Samostatný anemometer na zaznamenávanie údajov: 11 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Rád zbieram a analyzujem údaje. Tiež milujem stavbu elektronických pomôcok. Pred rokom, keď som objavil produkty Arduino, som si okamžite pomyslel: „Rád by som zbieral údaje o životnom prostredí“. V Portlande bol veterný deň, a tak som sa rozhodol zachytiť údaje o vetre. Pozrel som sa na niektoré pokyny pre anemometre a zistil som, že sú celkom užitočné, ale potreboval som urobiť nejaké technické zmeny. Najprv som chcel, aby zariadenie bežalo týždeň samostatne v exteriéri. Za druhé, chcel som, aby bolo možné zaznamenať veľmi malé poryvy vetra, niekoľko návrhov tu vyžadovalo na spustenie dosť silný vietor. Nakoniec som chcel zaznamenať údaje. Rozhodol som sa ísť do skutočne ľahkej konštrukcie rotora s čo najmenšou zotrvačnosťou a odporom. Aby som to dosiahol, použil som všetky plastové diely (vrátane vinylových tyčí so závitom), spojenia guľkových ložísk a optické snímače. Iné konštrukcie používali magnetické snímače alebo skutočné jednosmerné motory, ale oba spomaľujú rotor, optika používa o niečo viac energie, ale neponúka žiadny mechanický odpor. Datalogger je jednoducho Atmega328P s 8 mbit flash čipom. Uvažoval som o prechode na SD, ale chcel som udržať nízke náklady, spotrebu energie a zložitosť. Napísal som jednoduchý program, ktorý zaznamenáva otáčanie dvoch bajtov každú sekundu. S 8 megabitmi som zistil, že by som mohol zozbierať údaje v hodnote približne jedného týždňa. Vo svojom pôvodnom návrhu som usúdil, že budem potrebovať 4 C články, ale po týždni boli stále úplne nabité, takže som musel byť vypnutý rádovo v spotrebe energie. Nepoužil som lineárne regulátory, všetky napäťové koľajnice som vyviezol na 6V (aj keď niektoré časti mali hodnotenie 3,3V. Yay overdesign!). Na stiahnutie údajov som mal komplexný systém, ktorý prečítal flash a uložil ho na sériový monitor arduino, a vystrihol som a vložil do Excelu. Nestrávil som čas tým, že by som prišiel na to, ako napísať aplikáciu USB pre príkazový riadok na vypnutie blesku na štandardnú úroveň, ale v určitom okamihu na to budem musieť prísť. Výsledok bol dosť prekvapivý, mohol som pozorovať niekoľko veľmi zaujímavých trendov, ktoré si ukladám pre ďalšiu správu. Veľa štastia!

Krok 1: Zostavte rotor

Skúsil som množstvo rôznych nápadov na rotorové poháre: veľkonočné vajíčka, pingpongové loptičky, plastové poháre a prázdne vianočné ozdoby. Postavil som niekoľko rotorov a všetky som vyskúšal pomocou sušiča vlasov, ktorý poskytoval rozsah rýchlostí vetra. Zo štyroch prototypov najlepšie fungovali škrupiny ornamentov. Mali tiež tieto malé úchytky, ktoré uľahčovali pripevnenie, a boli vyrobené z pevného plastu, ktorý dobre fungoval s polykarbonátovým cementom. Skúsil som niekoľko rôznych dĺžok hriadeľov, malé, stredné a veľké (asi 1 "až asi 6") a zistil som, že väčšie veľkosti príliš krútia a nereagujú dobre na nízke rýchlosti vetra, a tak som išiel s malými veľkosťami hriadeľov. Keďže všetko bolo z číreho plastu, urobil som šikovný malý výtlačok, ktorý pomôže osvetliť tri čepele. Materiály: Ozdoby pochádzajú od spoločnosti Oriental Trading Company, položka „48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT“, 6 dolárov plus poštovné 3 doláre. Plastové šachty a konštrukčný disk pochádzajú z miestneho obchodu TAP Plastics, po častiach asi o 4 doláre viac.

