Метеостанция Ласточка / Хабр

Основные виды и варианты использования анемометра

Наиболее распространенные модели анемометра – это:

• Ручная модель с крыльчаткой, или так называемый лопастной анемометр. Его принцип действия напоминает работу вентилятора, что дало устройству еще одно название – вентиляционный анемометр. Попадая на широкую площадь поверхности лопастей, воздушная масса меняет интенсивность их вращения и позволяет легко рассчитать скорость ветра. От крыльчатки с помощью зубчатого колесного устройства запускается счетный механизм, отмечающий количество оборотов лопастей за единицу времени. Остается только вычислить скорость, которая будет равна произведению длины окружности траектории лопастей и количества оборотов. В числе главного преимущества данной модели – возможность определить не только скорость, но и направление ветра. Область применения лопастного анемометра – измерение параметров воздушных потоков в системах вентиляции и трубопроводах.

• Чашечный анемометр. Первая модель, сконструированная человеком для измерения скорости ветра. Лопасти устройства напоминают небольшие чашки, последовательно размещенные на концах металлической конструкции и направленные в одну сторону. Принцип работы чашечного анемометра аналогичен действию лопастной модели. Счетчик, «зашитый» в пластиковый корпус, точно определяет количество полных оборотов лопастей за единицу времени. Такой анемометр можно легко сделать своими руками.

• Термоанемометр – выполняет сразу две функции: определяет скорость и температуру воздушных масс. Принцип работы базируется на законах акустики: прибор улавливает звук, определяет его скорость и рассчитывает скорость ветра, одновременно отмечая его температуру. Электронная «начинка» гарантирует точность измерений и оперативную корректировку данных по мере изменения интенсивности перемещения воздушных масс. Термоанемометр находит широкое применение в ходе лабораторных исследований и контрольных замеров микроклиматических условий на рабочем месте в крупных промышленных цехах.

Принцип действия анемометров всех перечисленных моделей практически одинаков. Закрепленное на высоком шесте устройство поднимают как можно выше и устанавливают в направлении, позволяющем точно уловить движение воздушных масс. Механические анемометры контролируют по поверочному устройству, входящему в комплект поставки. На индукционных моделях показания, выраженные в метрах в секунду, отображаются на встроенном циферблате.

Описание принципиальной электрической схемы метеостанции

Согласно представленным выше требованиям технического задания была разработана принципиальная электрическая схема, представленная ниже.

Принципиальная электрическая схема метеостанции содержит микроконтроллер PIC, выполняющий сбор, обработку, индикацию, оповещение. Кроме того, микроконтроллер обеспечивает управление исполнительными устройствами.

Для нормального функционирования любого микроконтроллера требуется выполнить ряд условий: подать питание, обеспечить генерацию тактовых импульсов, организовать начальный сброс, подключить периферию к входам-выходам.

Тактовая частота контроллера метеостанции задаётся кварцевым резонатором ZQ1 (HC-49SM) 8 МГц, подключенным к выводам 9, 10 микроконтроллера.

Что понадобится для сборки?

Для работы также потребуется компьютер и паяльник. Можно использовать Pic16f628.

Внешние датчики

Выбор комплектующих начался с поиска альтернативы вышеупомянутому набору датчиков. Их исполнение не внушало доверия, хотелось найти что-то более надежное и красивое. После долгих поисков, я нашел компанию Vaisala, которая специализируется на разработке профессиональных решений для измерения параметров окружающей среды. Эта компания выпускает, например, такой надежный совмещенный анемометр, позиционируемый как лоукост решение.

Он имеет крыльчатку конусообразной формы, для большей линейности характеристики Скорость ветра — Выходная частота. После запроса цены (75000 рублей) пришлось все же вернуться к первоначальному любительскому варианту. Эти датчики не имеют в своем составе активных электрических компонентов, в них используются герконы и магниты в качестве детекторов движения.

Анемометр имеет частотный выход. При вращении крыльчатки происходит замыкание геркона с частотой пропорциональной скорости ветра. Анемометр подключен к входу одного из таймеров микроконтроллера через защитную цепь и RC фильтр для подавления дребезга контактов.

Датчик направления ветра представляет собой перестраиваемый делитель напряжения на герконах. Выходной сигнал — напряжение. Подключается к внутреннему АЦП МК так же через защитную цепь и фильтр.

Датчик дождя имеет наиболее хитрую, на мой взгляд, конструкцию. Представляет собой качель с двумя резервуарами на концах, попеременно наполняемых из воронки, расположенной над ними. При каждом опрокидывании качели замыкается геркон. Подключение к МК такое же как и у анемометра.

