Anemometr s vlastním záznamem dat: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Rád sbírám a analyzuji data. Rád také stavím elektronické přístroje. Před rokem, když jsem objevil produkty Arduino, mě okamžitě napadlo: „Rád bych sbíral data o životním prostředí“. V Portlandu byl větrný den, a tak jsem se rozhodl zachytit údaje o větru. Podíval jsem se na některé instrukce pro anemometry a shledal jsem je docela užitečné, ale potřeboval jsem provést nějaké technické změny. Nejprve jsem chtěl, aby zařízení týden fungovalo samostatně, venku. Za druhé, chtěl jsem, aby bylo možné zaznamenat velmi malé poryvy větru, několik návrhů zde vyžadovalo poměrně silný vítr. Nakonec jsem chtěl data zaznamenat. Rozhodl jsem se pro opravdu lehkou konstrukci rotoru s co nejmenší setrvačností a odporem. K tomu jsem použil všechny plastové díly (včetně vinylových tyčí se závitem), spojky kuličkových ložisek a optické senzory. Jiné konstrukce používaly magnetické senzory nebo skutečné stejnosměrné motory, ale oba zpomalovaly rotor, optika používala trochu více energie, ale nenabízela žádný mechanický odpor. Datalogger je jednoduše Atmega328P s 8bitovým flash čipem. Přemýšlel jsem o přechodu na SD, ale chtěl jsem udržet nízké náklady, spotřebu energie a složitost. Napsal jsem jednoduchý program, který zaznamenává počet dvoubitových otáček každou sekundu. S 8 megabity jsem usoudil, že bych mohl shromáždit data za zhruba týden. Ve svém původním návrhu jsem usoudil, že budu potřebovat 4 C články, ale po týdnu byly stále plně nabité, takže jsem musel být vypnutý řádově ve spotřebě energie. Nepoužil jsem lineární regulátory, všechny napěťové lišty jsem rozjel na 6V (i když některé části byly dimenzovány na 3,3V. Yay overdesign!). Ke stažení dat jsem měl složitý systém, který přečetl flash a uložil jej na sériový monitor arduino, a vystřihl jsem a vložil do Excelu. Netrávil jsem čas snahou přijít na to, jak napsat USB aplikaci pro příkazový řádek, aby se blesk vyprázdnil, ale v určitém okamžiku na to budu muset přijít. Výsledek byl docela překvapivý, mohl jsem pozorovat několik velmi zajímavých trendů, které si schovávám pro další report. Hodně štěstí!

Krok 1: Sestavte rotor

Vyzkoušel jsem řadu různých nápadů na poháry rotoru: velikonoční vajíčka, pingpongové míčky, plastové kelímky a prázdné vánoční ozdoby. Postavil jsem několik rotorů a všechny jsem vyzkoušel pomocí vysoušeče vlasů, který poskytoval rozsah rychlostí větru. Ze čtyř prototypů fungovaly nejlépe skořápky ornamentů. Měli také tyto malé jazýčky, které usnadňovaly připevnění, a byly vyrobeny z pevného plastu, který dobře fungoval s polykarbonátovým cementem. Vyzkoušel jsem několik různých délek hřídelů, malé, střední a velké (asi 1 "až asi 6") a zjistil jsem, že větší velikosti příliš utahovaly a nereagovaly dobře na nízkou rychlost větru, takže jsem šel s malými hřídeli. Protože vše bylo z čirého plastu, udělal jsem šikovný malý výtisk, který pomohl osvětlit tři čepele. Materiály: Ozdoby pocházely od společnosti Oriental Trading Company, položka „48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT“, 6 $ plus 3 $ poštovné. Plastové hřídele a konstrukční disk pocházely z místního obchodu TAP Plastics, po částech asi o 4 dolary více.