Krok 2: Postavte hornú základňu

Na zníženie rotačnej zotrvačnosti som použil závitovú silonovú tyč od McMaster Karr. Chcel som použiť ložiská, ale strojové ložiská sú zabalené v tukoch spomaľujúcich rotor, a tak som kúpil lacné skateboardové ložiská, ktoré žiadne nemali. Náhodou sa zmestili dovnútra 3/4 "rúrkového adaptéra CPVC s vnútorným priemerom. Až keď som zostavil štruktúru, uvedomil som si, že ložiská korčúľ zvládajú rovinné zaťaženie a pôsobil som vertikálne, takže som mal použiť ložisko trysky., ale fungovali dobre a pravdepodobne pomohli zvládnuť trenie z precesného krútiaceho momentu. Plánoval som pripevniť optický senzor na spodok hriadeľa, a tak som namontoval spojku CPVC do väčšej základne. Home Depot je zábavné miesto na mixovanie a zodpovedajú tvarovkám CPVC/PVC. Nakoniec sa mi podarilo napchať 3/4 "závitovú spojku CPVC do redukcie z PVC 3/4" na 1-1/2 ". Trvalo veľa hrať sa, aby všetko sedelo, ale ponechalo to dostatok priestoru pre elektroniku. Materiály: 98743A235-Nylonová tyč so čiernym závitom (závit 5/16 "-18) 94900A030-Nylonové šesťhranné matice (závit 5/16" -18) Lacné skateboardové ložiská 3/4 "závitový adaptér CPVC 3/4" až 1 -1/2 "PVC reduktor na závitové 3/4" potrubie Poznámka: Rozmery spojky PVC a CPVC nie sú rovnaké, pravdepodobne aby sa zabránilo náhodnému nesprávnemu použitiu; takže výmena za obyčajný PVC 3/4 "bežný adaptér nebude fungovať, ale NITY závitového adaptéra sú rovnaké, čo je úplne divné. Spojovacie vlákna CPVC sa navliekajú do puzdra adaptéra z PVC. Adaptér … objímka … spojka … Pravdepodobne zamiešam všetky tieto výrazy, ale 15 minút v inštalatérskej uličke Home Depot vás uvedie na pravú mieru.

Krok 3: Optický prerušovač

Keď sa rotor otáča, jeho otáčanie sa počíta pomocou optického prerušovača. Uvažoval som o použití disku, ale to znamenalo, že budem musieť vertikálne pripojiť zdroj osvetlenia a detektor, čo by bolo veľmi náročné na montáž. Namiesto toho som sa rozhodol pre horizontálnu montáž a našiel som niekoľko malých šálok, ktoré idú na spodok stoličiek, aby chránili drevené podlahy. Namaľoval som a odlepil šesť segmentov, čo mi poskytlo dvanásť (takmer) rovnomerných hrán alebo 12 klieští na otáčku rotora. Rozmýšľal som, že urobím viac, ale nebol som veľmi oboznámený s rýchlosťou detektora ani so zorným poľom jeho optiky. To znamená, že ak by som išiel príliš úzko, LED by sa mohla plaziť okolo okrajov a aktivovať snímač. Toto je ďalšia oblasť výskumu, ktorej som sa nevenoval, ale bolo by dobré ju preskúmať. Namaľovaný pohár som prilepil na maticu a pripevnil na koniec drieku. Materiály: Pohár na chránič nôh stoličky z čiernej farby Home Depot

Krok 4: Pripojte rotor

V tomto momente to začínalo vyzerať celkom cool. Nylonové matice sú naozaj klzké, takže som musel použiť mnoho poistných matíc (pre prípad, že ste si to nevšimli z predchádzajúcich obrázkov). Tiež som musel vyrobiť špeciálny plochý kľúč, aby sa zmestil do uzáveru pod rotorom, aby som mohol obidve matice zaistiť.

