Arduino Pro-mini Data-logger: 15 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Δημιουργία οδηγιών για λογισμικό καταγραφής δεδομένων ανοιχτού κώδικα pro-mini Arduino

Αποποίηση ευθυνών: Ο ακόλουθος σχεδιασμός και κωδικός είναι δωρεάν για λήψη και χρήση, αλλά δεν συνοδεύεται από καμία απολύτως εγγύηση ή εγγύηση.

Πρέπει πρώτα να ευχαριστήσω και να προωθήσω τους ταλαντούχους ανθρώπους που εμπνεύστηκαν την ιδέα για αυτόν τον καταγραφέα δεδομένων και συνέβαλαν στον κώδικα και τους αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν. Πρώτον, η ιδέα για την καταγραφή δεδομένων προήλθε από το πολύ καλά σχεδιασμένο και καλά εξηγημένο (συγγνώμη το σεμινάριό μας δεν είναι τόσο καλό) καταγραφικό δεδομένων του Edward Mallon: https://thecavepearlproject.org/2017/06/19/ arduin…

Δεύτερον, οι αισθητήρες υγρασίας εδάφους ανοιχτού κώδικα που χρησιμοποιούνται εδώ, καθώς και ο κώδικας/βιβλιοθήκη για τη λειτουργία τους, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από την Catnip Electronics. Αυτοί είναι αισθητήρες υψηλής ποιότητας και πολύ στιβαροί. Πληροφορίες για το πού να τα αγοράσετε και να λάβετε τον κωδικό για την εκτέλεσή τους (ευχαριστώ Ingo Fischer) δίνονται παρακάτω.

Βήμα 1: Απαιτούμενα υλικά, εργαλεία, εξοπλισμός

Pro-mini πίνακας Arduino. Για αυτήν την εφαρμογή, χρησιμοποιούμε ανοιχτού κώδικα (όπως και όλα τα μέρη μας) κινέζικους pro-mini κλώνους (5V, 16MHz, μικροεπεξεργαστής ATmega 326) (Εικ. 1α). Αυτοί οι πίνακες μπορούν να αγοραστούν στο Aliexpress, το Ebay και παρόμοιους ιστότοπους για λιγότερο από $ 2US. Ωστόσο, άλλοι πίνακες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν εξίσου εύκολα (λάβετε υπόψη τις απαιτήσεις τάσης των απαραίτητων αισθητήρων, καθώς και τις απαιτήσεις μνήμης προγράμματος).

Κάρτα SD και μονάδα καταγραφής σε πραγματικό χρόνο-ρολόι (RTC) που δημιουργήθηκε από το Deek-Robot (ID: 8122) (Εικ. 1β). Αυτή η μονάδα περιλαμβάνει έναν αναγνώστη καρτών DS13072 RTC και micro-sd. Αυτές οι σανίδες κοστίζουν λιγότερο από $ 2US και είναι πολύ ανθεκτικές.

Arduino nano (ναι-"nano") βιδωτός τερματικός προσαρμογέας, επίσης βγάζει το Deek-Robot, το οποίο μπορεί να αγοραστεί για λιγότερο από 2 δολάρια ΗΠΑ από το Aliexpress ή παρόμοιο (Εικ. 1γ). Όπως μπορείτε να δείτε, αγαπάμε απλά το Aliexpress.

22 gage στερεό πυρήνα μονωμένο σύρμα (Εικ. 1δ).

Πλαίσιο καταγραφής δεδομένων (Εικ. 1ε). Χρησιμοποιούμε κουτιά "έρευνας", αλλά τα φθηνά πλαστικά είδη λειτουργούν μια χαρά στις περισσότερες περιπτώσεις.

Θήκη μπαταρίας για 4 μπαταρίες AA NiMh (Εικ. 1στ). Αυτά μπορούν να αγοραστούν στο Aliexpress για περίπου. 0,20 $ το καθένα (ναι - 20 λεπτά). Μην σπαταλάτε τα χρήματά σας σε ακριβότερες θήκες μπαταριών.

