el eje está hecho de duraluminio, el disco con orificios (para medir la velocidad de rotación) tiene un diámetro reducido:
Mientras que un codificador Gray de cuatro bits requiere cuatro optoacopladores, un sensor de velocidad solo requiere uno. Se perforan 16 agujeros alrededor de la circunferencia del disco a distancias iguales, por lo que una revolución del disco por segundo equivale a 16 hercios de frecuencia provenientes del optoacoplador (se puede más agujeros, es posible menos; la única cuestión es la escala de conversión y el ahorro de energía en los emisores).
sensor casero seguirá siendo bastante aproximado (el umbral inicial es de al menos medio metro a un metro por segundo), pero sólo podrá reducirse si se cambia radicalmente el diseño: por ejemplo, en lugar de un plato giratorio de copa, una hélice esta instalado. Con un girador de copas, la diferencia en las fuerzas de resistencia al flujo que determina el torque es relativamente pequeña: se logra únicamente debido a Diferentes formas superficie que se encuentra con el flujo de aire entrante (por lo tanto, la forma de las tazas debe ser lo más estilizada posible; lo ideal es que sea medio huevo o una bola). La hélice tiene un par mucho mayor, se puede fabricar mucho más ligera y, finalmente, la fabricación en sí es más sencilla. Pero la hélice debe instalarse en la dirección del flujo de aire, por ejemplo, colocándola en el extremo de la misma veleta.
La pregunta es: ¿cómo transmitir lecturas desde un sensor que gira aleatoriamente? eje vertical? No pude solucionarlo y, a juzgar por el hecho de que los diseños de copas profesionales todavía están muy extendidos, no se puede solucionar en un santiamén (no tenemos en cuenta los anemómetros de mano, están orientados según el flujo de aire). a mano).
Mi versión del anemómetro de copa se basa en un disco láser. Las vistas superior e inferior se muestran en la foto:
Los vasos están hechos con el fondo de los biberones de agua para bebés Agusha. Se corta con cuidado la parte inferior, con los tres a la misma distancia para que tengan el mismo peso, se calienta localmente en el centro (bajo ninguna circunstancia caliente todo, ¡se deformará irreversiblemente!) y la parte trasera. mango de madera desde la lima se dobla hacia afuera para hacerlo más estilizado. Si repites, abastecerte de botellas mas cantidad, a partir de cinco o seis piezas probablemente podrás hacer tres tazas más o menos idénticas. Se hace una ranura en el costado de las copas fabricadas y se fijan a lo largo del perímetro del disco a 120° entre sí mediante pegamento-sellador impermeable. El disco está estrictamente centrado con respecto al eje (lo hice usando una arandela de metal insertada) y asegurado al casquillo de caprolon con tornillos M2.
Diseño general e instalación de sensores.
Ambos sensores, como ya se mencionó, están alojados en carcasas de plástico de 150x150x90 mm. La elección del material de la carrocería debe abordarse con cuidado: el ABS o el policarbonato tienen suficiente resistencia a la intemperie, pero el poliestireno, el plexiglás y especialmente el polietileno no son en absoluto adecuados aquí (y también será difícil pintarlos para protegerlos del sol). Si no es posible comprar una caja de marca, es mejor soldar usted mismo la caja con lámina de fibra de vidrio y luego pintarla para protegerla de la corrosión y darle una apariencia estética.Se hace un orificio de 8-10 mm en la tapa exactamente en el lugar por donde sale el eje, en el que se pega con el mismo adhesivo-sellador un cono de plástico cortado de la boquilla de una lata de aerosol. sellador de construcción o pegamento:
Para centrar el cono a lo largo del eje, fije un trozo de madera desde la parte inferior de la tapa con una abrazadera, marque el centro exacto en él y profundice un poco más con una broca de 12 mm, formando una depresión en forma de anillo alrededor del agujero. . El cono debe encajar exactamente allí, después de lo cual se puede cubrir con pegamento. También puedes arreglarlo en posición vertical mientras endurece mediante tornillo y tuerca M6.
El propio sensor de velocidad cubre el eje con este cono, a modo de paraguas, evitando que entre agua en la carcasa. Para una veleta, vale la pena colocar adicionalmente una funda sobre el cono, que cerrará el espacio entre el eje y el cono del flujo directo de agua (ver foto vista general sensores debajo).
Los cables de los optoacopladores se enrutan a un conector D-SUB separado (vea la foto del sensor de dirección arriba). La pieza acoplada con el cable se inserta a través de un orificio rectangular en la base de la carcasa. Luego se tapa el orificio con una tapa con una ranura para el cable, que evita que el conector se caiga. Se atornillan soportes de aluminio a la base del cuerpo para fijarlo en su lugar. Su configuración depende de la ubicación de los sensores.
Cuando están ensamblados, ambos sensores se ven así:
Aquí se muestran ya instalados en su lugar, en la cumbrera del mirador. Tenga en cuenta que los huecos para los tornillos que sujetan la cubierta están protegidos del agua mediante tapones de goma húmedos. Los sensores se instalan estrictamente horizontalmente en un nivel, para lo cual fue necesario utilizar revestimientos hechos de trozos de linóleo.
parte electronica
La estación meteorológica generalmente consta de dos módulos: una unidad remota (que sirve tanto para sensores de viento como para tomar lecturas de sensor externo temperatura-humedad), y el módulo principal con displays. La unidad remota está equipada con un transmisor inalámbrico para enviar datos instalado en su interior (la antena sobresale por el lateral). El módulo principal recibe datos de la unidad remota (para facilitar la orientación, el receptor se coloca en un cable en una unidad separada), y también toma lecturas del sensor interno de temperatura y humedad y muestra todo esto en las pantallas. Un componente separado del bloque principal es un reloj con calendario, que por conveniencia Configuración general Las estaciones reciben servicio de un controlador Arduino Mini independiente y tienen sus propias pantallas.Módulo remoto y circuito de medición de sensores de viento.
Se eligieron LED IR AL-107B como fotoemisores. Estos LED antiguos, por supuesto, no son los mejores de su clase, pero tienen una carcasa en miniatura con un diámetro de 2,4 mm y son capaces de transmitir una corriente de hasta 600 mA por pulso. Por cierto, durante las pruebas resultó que una muestra de este LED producido alrededor de 1980 (en una carcasa roja) tiene aproximadamente el doble de eficiencia (expresada en el rango de funcionamiento confiable del fotodetector) que las copias modernas compradas en Chip-Dip ( tienen un cuerpo transparente de color verde amarillento). Es poco probable que los cristales fueran mejores en 1980 que ahora, pero ¿qué diablos no es así? Es posible, sin embargo, que sea diferentes ángulos dispersión en ambos diseños.Pasado por el LED en el sensor de velocidad. CORRIENTE CONTINUA. aproximadamente 20 mA (resistencia de 150 ohmios con una fuente de alimentación de 5 voltios), y en el sensor de dirección hay una corriente de pulso (onda cuadrada con un ciclo de trabajo de 2) de aproximadamente 65 mA (los mismos 150 ohmios con una fuente de alimentación de 12 voltios). La corriente promedio a través del LED del sensor de una dirección es de aproximadamente 33 mA, y a través de cuatro canales en total, aproximadamente 130 mA.