Для измерения влажности и температуры используется датчик SHT15. Выбран как самый точный из доступных у нашего любимого поставщика компонентов. Этот датчик имеет похожий на I2C интерфейс, но не поддерживает адресацию, поэтому его пришлось подключить к отдельной шине I2C_2.

Отличия в интерфейсе привели к программной реализации его опроса. Датчик SHT15 устанавливается снаружи устройства, это требует длинных проводов, и дополнительные устройства на той же шине могут привести к некорректной работе. Для правильного измерения влажности и температуры требуется защитить датчик от прямых солнечных лучей и осадков.

Можно было соорудить защиту из подручных материалов, но т.к. планировалось продемонстрировать метеостанцию на выставке Радэл, требования к внешнему виду были строгими. В итоге мы остановились на защите от Vaisala, ее стоимость велика, но и выглядит она соответствующе.

Индикация и устройства оповещения в проекте метеостанции

Режим работы, информационные сообщения, текущие показатели, а также результаты самодиагностики отображаются жидко-кристаллическим дисплеем. Для данного проекта метеостанции выбран четырёхстрочный 16-разрядный ЖК-дисплей WH1604B-YYH-CT# фирмы Winstar (H1). Управление яркостью подсветки дисплея осуществляется с помощью триммера R21 (3214G) фирмы Bourns.

Дистанционная индикация режимов работы метеостанции осуществляется:

• светодиодами HL2…HL4 (ARL-2835CW-L80);
• пьезокерамическими звукоизлучателями BA1, BA2.

Светодиод HL2 служит для индикации работы схемы. Его свечение служит признаком нормальной работы устройства. Свечение двух других светодиодов служит признаком отклонения от нормального режима работы:

• HL3 – предупреждение
• HL4 – критическая ошибка или угроза жизни и здоровью персонала.

Как выбрать

При выборе той или иной модели в первую очередь нужно выяснить с какой целью будет использоваться прибор и в каких условиях.

Необходимо учесть все факторы, чтобы устройство оптимально подходило для решения поставленной перед ним задачи. Очень важно обратить внимание на:

• технические характеристики (особенно – в каком диапазоне производится измерения скорости воздушного потока);

• конструкцию корпуса (отдельно – диаметр чашек);

Преимуществом инструмента будет наличие вспомогательных функций, которые могут понадобиться при измерении, сборе или обработки данных замеров. Опция выбора единиц измерения – немаловажный фактор, который встречается далеко не в каждом анемометре.

Калибровка прибора

Самодельный прибор обязательно должен быть откалиброван. Для калибровки лучше всего использовать автомобиль. Но понадобится какая-то мачта, чтобы не попал в зону возмущенного воздуха, создаваемого автомобилем. В противном случае показания будут сильно искажены.

Калибровку следует проводить только в безветренный день. Тогда процесс не затянется. Если же будет дуть ветер, придется долго ездить по дороге и вычислять средние значения скорости ветра. Нужно учитывать, что скорость спидометра измеряется в км/ч, а скорость ветра в м/с. Соотношение между ними – 3,6. Это значит, что показания спидометра потребуется разделить на это число.

Некоторые люди в процессе калибровки используют диктофон. Можно просто надиктовать показания спидометра и анемометра на электронное устройство. В вы сможете создать новую шкалу для своего самодельного анемометра. Только с помощью правильно откалиброванного прибора можно получить достоверные данные о ветровой обстановке в необходимой зоне.

Анемометр – измеритель скорости ветра

Наконец дело дошло и до анемометра. Имея опыт изготовления уже трех ветрогенераторов я так и не знаю точно на каком ветре и сколько дают мои ветряки. Сейчас всего один ветрогенератор в строю, мой самый удачный, хотя и собранный весь ” на коленке”. Я примерно и представляю силу ветра и могу отличить ветер в 5 м/с от 10 м/с, но все-же хочется более точно знать скорость ветра чтобы определять мощность ветрогенератора.

Несколько дней время от времени думал из чего-же сделать анемометр, но из хлама, имеющегося дома пока ничего толкового не вырисовывалось. Нашел два маленьких моторчика от DVD плеера, но они что-то уж больно крошечные и лопасти к тонкому валу трудно придумать.