Ηλιακός πίνακας 6V, περίπου 1W. Μπορεί να αγοραστεί στο Aliexpress για λιγότερο από $ 2US.

Συγκολλητικό σίδερο, συγκόλληση και ροή παλαιού τύπου.

Πυροβόλο θερμής κόλλας.

Βήμα 2: Δημιουργία οδηγιών

Χρόνος που απαιτείται για την κατασκευή: περίπου 30 έως 60 λεπτά.

Προετοιμάστε νανο τερματικό προσαρμογέα για συγκόλληση.

Για τους σκοπούς αυτής της επίδειξης, θα προετοιμάσουμε τον τερματικό προσαρμογέα νανοβιδών για να διευκολύνουμε τη σύνδεση τριών αισθητήρων υγρασίας I2C εδάφους. Ωστόσο, με λίγη δημιουργικότητα, οι βιδωτοί ακροδέκτες θα μπορούσαν να προετοιμαστούν με διαφορετικούς τρόπους για να διευκολύνουν άλλες συσκευές. Εάν δεν γνωρίζετε τι είναι το I2C, ελέγξτε τους ακόλουθους ιστότοπους:

howtomechatronics.com/tutorials/arduino/ho…

www.arduino.cc/en/Reference/Wire

Η ιδέα να χρησιμοποιηθούν προσαρμογείς βιδών nano προήλθε από τον υπέροχο σχεδιασμό καταγραφής δεδομένων του Edward Mallon:

thecavepearlproject.org/2017/06/19/arduino…

Κόψτε τα ίχνη στο πίσω μέρος του βιδωτού ακροδέκτη μεταξύ των μεγάλων και των μικρών πείρων στις θέσεις 3, 5, 9, 10 και 11 (μετρώντας από την κορυφή του ακροδέκτη) (Εικ. 2). Αυτά τα ίχνη αντιστοιχούν στις ετικέτες "RST", "A7", "A3", "A2", & "A1" στο βιδωτό ακροδέκτη. Το κόψιμο των ιχνών είναι πολύ πιο εύκολο αν έχετε ένα εργαλείο τύπου «Dremel», αλλά αν δεν το κάνετε, ένα μικρό μαχαίρι θα λειτουργήσει εύκολα. Μην κόβεις τον εαυτό σου! Σημειώστε ότι οι ετικέτες στο βιδωτό ακροδέκτη και στο pro-mini δεν είναι όλες ίδιες (το nano και το pro-mini έχουν μερικές ακίδες σε διαφορετικές θέσεις). Αυτή είναι μια από τις ενοχλήσεις αυτού του σχεδιασμού, αλλά είναι αρκετά εύκολο να επανατοποθετήσετε την πλακέτα τερματικού όταν τελειώσετε, αν θέλετε.

Απομακρύνετε προσεκτικά (χρησιμοποιώντας ένα Dremel ή ένα μικρό μαχαίρι) το λεπτό στρώμα εποξειδίου ακριβώς δίπλα στις μεγάλες καρφίτσες 9, 10 και 11 (με σήμανση «A3», «A2», «A1» στο νανο τερματικό) (Εικ. 2) Το Η εκτεθειμένη επίστρωση χαλκού κάτω από την εποξική γειώνεται στην πλάκα Arduino pro-mini. Θα κολλήσουμε αργότερα αυτό το εκτεθειμένο τμήμα στους παρακείμενους πείρους, παρέχοντας έτσι τρεις γειωμένους βιδωτούς ακροδέκτες.

Βήμα 3: Δημιουργία οδηγιών

Κόψτε οκτώ μήκη 8 εκατοστών από μονωμένο σύρμα 22 μετρητών και λωρίστε περίπου 5 mm μόνωσης από το ένα άκρο και 3 mm από το άλλο άκρο. Συνιστούμε τη χρήση καλωδίου συμπαγούς πυρήνα.

