Un anemòmetre de registre de dades autònom: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

M’encanta recopilar i analitzar dades. També m’encanta construir aparells electrònics. Fa un any, quan vaig descobrir els productes Arduino, vaig pensar immediatament: "M'agradaria recopilar dades ambientals". Va ser un dia de vent a Portland, Oregon, de manera que vaig decidir capturar dades del vent. Vaig mirar alguns dels instructius per als anemòmetres i els vaig trobar força útils, però necessitava fer alguns canvis d’enginyeria. En primer lloc, volia que el dispositiu funcionés de manera autònoma, a l’aire lliure, durant una setmana. En segon lloc, volia que pogués registrar ràfegues de vent molt petites, diversos dels dissenys que aquí necessitaven eren força forts per començar. Per últim, volia enregistrar les dades. Vaig decidir apostar per un disseny de rotor molt lleuger amb la mínima inèrcia i resistència possible. Per aconseguir-ho, he utilitzat totes les peces de plàstic (incloses les barres de vinil roscades), els enllaços de rodaments de boles i els sensors òptics. Altres dissenys utilitzaven sensors magnètics o motors de corrent continu, però tots dos redueixen la velocitat del rotor, les òptiques consumeixen una mica més de potència però no ofereixen resistència mecànica. El registrador de dades és simplement un Atmega328P amb un xip flash de 8 mbit. Vaig pensar a fer SD, però volia mantenir el cost, el consum d’energia i la complexitat baixos. Vaig escriure un programa senzill que registrava el recompte de rotació de dos bytes cada segon. Amb 8 megabits vaig pensar que podia recollir aproximadament una setmana de dades. En el meu disseny original, pensava que necessitaria 4 cèl·lules C, però després d’una setmana encara estaven completament carregades, de manera que hauria d’haver estat apagat per un ordre de magnitud en el consum d’energia. No he utilitzat reguladors lineals, he conduït tots els rails de tensió a 6V (tot i que algunes de les peces tenen una classificació de 3,3V. Sí, heu estat massa dissenyats). Per descarregar les dades, tenia un sistema complex que llegia el flaix i el deixava al monitor sèrie arduino i vaig tallar i enganxar a Excel. No vaig passar temps intentant esbrinar com escriure una aplicació USB de línia d’ordres per deixar el flaix a la norma, però en algun moment hauré d’esbrinar-ho. El resultat va ser bastant sorprenent, vaig poder observar algunes tendències molt interessants, que estic guardant per a un altre informe. Bona sort!

Pas 1: Creeu el rotor

Vaig provar diverses idees diferents per a les tasses del rotor: ous de Pasqua, boles de ping pong, gots de plàstic i boles buides d’ornament d’arbres de Nadal. Vaig construir diversos rotors i els vaig provar tots amb un assecador de cabell, que proporcionava una gamma de velocitats del vent. Dels quatre prototips, les closques d’ornament funcionaven millor. També tenien aquestes petites pestanyes que facilitaven la fixació i estaven fetes d’un plàstic rígid que funcionava bé amb ciment de policarbonat. Vaig provar unes quantes longituds d’eix diferents, petites, mitjanes i grans (d’entre 1 i aproximadament 6”) i vaig trobar que les mides més grans es torcien massa i no responien bé a les baixes velocitats del vent, així que vaig anar amb els eixos de mida petita. Com que tot era de plàstic transparent, vaig fer una petita impressió útil per ajudar a encendre les tres fulles. Materials: els adorns provenien de la companyia Oriental Trading Company, article "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", 6 $ més despeses d'enviament de 3 $. Els eixos de plàstic i el disc estructural provenien d’una botiga local de plàstics TAP, aproximadament 4 dòlars més en peces.

Pas 2: Creeu la base superior

Per reduir la inèrcia de rotació, vaig utilitzar una vareta roscada de niló de McMaster Karr. Volia fer servir coixinets, però els coixinets de les màquines estan empaquetats en greixos que redueixen la velocitat dels rotors, així que vaig comprar uns coixinets de monopatí barats que no en tenien cap. S'adaptaven a l'interior de l'adaptador de canonada de 3/4 "de diàmetre interior de CPVC. No va ser fins que vaig muntar l'estructura que em vaig adonar que els coixinets de patins manegen càrrega plana i que vaig aplicar càrrega vertical, de manera que hauria d'haver utilitzat un coixinet de propulsió., però funcionaven bé, i probablement van ajudar a controlar la fricció a causa del parell de precessió. Vaig planejar fixar un sensor òptic a la part inferior de l'eix, de manera que vaig muntar l'acoblament CPVC en una base més gran. Home Depot és un lloc divertit per barrejar i coincideixen amb els accessoris de CPVC / PVC. Al final, vaig poder omplir l’acoblament roscat de 3/4 "de CPVC en un reductor de PVC de 3/4" a 1-1 / 2 ". Va trigar molt a jugar perquè tot s’ajustés, però va deixar prou espai per a l’electrònica. Materials: 98743A235 - Vareta de niló roscat negre (rosca 5/16 "-18) 94900A030 - Femelles femelles hexagonals de niló negre (rosca 5/16" -18) Rodaments de monopatí barats Adaptador CPVC roscat de 3/4 "a 1" -1 / 2 "Reductor de PVC a canonada roscada de 3/4" Nota: les dimensions de l'acoblament de PVC i CPVC no són les mateixes, probablement per evitar un ús indegut accidental; de manera que l'intercanvi en un adaptador normal de PVC de 3/4 "no funcionarà, però, els FILS d'un adaptador roscat són els mateixos, cosa que és totalment estrany. Els fils d'acoblament CPVC a la boixa de l'adaptador de PVC. Adaptador … casquillo … acoblament … Probablement estic barrejant tots aquests termes, però 15 minuts al passadís de plomeria Home Depot us posaran bé.

