Ανεμόμετρο αυτόματης καταγραφής δεδομένων: 11 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Μου αρέσει να συλλέγω και να αναλύω δεδομένα. Μου αρέσει επίσης να χτίζω ηλεκτρονικά gadget. Πριν από ένα χρόνο όταν ανακάλυψα τα προϊόντα Arduino, σκέφτηκα αμέσως: «Θα ήθελα να συλλέξω περιβαλλοντικά δεδομένα». Wasταν μια θυελλώδης μέρα στο Πόρτλαντ, OR, έτσι αποφάσισα να καταγράψω δεδομένα ανέμου. Κοίταξα μερικές από τις οδηγίες για ανεμόμετρα και τα βρήκα αρκετά χρήσιμα, αλλά χρειάστηκε να κάνω κάποιες αλλαγές μηχανικής. Πρώτον, ήθελα η συσκευή να λειτουργεί αυτόνομα, σε εξωτερικούς χώρους, για μια εβδομάδα. Δεύτερον, ήθελα να είναι σε θέση να καταγράψει πολύ μικρές ριπές ανέμου, αρκετά από τα σχέδια εδώ απαιτούσαν μάλλον ισχυρούς ανέμους για να ξεκινήσει. Τέλος, ήθελα να καταγράψω τα δεδομένα. Αποφάσισα να επιλέξω ένα πραγματικά ελαφρύ σχέδιο ρότορα με όσο το δυνατόν λιγότερη αδράνεια και αντίσταση. Για να το πετύχω αυτό, χρησιμοποίησα όλα τα πλαστικά μέρη (συμπεριλαμβανομένων των βιδωτών ράβδων με σπείρωμα), συνδέσμους με ρουλεμάν και οπτικούς αισθητήρες. Άλλα σχέδια χρησιμοποιούσαν μαγνητικούς αισθητήρες ή πραγματικούς κινητήρες DC, αλλά και τα δύο επιβραδύνουν τον ρότορα, τα οπτικά χρησιμοποιούν λίγο περισσότερη ισχύ αλλά δεν προσφέρουν μηχανική αντίσταση. Ο καταγραφέας δεδομένων είναι απλά ένα Atmega328P με τσιπ flash 8 mbit. Σκέφτηκα να πάω σε SD, αλλά ήθελα να κρατήσω το κόστος, την κατανάλωση ενέργειας και την πολυπλοκότητα σε χαμηλά επίπεδα. Έγραψα ένα απλό πρόγραμμα που καταγράφει μετρήσεις περιστροφής δύο byte κάθε δευτερόλεπτο. Με 8 megabits σκέφτηκα ότι θα μπορούσα να συλλέξω δεδομένα αξίας περίπου μιας εβδομάδας. Στην αρχική μου σχεδίαση, σκέφτηκα ότι θα χρειαστώ 4 κύτταρα C, αλλά μετά από μια εβδομάδα ήταν ακόμα πλήρως φορτισμένα, οπότε πρέπει να είχα απενεργοποιήσει μια τάξη μεγέθους στην κατανάλωση ενέργειας. Δεν χρησιμοποίησα γραμμικούς ρυθμιστές, οδήγησα όλες τις ράγες τάσης στα 6V (παρόλο που μερικά από τα μέρη είχαν βαθμολογία 3.3V. Yay overdesign!). Για να κατεβάσω τα δεδομένα, είχα ένα πολύπλοκο σύστημα που διάβαζε το φλας και το έριχνε στην σειριακή οθόνη arduino και έκοψα και επικολλήθηκα στο Excel. Δεν ξόδεψα χρόνο προσπαθώντας να καταλάβω πώς να γράψω μια εφαρμογή γραμμής εντολών USB για να ρίξω το φλας στο κανονικό, αλλά κάποια στιγμή θα πρέπει να το καταλάβω. Το αποτέλεσμα ήταν μάλλον εκπληκτικό, μπόρεσα να παρατηρήσω μερικές πολύ ενδιαφέρουσες τάσεις, τις οποίες εξοικονομώ για μια άλλη έκθεση. Καλή τύχη!