Попался мне на глаза автомобильный вентилятор, такие в грузовых авто ставят обычно. Вот его та я и замучил. Разобрал и достал моторчик. С винта сломал лопасти и осталось только основание – центральная часть, которая на вал надевается. Далее думал какие лопасти к нему приделать, пробовал и донышки пластиковых бутылок и банки консервные, но все это мне не нравилось.

Потом отыскал кусок ПВХ трубы диаметром 5см, и длинной50 см. Из нее сделал 4 лопасти, просто порезал трубу вдоль на две половинки, и половинки, каждую на две части, получилось 4 лопасти. В основании, которое осталось от родного винта просверлил 4 отверстия для крепления лопастей, так-же и в лопастях сделал 4 отверстия. Все это дело скрутил на болтики и получился четырех лопастной винт – савониус (первая “серьезная” вертикалка).

Ну а далее нашел провода нужной длинны, сростил метром 5 антенного кабеля и метров 8 обычного. провода сразу подсоединил чтобы замерять параметры с учетом длинны провода, так-как данные могут различаться если делать замеры на метровом проводе, или на 13 м.

Потом нашел кусок металлической трубки длинной около 80-90 см, ее изогнул буквой Z и примотал моторчик. Этой трубкой анемометр будет крепиться к мачте. Тут ничего сложного, можно использовать любой подручный материал.

Ну а далее, как собрал полностью анемометр, я его чтобы откалибровать установил на свой мотоцикл. Ниже на фото можно видеть как это сделано, все примитивно и просто. На зеркало приматах изолентой мыльтиметр, в общем кое-как все закрепил чтобы освободить руки для управления мотоциклом.

Этот осенний денек очень удачный из-за практически полного отсутствия ветра, что кстати и послужило быстрой сборки анемометра, не пропадать-же такому дню. На асфальт выезжать не хотелось, так-как с непонятной штуковиной спереди мотоцикла я бы привлекал к себе внимание, поэтому решил проехаться по полям вдоль лесопосадок.

Катался туда сюда и в разных направлениях и записывал в телефон показания мультиметра при разных скоростях движения. Стартовал анемометр со скорости 7 км/ч, и я постепенно откатал туда сюда на разных скоростях начиная с 10 км/ч и максимальная 40км/ч, можно было и больше, но грунтовые дороги очень не ровные и сильно не разгонишься.

После покатушек нарисовались вот такие данные. Мультиметр показал при 10км/с =0.06V , при 20км/ч=0.12V, при 30=0.20V, при 40км/ч=0.30V.

Потом с помощью калькулятора я высчитал показания для промежуточных значений скорости ветра.

Вольты-скорость ветра м/с.

Данные выше 11 м/с вычислил нарисовав на листке бумаги график роста напряжения в зависимости от скорости ветра, который плавно продолжил до 15 м/с. Этим-же днем, а точнее уже вечером установил анемометр на мачту к ветрогенератору. Опустил ветряк и примотал ниже анемометр.

Трубу временно притянул на проволоку и обмотал дополнительно изолентой, получилось вроде крепко. Ну а далее поднял все это дело на место и теперь рядом с ветрогенератором на мачте теперь стоит анемометр, который стартует при 3м/с и исправно показывает скорость ветра.

Ниже на фото уже поднятый ветрогенератор с закрепленным анемометром. Более подробно я не стал фотографировать, так-как там ничего сложного нет, и повторять нечего. Анемометр собрать можно из чего угодно, из практически любого моторчика. Калибровать конечно удобнее на автомобиле.

Пока все, эта первая версия этого анемометра, и я думаю не последняя. А пока дождусь ветра и узнаю что дает мой ветрогенератор. Ну и дополню эту статью этими данными. А может что-нибудь придется переделывать.

Дополнение

Не нагруженый ничем винт анемометра резко реагирует на каждый порыв и изменение скорости ветра. А нагруженый винт этого ветрогенератора все-таки запаздывает в реакциях, и из-за этого не синхронные данные в показаниях. Сегодня ветер 3-7 м/с, анемометр правда ловил пару порывов до 10м/с, но они длились менее секунды и ветрогенератор просто не упевал на них реагировать.

Спустя некоторое время наблюдений нарисовались некоторые средние значения силы тока от ветрогенератора при определенном ветре. Стартует винт с 3,5-4 м/с, зарядка 0.5А на 4м/с, 1А на 5м/с, 2,5А на 6м/с, 4А на 7м/с, 5А на 8м/с

. Эти данные усредненные, так-как амперметр аналоговый стот, и я могу ошибаться до 0.5А в показаниях силы тока от ветрогенератора.