Como fotodetectores se eligieron fototransistores L-32P3C en un paquete con un diámetro de 3 mm. La señal se tomó de un colector cargado con una resistencia de 1,5 o 2 kOhm de un suministro de 5 V. Estos parámetros se seleccionaron de modo que a una distancia de ~20 mm entre el fotoemisor y el receptor, se generara una señal lógica de tamaño completo en 5-. Los niveles V se recibieron inmediatamente en la entrada del controlador sin amplificación adicional. Las corrientes involucradas aquí pueden parecer desproporcionadamente grandes según el requisito mínimo de consumo de energía indicado anteriormente, pero como verá, aparecen en cada ciclo de medición durante un máximo de unos pocos milisegundos, por lo que el consumo total sigue siendo pequeño.
La base para el montaje de receptores y emisores fueron segmentos. canal de cable(visible en la foto de los sensores de arriba), córtelo para formar "orejas" en la base para montarlo en un soporte. Para cada uno de estos restos, se pegó una placa de plástico del mismo ancho que el ancho del canal a la tapa de bloqueo desde el interior. Los LED y los fototransistores se fijaron a la distancia requerida en los orificios perforados en esta placa de modo que los cables quedaran dentro del canal y solo sobresalieran las protuberancias al final de las cajas. Los terminales se sueldan de acuerdo con el diagrama (ver más abajo), los terminales externos están hechos con trozos de cable flexible de varios colores. Las resistencias para los emisores del sensor de dirección también se colocan dentro del canal y a partir de ellas se crea una salida común. Después de desoldar, se coloca la tapa, se sellan todas las grietas con plastilina y además con cinta adhesiva, que también cierra el orificio en el lado opuesto a los terminales, y se vierte toda la estructura. resina epoxica. Los pines externos, como se puede ver en la foto de los sensores, salen a bloque de terminales, unido a la parte posterior del soporte.
Diagrama esquemático El bloque de procesamiento del sensor de viento tiene este aspecto:
Para obtener información sobre de dónde proviene la alimentación de 12 a 14 voltios, consulte a continuación. Además de los componentes indicados en el diagrama, la unidad remota contiene un sensor de temperatura y humedad, que no se muestra en el diagrama. El divisor de voltaje conectado al pin A0 del controlador está diseñado para monitorear el voltaje de la fuente de alimentación con el fin de realizar un reemplazo oportuno. LED conectado al pin tradicional 13 (pin 19 carcasas DIP) - superbrillante, para su brillo normal y no deslumbrado es suficiente una corriente de una fracción de miliamperio, lo que está garantizado por el valor inusualmente alto de la resistencia de 33 kOhm.
El circuito utiliza un controlador Atmega328 “desnudo” en un paquete DIP, programado a través de Uno e instalado en el zócalo. Estos controladores con un gestor de arranque Arduino ya grabado se venden, por ejemplo, en Chip-Dip (o puede grabar el gestor de arranque usted mismo). Un controlador de este tipo es conveniente de programar en un entorno familiar, pero, al carecer de componentes en la placa, en primer lugar, resulta más económico y, en segundo lugar, ocupa menos espacio. Se podría obtener un modo de ahorro de energía completo deshaciéndonos también del gestor de arranque (y, en general, escribiendo todo el código en ensamblador :), pero esto no es muy relevante aquí, y la programación en este caso se vuelve excesivamente complicada.
En el diagrama, los rectángulos grises indican componentes que pertenecen por separado a los canales de velocidad y dirección. Consideremos el funcionamiento del circuito en su conjunto.
El funcionamiento del controlador en su conjunto está controlado por el temporizador de vigilancia WDT, habilitado en modo de llamada de interrupción. WDT despierta el controlador del modo de suspensión a intervalos específicos. Si el temporizador se reinicia durante una interrupción activada, no se reinicia desde cero, todas las variables globales permanecen en sus valores. Esto le permite acumular datos desde un despertar hasta otro y, en algún momento, procesarlos, por ejemplo, promediarlos.
Al inicio del programa se realizan las siguientes declaraciones de bibliotecas y variables globales (para no saturar el texto de los ya extensos ejemplos, aquí se publica todo lo relacionado con el sensor de temperatura y humedad):
#incluir
Para iniciar el modo de suspensión y WDT (despertar cada 4 segundos), utilice los siguientes procedimientos:
// poner el sistema en modo de suspensión void system_sleep() ( ADCSRA &= ~(1<< ADEN); //экв. cbi(ADCSRA,ADEN); выключим АЦП
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // режим сна
sleep_mode(); // система засыпает
sleep_disable(); // система продолжает работу после переполнения watchdog
ADCSRA |= (1 << ADEN); /экв. sbi(ADCSRA,ADEN); включаем АЦП
}
//****************************************************************
// ii: 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
// 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
void setup_watchdog(int ii) {
byte bb;
if (ii >9) ii=9; bb=ii & 7; si (ii > 7) bb|= (1<<5); //в bb - код периода
bb|= (1<
En la función setup() se declaran las direcciones de los pines, se inicializan la biblioteca del transmisor de 433 MHz y el temporizador de vigilancia (la línea para IN_PINF es, en principio, superflua y se inserta para la memoria):
Void setup() ( pinMode(IR_PINF, OUTPUT); //a la salida pinMode(IN_PINF, INPUT); //pin de detección de frecuencia a la entrada pinMode(13, OUTPUT); //LED vw_setup(1200); //VirtualWire velocidad de conexión vw_set_tx_pin(2); //D2, PD2(4) salida de transferencia VirtualWire // Serial.begin(9600); // Puerto serie para monitoreo durante la depuración setup_watchdog(8); //Período WDT 4 c wdt_reset();
Finalmente, en el bucle principal del programa, primero leemos el voltaje y calculamos la frecuencia del sensor de velocidad del viento cada vez que nos despertamos (cada 4 segundos):
Void loop() ( wdt_reset(); //restablece el temporizador digitalWrite(ledPin, HIGH); //enciende el LED de control batt=analogRead(0); //lee y guarda el código de batería actual /*=== frecuencia === = */ digitalWrite(IR_PINF, HIGH); //enciende el LED IR del sensor de velocidad float f=0; //variable para la frecuencia ttime=periodInLong(IN_PINF, LOW, 250000); sec // Serial. println(ttime); //para control durante la depuración if (ttime!=0) (//en caso de que no haya frecuencia f = 1000000/float(ttime);) // calcula la frecuencia de la señal en Hz digitalWrite(IR_PINF, LOW); /apaga el LED IR ff=f //guarda el valor calculado en el archivo .
El tiempo de combustión del LED IR (consumiendo, permítanme recordarles, 20 mA), aquí, como puede ver, será máximo en ausencia de rotación del disco del sensor y en esta condición es de aproximadamente 0,25 segundos. La frecuencia mínima medible será, por tanto, de 4 Hz (un cuarto de revolución por segundo de un disco con 16 agujeros). Como resultó al calibrar el sensor (ver más abajo), esto corresponde a aproximadamente 0,2 m/s de velocidad del viento. Destacamos que este es el valor mínimo medido de la velocidad del viento, pero no la resolución ni el umbral inicial (que será). mucho más alto). En presencia de frecuencia (es decir, cuando el sensor gira), el tiempo de medición (y, en consecuencia, el tiempo de funcionamiento del LED, es decir, el consumo de corriente) disminuirá proporcionalmente y la resolución aumentará.
