Мини-флюгер для ультразвукового анемометра

• Платформы: Arduino Uno

• Тэги: метео, метеостанция, ветер, скорость ветра, аудио, mp3, dfplayer, анемометр

Для изготовления информера нам понадобятся:

10. Карта памяти microSD объемом ≤32 ГБ

11. Динамик или колонка мощностью ≤3 Вт

1. Соберите аппаратную часть по схеме, изображённой на рисунке выше (питание на данном этапе не подключайте).

2. Запишите на microSD 7 композиций с именами 01.mp3…07.mp3.

3. Вставьте microSD в MP3-модуль.

4. Подключите питание.

5. Прошейте Arduino Uno скетчем, приведённым ниже (на время прошивки необходимо отсоединить провода «TX» и «RX» от Arduino Uno).

6. Подуйте на анемометр, убедитесь в работоспособности. При воспроизведении композиций на MP3-модуле будет зажигаться светодиод.

wind_informer.ino

#include <mp3TF.h> 
mp3TF mp3tf = mp3TF ();unsigned int speed;unsigned char prev_speed;unsigned int speed_change_counter = 0;boolean speed_changed = false; void setup(){ mp3tf.init(&Serial); Serial.begin(9600);} unsigned int measureSpeed(){ return analogRead(A0);} void saySpeed(){ unsigned char pseudospeed = speed/40;  if(pseudospeed == 0) mp3tf.stop(); else if(pseudospeed > 6) mp3tf.play(7); else mp3tf.play(pseudospeed);} void loop(){ speed = measureSpeed();  if (abs(speed-prev_speed) > 40 && speed/40 != prev_speed/40) { speed_change_counter = 0; speed_changed = true;  prev_speed = speed; } else { if(speed_changed) { if(++speed_change_counter == 10) { speed_changed = false;  saySpeed(); } } }  delay(100);}

2. Автономную метеостанцию. Несмотря на потребление в 30 мА, анемометр может быть использован и в автономных устройствах. Для этого надо подавать на него питание через MOSFET-транзистор. Одно измерение будет занимать 1 секунду, а следовательно расходовать всего 8,3 нА·ч. Если снимать показания 1 раз в 1 минуту, то на батарее из двух стандартных АА Li-Ion аккумуляторах устройство сможет проработать более полугода.

• Платформы: Teensy, Arduino Uno

• Тэги: метеостанция, погода, температура, влажность, прогноз

В этой статье мы расскажем о том, как собрать полноценную метеостанцию,
передающую данные о погоде на широко известный сервис
«народный мониторинг».

Наша метеостанция будет состоять из двух устройств: компактного автономного
устройства, измеряющего погодные показатели, и устройства-ретранслятора,
получающего эти показатели и отправляющего их на «народный мониторинг».
Устройства будут связываться по беспроводному каналу связи на частоте 433 МГц.
Автономная часть будет питаться от трёх пальчиковых батареек и сможет
просуществовать на одном комплекте батарей до года при периоде опроса датчиков
в 20 мин.

Такая конструкция позволяет не сверлить стены для прокладки проводов с улицы, где необходимо производить измерения, в помещение, где результатами этих
измерений надо пользоваться.

Для изготовления автономного передатчика нам понадобятся:

5. Держатель пальчиковых батареек на x3 AA

Для изготовления ретранслятора нам понадобятся:

Так же удобно установить два светодиода для индикации процессов:

Для звуковой индикации разряда батареи автономной части удобно использовать
пьезо-пищалку:

На этом сборка минимально функционального ретранслятора закончена. Если вы хотите установить светодиодную индикацию и звуковую сигнализацию, то выполните пункты ниже.

meteo_sensor.ino

#include <Arduino.h>#include <SHT1x.h>#include <LowPower_Teensy3.h>#include <ampline.h> 
 // Таймаут между посылками (не более 65535)#define TIMEOUT 60000 // Количество попыток отправки посылки#define ATTEMPTS 3 // Информационный пин передатчика#define RF_PIN 5 // Пины датчика температуры и влажности#define GND1_PIN 10#define VCC1_PIN 11#define GND2_PIN 7#define VCC2_PIN 8#define DATA_PIN 12#define CLK_PIN 9 
 