Анемометр своими руками

Наконец я сделал анемометр и откалибровал катаясь на мотоцикле. За основу взял автомобильный ветилятор и из подручных материалов собрал анемометр

Измеритель скорости ветра своими руками

Появилась задача собрать для одного проекта анемометр, чтобы снимать данные можно было на компьютере по интерфейсу USB. В статье речь пойдет больше о самом анемометре, чем о системе обработки данных с него:

1. Компоненты

Итак, для изготовления изделия понадобились следующие компоненты: Шариковая мышь Mitsumi — 1 шт. Мячик для пинг-понга — 2 шт. Кусок оргстекла подходящего размера Медная проволока сечением 2,5 мм2 — 3 см Стержень от шариковой ручки — 1 шт. Палочка от конфеты чупа-чупс — 1 шт. Клипса для кабеля — 1 шт. Полый латунный бочонок 1 шт.

2. Изготовление крыльчатки

К латунному бочонку были припаяны 3 куска медной проволоки длиной 1 см каждый под углом 120 градусов. В отверстие бочонка я припаял стойку из китайского плеера с резьбой на конце.

Трубочку от конфеты разрезал на 3 части длиной около 2 см.

Разрезал пополам 2 шарика и с помощью мелких шурупов из того же плеера и полистирольного клея (клеевым пистолетом) прикрепил половинки шарика к трубочкам от чупа-чупса.

Трубочки с половинками шарика надел на припаянные куски проволоки, сверху все закрепил клеем.

3. Изготовление основной части

Несущим элементом анемометра является металлический стержень от шариковой ручки. В нижнюю часть стержня (куда вставлялась пробка) я вставил диск от мышки (энкодер). В конструкции самой мышки нижняя часть энкодера упиралась в корпус мышки образуя точечный подшипник, там была смазка, поэтому энкодер легко крутился.

Но нужно было зафиксировать верхнюю часть стержня, для этого я подобрал подходящий кусок пластика с отверстием точно по диаметру стержня (такой кусок был вырезан из системы выдвигания каретки CD-ROMa). Оставалось решить проблему с тем, чтобы стержень с энкодером не выпадал из точечного подшипника, поэтому на стержне непосредственно перед удерживающим элементом я напаял несколько капель припоя. Таким образом, стержень свободно крутился в удерживающей конструкции, но не выпадал из подшипника.

Причина, по которой была выбрана схема с энкодером, следующая: все статьи о самодельных анемометрах в Интернете описывали их изготовление на базе двигателя постоянного тока от плеера, CD-ROMa или еще какого изделия. Проблема с такими устройствами во первых в их калибровке и малой точности при малой скорости ветра, а во вторых — в нелинейной характеристике скорости ветра по отношению к выходному напряжению, т.е. для передачи информации на компьютер есть определенные проблемы, нужно просчитывать закон изменения напряжения или тока от скорости ветра.

При использовании энкодера такой проблемы нет, так как зависимость получается линейной. Точность высочайшая, так как энкодер дает около 50 импульсов на один оборот оси анемометра, но несколько усложняется схема преобразователя, в котором стоит микроконтроллер, считающий количество импульсов в секунду на одном из портов и выдающий это значение в порт USB.

4. Испытания и калибровка

Для калибровки был использован лабораторный анемометр

Измеритель скорости ветра

Анемометр мастер-класс с фото сделай сам мастер-класс

Метеостанция своими руками (погодная станция)

Микроконтроллер

Из всей широкой номенклатуры предлагаемых микроконтроллеров следует уделить внимание микроконтроллерам фирмы PIC.

Отличительной особенностью данных устройств является:

• хорошая преемственность различных семейств;
• программная совместимость;
• совместимость по выводам, периферии, напряжениям питания.

При выборе микроконтроллера PIC, остановим свой выбор на 8-битном микроконтроллере PIC16F883-I/SO. Число портов выбранного микроконтроллера является достаточным для подключения внешних устройств. Данный факт позволяет упростить схему, повысить её надёжность, уменьшить габариты.

Для получения информации о параметрах окружающей среды следует задействовать в разрабатываемой принципиальной электрической схеме датчики:

• влажности;
• температуры;
• давления;
• высоты.

Опыт эксплуатации

Естественно, как только температура упала ниже нуля, намертво замерз датчик дождя. Снег детектировать он все равно не умеет. В процессе разработки видел, что умельцы в этот датчик встраивают мощные резисторы для подогрева, но мне такой подход не понравился. В будущем решил разработать простой детектор осадков, выглядит он примерно так:

Принцип его работы следующий: имеется печатная плата с парами проводников не покрытых маской, при попадании воды на поверхность платы сопротивление между ними уменьшается. Для работы датчика в холодное время года необходимо обеспечить подогрев печатной платы.