Pas 3: interruptor òptic

Quan el rotor gira, la seva rotació es compta mitjançant un interruptor òptic. Vaig pensar a fer servir un disc, però això significava que hauria de connectar la font d’il·luminació i el detector verticalment, cosa que seria molt difícil de muntar. En lloc d'això, vaig optar per un muntatge horitzontal i vaig trobar unes petites tasses que van al fons de les cadires per protegir els terres de fusta. Vaig pintar i gravar sis segments, cosa que em donaria dotze vores (gairebé) uniformes, o 12 paparres per volta del rotor. Vaig pensar a fer-ne més, però no coneixia gaire la velocitat del detector ni el camp de la seva òptica. És a dir, si anés massa estret, el LED podria colar-se per les vores i activar el sensor. Aquesta és una altra àrea de recerca que no vaig perseguir, però seria bo explorar-la. Vaig enganxar el got pintat a una femella i el vaig fixar a l’extrem de l’eix. Materials: Protecció per a les cames de la tassa, cosa de la pintura Home Depot Negre

Pas 4: connecteu el rotor

En aquest moment començava a semblar força maco. Les femelles de niló són realment relliscoses, de manera que vaig haver d’utilitzar moltes femelles (per si no us n’heu adonat de les imatges anteriors). També vaig haver de fer una clau plana especial per inserir-la a la tapa sota el rotor per poder bloquejar les dues femelles.

Pas 5: construïu la base inferior

La base inferior allotja les bateries i proporciona una estructura de suport. Vaig trobar una caixa impermeable força maca en línia d’una empresa anomenada Polycase. És una caixa molt rígida que es tanca hermèticament i els cargols són més amples a la base perquè no caiguin fàcilment de la part superior. He utilitzat un mate de PVC a la boquilla de PVC superior. Aquest acoblament inferior inferior és només un acoblament de PVC de 1-1 / 2 "roscat. La pressió de la base superior del rotor s'adapta a la base inferior mitjançant aquest acoblament. Com veureu més endavant, no vaig enganxar aquestes peces perquè volia podreu obrir-lo i fer ajustos si cal, a més, el muntatge és més fàcil quan poseu les plaques de circuit. Materials: caixa impermeable de Polycase, article # WP-23F, 12,50 dòlars Acoblament de PVC de 1-1 / 2 "roscat

Pas 6: creeu el sensor òptic

El mecanisme del sensor és un LED de 940 nm i un receptor de disparador Schmitt. M’encanta el circuit d’activació Schmitt, m’encanta, s’encarrega de totes les meves necessitats de denúncia i emet un senyal compatible CMOS / TTL. L’únic inconvenient? Funcionament de 5V. Sí, he conduït excessivament tot el disseny a 6V, però hauria pogut passar a 3,3V si no fos per aquesta part. La idea és que aquest circuit es muni sota la copa del rotor, que interromp el feix mentre gira, generant transicions lògiques per a cada vora. No tinc una bona imatge de com es va muntar. Bàsicament he enganxat dos desplaçaments de plàstic a l’acoblament de PVC de la base inferior i els he cargolat des de dalt. Vaig haver de moldre les vores del tauler perquè quedés perfectament ajustat. Ni tan sols tinc un esquema per a això, és realment fàcil: només cal que feu una resistència de 1 k de Vin i que el connecteu de manera que el LED estigui sempre encès i la sortida del detector estigui al seu pin. Materials: 1 LED de 940nm 1k resistència 1 sensor OPTEK OPL550 1 endoll de tres pins (femella) 1 placa de circuit de 1,5 "x1,5" Diverses longituds de filferro Tubs termoretràctils si us agraden els vostres cables

Pas 7: Creeu el registrador de dades

La placa de prototipatge Arduino era molt gran per encabir-la al xassís. Vaig utilitzar EagleCAD per disposar una placa de circuit més petita i vaig perdre una sola capa … hi ha quatre cables lletjos que necessitava per salvar alguns buits.