Krok 2: Vybudujte horní základnu

Abych snížil setrvačnost rotace, použil jsem závitovou nylonovou tyč od McMaster Karr. Chtěl jsem použít ložiska, ale strojní ložiska jsou zabalena do maziva zpomalujícího rotor, a tak jsem koupil levná skateboardová ložiska, která žádná neměla. Prostě se vešly dovnitř 3/4 "trubkového adaptéru CPVC s vnitřním průměrem.. Až když jsem sestavil konstrukci, uvědomil jsem si, že ložiska brusle zvládají rovinné zatížení a já jsem působil svisle, takže jsem měl použít ložisko, ale fungovaly dobře a pravděpodobně pomohly zvládat tření z precesního točivého momentu. Plánoval jsem připojit optický senzor na spodní část hřídele, takže jsem namontoval spojku CPVC do větší základny. Home Depot je zábavné místo pro mixování a odpovídat armaturám CPVC/PVC. Nakonec se mi podařilo nacpat spojku CPVC 3/4 "do redukce PVC 3/4" až 1-1/2 ". Trvalo hodně hraní, aby všechno sedělo, ale ponechalo to dost místa pro elektroniku. Materiály: 98743A235-Nylonová tyč s černým závitem (závit 5/16 "-18) 94900A030-Nylonové šestihranné matice černé (závit 5/16" -18) Levná ložiska skateboardu 3/4 "adaptér CPVC se závitem 3/4" až 1 -1/2 "reduktor PVC na trubku se závitem 3/4" Poznámka: Rozměry spojky PVC a CPVC nejsou stejné, pravděpodobně aby se zabránilo náhodnému nesprávnému použití; takže výměna obyčejného PVC 3/4 "běžného adaptéru nebude fungovat, nicméně NITĚ závitového adaptéru jsou stejné, což je naprosto divné. Spojovací vlákna CPVC se navlékají do pouzdra adaptéru z PVC. Adaptér… pouzdro… spojovací… Pravděpodobně míchám všechny tyto výrazy, ale 15 minut v instalatérské uličce Home Depot vás uvede na pravou míru.

Krok 3: Optický přerušovač

Jak se rotor otáčí, jeho otáčení je počítáno optickým přerušovačem. Přemýšlel jsem o použití disku, ale to znamenalo, že budu muset svislý zdroj a detektor připojit svisle, což by bylo velmi obtížné sestavit. Místo toho jsem se rozhodl pro vodorovnou montáž a našel jsem nějaké malé šálky, které jdou na spodní část židlí, aby chránily dřevěné podlahy. Namaloval jsem a přelepil šest segmentů, což mi dalo dvanáct (téměř) stejnoměrných hran, nebo 12 tiků za otáčku rotoru. Přemýšlel jsem o tom, že udělám víc, ale nebyl jsem příliš obeznámen s rychlostí detektoru ani zorným polem jeho optiky. To znamená, že pokud bych šel příliš úzce, LED by se mohla plazit kolem okrajů a aktivovat snímač. Toto je další oblast výzkumu, kterou jsem nepokračoval, ale bylo by dobré ji prozkoumat. Namalovaný kelímek jsem nalepil na matici a připevnil na konec hřídele. Materiály: Pohár chráničů nohou židle věc z Home Depot černá barva

Krok 4: Připojte rotor

V tu chvíli to začalo vypadat docela cool. Nylonové matice jsou opravdu kluzké, takže jsem musel použít mnoho pojistných matic (pro případ, že byste si nevšimli z předchozích obrázků). Také jsem musel vyrobit speciální plochý klíč, aby se vešel do víka pod rotorem, abych mohl obě matice uzamknout.