Krok 5: Vybudujte dolnú základňu

Spodná základňa obsahuje batérie a poskytuje nosnú konštrukciu. Našiel som celkom cool vodotesný box online od spoločnosti s názvom Polycase. Je to skutočne klzký prípad, ktorý tesne tesní, a skrutky sú v spodnej časti širšie, aby ľahko nevypadli zhora. Na hornú priechodku z PVC som použil PVC mate. Táto spodná základňa je len závitová 1-1/2 "PVC spojka. Horný tlak v základni rotora zapadá do spodnej základne prostredníctvom tejto spojky. Ako neskôr uvidíte, tieto diely som nelepil, pretože som chcel byť schopný ho otvoriť a v prípade potreby vykonať úpravy, plus montáž je jednoduchšia pri montáži dosiek plošných spojov. Materiály: Vodotesný box od spoločnosti Polycase, položka č. WP-23F, 12,50 dolára Závitová spojka 1-1/2 "z PVC

Krok 6: Zostavte optický snímač

Mechanizmus senzora je 940nm LED a prijímač Schmitt-trigger. Milujem lásku, milujem spúšťací obvod Schmitt, stará sa o všetky moje potreby pri odskakovaní a vysiela signál kompatibilný s CMOS/TTL. Jediná nevýhoda? 5V prevádzka. Áno, celý dizajn som preťažil na 6V, ale mohol by som ísť na 3,3V, keby nebolo tejto časti. Ide o to, že tento obvod je uložený pod krytom rotora, ktorý pri otáčaní lúča prerušuje lúč a generuje logické prechody pre každú hranu. Nemám dobrý obraz o tom, ako to bolo namontované. V zásade som do spodnej spojky z PVC vlepil dve plastové odsadenia a zhora ich do nich zaskrutkoval. Musel som obrúsiť okraje dosky, aby to pekne zapadlo. Na to nemám ani schému, je to skutočne jednoduché: stačí spustiť Vin z 1k rezistora a zapojiť ho tak, aby dióda LED vždy svietila a výstup detektora bol na svojom kolíku. Materiály: 1 940nm LED 1k odpor 1 snímač OPTEK OPL550 1 trojpólová zástrčka (samica) 1 obvodová doska 1,5 "x1,5" Rôzne dĺžky drôtu Tepelne zmrštiteľné trubice, ak sa vám páčia zviazané vodiče

Krok 7: Zostavte záznamník údajov

Prototypová doska Arduino bola taká veľká, že sa zmestila do šasi. Použil som EagleCAD na rozloženie menšej dosky plošných spojov a stratil som stiahnutú jednu vrstvu … na preklenutie niekoľkých medzier som potreboval štyri škaredé drôty.

(Myslel som si, že som to nameral pri ~ 50 mW operačnom výkone a na základe watthodín batérií som si myslel, že za týždeň klesnem pod 5 V, ale buď moje meranie výkonu, alebo matematika bola nesprávna, pretože boli zachované 4 C-články. bude trvať dlho.) Pomerne jednoduché usporiadanie: iba rezonátor, ATmega328, bleskový čip, ladiaci mostík, ladiaca dióda LED, kryt napájacieho zdroja a to je všetko. Mohol by som použiť aj niečo, čo sa nazýva DorkBoard, je to v podstate všetko potrebné pre vývojovú dosku ATMega328 vo veľkosti zásuvky DIP. Uvažoval som o kúpe jedného, ale môj diskrétny prístup bol asi o 50% lacnejší. Tu je odkaz na dorkboard:

Tu je základná myšlienka (zdrojový kód bude zahrnutý neskôr), ako doska funguje: Prepínač nastavený na režim „ladenia“: na výstup optického senzora pripojte prerušenie zmeny hodnoty a súčasne s detektorom blikajte testovacou diódou LED. To bolo veľmi užitočné pri ladení. Prepojka je nastavená na režim „nahrávania“: pripojte rovnaké prerušenie k počítadlu a v hlavnej slučke oneskorte 1000 ms. Na konci 1 000 ms napíšte # počtu okrajov na 256-bajtovú flash stránku a keď je stránka plná, vypíšte to a resetujte počet. Jednoduché, nie? Dosť veľa Bleskové zariadenia Winbond sa mi veľmi páčia, kedysi som v 90. rokoch navrhoval blesky, takže bola zábava ich opäť programovať. Rozhranie SPI je vynikajúce. Tak jednoduché použitie. Schémy a zdrojový kód nechám hovoriť za seba. Už som spomenul, že EagleCAD je úžasný? To naozaj je. Na YouTube existuje niekoľko skvelých návodov.