Так же проблемой было найти рабочий счетчик Гейгера. В запасах лежало две штуки СБМ-20, но оба оказались не рабочими. Сейчас в устройстве установлен не идентифицированный крошечный счетчик Гейгера, который можно увидеть на плате в левом нижнем углу.

На данном этапе все силы сосредоточены на доделке программного обеспечения и поднятии веб сервера для погодной станции. Было найдено открытое программное обеспечение WeeWX, оно умеет общаться с большинством метеостанций, писать их показания в базу данных, генерировать HTML страницы с графиками и текущими показаниями и т.д. Для WeeWX написан драйвер реализующий наш протокол обмена.

Страницу с показаниями нашей метеостанции можно увидеть тут. Пока что она в разработке, возможно не корректное отображение данных.

Одна из амбициозных идей разработать ультразвуковой датчик направления и скорости ветра, у него есть большое преимущество перед механическими — он не может застопориться из-за обледенения. Принцип действия анемометров ультразвукового типа основан на измерении скорости звука, которая изменяется в зависимости от ориентации вектора движения воздуха (направления ветра) относительно пути распространения звука.

Выглядит эта конструкция следующим образом.

Судя по отметкам затраченного времени в редмайне, на разработку железной части потрачено около месяца. Много из этого времени затрачено на любование различными датчиками и душевным метаниям при выборе компонентов системы. На ПО затрачено около двух недель, и около недели ушло на разработку драйвера для WeeWX.

В целом для меня проект оказался очень интересным, было совершено увлекательное путешествие в мир метеорологических измерений.

Отдельно хочу поблагодарить ana_lazareva за активное участие в создании метеостанции.

Подключаем кабель

Кабель датчика удлинен на 7 метров с применением кабеля для построения компьютерной сети. Для удобства подключения на кабель и в разрывы сигнального кабеля велокомпьютера установлены разъемы от вентиляторов и блока питания компьютера. Сам велокомпьютер выполнен в настольном варианте, при помощи медной проволоки прикручен к магнитной системе двигателя видеоголовки. Получилась устойчивая конструкция.

Основание
Основание
Разъём
Настольный вариант

Порядок выполнения работы

Также важно позаботиться, чтобы на корпусе осталось отверстие для разъема, отвечающего за питание метеостанции. Лучше всего использовать дисплей LCD 1602. В нем 6 пинов.

О том, как сделать метеостанцию своими руками, смотрите далее.

Разработка печатной платы метеостанции

Разработанная печатная плата метеостанции представлена на рисунках 2 (верхняя сторона) и 3 (нижняя сторона).

Выполненный сборочный чертеж для изготовления самодельной печатной платы метеостанции представлен на рисунке 4.

Самые популярные модели

На рынке сейчас представлено большое разнообразие моделей чашечных анемометров с совершенно разной ценовой политикой как иностранного происхождения, так и отечественного. Также существуют достаточно много сайтов, блогов, видео-уроков и примеров для того, чтобы сделать ручной чашечный анемометр собственными силами.

Но, несмотря на широкий выбор и возможность использовать самодельные приборы, выделяют несколько моделей, которые очень часто встречаются в различных практиках для измерения скоростей воздушных потоков и других дополнительных задач.

Модели, которые за счёт своих функциональных возможностей и удобств в эксплуатации, завоевали высокую популярность у потребителей:

Чаще всего встречается в агро-сфере и в спорте. Устройство устойчиво к попаданию воды на дисплей. Единицы измерения: м/с, км/ч, фут/мин, узлы и миль/ч. Отображает текущее, минимальное или максимальное значения.

Автоматическое отключение устройства позволяет сохранять заряд батарей. Функция сохранения последних 100 измерений. Степень защиты: IP65. Производство: Германия. Гарантия: 1 год.

• Анемометр Skywatch METEOS:

Прибор измеряет текущую скорость ветра, максимальное и минимальное значение. Кроме того, присутствуют датчики измерения температур окружающей среды и охлаждения воздушного потока. Единицы измерения — м/с, км/ч, футы/сек, мили/ч, узлы, бофорты.