AmperkaLine rf(RF_PIN);SHT1x sht1x(CLK_PIN, DATA_PIN); 
 void loop(void); 
 // Функция усыпления платы. Каждые TIMEOUT секунд// будет вызываться функция loop_func.TEENSY3_LP LP = TEENSY3_LP();sleep_block_t* LP_config; void sleep_mode(void){ LP_config = (sleep_block_t*)calloc(1,sizeof(sleep_block_t));  // Просыпаться будем по таймеру LP_config->modules = (LPTMR_WAKE); // Задаём таймаут для таймера LP_config->lptmr_timeout = TIMEOUT; // По истечении таймаута будет вызываться функция loop LP_config->callback = loop;  LP.Hibernate(LP_config);} 
 // Функция включения периферииvoid periferial_start(void){ // Включаем линию передачи данных pinMode(RF_PIN, OUTPUT);  // Включаем питания и земли датчиков температуры и влажности pinMode(GND1_PIN, OUTPUT); pinMode(GND2_PIN, OUTPUT); pinMode(VCC1_PIN, OUTPUT); pinMode(VCC2_PIN, OUTPUT); digitalWrite(GND1_PIN, LOW); digitalWrite(GND2_PIN, LOW); digitalWrite(VCC1_PIN, HIGH); digitalWrite(VCC2_PIN, HIGH);  // Включаем светодиод для индикации передачи pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // Выбираем в качестве опорного напряжения внутренний analogReference(INTERNAL);} 
 // Функция выключения периферииvoid periferial_stop(void){ // Выключаем линию передачи данных pinMode(RF_PIN, INPUT);  // Выключаем датчик температуры и влажности pinMode(GND1_PIN, INPUT); pinMode(GND2_PIN, INPUT); pinMode(VCC1_PIN, INPUT); pinMode(VCC2_PIN, INPUT);  pinMode(18, INPUT_PULLUP); pinMode(19, INPUT_PULLUP);  // Выключаем светодиод digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);} void setup(void){ // Ничего не инициализируем, сразу засыпаем sleep_mode();} // Эта функция выполняется раз в TIMEOUT секундvoid loop(void){ unsigned long msg; byte temp, humidity, voltage;  // Включаем периферию periferial_start();  // Подождём, пока включится датчик температуры и влажности delay(30);  // Получаем входные данные с сенсоров temp = (byte)(sht1x.readTemperatureC() + 40.)*2; humidity = (byte)sht1x.readHumidity(); voltage = analogRead(A0)/4;  // Составляем из данных посылку msg = 0; msg |= voltage; msg <<= 8; msg |= humidity; msg <<= 8; msg |= temp;  // Отправляем несколько раз посылку for(int i = 0; i < ATTEMPTS; i++) rf.send(msg);  // Выключаем периферию periferial_stop();  // После выхода из функции плата снова уснёт}