Βήμα 1: Δημιουργήστε το στροφείο

Δοκίμασα μια σειρά από διαφορετικές ιδέες για τα φλιτζάνια ρότορα: Πασχαλινά αυγά, μπάλες πινγκ πονγκ, πλαστικά ποτήρια και άδειες μπάλες διακοσμητικών χριστουγεννιάτικων δέντρων. Έφτιαξα αρκετούς ρότορες και τους δοκίμασα όλους με ένα πιστολάκι μαλλιών, το οποίο παρείχε μια σειρά από ταχύτητες ανέμου. Από τα τέσσερα πρωτότυπα, τα κοχύλια διακοσμητικών λειτούργησαν καλύτερα. Είχαν επίσης αυτές τις μικρές γλωττίδες που διευκόλυναν την τοποθέτηση και ήταν κατασκευασμένες από ένα άκαμπτο πλαστικό που λειτουργούσε καλά με πολυανθρακικό τσιμέντο. Δοκίμασα μερικά διαφορετικά μήκη άξονα, μικρά, μεσαία και μεγάλα (περίπου 1 "έως περίπου 6") και διαπίστωσα ότι τα μεγαλύτερα μεγέθη έτρεχαν πάρα πολύ και δεν ανταποκρίνονταν καλά σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, οπότε πήγα με τους άξονες μικρού μεγέθους Το Δεδομένου ότι όλα ήταν διαφανή από πλαστικό, έκανα μια εύχρηστη μικρή εκτύπωση για να φωτίσω τις τρεις λεπίδες. Υλικά: Τα στολίδια προέρχονται από την Oriental Trading Company, είδος "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", 6 $ συν 3 $ μεταφορικά. Οι πλαστικοί άξονες και ο δομικός δίσκος προήλθαν από ένα τοπικό κατάστημα TAP Plastics, περίπου 4 $ σε μέρη.

Βήμα 2: Δημιουργήστε την Άνω Βάση

Για να μειώσω την αδράνεια περιστροφής, χρησιμοποίησα μια νάιλον ράβδο με σπείρωμα από τον McMaster Karr. Wantedθελα να χρησιμοποιήσω ρουλεμάν, αλλά τα έδρανα του μηχανήματος είναι συσκευασμένα σε γράσο που επιβραδύνει τον ρότορα, οπότε αγόρασα μερικά φθηνά ρουλεμάν skateboard που δεν είχαν κανένα. Απλώς έτυχε να προσαρμοστούν σε προσαρμογέα σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 3/4 "CPVC. Μόλις συναρμολογήσω τη δομή, συνειδητοποίησα ότι τα ρουλεμάν πατίνι χειρίζονται το επίπεδο φορτίο και εφαρμόζω κάθετο φορτίο, οπότε θα έπρεπε να είχα χρησιμοποιήσει ένα ρουλεμάν ώσης, αλλά λειτούργησαν μια χαρά και πιθανώς βοήθησαν στη διαχείριση της τριβής από τη ροπή προόδου. Σχεδίασα να συνδέσω έναν οπτικό αισθητήρα στο κάτω μέρος του άξονα, οπότε τοποθέτησα τη ζεύξη CPVC σε μια μεγαλύτερη βάση. Το Home Depot είναι ένα διασκεδαστικό μέρος για μίξη και ταιριάζουν με εξαρτήματα CPVC/PVC. Τελικά μπόρεσα να γεμίσω τη σύζευξη CPVC με σπείρωμα 3/4 "σε έναν μειωτήρα PVC 3/4" έως 1-1/2 ". Χρειάστηκε πολύ παιχνίδι για να ταιριάξουν όλα, αλλά άφησε αρκετό χώρο για τα ηλεκτρονικά. Υλικά: 98743A235-Μαύρο νάιλον νήμα (5/16 "-18 νήμα) 94900A030-Μαύρο νάιλον εξάγωνο παξιμάδι (νήμα 5/16" -18) Φτηνά ρουλεμάν skateboard 3/4 "με σπείρωμα CPVC προσαρμογέας 3/4" σε 1 -1/2 "μειωτής PVC σε σωλήνα με σπείρωμα 3/4" Σημείωση: Οι διαστάσεις ζεύξης PVC και CPVC δεν είναι οι ίδιες, πιθανώς για την αποφυγή τυχαίας κακής χρήσης. Έτσι, η εναλλαγή σε έναν απλό προσαρμογέα PVC 3/4 "δεν θα λειτουργήσει, ωστόσο, τα THREADS ενός προσαρμογέα με σπείρωμα είναι τα ίδια, κάτι που είναι εντελώς παράξενο. Τα νήματα σύνδεσης CPVC στον δακτύλιο του προσαρμογέα PVC. Προσαρμογέας … σύνδεσμος … σύζευξη … Μάλλον ανακατεύω όλους αυτούς τους όρους, αλλά 15 λεπτά στο υδραυλικό διάδρομο Home Depot θα σας καθοδηγήσουν.