Измеряет среднее значение за промежуток времени от 3 секунд до суток. Автоматическое отключение дисплея – 5 секунд. Степень зашиты IP67, что допускает кратковременное нахождение под водой на уровне 1 м, и делает его особо популярным в области водного спорта. Также часто используют в промышленности (в шахтах, дымоходах). Производство: Швейцария. Гарантия: 1 год.

Многозадачный инструмент, так как проводит измерение основной характеристики (скорости ветра), температуры воздуха, а также направление потока, что возможно благодаря флюгерному директору, который входит в комплект к данному прибору. Единицы измерения: м/с, км/ч, миль/ч, º C, CFM, CMM.

Есть дополнительная функция расчета объемного расхода воздуха. Дисплей с подсветкой и автоматическим отключением. Предназначен для метеорологических и навигационных измерений; широко используется в промышленности (шахты, вентиляционные каналы, отопления и холодильные установки). Производство: Китай. Гарантия: уточнять при покупке.

Анемометр чашечный – необходимый прибор, который применяется во многих областях. Несмотря на внушительный «возраст» идеи механизма и его принципа, устройство с каждым поколением модифицируется, «наращивая» в своём арсенале дополнительные возможности.

Не трудно предположить, что в будущем инструмент будет также существовать, а вот какие дополнительные возможности будут включены – вопрос остаётся открытым.

Схема подключения и настройки анемометра

Для точной настройки самодельного анемометра потребуется стандартная модель устройства, изготовленная в заводских условиях. В ходе одновременно выполняемых замеров показания обоих приборов должны полностью совпадать. В случае если достать готовую модель устройства не представляется возможным, самодельный анемометр можно проверить в ходе движения автомобиля в условиях полного отсутствия ветра.

После проверки точности измерения можно приступать к установке конструкции на крышу дома. Для этого понадобится достаточно высокий прочный шест, чтобы измеряемый поток воздушных масс не ограничивали расположенные рядом деревья и постройки. И для полного завершения работ остается только подключить электронную часть прибора. Теперь анемометр полностью готов выполнять свою основную функцию – фиксировать точную скорость ветра за окном.

Схема устройства

Был выбран микроконтроллер STM32F207VC. Конечно, с такой задачей справится микроконтроллер и попроще, но задача развлекательная, цена для единичного изделия не критична, да и к тому же данный микроконтроллер мы широко применяем в своих разработках – экономия времени при проектировании.

По шине I2C_1 подключаются датчики температуры устройства, давления, освещенности, а также акселерометр и два усилителя токового шунта.

Внутренний датчик температуры STLM75 позволяет отслеживать температуру устройства. Интересно наблюдать, как внутренняя температура увеличивается на солнышке.

Датчик давления от ST LPS25. MEMS датчик с цифровым выходом.

Датчик освещенности OPT3001 со спектральной чувствительностью близкой к человеческому глазу. Не совсем подходящий для данной задачи, т.к. при измерении мощности солнечной радиации используются датчики с более широким спектральным диапазоном, с захватом ИК и УФ. Однако мне достаточно было определять освещенность в виде темно/светло.

Акселерометр LSM303D. Идея использовать его как детектор кражи при автономной работе. Из интересных функций — определение свободного падения и генерация прерывания для МК.

Усилители токового шунта с цифровым выходом позволяют измерять напряжение и ток питающей шины, на борту производить вычисление мощности, генерировать прерывания при выходе параметров за установленные рамки. Используются для контроля потребляемой и генерируемой мощности.

3 интерфейса UART задействованы следующим образом:

• Внешний проводной интерфейс. Установлен преобразователь UART-RS485 c гальванической развязкой. Применяется решение от Texas Instruments на базе микросхемы ISO3086T. Данная микросхема имеет в своем составе драйвер трансформатора, что позволяет питать выходную часть конвертера без дополнительного источника.

• GSM модуль SIM900. Можно было подобрать что-нибудь более современное с 3G и малопотребляющее, но этот был на полке и в библиотеке компонентов PCB CAD.

• GPS модуль для получения точного времени, выбран по тем же соображениям.

В качестве «чего бы еще поставить» на свободные пины, нашелся красивый графический OLED дисплей с разрешением 128*64. Да, конечно, дисплей внутри станции ни к чему, но через прозрачную крышку корпуса он смотрится очень красиво и полезен при установке для контроля правильности соединений.

Из-за любви к газоразрядным приборам в списке датчиков появился детектор ионизирующего излучения на счетчике Гейгера СБМ-20. Он детектирует гамма-излучение. Хотелось поставить СБМ-19, он имеет большую чувствительность, за счет большего объема камеры, но по этой же причине он не влез в приглянувшийся мне корпус.