Πάρτε τέσσερα από αυτά τα καλώδια, λυγίστε το ένα άκρο 90 μοίρες (το άκρο με 5 mm ή εκτεθειμένο σύρμα) και κολλήστε * απέναντι * (δηλαδή, ενώνοντας όλους τους πείρους με άφθονη συγκόλληση και ροή) στα ακόλουθα σημεία:

Σύρμα 1: μεγάλες καρφίτσες 3, 4 και 5 (με σήμανση "RST", "5V", "A7" στο νανο τερματικό). Θα τροποποιήσουμε αυτούς τους τρεις βιδωτούς ακροδέκτες σε τρεις ακροδέκτες VCC (Εικ. 3).

Βήμα 4: Δημιουργία οδηγιών

Σύρμα 2: μεγάλες καρφίτσες 9, 10 και 11 (με σήμανση «A3», «A2», «A1» στο νανο τερματικό) καθώς και η εκτεθειμένη επίστρωση χαλκού που είχε εκτεθεί νωρίτερα. Χρησιμοποιήστε άφθονη συγκόλληση. Μην ανησυχείτε αν φαίνεται ακατάστατο. Θα τροποποιήσουμε αυτούς τους τρεις βιδωτούς ακροδέκτες σε τρεις ακροδέκτες γείωσης (-) (Εικ. 4).

Βήμα 5: Δημιουργία οδηγιών

Σύρμα 3: μεγάλες καρφίτσες 13, 14 και 15 (με ετικέτα "REF", "3V3", "D13" στο νανο τερματικό). Θα τροποποιήσουμε αυτούς τους τρεις βιδωτούς ακροδέκτες σε τρεις ακροδέκτες A5 SCL για επικοινωνίες I2C (Εικ. 5).

Βήμα 6: Δημιουργία οδηγιών

Σύρμα 4: μεγάλες καρφίτσες 28, 29 και 30 (με την ένδειξη «D10», «D11», «D12» στο νανο τερματικό). Θα τροποποιήσουμε αυτούς τους τρεις βιδωτούς ακροδέκτες σε τρεις ακροδέκτες A4 SDA για επικοινωνίες I2C (Εικ. 6).

Βήμα 7: Δημιουργία οδηγιών

Συγκολλήστε ένα καλώδιο σε κάθε έναν από τους μικρούς (λέω ξανά - μικρούς) πείρους 9, 10 και 11 (με σήμανση «A3», «A2», «A1» στο νανο τερματικό) (Εικ. 7).

Βήμα 8: Δημιουργία οδηγιών

Κόλλα μετάλλων

το υπόλοιπο καλώδιο στον μεγάλο πείρο 22 (με την ένδειξη «D4» στο νανο τερματικό) (Εικ. 8).

Βήμα 9: Δημιουργία οδηγιών

Συγκολλήστε το ελεύθερο άκρο κάθε σύρματος στις αντίστοιχες οπές καρφιτσών στην ασπίδα Deek-Robot data logger (εικ. 9):

μεγάλη καρφίτσα 'RST+5V+A7' στην οπή 5V

μεγάλη καρφίτσα 'A3+A2+A1' στην οπή καρφιτσών GND

μικρό πείρο 'A3' στην οπή καρφιών SCK

μικρό πείρο 'A2' στην οπή πείρου MISO

μικρό πείρο 'A1' στην οπή πείρου MOSI

μεγάλη καρφίτσα 'REF+3V3+D13' στην οπή καρφιτσών SCL

μεγάλη καρφίτσα «D10+D11+D12» στην οπή καρφίτσας SDA

και μεγάλο πείρο 'D4' στην οπή καρφίτσας CS

Βήμα 10: Δημιουργία οδηγιών

Λάβετε υπόψη ότι παρέχουμε τις ετικέτες nano εδώ μόνο για ευκολία σύνδεσης. Αυτές οι ετικέτες δεν θα αντιστοιχούν στις ακίδες της πλακέτας pro-mini μόλις εισαχθεί στον ακροδέκτη βιδών.