receiver.ino

#include <Arduino.h>#include <SPI.h>#include <Ethernet.h>#include <ampline.h> 
 
byte mac[] = { 0x90, 0xA7, 0xDA, 0x0F, 0xBC, 0x75 }; char server[] = "narodmon.ru"; 
EthernetClient client; const int rfpin = 7;AmperkaLine rf(rfpin); void setup(void){ pinMode(rfpin, INPUT); pinMode(6, OUTPUT);  Serial.begin(9600); Serial.println("Started.");} void loop(void){ static unsigned long pushtimeout = 0; static float temp, humidity, voltage; unsigned long msg; int res;  if((res = rf.receive(&msg)) == 0) { temp = ((float)(msg&0xFF))/2. - 40.; msg >>= 8; humidity = (float)(msg&0xFF); msg >>= 8; voltage = (float)(msg&0xFF) / 256. * 1.2 * 10 * 1.1;  digitalWrite(6, HIGH);  Serial.print("Temp: "); Serial.print(temp); Serial.print(", humidity: "); Serial.print(humidity); Serial.print(", voltage: "); Serial.println(voltage);  digitalWrite(6, LOW); } else Serial.println('E');  if(millis() - pushtimeout > 60000*5) { pushtimeout = millis();  Serial.println("Starting Ethernet...");  if (Ethernet.begin(mac) == 0) { Serial.println("Failed to configure Ethernet using DHCP"); while(1) { } } delay(1000); Serial.println("connecting...");  if (client.connect(server, 8283)) { Serial.println("connected");  client.println("#90-A7-DA-0F-BC-75#Sensor#55.751775#37.616856#0.0");  client.print("#90A7DA0FBC7501#"); client.print(temp, DEC); client.println("#In");  client.print("#90A7DA0FBC7502#"); client.print(humidity, DEC); client.println("#Humidity");  client.print("#90A7DA0FBC7503#"); client.print(voltage, DEC); client.println("#Voltage");  client.println("##"); } else Serial.println("connection failed");  { unsigned long tm = millis();  while(millis() - tm < 5000) { if (client.available()) { char c = client.read(); Serial.print(c); } } }  client.stop(); }}

Чтобы данные, передаваемые нашим устройством, корректно отображались на народном
мониторинге, необходимо выполнить следующее:

1. Установить уникальный MAC-адрес устройства.

2. Зарегистрироваться на сайте «Народного мониторинга».

3. Авторизоваться.

4. Открыть список датчиков и установить номиналы передаваемых данных.

1. Мы установили только сенсор температуры и влажности. Но у Teensy остаётся ещё много свободных ножек, т.ч. можно добавить разных датчиков: освещённости, атмосферного давления, скорости ветра и т.д.

2. Teensy прямо на борту имеет часы реального времени (RTC). Для их работоспособности не хватает только кварца. Можно купить кварц на 32,768 КГц в любом магазине радиоэлементов и припаять его. Тогда можно пробуждать Teensy по будильнику RTC. Достоинство в том, что можно будить устройство чаще в те часы, когда нужны более точные показания. Например, в рабочее время будить устройство каждые 5 минут, а в остальное — каждые полчаса.

Ранее был сделан прототип анемометра из одного ультразвукового дальномера HC-SR04. Он умел рассчитывать проекцию скорости ветра на линию между приемником и передатчиком. Для получения вектора скорости ветра на плоскости (2D) требуется вторая координата, которую мы получим, если добавим второй датчик перпендикулярно первому. В этом случае можно закрепить анемометр стационарно — отпадает необходимость использовать флюгер и как-то организовывать подвижные контакты.

Первая версия

Сказано — сделано, причем основательно.

Из обрезков полипропиленовых труб сварил крестовину. Все датчики отпаял и удлинил проводами, которые проложил внутри труб. Расстояние между датчиками получилось 70 см. 

Код программы такой.