A esto le siguen los procedimientos que se realizan cada cuatro despertares (es decir, cada 16 segundos). Transmitimos el valor de frecuencia del sensor de velocidad a partir de los cuatro valores acumulados, no el promedio, sino el máximo; como lo ha demostrado la experiencia, este es un valor más informativo. Por conveniencia y uniformidad, convertimos cada una de las cantidades, independientemente de su tipo, en un número entero positivo de 4 decimales antes de la transmisión. El número de despertares es monitoreado por la variable de conteo:
//cada 16 segundos promediamos la batería y determinamos el valor máximo de //frecuencia a partir de 4 valores: if (count==3)( f=0; //valor de frecuencia para (byte i=0; i<4; i++) if (f
/* ===== Viento Gris ==== */ //dirección: tono(IR_Pin,5000);//frecuencia 5 kHz por transistor booleano sí = falso; byte i=0; while(!yes)( //bit 3 i++; boolean state1 = (digitalRead(in_3p)&HIGH); delayMicrosegundos(100); // retraso de 100 microsegundos yes=(state1 & !digitalRead(in_3p)); if (i> 4) romper; //intenta cuatro veces) si (sí) wDir=1; de lo contrario wDir=0; sí = falso; yo=0; while(!yes)( //bit 2 i++; boolean state1 = (digitalRead(in_2p)&HIGH); delayMicrosegundos(100); // retraso de 100 microsegundos yes=(state1 & !digitalRead(in_2p)); if (i> 4) romper; //intenta cuatro veces) si (sí) wDir=1; de lo contrario wDir=0; sí = falso; yo=0; while(!yes)( //bit 1 i++; boolean state1 = (digitalRead(in_1p)&HIGH); delayMicrosegundos(100); // retraso de 100 microsegundos yes=(state1 & !digitalRead(in_1p)); if (i> 4) romper; //intenta cuatro veces) si (sí) wDir=1; de lo contrario wDir=0; sí = falso; yo=0; while(!yes)( //bit 0 i++; boolean state1 = (digitalRead(in_0p)&HIGH); delayMicrosegundos(100); // retraso de 100 microsegundos yes=(state1 & !digitalRead(in_0p)); if (i> 4) romper; //intenta cuatro veces) si (sí) wDir=1; de lo contrario wDir=0; ningún tono(IR_Pin); //apaga la frecuencia //compila en un byte en código Gray: wind_Gray=wDir+wDir*2+wDir*4+wDir*8; //traducción directa a dos. código int viento_G=viento_Gray*10+1000; //suma hasta 4 dic. descargas. . . . .
La duración máxima de un procedimiento será en ausencia de frecuencia en el receptor y es igual a 4 × 100 = 400 microsegundos. El tiempo máximo de combustión de los LED de 4 direcciones será cuando ningún receptor esté iluminado, es decir, 4×400 = 1,6 milisegundos. El algoritmo, por cierto, funcionará exactamente de la misma manera si, en lugar de una frecuencia cuyo período sea múltiplo de 100 μs, simplemente aplica un nivel alto constante a los LED. Con un meandro en lugar de un nivel constante, ahorramos simplemente la mitad de energía. Aún podemos ahorrar dinero si conectamos cada LED IR a través de una línea separada (en consecuencia, a través de una salida de controlador separada con su propio transistor clave), pero esto complica el circuito, el cableado y el control, y la corriente es de 130 mA para 2 ms cada 16 segundos; esto, como ve, no es mucho.
Finalmente, transmisión de datos inalámbrica. Para transmitir los datos desde el lugar de instalación de los sensores a la pantalla de la estación meteorológica, se eligió el método más sencillo, económico y fiable: un par de transmisor/receptor a una frecuencia de 433 MHz. Estoy de acuerdo, el método no es el más conveniente (debido a que los dispositivos están diseñados para transmitir secuencias de bits, no bytes completos, hay que ser sofisticado para convertir datos entre los formatos requeridos), y estoy seguro de que muchos querrán discutir conmigo en términos de su fiabilidad. La respuesta a la última objeción es simple: “¡simplemente no sabes cocinarlos!”
El secreto es que las distintas descripciones del intercambio de datos a través del canal de 433 MHz suelen permanecer detrás de escena: como estos dispositivos son puramente analógicos, la fuente de alimentación del receptor debe estar muy bien libre de pulsaciones extrañas. ¡Bajo ninguna circunstancia debe alimentar el receptor desde el regulador interno de 5 voltios del Arduino! La instalación de un regulador independiente de baja potencia (LM2931, LM2950 o similar) para el receptor directamente adyacente a sus terminales, con circuitos de filtrado adecuados en la entrada y salida, mejora radicalmente el rango de transmisión y la confiabilidad.
En este caso, el transmisor funcionaba directamente con una batería de 12 V, el receptor y el transmisor estaban equipados con antenas caseras estándar en forma de un trozo de cable de 17 cm de largo (permítanme recordarles que solo es adecuado un cable de un solo núcleo. para antenas, y las antenas deben colocarse en el espacio paralelas entre sí). Un paquete de información de 24 bytes de longitud (teniendo en cuenta la humedad y la temperatura) se transmitió de forma fiable y sin problemas a una velocidad de 1200 bit/s en diagonal a través de un jardín. parcela de 15 acres (unos 40-50 metros), y luego a través de tres paredes de troncos hacia la habitación ( en la que, por ejemplo, la señal celular se recibe con gran dificultad y no en todas partes). Condiciones que son prácticamente inalcanzables para cualquier método estándar a 2,4 GHz (como Bluetooth, Zig-Bee e incluso Wi-Fi amateur), a pesar de que el consumo del transmisor aquí es de unos míseros 8 mA y sólo en el momento de la transmisión real. , el resto del tiempo el emisor consume sólo kopeks. El transmisor está colocado estructuralmente dentro de la unidad remota, la antena sobresale horizontalmente desde un lado.
Combinamos todos los datos en un paquete (en una estación real se le agregará temperatura y humedad), que consta de partes uniformes de 4 bytes y precedido por la firma "DAT", lo enviamos al transmisor y completamos todos los ciclos:
/*=====Transmisor=====*/ String strMsg="DAT"; //firma - datos strMsg+=volt; //conecte una batería de 4 dígitos strMsg+=wind_G; //adjuntar viento 4 bits strMsg+=fi; // adjuntar frecuencia de 4 bits strMsg.toCharArray(msg,16); //traduce la cadena en una matriz // Serial.println(msg); //para control vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // transmisión de mensajes vw_wait_tx(); // espera a que se complete la transferencia - ¡definitivamente! retraso(50); //+ por si acaso retraso count=0; //restablecer el contador)//finalizar recuento==3 else contar++; escritura digital (ledPin, BAJO); //apaga la señal LED system_sleep(); //sistema - para dormir) //finalizar bucle
El tamaño del paquete se puede reducir eliminando el requisito de representar cada uno de los distintos tipos de cantidades en un código uniforme de 4 bytes (por ejemplo, para el código Gray, por supuesto, un byte es suficiente). Pero en aras de la universalización, dejé todo como está.