Συγκολλήστε δύο καλώδια μήκους 6 εκατοστών στις οπές Α4 και Α5 από την κάτω πλευρά της πλακέτας pro-mini (Εικ. 10).

Βήμα 11: Δημιουργία οδηγιών

Κολλήστε τις καρφίτσες στην πλακέτα pro-mini και τοποθετήστε την στον ολοκληρωμένο ακροδέκτη βιδών. Μην ξεχάσετε να εισαγάγετε τα καλώδια A5 και A4 στους ακροδέκτες D12 (A4) και D13 (A5) στον νανοπίνακα. Να θυμάστε πάντα ότι οι ακίδες στις ετικέτες του τερματικού Arduino και των βιδών δεν θα ευθυγραμμιστούν ακριβώς (οι πλακέτες pro-mini και nano έχουν διαφορετική διάταξη ακίδων).

Τοποθετήστε μια μπαταρία CR 1220 και μια κάρτα micro-sd στην πλακέτα καταγραφής. Χρησιμοποιούμε κάρτες SD με χωρητικότητα μικρότερες από 15 GB, καθώς είχαμε πρόβλημα με κάρτες μεγαλύτερης χωρητικότητας. Χρησιμοποιούμε τη μορφοποίηση των καρτών σε FAT32.

Τέλος, καλύψτε όλες τις κολλημένες συνδέσεις και στερεώστε όλα τα καλώδια στον πίνακα ακροδεκτών με θερμή κόλλα.

Ο πίνακας είναι τώρα έτοιμος για χρήση. Ο ολοκληρωμένος πίνακας πρέπει τώρα να μοιάζει με αυτόν: Εικ. 11.

Βήμα 12: Ρύθμιση του καταγραφέα δεδομένων για χρήση πεδίου

Για να αποτρέψετε την ανατροπή του καταγραφέα δεδομένων στο πλαίσιο καταγραφής δεδομένων, καθώς και την εύκολη πρόσβαση στις ακίδες επικοινωνίας, σας συνιστούμε να δημιουργήσετε μια πλατφόρμα σταθεροποίησης. Η πλατφόρμα διατηρεί επίσης τα ηλεκτρονικά τουλάχιστον μερικά εκατοστά από το κάτω μέρος του κουτιού, σε περίπτωση πλημμύρας. Χρησιμοποιούμε ακρυλικό φύλλο 1,5 mm και το συνδέουμε με τον καταγραφέα δεδομένων με μπουλόνια, παξιμάδια και ροδέλες 4 mm (Εικ. 12).

Βήμα 13:

Χρησιμοποιούμε αισθητήρες υγρασίας χωρητικότητας I2C ανοιχτού κώδικα. Τα αγοράζουμε από την Catnip Electronics (ιστοσελίδα παρακάτω). Μπορούν να αγοραστούν στο Tindie και κοστίζουν περίπου $ 9US για το τυπικό μοντέλο και περίπου $ 22US για το ανθεκτικό μοντέλο. Χρησιμοποιήσαμε τη στιβαρή έκδοση σε πειράματα πεδίου. Είναι πολύ στιβαρά και προσφέρουν παρόμοια απόδοση με πολύ πιο ακριβές εμπορικές εναλλακτικές λύσεις (δεν θα βάλουμε κανέναν στο Front Street, αλλά μάλλον γνωρίζετε τους συνήθεις υπόπτους).

Ο αισθητήρας Catnip Electronics I2C εμφανίζεται σε αυτό το σεμινάριο:

αγοράστε εδώ:

βιβλιοθήκη arduino:

βιβλιοθήκη arduino στο Github:

Συνδέστε το κίτρινο καλώδιο από τον αισθητήρα I2C σε έναν από τους ακροδέκτες βίδας A5. Συνδέστε το πράσινο καλώδιο από τον αισθητήρα I2C σε έναν από τους ακροδέκτες Α4. Κόκκινα και μαύρα καλώδια από τον αισθητήρα πηγαίνουν στα τερματικά VCC και γείωσης, αντίστοιχα.