Krok 5: Vybudujte spodní základnu

Spodní základna obsahuje baterie a poskytuje podpůrnou strukturu. Našel jsem docela cool vodotěsný box online od společnosti s názvem Polycase. Je to opravdu kluzké pouzdro, které těsně těsní, a šrouby jsou na základně širší, takže snadno nevypadnou z vrcholu. Na horní PVC pouzdro jsem použil PVC mate. Tato spodní základna je pouze závitová 1-1/2 "PVC spojka. Horní tlak základny rotoru přes tuto spojku zapadá do spodní základny. Jak uvidíte později, tyto kousky jsem k sobě nelepil, protože jsem chtěl být schopen jej otevřít a v případě potřeby provést úpravy a navíc montáž je jednodušší při připevnění desek s obvody. Materiály: Vodotěsný box od Polycase, položka # WP-23F, 12,50 $ Závitová 1-1/2 "PVC spojka

Krok 6: Sestavte optický snímač

Mechanismus senzoru je 940nm LED a přijímač Schmitt-trigger. Miluji lásku, miluji spouštěcí obvod Schmitt, stará se o všechny mé potřeby při odskakování a vysílá signál kompatibilní s CMOS/TTL. Jediná nevýhoda? 5V provoz. Ano, přehnal jsem celý design na 6V, ale mohl bych jít na 3,3V, kdyby nebylo této části. Myšlenka spočívá v tom, že tento obvod se montuje pod kryt rotoru, který při otáčení paprsku přeruší a generuje logické přechody pro každou hranu. Nemám dobrý obrázek o tom, jak to bylo namontováno. Do spodní spojky z PVC jsem v zásadě vlepil dva plastové offsety a seshora do nich zašrouboval. Musel jsem obrousit hrany desky, aby to pěkně zapadlo. Nemám na to ani schéma, je to opravdu snadné: stačí spustit Vin rezistor 1k a zapojit jej tak, aby LED vždy svítila a výstup detektoru byl na svém pinu. Materiály: 1 940nm LED 1k rezistor 1 OPTEK OPL550 senzor 1 třípólová zástrčka (samice) 1 1,5 "x1,5" obvodová deska Různé délky drátu Teplem smrštitelná trubice, pokud máte rádi svázané vodiče

Krok 7: Sestavte záznamník dat

Prototypovací deska Arduino byla tak velká, že se vešla do šasi. Použil jsem EagleCAD k rozložení menší desky plošných spojů a ztratil jsem staženou jednu vrstvu … jsou tam čtyři ošklivé dráty, které jsem potřeboval k překlenutí několika mezer.

(Myslel jsem, že jsem to naměřil při ~ 50 mW provozním výkonu a na základě Watthodin baterií jsem si myslel, že za týden klesnu pod 5 V, ale buď moje měření výkonu, nebo moje matematika byla špatná, protože 4 C-články zůstaly jde na dlouhou dobu.) Docela přímočaré rozložení: jen rezonátor, ATmega328, flash čip, ladicí propojka, ladicí LED, krytka napájecího zdroje, a to je vše. Mohl jsem také použít něco, co se nazývá DorkBoard, je to v podstatě vše potřebné pro vývojovou desku ATMega328 o velikosti zásuvky DIP. Uvažoval jsem o koupi jednoho, ale můj diskrétní přístup byl asi o 50% levnější. Zde je odkaz na dorkboard:

Zde je základní myšlenka (zdrojový kód bude dodán později), jak deska funguje: Propojka nastavena na režim „ladění“: připojte na výstup optického senzoru přerušení změny hodnoty a souběžně s detektorem blikejte testovací LED. To bylo velmi užitečné pro ladění. Propojka nastavena na režim „nahrávání“: připojte stejné přerušení k čítači a v hlavní smyčce zpoždění 1000 ms. Na konci 1000 ms zapište počet počtů okrajů na 256bajtovou flash stránku, a když je stránka plná, zapište ji a počet resetujte. Jednoduché, že? Docela dost. Moc se mi líbí flash zařízení Winbond, dříve jsem v 90. letech navrhoval flash, takže bylo zábavné je znovu programovat. Rozhraní SPI je skvělé. Tak jednoduché použití. Schémata a zdrojový kód nechám mluvit za sebe. Zmínil jsem se, že EagleCAD je úžasný? To opravdu je. Na YouTube existuje několik skvělých návodů.