Для работы счетчика Гейгера необходимо питание 400 вольт. Источник высокого напряжения выполнен по бестрансформаторный схеме на основе MC33063AD. Спорное решение, но хотелось попробовать из 5 вольт сделать 400 именно по этой схеме. Из особенностей — нужен высоковольтный транзистор с малым пороговым напряжением затвора, например ZVN0545.

Счетчик включен по схеме с заземлением катода. Чаще встречается схема с резистором в цепи катод-земля для детектирования скачка тока в счетчике. Сделано из соображений помехоустойчивости, лучше иметь заземленный металлический баллон счетчика, являющийся катодом. Так же он удачно отделяет высоковольтный шумный источник питания от остальной схемы на плате.

Детекторная секция выполнена по простой схеме. При попадании частицы в счетчик происходит бросок тока через него, из-за чего изменяется потенциал анода, что приводит к появлению тока в цепи базы и, как следствие, уменьшению напряжения на выходе детектора.

Разработка схемы питания потребовала больше всего времени. Имеется три источника энергии: внешняя сеть, солнечная батарея и встроенный аккумулятор. На входе внешнего питания установлен гальванически развязанный DC-DC преобразователь. Входной диапазон 9-36 вольт, выход 5 вольт.

Для работы с солнечной батареей используется специальная микросхема step-up преобразователя с встроенной функцией MPPT (отслеживание точки максимальной мощности). Этот способ используется для получения максимально возможной мощности на выходе фотомодулей.

В схеме используются 2 самопереключающихся мультиплексора питания, для автоматического выбора источника питания. В этой схеме переключения были допущены ошибки. Отсутствует возможность самоотключения питания при низком заряде аккумулятора. И, наверное, было бы более правильным сделать так, чтобы солнечная батарея могла заряжать аккумулятор, не питая при этом устройство.

После трассировки плата приобрела следующий вид:

Был выбран вместительный корпус с прозрачной передней крышкой. Очень кстати пришлась опция от производителя — элемент для выравнивания давления (на фото ниже находится слева от разъемов). Он обеспечивает равенство давлений внутри и снаружи корпуса, что необходимо для датчика давления, расположенного внутри, а также обеспечивает большую герметичность прибора при перепадах давления.

Для подключения внешних датчиков, питания и связи используются промышленные разъемы M12. Разъем M12 обеспечивает высокую герметичность и надежное электрическое соединение. Для установки корпуса на стойку отлично подошел крепеж для водопроводных труб.

Близилась выставка, но схема питания от солнечных батарей еще не была отлажена, поэтому было решено использовать внешнее питание и проводной интерфейс.

Было быстро написано встроенное ПО, для начала ограничились опросом всех датчиков, выводом параметров на дисплей и обменом данными по проводному интерфейсу RS-485. Для ПК была написана программа, реализующая обмен со станцией и вывод параметров.

Для подключения к компьютеру спроектировали переходник USB — RS485 с инжектором питания. В SoldWorks был спроектирован корпус, он выполнен из прозрачного листового пластика для возможности созерцания внутренностей. Изготовлен он в ближайшей рекламной мастерской при помощи лазерной резки. Получилось весьма неплохо, на мой взгляд.

В качестве источника применяется сетевой AC-DC преобразователь на 24В. Преобразователь USB — UART основан на всеми любимой FTDI FT232, UART- RS485 на таком же решении от Texas Instruments, что и в самой метеостанции.

На выставке метеостанция вызвала живой интерес. Профессионалы погодной индустрии, заходившие на наш стенд, называли ее поделкой, студенты фотографировались на ее фоне, мы были довольны.

После выставки не терпелось установить станцию на крышу, подвергнуть испытаниям суровой стихией. Из подручных материалов было собрано основание. Теперь внешний вид нас не беспокоил, главное надежность. Получилась суровая конструкция с оттяжками из шпильки и цепи. Выдержит ураган!

Станция была установлена на крыше жилого дома. Тащить витую пару с крыши через 5 этажей в квартиру оказалось очень увлекательным занятием.

Термоанемометр

Термоанемометр сочетает в себе функции двух устройств

Принцип работы термоанемометра такой же, как и у всех акустических приборов – он измеряет скорость звука, а затем на основании этих данных передает информацию о скорости ветра. Данным прибор является электронным и используется чаще двух первых, к тому же он, работая по принципу акустического термодатчика, показывает температуру воздуха.