Τοποθετήστε τέσσερις φορτισμένες μπαταρίες NiMh στη θήκη της μπαταρίας. Συνδέστε το κόκκινο σύρμα (+) στον ακροδέκτη RAW στον καταγραφέα δεδομένων (δηλαδή, τον πείρο RAW στον πίνακα pro-mini) (αλλά δείτε την ενότητα "εξοικονόμηση ενέργειας" παρακάτω). Συνδέστε το μαύρο (-) καλώδιο σε μία από τις ακίδες γείωσης του καταγραφέα δεδομένων.

Για μακροχρόνια χρήση πεδίου, συνδέστε ένα ηλιακό πάνελ 6V 1W στο καταγραφικό. Ο ηλιακός πίνακας θα χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία του καταγραφέα δεδομένων και τη φόρτιση της μπαταρίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και λειτουργεί ακόμη και κάτω από συννεφιά (αν και το χιόνι αποτελεί πρόβλημα).

Πρώτα, κολλήστε μια δίοδο Schottky ~ 2Α στο θετικό τερματικό του ηλιακού συλλέκτη. Αυτό θα αποτρέψει τη ροή του ρεύματος πίσω στον ηλιακό πίνακα όταν δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία. Μην ξεχάσετε να το κάνετε αυτό, διαφορετικά θα έχετε αποφορτισμένες μπαταρίες σε λίγο χρόνο.

Συνδέστε τον ακροδέκτη (+) από τον ηλιακό πίνακα (δηλ. Τη δίοδο) στον πείρο RAW στον καταγραφέα (δηλ. Τον πείρο RAW στο pro-mini) και τον (-) ακροδέκτη από τον ηλιακό πίνακα σε ένα από τα εδάφη τερματικά στο καταγραφικό.

Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει στον ενσωματωμένο ρυθμιστή τάσης στην πλακέτα pro-mini να ρυθμίζει την τάση που προέρχεται τόσο από τον ηλιακό πίνακα όσο και από τη μπαταρία. Τώρα… θα πω ότι αυτό δεν είναι το ιδανικό σύστημα για τη φόρτιση μπαταριών NiMh (δύσκολο ακόμη και υπό τέλειες συνθήκες). Ωστόσο, οι ηλιακοί συλλέκτες που χρησιμοποιούμε εκπέμπουν περίπου 150mA υπό συνθήκες πλήρους ηλίου, που αντιστοιχεί σε περίπου 0,06 C (C = η χωρητικότητα της μπαταρίας), η οποία έχει αποδειχθεί για εμάς ότι είναι μια απλή, ασφαλής και αξιόπιστη μέθοδος φόρτισης για τους ξυλοκόπους μας. Τους είχαμε να τρέχουν με αυτόν τον τρόπο στο πεδίο για έως και ένα χρόνο στο Κολοράντο. Ωστόσο, δείτε την αποποίηση ευθυνών - οι καταγραφείς μας δεν παρέχουν καμία απολύτως εγγύηση ή εγγύηση. Κάθε φορά που χρησιμοποιείτε μπαταρίες ή ηλιακούς συλλέκτες στο πεδίο, διατρέχετε τον κίνδυνο πυρκαγιάς. Πρόσεχε. Χρησιμοποιήστε αυτό το σχέδιο με δική σας ευθύνη!

Ασφαλίστε το αρχείο καταγραφής δεδομένων και τη μπαταρία μέσα σε ένα πλαίσιο ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες (Εικ. 13).