Fuente de alimentación y características de diseño de la unidad remota.. Calculamos el consumo de la unidad remota de esta forma:
20 mA (emisor) + ~20 mA (controlador con circuitos auxiliares) durante aproximadamente 0,25 s cada cuatro segundos - promedio 40/16 = 2,5 mA;
- 130 mA (emisores) + ~20 mA (controlador con circuitos auxiliares) durante aproximadamente 2 ms cada 16 segundos - promedio 150/16/50 ≈ 0,2 mA;
Habiendo agregado a este cálculo el consumo del controlador al leer los datos del sensor de temperatura y humedad y cuando el transmisor está en funcionamiento, podemos llevar con seguridad el consumo promedio a 4 mA (con un pico de aproximadamente 150 mA, ¡tenga en cuenta!). Las baterías (de las cuales, por cierto, necesitarás hasta 8 para alimentar el transmisor con el voltaje máximo) tendrán que cambiarse con demasiada frecuencia, por lo que surgió la idea de alimentar la unidad remota con baterías de 12 voltios para el Destornillador: solo tenía dos más. Su capacidad es incluso menor que la cantidad correspondiente de baterías AA: solo 1,3 A por hora, pero nadie se molesta en cambiarlas en ningún momento y tiene a mano una segunda cargada. Con el consumo indicado de 4 mA, la capacidad de 1300 mA hora durará unas dos semanas, lo que no es demasiado problemático.
Tenga en cuenta que el voltaje de una batería recién cargada puede ser de hasta 14 voltios. En este caso, se instala un estabilizador de entrada de 12 voltios para evitar sobretensiones en la fuente de alimentación del transmisor y no sobrecargar el estabilizador principal de cinco voltios.
Debajo del techo se coloca una unidad remota en una caja de plástico adecuada; un cable de alimentación de batería y en los conectores se conectan conexiones a sensores de viento. La principal dificultad es que el circuito resultó ser extremadamente sensible a la humedad del aire: en tiempo de lluvia, después de un par de horas, el transmisor comienza a funcionar mal, las mediciones de frecuencia muestran un completo desorden y las mediciones de voltaje de la batería muestran "el clima en Marte".
Por lo tanto, después de depurar los algoritmos y verificar todas las conexiones, la caja debe sellarse cuidadosamente. Todos los conectores en la entrada de la carcasa están recubiertos con sellador, lo mismo se aplica a todas las cabezas de los tornillos que sobresalen hacia afuera, a la salida de la antena y al cable de alimentación. Las juntas del cuerpo se recubren con plastilina (teniendo en cuenta que habrá que separarlas) y, además, se pegan con cinta adhesiva en la parte superior con tiras de cinta sanitaria. Es una buena idea reforzar adicionalmente con cuidado los conectores utilizados en el interior con epoxi: por ejemplo, el módulo remoto DB-15 indicado en el diagrama no está sellado en sí mismo y el aire húmedo se filtrará lentamente entre el marco de metal y la base de plástico.
Pero todas estas medidas por sí solas sólo darán un efecto a corto plazo: incluso si no hay succión de aire frío y húmedo, el aire seco de la habitación se convierte fácilmente en aire húmedo cuando la temperatura exterior desciende (recuerde el fenómeno llamado " punto de rocío").
Para evitar esto, es necesario dejar un cartucho o una bolsa con un desecante: gel de sílice dentro del estuche (las bolsas que lo contienen a veces se colocan en cajas con zapatos o en algunos paquetes con dispositivos electrónicos). Si el gel de sílice es de origen desconocido y ha estado almacenado durante mucho tiempo, se debe calcinar en un horno eléctrico a 140-150 grados durante varias horas antes de su uso. Si la carcasa está bien sellada, el desecante no deberá cambiarse más a menudo que al comienzo de cada temporada de verano.
El módulo principal
En el módulo principal, todos los valores se reciben, se descifran, si es necesario, se convierten de acuerdo con las ecuaciones de calibración y se muestran en las pantallas.El receptor se coloca fuera del cuerpo del módulo principal de la estación y se coloca en una pequeña caja con orejetas para su montaje. La antena sale a través de un orificio en la tapa; todos los orificios de la carcasa están sellados con goma cruda. Los contactos del receptor se conectan a un conector doméstico tipo PC-4 muy fiable; del lado del receptor se conecta a través de un trozo de cable AV con doble blindaje:
La señal se capta a lo largo de uno de los núcleos del cable y la energía se suministra a través del otro en forma de 9 voltios "brutos" del adaptador de corriente del módulo. El estabilizador tipo LM-2950-5.0 junto con los condensadores de filtro se instalan en una caja junto con el receptor en una placa separada.
Se llevaron a cabo experimentos para aumentar la longitud del cable (por si acaso, ¿y si no atravesara la pared?), y resultó que nada cambia en una longitud de hasta 6 metros.
Sólo hay cuatro pantallas OLED: dos amarillas sirven para datos meteorológicos, dos verdes sirven para un reloj y un calendario. Su ubicación se muestra en la foto:
Tenga en cuenta que en cada grupo una de las pantallas es de texto, la segunda es gráfica, con fuentes creadas artificialmente en forma de imágenes de glifos. Aquí no nos detendremos más en la cuestión de mostrar información en pantallas, para no inflar el ya extenso texto del artículo y los ejemplos: debido a la presencia de imágenes de glifos que deben mostrarse individualmente (a menudo simplemente enumerando opciones usando Como dice el caso), los programas de salida pueden ser muy engorrosos. Para obtener información sobre cómo manejar dichas pantallas, consulte la publicación del autor "Modo gráfico y de texto de las pantallas Winstar", que también incluye un ejemplo de una pantalla para mostrar datos del viento.
Diagrama esquemático. Para facilitar la configuración, el reloj y sus pantallas cuentan con un controlador Arduino Mini independiente y no los analizaremos más aquí. El diagrama para conectar componentes al Arduino Nano, que controla la recepción y salida de datos meteorológicos, es el siguiente:
Aquí, a diferencia del módulo remoto, se muestra la conexión de sensores meteorológicos: un barómetro y un sensor interno de temperatura y humedad. Debe prestar atención a la distribución de energía: las pantallas funcionan con un estabilizador independiente de 5 V tipo LM1085. Es natural alimentar las pantallas del reloj desde él, pero en este caso el controlador del reloj también debe alimentarse del mismo voltaje y a través del pin de 5 V, y no de Vin (para el Mini Pro, este último se llama RAW). Si alimenta el controlador del reloj de la misma manera que el Nano - 9 voltios a través de la salida RAW, entonces su estabilizador interno entrará en conflicto con los 5 voltios externos y en esta pelea, naturalmente, ganará el más fuerte, es decir, el LM1085. y el Mini se quedará sin electricidad. Además, para evitar problemas, antes de programar el Nano y especialmente el Mini (es decir, antes de conectar el cable USB), se debe desconectar el adaptador externo.
En el estabilizador LM1085, cuando las cuatro pantallas están conectadas, se liberará aproximadamente un vatio de potencia, por lo que conviene instalarlo en un pequeño radiador de unos 5-10 cm2 hecho de una esquina de aluminio o cobre.
Recepción y tratamiento de datos. Aquí reproduzco y comento sólo fragmentos de programas relacionados con datos de viento a continuación;
Para recibir un mensaje a través de un canal de 433 MHz, aplicamos el método estándar descrito en muchas fuentes. Incluimos la biblioteca y declaramos variables:
#incluir
Una cosa acerca del valor del tamaño del búfer buflen es que declarar su valor (VW_MAX_MESSAGE_LEN) una vez al comienzo del programa no es suficiente. Dado que esta variable aparece como referencia en la función de recepción (ver más abajo), el tamaño del mensaje predeterminado debe actualizarse en cada ciclo. De lo contrario, debido a la recepción de mensajes corruptos, el valor de buflen se acortará cada vez hasta que empieces a recibir todo tipo de tonterías en lugar de datos. En los ejemplos, ambas variables generalmente se declaran localmente en el bucle loop(), por lo que el tamaño del búfer se actualiza automáticamente, pero aquí simplemente repetiremos la asignación al valor deseado al comienzo de cada bucle.