Это ультразвуковой анемометр и его конструкция достаточно сложна. Поэтому его применяют для контроля микроклимата на рабочих местах в различных промышленных отраслях. В продаже существует много разновидностей портативных цифровых термоанемометров – анемометр тесто и проч.

Кроме трех вышеописанных, выпускается так называемый анемометр ручной индукционный «АРИ-49». В него вмонтирован электрический счетчик (рисунок «в»).

Узел крепления

Узел крепления выполнен из уголка купленного в строительном магазине. Уголок двумя длинными винтами прикреплен к неподвижной части. Особенности крепления зависят от конкретного конструктивного исполнения головки видеомагнитофона.

Уголок

Уголок доработан
Уголок доработан
Уголок установлен

Устройство

Такой функционал доступен исключительно дорогим устройствам, дешевые могут только показывать температуру и влажность. Из-за скудного функционала подобные модели сложно назвать метеостанцией.

Чтобы получить правдивые данные, датчики устанавливают на небольшом расстоянии друг от друга. Данное требование указано в инструкции к эксплуатации. Есть одна особенность у подобного оборудования – чем дальше друг от друга стоят датчики, тем точнее будут показания на метеостанции. Получаемое среднее значение позволяет снизить уровень погрешности.

Чашечный анемометр своими руками: схема устройства

Для изготовления самодельного анемометра в домашних условиях понадобится старая модель видеомагнитофона. Его блок вращения головок станет основой будущей конструкции. Для этого с узла снимают лишние детали, чтобы получить в остатке только каркас с осью, блок подшипников и шайбу для крепления двигателя.

• Во вращающейся части высверливаются отверстия диаметром 4мм, на которых будут устанавливаться чашки лопастей. Три отверстия на одной из них уже есть – это места креплений внутренних узлов в разобранном магнитофоне. По ним стоит ориентироваться, выбирая места для оставшихся девяти отверстий.
• В отверстия вставляют болты типа М4 длиной 10мм. Надежно закрепить чашки и исключить их вращение на оси лопасти помогут резиновые шайбы, вырезанные из старой велосипедной камеры.
• Теперь нужно взять 4 пластмассовые кружки для воды одного размера и просверлить в дне отверстие 4мм. Ручки чашек срезают «под корень».
• Чашки крепят на оси, разворачивая их в одном направлении и фиксируя с помощью болтов и резиновых шайб. Полностью собранная конструкция должна легко вращаться под воздействием даже легкого ветра.

Теперь можно собрать конструкцию полностью. Для этого:

• На вращающуюся часть узла устанавливается и крепится магнит, еще один элемент старого велосипеда. Затем проводится балансировка узла вращения, чтобы исключить одновременное вращение шеста вместе с движущимися лопастями.
• В качестве счетного датчика можно использовать снятый с велосипеда мини-компьютер. Его приклеивают к неподвижной части узла, закрыв магнит листом картона. Обязательно стоит проверить датчик тестером на быстроту срабатывания.
• Остается подключить кабель и закрепить на неподвижной части устройства кусок металлического уголка для последующего монтажа конструкции.

Подведение итогов

Разработанная метеостанция должна реализовывать заданный цикл регистрации, обработки и вывода информации. Данные должны быть представлены в числовой и графической форме, удобной для восприятия оператором.

Очевидно, что для выполнения поставленных задач следует использовать микропроцессорную систему.  Для этого в проекте метеостанции необходимо примененить микроконтроллер.

Так как в отличие от устройств, собранных на традиционной элементной базе, устройства с применением микроконтроллеров:

• проще;
• надежнее;
• не требуют регулировки;
• выигрывают по размерам.

Кроме того, появляется возможность по добавлению новых потребительских функций и возможностей. Что также является немаловажным фактором, говорящим в пользу микроконтроллера.

Выводы по разработке метеостанции

По результатам разработки проекта метеостанции был сделан ряд выводов. При следующей модификации разработанного устройства было решено внести следующие изменения в конструкцию:

• добавить дополнительный литиевый источник питания;

Введение данного изменения в схему повысит автономность работы спроектированной метеостанции. Например, при перебоях и неисправностях питающей бортовой сети.

• заменить два светодиода аварийного режима – RGB модулем;
• расширить возможности управления исполнительными устройствами, задействовав больше линий микроконтроллера;
• улучшить эргономику;
• добавить в слой шелкографии подписи кнопок и светодиодных индикаторов.

Всё это необходимым сделать после отладки работы печатной платы и проведения испытаний метеостанции.