Βήμα 3: Οπτικός διακόπτης

Καθώς ο ρότορας γυρίζει, η περιστροφή του μετράται από ένα οπτικό διακόπτη. Σκέφτηκα να χρησιμοποιήσω έναν δίσκο, αλλά αυτό σήμαινε ότι έπρεπε να συνδέσω κάθετα την πηγή φωτισμού και τον ανιχνευτή, κάτι που θα ήταν πολύ δύσκολο να συναρμολογηθεί. Αντ 'αυτού, επέλεξα την οριζόντια βάση και βρήκα μερικά μικρά κύπελλα που βρίσκονται στο κάτω μέρος των καρεκλών για να προστατεύσουν τα πατώματα από σκληρό ξύλο. Ζωγράφισα και κόλλησα έξι τμήματα, τα οποία θα μου έδιναν δώδεκα (σχεδόν) ομοιόμορφες άκρες, ή 12 τσιμπούρια ανά περιστροφή του ρότορα. Σκέφτηκα να κάνω περισσότερα, αλλά δεν ήμουν πολύ εξοικειωμένος με την ταχύτητα του ανιχνευτή ή το οπτικό πεδίο των οπτικών του. Δηλαδή, αν στενόμουν πολύ, το LED μπορεί να σέρνεται στις άκρες και να ενεργοποιήσει τον αισθητήρα. Αυτός είναι ένας άλλος τομέας έρευνας που δεν ασχολήθηκα, αλλά καλό θα ήταν να εξερευνήσω. Κόλλησα το βαμμένο κύπελλο σε ένα παξιμάδι και το στερέωσα στο τέλος του άξονα. Υλικά: Προϊόν προστασίας ποδιών καρέκλας κύπελλο από το Home Depot Μαύρο χρώμα

Βήμα 4: Συνδέστε το ρότορα

Σε αυτό το σημείο είχε αρχίσει να φαίνεται αρκετά δροσερό. Τα νάιλον καρύδια είναι πραγματικά ολισθηρά, οπότε έπρεπε να χρησιμοποιήσω πολλά παξιμάδια (σε περίπτωση που δεν το προσέξατε από τις προηγούμενες εικόνες). Έπρεπε επίσης να φτιάξω ένα ειδικό επίπεδο κλειδί για να χωρέσει στο καπάκι κάτω από τον ρότορα, ώστε να μπορώ να κλειδώσω και τα δύο παξιμάδια.

Βήμα 5: Δημιουργήστε την Κάτω Βάση

Η κάτω βάση φιλοξενεί τις μπαταρίες και παρέχει δομή στήριξης. Βρήκα ένα αρκετά δροσερό αδιάβροχο κουτί στο διαδίκτυο από μια εταιρεία που ονομάζεται Polycase. Είναι μια πραγματικά λεία θήκη που σφραγίζει σφιχτά και οι βίδες είναι φαρδύτερες στη βάση, ώστε να μην πέφτουν εύκολα από την κορυφή. Χρησιμοποίησα ένα PVC mate στον επάνω δακτύλιο PVC. Αυτό το κάτω ζευγάρι βάσης είναι απλώς ένας σπειρωτός σύνδεσμος PVC 1-1/2 ". Η άνω πίεση της βάσης του ρότορα ταιριάζει στην κάτω βάση μέσω αυτής της σύζευξης. Όπως θα δείτε αργότερα, δεν κόλλησα αυτά τα κομμάτια μεταξύ τους επειδή ήθελα να να είναι σε θέση να το ανοίξει και να κάνει ρυθμίσεις εάν είναι απαραίτητο, καθώς και η συναρμολόγηση είναι ευκολότερη κατά την τοποθέτηση των πλακέτων κυκλώματος. Υλικά: Αδιάβροχο κουτί από Polycase, είδος # WP-23F, 12,50 $ Σπείρωμα 1-1/2 "PVC ζεύξης