(Vaig pensar que mesurava això a una potència de funcionament de ~ 50 mW i, segons les Watt-Hores de les bateries, vaig pensar que baixaria de 5 V en una setmana, però la meva mesura de potència o les meves matemàtiques eren errònies perquè es mantenien 4 cèl·lules C funcionar durant molt de temps.) Disseny bastant senzill: només un ressonador, l’ATmega328, un xip flaix, un pont de depuració, un LED de depuració, tap de font d’alimentació, i això és tot. Hi ha alguna cosa anomenat DorkBoard que també podria haver utilitzat, bàsicament és tot el necessari per a una placa de desenvolupament ATMega328 de la mida del sòcol DIP. Vaig pensar en comprar-ne un, però el meu enfocament discret era aproximadament un 50% més barat. Aquí teniu l’enllaç del dorkboard:

Aquí teniu la idea bàsica (el codi font s’inclourà més endavant) com funciona la placa: Jumper configurat en mode "depuració": adjuntar una interrupció de valor de canvi a la sortida del sensor òptic i llampar el LED de prova a l'uníson amb el detector. Això va ser molt útil per a la depuració. Jumper configurat al mode "gravar": connecteu la mateixa interrupció a un comptador i, al bucle principal, retardeu 1000 ms. Al final dels 1000 msec, escriviu el nombre de recomptes de vora a una pàgina flash de 256 bytes i, quan la pàgina estigui plena, escriviu-la i reinicieu el recompte. Senzill, oi? Pràcticament. M'agraden molt els dispositius flash Winbond, abans dissenyava el flash als anys 90, així que va ser divertit programar-los de nou. La interfície SPI és brillant. Tan senzill d’utilitzar. Deixaré que els esquemes i el codi font parlin per si mateixos. He mencionat que EagleCAD és increïble? Realment ho és. Hi ha alguns tutorials fantàstics a YouTube.

Pas 8: connecteu l'electrònica

Una vegada més, no tinc moltes bones imatges aquí, però si us imagineu dos separadors de plàstic enganxats a l'interior del PVC, les dues taules hi estan cargolades. Aquí teniu una foto del tauler de registre connectat a la part inferior. La placa del detector es troba dins de la carcassa.

Pas 9: calibració

Vaig fer un equip de proves per calibrar la bèstia de manera que pogués convertir el nombre de rotors en brut a MPH. Sí, és un 2x4. He adjuntat l’anemòmetre a un extrem i un Arduio de depuració a l’altre. La pantalla LCD mostra els recomptes del rotor. El procés va ser així: 1) Trobeu una carretera llarga i recta sense trànsit. 2) Mantingueu premut el 2x4 perquè surti el màxim possible per la finestra. 3) Activeu la gravació de veu a l'iPhone o Android. 4) Activeu un velocímetre GPS digital al dispositiu de mà que trieu. a la gravadora, la velocitat i el rotor mitjà compten 6) No es bloqueja 7)? 8) Més endavant, quan no conduïu, torneu a reproduir el missatge del vostre telèfon i introduïu les dades a Excel i espereu que hi hagi un lineal, un exponencial o un polinomi amb un valor al quadrat R superior al 99%. Aquesta conversió es farà servir més endavant. El dispositiu només captura dades en brut, les he processat posteriorment a MPH (o KPH) a Excel. (He mencionat que he aplicat una capa tosca de pintura bruna d'oliva? L'hauria anomenat "Anemòmetre de registre de dades tàctiques", però després he recordat que "Tàctic" significa "negre").

Pas 10: aneu a recollir algunes dades del vent

Això és pràcticament tot. Crec que falten algunes imatges, p. Ex. no es mostren les quatre cèl·lules C amuntegades a la base inferior. No podia cabre un suport de molla, així que vaig acabar soldant cables a les bateries. Estic escrivint això instructable un any després de construir-lo i, a la revisió núm. 2, vaig fer servir piles AA perquè vaig sobreestimar el consum d'energia. L’ús d’AA em va permetre afegir un interruptor d’encesa i apagada i va alliberar una mica d’espai a l’interior, en cas contrari era força ajustat. En total, vaig quedar força satisfet amb el disseny. El gràfic següent mostra el valor mitjà d’una setmana. Les bateries van començar a morir el setè dia. Podria haver millorat la durada de la bateria executant el LED a un cicle de treball inferior a aproximadament 1 kHz i no hauria perdut cap vora a causa de la velocitat angular del rotor relativament baixa.

Diverteix-te! Avisa’m si veus alguna possibilitat de millora.

Pas 11: codi font

S'adjunta un únic fitxer font Arduino. Ho vaig fer perquè, bé, GPL.

EDIT: M'agradaria assenyalar que la meva implementació d'utilitzar un retard d'1 s () és una idea terrible i en h El temps necessari per escriure al flash i llegir el sensor pot semblar petit, però al llarg de 7 -10s se suma a una deriva significativa. En lloc d’això, utilitzeu una interrupció del temporitzador d’1 Hz (el temporitzador núm. 1 del 328P es pot calibrar perfectament a 1 Hz). Per estar segur, haureu de codificar una tanca en cas que l’escriptura de la pàgina i el sensor llegit per algun motiu triguen més d’un segon (gestionar les mostres caigudes), però una interrupció del temporitzador és la manera de fer coses que han de ser, bé, temps precís. Ànims!