#include <dht.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define Trig 4
#define Echo 2
#define Trig2 8
#define Echo2 12
#define ONE_WIRE_BUS 7
#define Steps
dht DHT;
#define DHT21_PIN 0
static const float defDist = .6985; // m
static const float defDist2 = .713; // m
// Setup a oneWire instance to communicate with any OneWire devices (not just Maxim/Dallas temperature ICs)
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
// Pass our oneWire reference to Dallas Temperature.
DallasTemperature sensors(&oneWire);
void setup()
{
pinMode(Trig, OUTPUT);
pinMode(Echo, INPUT);
pinMode(Trig2, OUTPUT);
pinMode(Echo2, INPUT);
Serial.begin(57600); // Start up the library sensors.begin();
Serial.println("X Distance Tds18820 Tcalc Tdht Hum V");
}
unsigned long impulseTime=0;
void loop()
{ // READ DATA //Serial.print("DHT21, \t"); int chk = DHT.read21(DHT21_PIN); float DHTtemp = 10; float DHThum = 50; switch (chk) { case DHTLIB_OK:
// Serial.print("OK,\t"); DHTtemp =DHT.temperature; DHThum = DHT.humidity; break; default: Serial.print("DHT Error,\t"); break; } // DISPLAY DATA
// Serial.print(DHThum, 1);
// Serial.print(",\t"); //Serial.println(DHTtemp, 1); sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures DS18820 float dist = 0; float dist2 = 0; float temp = sensors.getTempCByIndex(0); //DHTtemp;
unsigned long impulseTime=0;
unsigned long impulseTime2=0;
int N=250;
for (int i = 0; i <N; i++) {
digitalWrite(Trig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Trig, LOW);
impulseTime +=pulseIn(Echo, HIGH); delay(50);
digitalWrite(Trig2, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Trig2, LOW);
impulseTime2 +=pulseIn(Echo2, HIGH); delay(50);
}
//float P = 101325;
float P = 761 * 133.3;
float M = (28.95-10.934*DHT.humidity/100*(133.3*4.579*exp(17.14*temp/(235.3+temp)))/P)/1000;
float R= 8.31447; float X = 1.4 * R/M ; //X = 287;
float c = sqrt( X *(temp+273.15));
dist = impulseTime * c / 1e6 /N;
dist2 = impulseTime2 * c / 1e6 /N;
float Speed_of_sound = defDist*N/impulseTime * 1e6;
float Speed_of_sound2 = defDist2*N/impulseTime2 * 1e6;
float Tcalc = sq(Speed_of_sound)/X - 273.15;
float v = c- Speed_of_sound;
float v2 = c- Speed_of_sound2; float v3 = sqrt(sq(v) + sq(v2));
int wd = int(atan(-v/v2)*180/3.1416);
if (v>0) {wd+=90;} else {wd+=270;}
//Serial.println("X Distance Tds18820 Tcalc Tdht Hum V");
//Serial.println(String(impulseTime) + char(9) + String(impulseTime2));
Serial.println(String(impulseTime) + char(9) + String(impulseTime2) + char(9) + String(dist, 5) + char(9) + String(dist2, 5) + char(9) + String(temp) + char(9) + String(Tcalc) + char(9) + String(DHTtemp)+ char(9) + String(DHThum) + char(9) + String(v) + char(9) + String(v2) + char(9) + String(v3) + char(9) + String(wd));
}

Два последних числа дают искомую горизонтальную скорость и направление ветра. Направление рассчитывается в виде азимута к направлению на север и дается в градусах. Вращение по часовой стрелке.

Увы, результаты меня разочаровали.

При усреднении в 25 измерений, показания в спокойном воздухе прыгают в среднем до 1.5 м/с, при этом измерения выдаются примерно раз в сек. Если усреднить в 10 раз больше показаний ситуация улучшается, но кардинально проблему не решает. К тому же судя по графику скоростей в двух осях, одна пара датчиков фонит существенно больше другой. Скорее всего дело в проводах, которыми я удлинил датчики. Придется переделывать.

Вторая версия

Есть еще одна причина все переделать. Как отмечалось в первой теоретической части, скорость звука изменится на 1 м/с при изменении температуры примерно на 1.5 °С. Погрешности измерений по обоим осям складываются. Нужно понимать, что порывы теплого или холодного воздуха могут существенно исказить показания такого анемометра. Нет смысла в показаниях 4 м/с при легком дуновении теплого ветерка. Из диаграммы натурного эксперимента видно, что даже медленное изменение температуры вызывает дрейф измеренной скорости, а быстрое изменение температуры на 1 градус скачком поменяло измеренную скорость ветра на 1.5 м/с, в то время как датчик температуры медленно отрабатывает это изменение. Важно заметить, что эксперимент этот проходил прямо у меня на столе и изменение температуры было естественным — я ничего не трогал и искусственно ничего не нагревал.