Krok 8: Připojte elektroniku

Opět zde nemám mnoho dobrých obrázků, ale když si představíte dvě plastové distanční sloupky nalepené na vnitřní straně PVC, jsou do něj našroubovány obě desky. Zde je záběr na desku záznamníku připojenou ke dnu. Deska detektoru je nahoře uvnitř krytu.

Krok 9: Kalibrace

Vyrobil jsem testovací zařízení pro kalibraci šelmy, abych mohl převést počty surových rotorů na MPH. Ano, to je 2x4. Na jeden konec jsem připevnil anemometr a na druhý ladicí Arduio. LCD displej zobrazuje počet rotorů. Proces probíhal takto: 1) Najděte dlouhou rovnou silnici bez provozu. 2) Držte 2x4 tak, aby vyčnívalo co nejdále z okna 3) Zapněte nahrávání hlasu na iPhonu nebo Androidu 4) Zapněte digitální rychloměr GPS na vašem kapesním zařízení dle výběru 5) Jezděte plynule několika rychlostmi a oznamte do vašeho rekordéru se počítá rychlost a průměrný rotor 6) Nenarazte 7)? 8) Později, když neřídíte, si přehrajte zprávu z telefonu a zadejte data do Excelu a doufejte, že lineární nebo exponenciální nebo polynom bude odpovídat hodnotě R na druhou větší než 99%. Toto převodní číslo bude použito později. Zařízení zachycuje pouze nezpracovaná data, já je dodatečně zpracovávám na MPH (nebo KPH) v Excelu. (Zmínil jsem se, že jsem použil špatnou vrstvu olivově matné barvy? Nazval bych to „anemometr taktického záznamu dat“, ale pak jsem si vzpomněl, že „taktický“znamená „černý“.)

Krok 10: Jděte sbírat data o větru

To je skoro všechno. Myslím, že chybí několik obrázků, např. nejsou zobrazeny čtyři C-buňky nacpané do spodní báze. Nedokázal jsem namontovat pružinový držák, takže jsem skončil s pájením vodičů k samotným bateriím. Píši tento návod rok poté, co jsem ho postavil, a v revizi č. 2 jsem použil baterie AA, protože jsem hrubě nadhodnotil spotřebu energie. Použití AA mi umožnilo přidat vypínač a opravdu uvolnilo místo uvnitř, jinak to bylo docela těsné. Celkově jsem byl s designem docela spokojený. Níže uvedený graf ukazuje průměrná data za jeden týden. Baterie začaly vybít sedmý den. Mohl bych zlepšit životnost baterie spuštěním LED v nižším pracovním cyklu asi 1 kHz a neztratil bych žádné hrany kvůli relativně nízké úhlové rychlosti rotoru.

Bavte se! Dejte mi vědět, pokud uvidíte nějaký prostor pro zlepšení!

Krok 11: Zdrojový kód

Připojený je jeden zdrojový soubor Arduino. Řekl jsem to, protože, ahoj, GPL.

EDIT: Chtěl bych zdůraznit, že moje implementace použití zpoždění 1 s () je hrozný nápad a za h Čas potřebný k zápisu do blesku a čtení senzoru se může zdát malý, ale v průběhu 7 -10 s přidává k významnému driftu. Místo toho použijte přerušení časovače 1 Hz (časovač č. 1 na 328P lze dokonale kalibrovat na 1 Hz). Abyste byli v bezpečí, měli byste kódovat do plotu v případě, že zápis stránky a čtení senzoru z nějakého důvodu trvá déle než 1 sekundu (zvládněte upuštěné vzorky), ale přerušení časovače je THE způsob, jak dělat věci, které musí být, no, časové- přesný. Na zdraví!