En el procedimiento de configuración realizamos las siguientes configuraciones:
Void setup() ( retardo (500); //para configurar la fuente de alimentación de las pantallas pinMode(16,INPUT_PULLUP); //salida para el botón vw_setup(1200); // velocidad de conexión VirtualWire vw_set_rx_pin(17); // Pasador del receptor VirtualWire A3.
Antes de aceptar algo se comprueba el intervalo de tiempo t_time que ha transcurrido desde la última recepción. Si excede los límites razonables (por ejemplo, 48 segundos, tres veces el tiempo para repetir mensajes de la unidad externa), esto se percibe como una pérdida del sensor y de alguna manera se indica en la pantalla:
Void loop() ( vw_rx_start(); // Listo para recibir buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; //el tamaño del búfer es nuevo cada vez if ((int(millis()) - t_time) > 48000) //si t_time no se ha actualizado durante más de 48 segundos (<отображаем прочерк на дисплее>)//sensor final no encontrado if (vw_have_message()) ( //esperar recepción if (vw_get_message(buf, &buflen)) // Si se reciben los datos ( vw_rx_stop(); // dejar de recibir por un tiempo t_time = millis (); //actualizar t_time para (byte i=0;i<3;i++) // Получить первые три байта
str[i]= buf[i];
str="\0";
if((str=="D")&&(str=="A")&&(str=="T")) { //сигнатура принята
//принимаем данные:
for (byte i=3;i<7;i++) // извлечь четыре байта аккумулятора
str= buf[i]; // упаковать их в строку
volt=atoi(str); //преобразовать в целое число
volt=(volt/10)-100; //удаляем добавки до 4-х байт
batt=float(volt)/55.5; //преобразуем в реальный вид напряжения в вольтах
//и пока храним в глобальной переменной
for (byte i=7;i<11;i++) // извлечь четыре байта направления
str= buf[i]; // упаковать их в строку
int w_Dir=atoi(str); //преобразовать в целое число
w_Dir=(w_Dir-1000)/10; //возвращаем к исходному виду
wDir=lowByte(w_Dir); //младший байт - код Грея
<выводим направление на дисплей через оператор case>
. . . . .
Coeficiente 55,5: conversión del valor del código ADC en voltaje real, su valor depende del voltaje de referencia y de los valores de las resistencias divisoras.
Por cierto, el código Gray tiene una peculiaridad: el orden de los bits no es importante, el código conserva todas sus propiedades sin importar cómo se reorganicen; Y dado que al descifrar todavía consideramos cada caso por separado, los bits pueden considerarse en cualquier orden e incluso confundirse cuando están conectados. Otra cuestión sería si quisieran organizar este asunto de alguna manera, por ejemplo, crear una matriz de valores de dirección ("s", "ssz", "sz", "zsz", "z", etc.), y en lugar de considerar individualmente cada opción, extraiga las designaciones por número en esta matriz. Entonces el código Gray tendría que convertirse a binario ordenado, y el orden de los bits jugaría un papel importante.
Finalmente, extraemos el valor de la velocidad y cerramos todas las declaraciones:
Para (byte i=19;i<23;i++) // Получить четыре байта частоты
str= buf[i]; // упаковать их в строку
int wFrq=atoi(str); //преобразовать в целое число
wFrq = (wFrq-1000)/10; //удаляем добавки до 4-х байт
wFrq=10+0.5*wFrq;//скорость в целом виде с десятыми
<отображаем ее на дисплее поразрядно>)//finalizar si str=DAT )//finalizar vw_get_message ) //finalizar vw_have_message(); . . . . .
Aquí 10+0,5*wFrq es la ecuación de calibre. 10 dm/s (es decir, 1,0 metros por segundo) es el umbral inicial y 0,5 es el factor de conversión de frecuencia a velocidad (en dm/seg). Cuando la frecuencia de entrada es cero, esta ecuación produce 10 dm/s, por lo que se debe tener especial cuidado en no generar 1 m/s, sino precisamente un valor cero. Puede calibrar el sensor de velocidad utilizando cualquier anemómetro de mano y ventilador de mesa económicos. No intente determinar el umbral inicial de forma experimental; será mucho más preciso si marca dos o tres puntos en la línea de calibración para el valor de la velocidad V versus la frecuencia F: V = Vп + K×F a diferentes caudales, entonces el umbral inicial se determinará automáticamente como el valor de Vп (la ordenada del punto de intersección de esta línea recta con el eje de velocidad).
Hay una cosa más que hacer antes de cerrar el ciclo principal. Tenemos el voltaje de la batería, pero no necesitamos mostrarlo todo el tiempo, simplemente ocupa espacio. Es por eso que se necesita el botón Kn1: al hacer clic en él, reemplazamos temporalmente (hasta la próxima actualización de datos) la línea externa de temperatura y humedad con el valor de voltaje:
Si (digitalRead(16)==LOW)( //botón presionado<выводим напряжение на дисплей, затирая значение температуры-влажности>)//retraso del botón de finalización (500); )//finalizar bucle
Tenía un botón, como se puede ver en el diagrama, con contacto inversor, pero nada me impide instalar uno normal con contacto de cierre, conectándolo a la fuente de alimentación a través de una resistencia. A esto también puedes sumar el parpadeo de símbolos en la pantalla si el voltaje de la batería cae por debajo de, por ejemplo, 10 voltios, como señal de que es hora de cambiarla.
Finalmente, sobre los sensores meteorológicos. Como sensor exterior se utilizó SHT-75: el único sensor amateur que encontré que no requiere calibración y muestra valores reales de temperatura y humedad nada más sacarlo de la caja (de ahí su alto precio).
Se puede encontrar la biblioteca para conectarlo.
El SHT-75 está diseñado de una manera bastante estúpida: el sustrato metálico de la placa conduce bien el calor, por lo que hay que sacarlo por completo de la carcasa. De lo contrario, la presencia de un solo controlador tipo ATmega328 con estabilizador de potencia en una carcasa cerrada es suficiente para calentar el sensor un par de grados a través del sustrato de la placa, incluso si su cabezal se mueve hacia afuera. Mi circuito con sensores de viento, con sus corrientes de 20-130 mA (incluso si fluyen durante milisegundos insignificantes), calentó el SHT-75 cinco grados, por lo que lo sacaron afuera y lo instalaron por separado en una placa de plástico que sobresalía de la caja. oblicuo.
Los datos del SHT-75 son capturados por el mismo controlador que los datos del sensor de viento y enviados desde el módulo remoto en un solo paquete a través de un canal inalámbrico de 433 MHz. Para la transmisión, también se convierten previamente a un formato de cadena de 4 bytes.
Para medir la temperatura y la humedad en interiores, se eligió el banal DHT-22; dado que el alcance allí es pequeño en comparación con el de la calle, no importa qué sensor usar (excepto, por supuesto, el DHT-11, que no debe usarse en todo bajo ninguna circunstancia, ya que simplemente no es funcional para el propósito previsto). La temperatura de DHT-22 se corrigió según mediciones con un termómetro de mercurio (¡coincidieron completamente con SHT-75!), y la humedad se ajustó ligeramente en comparación con SHT-75. Las correcciones se ingresan inmediatamente antes de la indicación en la pantalla.