И тут на помощь приходит тот же принцип, что и при измерении расстояния. Если помним, датчики у оригинального HC-SR04 расположены вместе, поэтому результаты не зависят от наличия ветра. Если измерить скорость звука на известном расстоянии сначала в одном направлении, а затем в другом, то разница этих двух показаний, деленная пополам и будет искомой скоростью ветра в проекции на эту ось. При этом, изменение температуры в диапазоне ±25°С дает погрешность ±4%, что абсолютно не критично и мы можем обойтись вообще без термометра. Да и зачем нам термометр? Если мы знаем время прохождения сигнала в обоих направлениях, то по формулам из прошлой статьи мы легко вычислим температуру, а значит сможем уточнить скорость ветра.
Есть лишь одна маленькая загвоздка — придется использовать два HC-SR04 на одной оси. В промышленных образцах датчики попеременно выполняют роль приемника и передатчика. В нашем случае для этого придется подключить пищалки напрямую к arduino и программно генерировать 8 импульсов 40 кГц на одной, после чего вычленять их из другой. Зная про определенные сложности на этом пути, мне представляется проще купить еще 2 датчика по 55 рублей и попытаться обойтись малой кровью. Этим я займусь в следующий раз. А пока на двух датчиках сделаю измерение скорости ветра по одной оси и измерение температуры в такой конфигурации. Главная проблема здесь убрать помехи, которые дают такой большой разброс показаний в спокойном воздухе.

Конструкция

Вооружившись паяльником конструкция была беспощадно распаяна на составляющие. Новую версию решил не делать так основательно, а зря. Никогда не угадаешь, где найдешь, где потеряешь. Получилось как-то так.

Во-первых, приемник расположил как можно ближе к плате, а передатчик удалил всего лишь на 20 см. Второй комплект перевернул на 180 градусов и пищалки скрепил попарно изолентой. Чем точнее соблюсти соосность обоих пар датчиков, тем лучше. В идеале мы должны получить абсолютно идентичные показания скорости прохождения сигнала в обоих направлениях в спокойном воздухе. Натурные испытания подтвердили нашу теорию. В такой конфигурации получается мало помех и весьма точные показания независимо от температуры, что подтверждается графиком ниже.

Вначале я пробовал просто дуть по направлению от синей пары к черной. Моих легких явно недостаточно. Но любопытный факт — воздух в легких успел нагреться на 1°, что раньше вызвало бы скачок скорости на 1.5 м/с, т.к. DS18B20 просто ничего не заметил. Отметим, что мои легкие способны дать всего лишь 0.5 м/с. Дальше я включил большой напольный вентилятор и направил все также от синего к черному. Видно как пошел более прохладный воздух из глубины комнаты и даже DS18B20 начал отрабатывать это снижение, но теперь его значения не используются для расчета скорости. Сделал открытие, что мой вентилятор дует со скоростью около 2 м/с. Дальше в течение паузы видим постепенное увеличение температуры и отличную корреляцию между рассчитанной и измеренной температурой. В конце поставил вентилятор с другой стороны и получил 2 м/с в обратном направлении с падением температуры. Ура, товарищи, это работает!