Krok 8: Pripojte elektroniku

Opäť tu nemám veľa dobrých obrázkov, ale ak si predstavíte dve plastové podpery nalepené na vnútornú stranu PVC, obe dosky sú do nej priskrutkované. Tu je záber na drevorubačskú dosku napojenú na dno. Doska detektora je umiestnená vo vnútri krytu.

Krok 9: Kalibrácia

Urobil som testovacie zariadenie na kalibráciu šelmy, aby som mohol previesť surové počty rotorov na MPH. Áno, to je 2x4. Na jeden koniec som pripevnil anemometer a na druhý ladiaci Arduio. Na LCD displeji sa zobrazuje počet rotorov. Proces prebiehal takto: 1) Nájdite dlhú rovnú cestu bez premávky. 2) Držte 2x4 tak, aby trčalo čo najďalej od okna 3) Zapnite nahrávanie hlasu na zariadení iPhone alebo Android 4) Zapnite digitálny rýchlomer GPS na vreckovom zariadení podľa vášho výberu 5) Jazdite plynule niekoľkými rýchlosťami a oznámte do vášho rekordéra sa počíta rýchlosť a priemerný rotor 6) Nenarazte 7)? 8) Keď nešoférujete, prehrávajte znova svoju telefónnu správu a zadajte údaje do programu Excel. Dúfajte, že lineárny alebo exponenciálny alebo polynóm bude zodpovedať hodnote R-kvadratickej hodnoty vyššej ako 99%. Tento prevodný # bude použitý neskôr. Zariadenie zachytáva iba nespracované údaje, tie som dodatočne spracoval na MPH (alebo KPH) v Exceli. (Spomínal som, že som použil špinavú vrstvu olivovej fádnej farby? Nazval by som to „anemometer taktického zaznamenávania údajov“, ale potom som si spomenul, že „taktický“znamená „čierny“.)

Krok 10: Choďte zbierať údaje o vetre

To je skoro všetko. Myslím, že chýba niekoľko obrázkov, napr. nie sú zobrazené štyri C-bunky natlačené do spodnej bázy. Nedokázal som namontovať pružinový držiak, a tak som skončil s spájkovaním káblov k samotným batériám. Tento návod píšem rok po tom, ako som ho postavil, a pri revízii č. 2 som použil batérie AA, pretože som hrubo nadhodnotil spotrebu energie. Použitie AA mi umožnilo pridať vypínač a skutočne uvoľnilo miesto vo vnútri, inak to bolo dosť tesné. Celkovo som bol s dizajnom celkom spokojný. Nasledujúci graf ukazuje priemerné údaje za jeden týždeň. Batérie začali vybiť v siedmy deň. Mohol by som zlepšiť životnosť batérie spustením diódy LED v nižšom pracovnom cykle asi 1 kHz a nestratil by som žiadne hrany kvôli relatívne nízkej uhlovej rýchlosti rotora.

Bavte sa! Dajte mi vedieť, ak vidíte priestor na zlepšenie!

Krok 11: Zdrojový kód

Priložený je jeden zdrojový súbor Arduino. Chcel som to, pretože, ahoj, GPL.

EDIT: Chcel by som poukázať na to, že moja implementácia použitia oneskorenia 1 s () je hrozný nápad a za hodinu. Čas potrebný na zápis do blesku a čítanie senzora sa môže zdať malý, ale v priebehu 7. -10 s pridáva k významnému posunu. Namiesto toho použite prerušenie časovača 1 Hz (časovač č. 1 na 328P je možné perfektne nakalibrovať na 1 Hz). Aby ste boli v bezpečí, mali by ste kódovať v plote pre prípad, že zápis stránky a čítanie snímača z nejakého dôvodu trvá dlhšie ako 1 sekundu (zvládne vypadnuté vzorky), ale prerušenie časovača je SPÔSOB, ako robiť veci, ktoré je potrebné, samozrejme, časové- presné. Na zdravie!