Por cierto, el DHT-22 también debe alejarse de la carcasa con pantallas; de lo contrario, inevitablemente se calentará y se quedará. Lo adjunto a un soporte de plástico en la parte inferior de la caja, a una distancia de diez milímetros de él. Esta circunstancia, por cierto, sospecho, es una de las razones (además de la falta de calibración individual) por la que todas las estaciones meteorológicas domésticas de las marcas RST y Oregon mienten descaradamente en sus lecturas, teniendo una extensión incluso consigo mismas (sensor interno con externo uno) de dos o tres grados y hasta un diez por ciento de humedad.
Barómetro no plantea ningún problema, ya que casi todos los disponibles comercialmente se fabrican sobre la misma base: el chip microelectromecánico (MEMS) BMP180 o sus modificaciones. Mi experiencia personal al intentar utilizar la variante LPS331AP menos común fue negativa: la biblioteca correspondiente fue más difícil de encontrar y, para colmo, se encontró que entraba en conflicto con otros dispositivos en el bus I2C. Es posible que sea necesario ajustar las lecturas del barómetro al lugar de instalación: cada 10 a 12 metros de altitud sobre el nivel del mar se reduce la presión en 1 mmHg. Arte. Por tanto, habrá que restar (o sumar) un determinado valor a las lecturas para que el valor de presión corresponda a las lecturas de la estación meteorológica oficial en una zona determinada.
No doy todos los programas completos de las estaciones meteorológicas; son bastante engorrosos y aún así no podrás replicar el diseño uno a uno. En todo caso, llame al PM.
ACTUALIZADO del 30/06/17. Energía instalada a partir de una batería solar. Kit de aquí:
un panel solar
controlador
batería
Todos juntos + entrega a Moscú dentro de 2,5 mil. Funciona perfectamente.
Un método interesante para calcular la potencia de una batería solar y una batería, que ofrecen los consultores de este sitio. Un ejemplo de cálculo para 3 W de consumo de energía (tengo mucho menos), cito:
“3W multiplicado por 24h y dividido por 6 = 12Ah es la capacidad mínima de la batería
3W multiplicado por 24 horas y dividido por 3 horas = 24 W es la potencia mínima de la batería solar."
Sin comentarios.
En mi caso, la potencia resultante de la central solar es decenas de veces mayor que la que se necesita en las peores condiciones climáticas. Por lo tanto, en el controlador del sensor no puede preocuparse especialmente por el ahorro de energía y utilizar las frecuencias necesarias para tomar lecturas y promediar valores.
ACTUALIZADO del 13/09/18. Durante casi dos temporadas de funcionamiento, han surgido los puntos fuertes y débiles de la estación. Debilidades: en primer lugar, el ciclo de actualización de lecturas de 16 segundos (de cuatro series de mediciones), como era originalmente, es demasiado largo. La instalación de una batería solar con batería de respaldo permitió no pensar en el ahorro de energía y jugar con la duración del ciclo. Como resultado, el ciclo se estableció en 8 segundos (cuatro mediciones en dos segundos).
Entre las mejoras mecánicas, se introdujo un cojinete de empuje sólido debajo de la punta del sensor de velocidad (sí, me advirtieron entonces sobre su necesidad, pero no supe cómo hacerlo). Después de un tiempo, el eje del sensor cortó completamente el soporte fluoroplástico y el umbral de inicio aumentó considerablemente (por cierto, esto no afectó en absoluto la sensibilidad de la veleta). Por ello, se sustituyó el soporte por un cojinete de empuje de acero inoxidable, en el que se realizó un pequeño hueco con una broca fina. Tengo la sensación de que más adelante tendré que inventar algo más con la punta, que, como todo el eje, está hecha de duraluminio. Pero lo pospuse hasta el momento en que de todos modos habría que rehacer el sensor: el disco láser, tomado como base del diseño, durante dos temporadas se volvió nublado por el sol y comenzó a agrietarse.
ACTUALIZADO del 05/06/19.
Sobre la alteración del sensor (la veleta sigue siendo la misma). El sensor de velocidad tuvo que rehacerse debido a un eje desgastado y un disco láser que quedó inutilizable. El diseño básico sigue siendo el mismo, pero el nuevo disco láser está pintado con pintura en aerosol dorada. La solución para la punta del eje se encontró de la siguiente forma. Se perforó un hueco en el eje de duraluminio exactamente en el centro y se insertó en él un trozo de 3 mm de la parte superior de un grifo chino con un segundo pegamento. La punta del grifo es un cono bien centrado con un ángulo de unos 70-80 grados; además se pulió con papel de lija y luego con pasta GOI. Como base utilicé la cabeza de un tornillo M3 de acero inoxidable con una ranura recortada, en la que se marcó un pequeño hueco en el centro con un taladro convencional D = 2 mm. Este tornillo se atornilló directamente en un hueco del fluoroplástico y fue cortado por el eje antes de garantizar la alineación.
La punta del eje se lubricó con grasa de grafito para protegerlo contra la corrosión (ya que desconozco las propiedades inoxidables del grifo). Después de un poco de trabajo, el umbral inicial disminuyó tanto que resultó imposible medirlo con un anemómetro patentado, cuyo umbral es de aproximadamente 0,3-0,5 cm/s. Según datos indirectos (trazando una línea recta a partir de dos puntos), se adoptó voluntariamente un umbral de 0,3 m/s, aunque probablemente sea algo inferior.
El principal cambio en los algoritmos de cálculo también afecta a los sensores de viento, y me pareció útil incluirlo en .
Debería haber resultado algo como esto
Etapas de fabricación del propio sensor:
El cuerpo hizo esto: tomó un trozo de tubo cuadrado y cortó una ventana en él para poder montar el relleno a través de ella (por cierto, corté la ventana con la temperatura, pero tenía muchas ganas de hacerlo). que me levanté y fui a ver). Luego soldé la placa en el interior (el soporte del cojinete interior), luego soldé la parte inferior (el soporte del cojinete inferior). Cuando decidí hacer la parte superior decidí hacer un techo inclinado, para esto corté cuatro triángulos y los agarré con cuidado, para luego soldarlos por completo e hice una visera puntiaguda. Luego lo sujeté con un tornillo de banco y, con un taladro 0,5 mm más pequeño que el diámetro del rodamiento, taladré un orificio vertical en la tapa inferior y en la del medio, ambos para rodamientos. Para que los cojinetes de acero se ajusten con tensión mediante un escariador. Los rodamientos encajan como los originales. Luego inserté en ellos un clavo de 100 puntas ligeramente pulido, colocando una arandela de plástico con 4 ranuras en el medio de la ventana. Corté un hilo en la parte inferior del clavo y le atornillé el impulsor.
Hice el impulsor así: soldé tres clavos a la tuerca con un doble electrodo, luego los corté y corté un hilo en los extremos, que atornillé en las mitades de la bola.
Al cuerpo se le soldó un soporte, una varilla hexagonal de acero inoxidable. La carrocería se pintó dos veces con esmalte blanco para garantizar que no se oxidara.
Decidí no inventar una bicicleta, pero hacerlo como en un mouse de computadora, hay una arandela de plástico con cuatro ranuras en el eje de rotación, cuando el impulsor gira, gira y la arandela, mientras que las aberturas parpadean sobre el sensor. , que está sujeto a la cubierta frontal y cuando la cubierta está atornillada, es como una vez que la arandela con las ranuras gira y el flujo de luz del LED al fototransistor entra y sale. Eso es todo... aquí tienes impulsos, y se pueden contar y dar el número de revoluciones por segundo.
Saqué el sensor de fototransistor LED de la impresora, hay muchos allí.