Программа расчета скорости ветра

#include <dht.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define Trig 4 // HC-SR04 №1
#define Echo 2
#define Trig2 8 // HC-SR04 №2
#define Echo2 12
#define ONE_WIRE_BUS 7 // DS18B20
#define Steps
dht DHT;
#define DHT21_PIN 0 // DHT21
static const float defDist = .2121; // m
static const float defDist2 = .2121; // m
float Tcalc = 0;
// Setup a oneWire instance to communicate with any OneWire devices (not just Maxim/Dallas temperature ICs)
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
// Pass our oneWire reference to Dallas Temperature.
DallasTemperature sensors(&oneWire);
void setup()
{
pinMode(Trig, OUTPUT);
pinMode(Echo, INPUT);
pinMode(Trig2, OUTPUT);
pinMode(Echo2, INPUT);
Serial.begin(57600); // Start up the library sensors.begin();
Serial.println("X Distance Tds18820 Tcalc Tdht Hum V");
}
unsigned long impulseTime=0;
void loop()
{ float temp = 0; float DHTtemp = 0; float DHThum = 50; // READ DHT DATA int chk = DHT.read21(DHT21_PIN); if (chk == DHTLIB_OK) { DHTtemp =DHT.temperature; DHThum = DHT.humidity; } if (sensors.getDeviceCount() > 0) { sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures DS18820 temp = sensors.getTempCByIndex(0); //DHTtemp; } float dist = 0; float dist2 = 0; unsigned long impulseTime=0; unsigned long impulseTime2=0; int N=50; for (int i = 0; i <N; i++) { digitalWrite(Trig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Trig, LOW); impulseTime +=pulseIn(Echo, HIGH); delay(50); digitalWrite(Trig2, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Trig2, LOW); impulseTime2 +=pulseIn(Echo2, HIGH); delay(50); } //float P = 101325; float P = 761 * 133.3; float M = (28.95-10.934*DHThum/100*(133.3*4.579*exp(17.14*Tcalc/(235.3+Tcalc)))/P)/1000; //M = 0.02895; float R= 8.31447; float X = 1.4 * R/M ; Tcalc = sq((defDist+defDist2)*N/(impulseTime+impulseTime2) * 1e6)/X - 273.15; float c = sqrt( X *(Tcalc+273.15)); dist = impulseTime * c / 1e6 /N; dist2 = impulseTime2 * c / 1e6 /N; float Speed_of_sound = defDist*N/impulseTime * 1e6; float Speed_of_sound2 = defDist2*N/impulseTime2 * 1e6; float v = (Speed_of_sound-Speed_of_sound2)/2; //float v2 = c- Speed_of_sound2; //float v3 = sqrt(sq(v) + sq(v2)); //int wd = int(atan(-v/v2)*180/3.1416); //if (v>0) {wd+=90;} else {wd+=270;} Serial.println(String(impulseTime) + char(9) + String(impulseTime2) + char(9) + String(dist, 5) + char(9) + String(dist2, 5) + char(9) + String(temp) + char(9) + String(Tcalc) + char(9) + String(DHTtemp)+ char(9) + String(DHThum)+ char(9) + String(M,5) + char(9) + String(v));
}

Программа будет работать и без датчиков DHT-21 и DS18B20. DS18B20 для вычислений в этом коде нигде не задействован — только выводится в терминал как эталон. Без датчика влажности температура будет рассчитываться как для воздуха с 50% влажностью. На практике это вносит очень маленькую погрешность. На измерения скорости ветра эти датчики вообще не оказывают никакого влияния.

Собственно это все что можно выжать из двух HC-SR04. Для получения вектора скорости ветра на плоскости нужно добавить еще 2 датчика перпендикулярно первым и по формулам первой версии получить полную скорость и направление. Этим займусь как только приедут заказанные дополнительные датчики.

P.S.

Датчики давно приехали, конструкцию переделывал еще 2 раза и в конце концов он заработал как надо, но до крыши этот ультразвуковой анемометр так и не доехал, поэтому до сих пор продолжения и не написал, хотя идея рабочая.

P.P.S. 2018

По многочисленным просьбам выкладываю итоговый скетч, который не требует никаких библиотек (кроме стандартной EEPROM) и работает с 4 датчиками. Код со всякими вкусностями типа встроенной калибровки и сохранением калибровочных значений в энергонезависимую память. И самое главное. Описанная выше проблема с погрешностями по одной из осей была связана не с проводами, а с работающими в одной комнате с датчиками импульсными блоками питания компьютера, монитора и т.п. (их схема преобразования работает на близкой частоте 40 кГц). Я остановился на проблеме выноса датчика на улицу подальше от помех (с передачей данных по блютус). В остальном это работает. Это версия для распаянных датчиков, но есть способ не распаивать. Если вернусь к проекту — реализую.
Для этого кода неважно какое расстояние между датчиками. Нужно поместить устройство в безветренное пространство (и без импульсных помех) и через терминал несколько раз отдать 2 команды:

t21.5
u

Первая — текущая температура по эталонному термометру (любой уличный), вторая — говорит контроллеру что сейчас скорость ветра 0. Согласно этим данным он вычислит расстояние между датчиками и запишет их в EEPROM. Все дальнейшие измерения будут отталкиваться от этих значений.