Βήμα 14: Εξοικονόμηση ενέργειας

Συχνά απενεργοποιούμε τις λυχνίες LED τροφοδοσίας τόσο από τους πίνακες pro-mini όσο και από τους πίνακες καταγραφής δεδομένων. Τα ίχνη αυτών των LED μπορούν να κοπούν προσεκτικά με μια λεπίδα ξυραφιού (δείτε τον παρακάτω σύνδεσμο). Κάθε LED καταναλώνει περίπου 2,5mA ρεύματος στα 5V (σύνδεσμος παρακάτω). Ωστόσο, για πολλές εφαρμογές αυτή η ποσότητα απώλειας ενέργειας θα είναι αμελητέα και ο ερευνητής μπορεί απλώς να αφήσει τα LED ισχύος όπως είναι.

www.instructables.com/id/Arduino-low-Proje…

Εκτελούμε επίσης τη βιβλιοθήκη 'LowPower.h' (από 'rocketscream' · σύνδεσμος που δίνεται παρακάτω), η οποία είναι πολύ εύκολη στη χρήση και μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας μεταξύ των διαστημάτων καταγραφής.

github.com/rocketscream/Low-Power

Αφού αφαιρέσετε τις λυχνίες LED τροφοδοσίας από το pro-mini και την πλακέτα καταγραφής δεδομένων και εκτελέσετε τη βιβλιοθήκη LowPower.h (δείτε τον «κώδικα» παρακάτω), ο καταγραφέας θα καταναλώσει περίπου. 1mA ρεύματος στα 5V ενώ κοιμάστε. Λειτουργώντας ταυτόχρονα τρεις αισθητήρες I2C, ο καταγραφέας σε κατάσταση αδράνειας (μεταξύ επαναλήψεων δειγματοληψίας) καταναλώνει περίπου 4,5mA στα 5V και περίπου 80mA κατά τη δειγματοληψία. Ωστόσο, επειδή η δειγματοληψία πραγματοποιείται πολύ γρήγορα και πολύ σπάνια, η τροφοδοσία ρεύματος 80mA δεν συμβάλλει σημαντικά στην αποστράγγιση της μπαταρίας.

Μπορείτε να εξοικονομήσετε περισσότερη ενέργεια όταν δεν χρησιμοποιείτε ηλιακούς συλλέκτες συνδέοντας τον (+) ακροδέκτη μπαταρίας απευθείας στον πείρο VCC του καταγραφικού. Ωστόσο, η απευθείας σύνδεση με το VCC, αντί για τον πείρο RAW, αποφεύγει τον ρυθμιστή τάσης επί του σκάφους και το ρεύμα στους αισθητήρες δεν θα είναι τόσο σταθερό όσο θα ήταν εάν είχε δρομολογηθεί μέσω του ρυθμιστή. Για παράδειγμα, η τάση θα μειωθεί καθώς η μπαταρία εξαντλείται κατά τη διάρκεια ημερών και εβδομάδων, και σε πολλές περιπτώσεις, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα σημαντικές διαφορές στις ενδείξεις των αισθητήρων (ανάλογα με τους αισθητήρες που χρησιμοποιείτε). Μην συνδέετε ένα ηλιακό πάνελ απευθείας στο VCC.

Βήμα 15: Κωδικός

Περιλαμβάνουμε δύο σκίτσα για τη λειτουργία του καταγραφέα δεδομένων με τρεις αισθητήρες υγρασίας εδάφους I2C. Το πρώτο σκίτσο 'logger_sketch' θα λαμβάνει δείγμα από κάθε αισθητήρα και θα καταγράφει δεδομένα χωρητικότητας και θερμοκρασίας στην κάρτα sd κάθε 30 λεπτά (αλλά μπορεί να αλλάξει εύκολα από τον χρήστη). Το δεύτερο σκίτσο «ChangeSoilMoistureSensorI2CAddress» θα επιτρέψει στον χρήστη να εκχωρήσει διαφορετικές διευθύνσεις I2C σε κάθε έναν από τους αισθητήρες, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα από τον καταγραφέα δεδομένων. Οι διευθύνσεις στο 'logger_sketch' μπορούν να αλλάξουν στις γραμμές 25, 26 και 27. Οι βιβλιοθήκες που απαιτούνται για την εκτέλεση του αισθητήρα βρίσκονται στο Github.