Primero hecho con pelotas de tenis.
Tuve que modificar un poco el dispositivo. Usando un impulsor hecho de pelotas de tenis, arrancó con un viento de 5 m/s. Se compraron bolas con un diámetro de 55 mm en una juguetería para niños. Comienza a 2 m/s y mide hasta 22 m/s, eso es suficiente para mí.
Después de que el sensor estuvo listo. Era necesario hacer electrónica.
La primera opción fue una tecnología LUT casera + una mascarilla verde procedente de China que se seca bajo luz ultravioleta.
55 en la foto son revoluciones por segundo. Era necesario convertirlo de alguna manera a m/s. Durante mucho tiempo pensé en cómo, incluso compré dos anemómetros, uno viejo de la URSS y uno chino por 50 dólares, pero hubo problemas con la verificación, porque el viento es racheado y no sopla constantemente.
Entonces se me ocurrió esto: en un día libre, papá y yo encontramos 2 km de una carretera plana fuera de la ciudad sin autos, sin viento y con árboles plantados a ambos lados (papá conducía y yo me senté a medio camino fuera de la ventana) y conduzcamos de un lado a otro. Primero configuré los anemómetros de la URSS y los chinos, me aseguré de que ambos mostraran lo mismo y correctamente, porque si divides la velocidad en el velocímetro del auto por 3,6, obtienes la cifra que los anemómetros mostraban en m/s. Papá conducía a la misma velocidad y los instrumentos mostraban el mismo viento. Así es como probé mi dispositivo. Papá agregó +5 km por hora cada vez y yo anoté un nuevo indicador (revoluciones por segundo). Las mediciones se realizaron tres veces. Cuando íbamos a más de 80 km/h (22 m/s), mi anemómetro ya no podía girar y el número se congelaba, porque no mide más de 22 m/s....
Por cierto, los chinos mostraron hasta 28 m/s. Señal de la URSS de hasta 20 m/s. Cuando lo instalé en un lugar con un programa modificado, lo revisé nuevamente con el chino, todo estuvo de acuerdo.
Ahora se está convirtiendo para Arduino.
Hay planes para agregar esto al sistema de hogar inteligente para que pueda iniciar sesión desde su teléfono inteligente y controlar las cargas en la casa, ver la temperatura en la casa (para mí esto es importante, a veces el gas se corta en el invierno y es bueno ver cuál es la temperatura) también habrá un sensor de gas y habrá una visualización positiva de la velocidad del viento cerca de la casa.
vídeo de trabajo
Resultados del trabajo de invierno
s-st --- horas durante el invierno
0 m/s --- 511,0
1 m/s --- 475,0
2m/s---386,5
3 m/s --- 321,2
4 m/s --- 219,0
5 m/s --- 131,5
6 m/s --- 63,3
7 m/s --- 32,5
8 m/s --- 15,4
9 m/s --- 9,1
10 m/s --- 5,0
11 m/s --- 3,5
12 m/s --- 2,2
13 m/s --- 1,3
14 m/s --- 0,8
15 m/s --- 0,5
16 m/s --- 0,5
17 m/s --- 0,2
18 m/s --- 0,0
19 m/s --- 0,1
Basándome en los resultados de dos inviernos, vi que mis vientos no eran fuertes y que el molino de viento no sería efectivo, así que hice uno pequeño con aspas de 50 cm. potencia máxima 150 W. Solo me aseguré de que al menos una bombilla económica brillara cuando se apagara la luz.
Ahora un poco sobre Arduino.
Encontré un diagrama de cómo funciona el mouse en Internet; ilustra claramente cómo funciona mi sistema.
Basado en el diagrama del mouse, hice el siguiente diagrama.
Los pulsos provienen del fototransistor al Arduino y este los percibe como presionar un botón.
El algoritmo del programa es el siguiente: Contamos cuántas pulsaciones de botones se produjeron en un segundo y aquí tenemos la frecuencia de rotación. Para convertir esta frecuencia a m/s. Incluso cuando lo hacía en Atmel, hice un algoritmo para calcular la frecuencia en m/s. Se veía así:
int ob_per_sec=0; // Variable que contiene las revoluciones por segundo.
int velocidad_viento=0; // El valor irá aquí después de convertir la frecuencia a m/s.
int velocidad_viento_max=0; // Aquí cae el valor máximo de lecturas de viento m/s.
int velocidad_viento_2=0; // Número de segundos desde el inicio del programa con una velocidad del viento de 2 m/s.
int velocidad_viento_3=0; // Número de segundos desde el inicio del programa con una velocidad del viento de 3 m/s.
int velocidad_viento_4=0; // Número de segundos desde el inicio del programa con una velocidad del viento de 4 m/s.
int velocidad_viento_5=0; // Número de segundos desde el inicio del programa con una velocidad del viento de 5 m/s.
…………………………………………………………..
int velocidad_viento_22=0; // Número de segundos desde el inicio del programa con una velocidad del viento de 22 m/s.
si (ob_per_sec >0 && ob_per_sec<4) { speed_wind=2; speed_wind_2++;}
si (ob_per_sec >4 && ob_per_sec<7) { speed_wind=3; speed_wind_3++; }
si (ob_per_sec >7 && ob_per_sec<11) { speed_wind=4; speed_wind_4++; }
si (ob_per_sec >11 && ob_per_sec<15) { speed_wind=5; speed_wind_5++; }
si (ob_per_sec >15 && ob_per_sec<18) { speed_wind=6; speed_wind_6++; }
si (ob_per_sec >18 && ob_per_sec<23) { speed_wind=7; speed_wind_7++; }
si (ob_per_sec >23 && ob_per_sec<27) { speed_wind=8; speed_wind_8++; }
si (ob_per_sec >27 && ob_per_sec<30) { speed_wind=9; speed_wind_9++; }
…………………………………………………………..
si (ob_per_sec >60 && ob_per_sec<67) { speed_wind=22; speed_wind_22++; }
if (speed_wind> speed_wind_max)( speed_wind_max = speed_wind ;) // verifica y reescribe si el valor máximo es mayor que el anterior registrado.
Y mostrar el valor en la pantalla.
Si es necesario, puede ver cuántos minutos sopló el viento a una determinada velocidad; para ello, debe mostrar la variable (con el índice de velocidad necesario) speed_wind_№ (pero dividirla por 60 para obtener los minutos).
En mi programa hice esto: cuando presionas un botón determinado, todas las variables se muestran una por una, desde speed_wind_1 hasta speed_wind_22.
Para fabricar un dispositivo que mida la velocidad del flujo de aire, necesitará herramientas disponibles. Por ejemplo, se pueden utilizar mitades de huevos de Pascua de plástico como palas de anemómetro. Definitivamente también necesitará un motor compacto de imán permanente sin escobillas. Lo principal es que la resistencia de los cojinetes en el eje del motor es mínima. Este requisito se debe al hecho de que el viento puede ser muy débil y entonces el eje del motor simplemente no girará. Para crear un anemómetro, bastará con un motor de un disco duro antiguo.
La principal dificultad al montar un anemómetro es realizar un rotor equilibrado. El motor deberá instalarse sobre una base masiva y se montará un disco de plástico grueso en su rotor. Luego, de los huevos de plástico, debes cortar con cuidado tres hemisferios idénticos. Se fijan al disco mediante pasadores o varillas de acero. En este caso, primero se debe dividir el disco en sectores de 120 grados.