// WindSpeed v.4 - Анемометр
// Copyright Evgeny Istomin gena@regimov.net, blog.regimov.net
// Используются 4 датчика HC-SR04. Приемник и передатчик разнесены на противоположные концы крестовины
// На схеме изображено положение приемников для правильного расчета направления и силы ветра
// HC-SR04 №1
// Север (0 гр)
// o
// |
// |
// HC-SR04 №2 o-------|---------o HC-SR04 №4
// Запад (270гр) | Восток (90 гр)
// |
// o
// HC-SR04 №3
// Юг (180 гр)
// при выборе материала крестовины руководствоваться http://temperatures.ru/pages/temperaturnyi_koefficient_lineinogo_rasshireniya
// лучший выбор материала - труба инвар 36H, но и обычное железо вполне годится :-)
#define DEFINE_DISTANCE 0.22 // примерное расстояние между датчиками, измеренное линейкой, в метрах.
#define MES_PAUSE 90 // Пауза между измерениями для затухания отражений. В реальности нужно не менее 1, мс.
#define MES_AVERAGE 8 // сколько измерений усреднять для температуры.
#define PRINT_PERIOD 500 // период вывода измерений в терминал, ms
#include <EEPROM.h>
#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define Echo1 2
#define Echo2 3
#define Echo3 8
#define Echo4 5
#define Trig1 6 // HC-SR04 №1
#define Trig2 7 // HC-SR04 №2
#define Trig3 4 // HC-SR04 №3
#define Trig4 9 // HC-SR04 №4
#define Pow1 10
#define Pow2 11
#define Pow3 12
#define Pow4 13
#define T_ABS 273.15 // температура абсолютного нуля https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B1%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BD%D1%83%D0%BB%D1%8C_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B
#define PRINT_LOOP PRINT_PERIOD/(4*(MES_PAUSE)) // сколько полных циклов пропустить перед выводом измерений в терминал
float defDist1 = DEFINE_DISTANCE;
float defDist3 = DEFINE_DISTANCE;
float defDist2 = DEFINE_DISTANCE;
float defDist4 = DEFINE_DISTANCE;
float Tcalc = 0; // температура воздуха (расчетная)
const float DHThum = 50; // % влажности
float M = 0.02895; // молярная масса кг/моль https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B0
const float R = 8.31447; // Универса́льная га́зовая постоя́нная Дж/(моль*К) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BD%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F
const float P = 761 * 133.3;// давление в Па. 101325 на уровне моря
float X = 1.4 * R / M ;
float c = sqrt( X * (Tcalc + T_ABS)); // скорость звука м/с https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%B0
float impulseTime1 = defDist1 / c;
float impulseTime2 = defDist2 / c;
float impulseTime3 = defDist3 / c;
float impulseTime4 = defDist4 / c;
unsigned char count = 0; // счетчик циклов
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// простой фильтр-усреднитель
float filterA(float y1, float y)
{ return ((MES_AVERAGE - 1) * y1 + y) / MES_AVERAGE;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// измеряем задержку прохождения звука между датчиками, сек
float measument(unsigned char Trig, unsigned char Echo, unsigned char Pow) { float y; digitalWrite(Pow, HIGH); delay(MES_PAUSE); digitalWrite(Trig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Trig, LOW); y = pulseIn(Echo, HIGH); if (count > PRINT_LOOP) Serial.print(String(y, 0) + char(9)); digitalWrite(Pow, LOW); return y * 1e-6;
};
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// запоминаем в flash-памяти расстояния между датчиками