Se recomienda realizar el equilibrio en una habitación donde no haya absolutamente ningún movimiento de viento. El eje del anemómetro debe estar en posición horizontal. El ajuste del peso generalmente se realiza mediante limas de aguja. La idea es que el rotor se detenga en cualquier posición y no en la misma.
Calibración de instrumentos
Se debe calibrar un dispositivo casero. Lo mejor es utilizar un vehículo para la calibración. Pero necesitarás algún tipo de mástil para evitar entrar en la zona de aire perturbado creada por el coche. De lo contrario, las lecturas quedarán muy distorsionadas.
La calibración sólo debe realizarse en un día tranquilo. Entonces el proceso no se retrasará. Si sopla viento, tendrás que conducir por la carretera durante mucho tiempo y calcular la velocidad media del viento. Hay que tener en cuenta que la velocidad del velocímetro se mide en km/h, y la velocidad del viento se mide en m/s. La relación entre ellos es 3,6. Esto significa que la lectura del velocímetro deberá dividirse por este número.
Algunas personas utilizan una grabadora de voz durante el proceso de calibración. Simplemente puede dictar las lecturas del velocímetro y anemómetro a un dispositivo electrónico. En podrás crear una nueva escala para tu anemómetro casero. Sólo con la ayuda de un dispositivo adecuadamente calibrado se pueden obtener datos fiables sobre las condiciones del viento en la zona requerida.
No es posible determinar a simple vista la velocidad exacta del viento. Pero esto es urgentemente necesario, sobre todo porque hoy en día se utiliza con éxito como fuente alternativa de energía eléctrica. Por lo tanto, para obtener datos precisos sobre la velocidad del viento, se desarrolló y construyó un dispositivo especial: un anemómetro. Dependiendo de los materiales utilizados y las funciones realizadas, existen varios modelos de anemómetros que se utilizan mucho en la vida cotidiana, en laboratorios y en empresas industriales.
Los modelos de anemómetro más comunes son:
- Modelo manual con impulsor, o el llamado anemómetro de paletas. Su principio de funcionamiento recuerda al funcionamiento de un ventilador, lo que le dio al dispositivo otro nombre: anemómetro de ventilación. Cuando la masa de aire golpea una amplia superficie de las palas, cambia la intensidad de su rotación y facilita el cálculo de la velocidad del viento. Desde el impulsor se lanza un mecanismo de conteo mediante un dispositivo de rueda dentada, que registra el número de revoluciones de las palas por unidad de tiempo. Solo queda calcular la velocidad, que será igual al producto de la circunferencia de la trayectoria de la pala por el número de revoluciones. La principal ventaja de este modelo es la capacidad de determinar no sólo la velocidad, sino también la dirección del viento. El ámbito de aplicación de un anemómetro de palas es la medición de los parámetros de los flujos de aire en sistemas de ventilación y tuberías.
- anemómetro de copa. El primer modelo construido por el hombre para medir la velocidad del viento. Las palas del dispositivo se asemejan a pequeñas copas, colocadas secuencialmente en los extremos de una estructura metálica y dirigidas en una dirección. El principio de funcionamiento de un anemómetro de copa es similar al de un modelo de pala. El contador, "cableado" en una caja de plástico, determina con precisión el número de revoluciones completas de las palas por unidad de tiempo. Puedes hacer fácilmente un anemómetro de este tipo con tus propias manos.
- Anemómetro térmico– realiza dos funciones a la vez: determina la velocidad y la temperatura de las masas de aire. El principio de funcionamiento se basa en las leyes de la acústica: el dispositivo detecta el sonido, determina su velocidad y calcula la velocidad del viento, al mismo tiempo que registra su temperatura. El "relleno" electrónico garantiza la precisión de las mediciones y la rápida corrección de los datos a medida que cambia la intensidad del movimiento de las masas de aire. El anemómetro de hilo caliente se utiliza ampliamente en la investigación de laboratorio y en las mediciones de control de las condiciones microclimáticas en el lugar de trabajo en grandes talleres industriales.
El principio de funcionamiento de los anemómetros de todos los modelos enumerados es casi el mismo. El dispositivo, montado en un poste alto, se eleva lo más alto posible y se instala en una dirección que permita captar con precisión el movimiento de las masas de aire. Los anemómetros mecánicos se controlan mediante un dispositivo de verificación incluido en el kit de entrega. En los modelos de inducción, las lecturas expresadas en metros por segundo se muestran en el dial incorporado.
Para hacer un anemómetro casero en casa, necesitará un modelo antiguo de videograbadora. Su unidad de rotación del cabezal será la base de un diseño futuro. Para ello, se retiran las piezas sobrantes del conjunto para dejar solo un bastidor con un eje, un bloque de cojinetes y una arandela para montar el motor. Todo lo anterior es suficiente para mediciones y cálculos. Para seguir trabajando necesitará herramientas eléctricas domésticas y un poco de paciencia:
- En la parte giratoria se perforan agujeros con un diámetro de 4 mm, en los que se instalarán las copas de las cuchillas. En uno de ellos ya hay tres orificios: estos son los lugares donde se unen los componentes internos a la grabadora desmontada. Debes guiarte por ellos al elegir los lugares para los nueve hoyos restantes.
- En los orificios se insertan pernos tipo M4 de 10 mm de largo. Las arandelas de goma cortadas de la cámara de aire de una bicicleta vieja ayudarán a asegurar de forma segura las copas y evitarán que giren sobre el eje de la cuchilla.
- Ahora necesitas tomar 4 tazas de agua de plástico del mismo tamaño y perforar un agujero de 4 mm en el fondo. Los asas de las tazas se cortan desde la raíz.
- Las copas se fijan al eje girándolas en un sentido y fijándolas con tornillos y arandelas de goma. La estructura completamente ensamblada debe girar fácilmente incluso bajo la influencia de un viento ligero.
Ahora puedes montar la estructura por completo. Para esto:
- Se instala un imán, otro elemento de la bicicleta vieja, y se fija a la parte giratoria del conjunto. Luego, la unidad de rotación se equilibra para evitar la rotación simultánea del poste junto con las palas en movimiento.
- Como sensor de conteo se puede utilizar un miniordenador extraído de la bicicleta. Se pega a la parte estacionaria del conjunto, cubriendo el imán con una lámina de cartón. Definitivamente vale la pena verificar la velocidad de respuesta del sensor con un probador.
- Solo queda conectar el cable y fijar un trozo de esquina metálica a la parte estacionaria del dispositivo para la posterior instalación de la estructura.
Para ajustar un anemómetro casero, necesitará un modelo estándar del dispositivo, fabricado en una fábrica. Durante mediciones simultáneas, las lecturas de ambos instrumentos deben coincidir completamente. Si no es posible obtener un modelo listo para usar del dispositivo, se puede verificar con un anemómetro casero mientras el automóvil está en movimiento en condiciones de total ausencia de viento. El número de revoluciones de las palas debe corresponder a las lecturas del velocímetro. Ya solo queda calcular el radio de la rueda en mm y realizar el recálculo adecuado en base a las dimensiones geométricas del anemómetro.
Después de verificar la precisión de la medición, puede comenzar a instalar la estructura en el techo de la casa. Para ello necesitará un poste suficientemente alto y resistente para que el flujo medido de masas de aire no se vea limitado por árboles y edificios cercanos. Y para completar el trabajo solo queda conectar la parte electrónica del dispositivo. Ahora el anemómetro está completamente listo para realizar su función principal: registrar la velocidad exacta del viento fuera de la ventana.