void StoreDefDist()
{ EEPROM.put(0, defDist1); EEPROM.put(1 * sizeof(float), defDist2); EEPROM.put(2 * sizeof(float), defDist3); EEPROM.put(3 * sizeof(float), defDist4);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// читаем из flash-памяти расстояния между датчиками
float GetDefDist(int adress)
{ float dd; EEPROM.get(adress, dd); if (dd <= 0) dd = DEFINE_DISTANCE; return dd;
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// расчет скорости звука в зависимости от температуры, давления и влажности
void GetC(float t) { M = (28.95 - 10.934 * DHThum * 0.01 * (133.3 * 4.579 * exp(17.14 * t / (235.3 + t))) / P) / 1000; X = 1.4 * R / M ; c = sqrt( X * (t + T_ABS));
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void setup() { pinMode(Pow1, OUTPUT); pinMode(Pow2, OUTPUT); pinMode(Pow3, OUTPUT); pinMode(Pow4, OUTPUT); pinMode(Trig1, OUTPUT); pinMode(Trig2, OUTPUT); pinMode(Trig3, OUTPUT); pinMode(Trig4, OUTPUT); pinMode(Echo1, INPUT); pinMode(Echo2, INPUT); pinMode(Echo3, INPUT); pinMode(Echo4, INPUT); digitalWrite(Pow1, HIGH); digitalWrite(Pow4, HIGH); digitalWrite(Pow3, HIGH); digitalWrite(Pow2, HIGH); defDist1 = GetDefDist(0); // читаем из flash-памяти расстояния между датчиками defDist2 = GetDefDist(1 * sizeof(float)); defDist3 = GetDefDist(2 * sizeof(float)); defDist4 = GetDefDist(3 * sizeof(float)); Serial.begin(57600); while (!Serial) { ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only } Serial.println("impT1\timpT3\timpT2\timpT4\tdist1\tdist3\tdist2\tdist4\tTcalc\tv1\tv2\tWD\tv3 " + String(PRINT_LOOP));
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void loop() { // период измерений = 1 / ( 4e-3 * (MES_PAUSE + 1)) impulseTime1 = measument(Trig1, Echo1, Pow1); impulseTime3 = measument(Trig3, Echo3, Pow3); impulseTime2 = measument(Trig2, Echo2, Pow2); impulseTime4 = measument(Trig4, Echo4, Pow4); //if (count > MES_AVERAGE) Serial.print(String(impulseTime1*1e6) + char(9)); Tcalc = filterA(Tcalc, sq((defDist2 + defDist4 + defDist1 + defDist3) / (impulseTime1 + impulseTime3 + impulseTime2 + impulseTime4) ) / X - T_ABS); if ((Tcalc > 70) | (Tcalc < -50)) Tcalc = 0; GetC(Tcalc); float Speed_of_sound1 = defDist1 / impulseTime1 ; float Speed_of_sound2 = defDist2 / impulseTime2 ; float Speed_of_sound3 = defDist3 / impulseTime3 ; float Speed_of_sound4 = defDist4 / impulseTime4 ; float v1 = ((Speed_of_sound3 - Speed_of_sound1) / 2); float v2 = ((Speed_of_sound2 - Speed_of_sound4) / 2); float v3 = sqrt(sq(v1) + sq(v2)); int wd = int(atan(v2 / v1) * 180 / 3.1416); if (v1 < 0) { wd += 180; } else if (v2 < 0) { wd += 360; } if (count > PRINT_LOOP) { Serial.println( String(c, 5) + char(9) + String(Tcalc) + char(9) + String(v1) + char(9) + String(v2) + char(9) + String(wd) + char(9) + String(v3) ); count = 0; } while (Serial.available() > 0) { char inCh = Serial.read(); // установка температуры. формат команды: t21.5 if (inCh == 't') { String a = Serial.readString(); Tcalc = a.toFloat(); GetC(Tcalc); } // u - юстировка (установка на 0). формат команды: u if ((inCh == 't') | (inCh == 'u')) { defDist1 = impulseTime1 * c ; defDist2 = impulseTime2 * c ; defDist3 = impulseTime3 * c ; defDist4 = impulseTime4 * c ; StoreDefDist(); } } count++;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////