Βήμα 6: Δημιουργήστε τον Οπτικό αισθητήρα

Ο μηχανισμός αισθητήρα είναι LED 940nm και δέκτης σκανδάλης Schmitt. Λατρεύω την αγάπη, το κύκλωμα σκανδάλης Schmitt, φροντίζει για όλες τις ανάγκες μου και αποστέλλει ένα συμβατό σήμα CMOS/TTL. Το μόνο αρνητικό; Λειτουργία 5V. Ναι, οδήγησα υπερβολικά ολόκληρο το σχέδιο στα 6V, αλλά θα μπορούσα να είχα πάει στα 3.3V αν δεν ήταν αυτό το μέρος. Η ιδέα είναι ότι αυτό το κύκλωμα τοποθετείται κάτω από το κύπελλο του ρότορα, το οποίο διακόπτει τη δέσμη καθώς γυρίζει, δημιουργώντας λογικές μεταβάσεις για κάθε άκρη. Δεν έχω καλή εικόνα για το πώς τοποθετήθηκε αυτό. Βασικά κόλλησα δύο πλαστικές μετατοπίσεις στην κάτω ζεύξη PVC βάσης και τις βίδωσα από πάνω. Έπρεπε να αλέσω τις άκρες της σανίδας για να ταιριάξει τακτοποιημένα. Δεν έχω καν ένα σχηματικό σχέδιο για αυτό, είναι πραγματικά εύκολο: απλά τρέξτε μια αντίσταση 1k από το Vin και συνδέστε το έτσι ώστε η λυχνία LED να είναι πάντα αναμμένη και η έξοδος του ανιχνευτή να είναι στην ακίδα. Υλικά: 1 940nm LED 1k αντίσταση 1 αισθητήρας OPTEK OPL550 1 βύσμα τριών ακίδων (θηλυκό) 1 πλακέτα κυκλώματος 1,5 "x1,5" Διάφορα μήκη καλωδίων Σωλήνες συρρίκνωσης θερμότητας αν σας αρέσουν τα καλώδια σας

Βήμα 7: Δημιουργήστε το Data Logger

Ο πίνακας πρωτοτύπων Arduino ήταν πολύ μεγάλος για να χωρέσει στο πλαίσιο. Χρησιμοποίησα το EagleCAD για να σχεδιάσω μια μικρότερη πλακέτα κυκλώματος και έχασα ένα μόνο στρώμα … υπάρχουν τέσσερα άσχημα σύρματα που χρειαζόμουν για να γεφυρώσω μερικά κενά.

(Νόμιζα ότι το μέτρησα σε ισχύ ~ 50mW και με βάση τις ώρες Watt των μπαταριών, σκέφτηκα ότι θα έπεφτε κάτω από 5V σε μια εβδομάδα, αλλά είτε η μέτρηση ισχύος είτε τα μαθηματικά μου ήταν λάθος επειδή διατηρήθηκαν 4 κύτταρα C πηγαίνει για πολύ καιρό.) Αρκετά απλή διάταξη: απλώς ένα αντηχείο, το ATmega328, ένα τσιπ φλας, ένα jumper εντοπισμού σφαλμάτων, ένα LED εντοπισμού σφαλμάτων, καπάκι τροφοδοσίας και αυτό είναι όλο. Υπάρχει κάτι που ονομάζεται DorkBoard το οποίο θα μπορούσα να χρησιμοποιήσω επίσης, είναι βασικά ό, τι χρειάζεται για έναν πίνακα dev ATMega328 στο μέγεθος της πρίζας DIP. Σκέφτηκα να αγοράσω ένα, αλλά η ξεχωριστή προσέγγισή μου ήταν περίπου 50% φθηνότερη. Εδώ είναι ο σύνδεσμος του dorkboard:

Ακολουθεί η βασική ιδέα (ο πηγαίος κώδικας θα συμπεριληφθεί αργότερα) πώς λειτουργεί ο πίνακας: Ο βραχυκυκλωτήρας έχει οριστεί σε λειτουργία "εντοπισμού σφαλμάτων": συνδέστε μια διακοπή τιμής αλλαγής στην έξοδο οπτικού αισθητήρα και αναβοσβήνετε τη δοκιμαστική λυχνία ταυτόχρονα με τον ανιχνευτή. Αυτό ήταν πολύ χρήσιμο για τον εντοπισμό σφαλμάτων. Ο άλτης έχει ρυθμιστεί στη λειτουργία "εγγραφής": συνδέστε την ίδια διακοπή σε έναν μετρητή και στον κύριο βρόχο, καθυστερήστε 1000 msec. Στο τέλος των 1000 msec, γράψτε τον αριθμό των μετρήσεων άκρων σε μια σελίδα flash 256-byte και όταν η σελίδα είναι πλήρης, γράψτε την και επαναφέρετε την καταμέτρηση. Απλό, σωστά; Λίγο πολύ. Μου αρέσουν πολύ οι συσκευές flash Winbond, σχεδίαζα το φλας στη δεκαετία του '90, οπότε ήταν διασκεδαστικό να τα προγραμματίζω ξανά. Η διασύνδεση SPI είναι εξαιρετική. Τόσο απλό στη χρήση. Θα αφήσω τα σχήματα και τον πηγαίο κώδικα να μιλήσουν από μόνα τους. Ανέφερα ότι το EagleCAD είναι φοβερό; Είναι πραγματικά. Υπάρχουν μερικά υπέροχα σεμινάρια στο YouTube.

Βήμα 8: Συνδέστε τα Ηλεκτρονικά

Και πάλι, δεν έχω πολλές καλές εικόνες εδώ, αλλά αν φανταστείτε δύο πλαστικές προεξοχές κολλημένες στο εσωτερικό του PVC, και οι δύο σανίδες είναι βιδωμένες σε αυτό. Ακολουθεί μια φωτογραφία της πλακέτας καταγραφής που είναι συνδεδεμένη στο κάτω μέρος. Η πλακέτα ανιχνευτή βρίσκεται πάνω στο περίβλημα.

Βήμα 9: Βαθμονόμηση

Έφτιαξα μια δοκιμαστική εξέδρα για να βαθμονομήσω το θηρίο έτσι ώστε να μπορώ να μετατρέψω τις ακατέργαστες μετρήσεις ρότορα σε MPH. Ναι, είναι 2x4. Επισυνάπτω το ανεμόμετρο στο ένα άκρο και ένα debug Arduio στο άλλο. Στην οθόνη LCD εμφανίζονται οι μετρήσεις του ρότορα. Η διαδικασία έγινε ως εξής: 1) Βρείτε έναν μακρύ ευθύ δρόμο χωρίς κίνηση. 2) Κρατήστε το 2x4 έτσι ώστε να πιάνει όσο το δυνατόν πιο έξω από το παράθυρο 3) Ενεργοποιήστε την εγγραφή φωνής στο iPhone ή το Android σας 4) Ενεργοποιήστε ένα ψηφιακό ταχύμετρο GPS στη φορητή συσκευή σας της επιλογής σας 5) Οδηγήστε σταθερά σε πολλές ταχύτητες και ανακοινώστε στη συσκευή εγγραφής σας η μέτρηση της ταχύτητας και του μέσου ρότορα 6) Μην συντρίψετε 7); 8) Αργότερα, όταν δεν οδηγείτε, επαναλάβετε το μήνυμα του τηλεφώνου σας και εισαγάγετε τα δεδομένα στο excel και ελπίζετε ότι μια γραμμική ή μια εκθετική ή μια πολυωνυμία ταιριάζει με τετραγωνική τιμή R μεγαλύτερη από 99% Αυτή η μετατροπή # θα χρησιμοποιηθεί αργότερα. Η συσκευή καταγράφει μόνο ακατέργαστα δεδομένα, τα επεξεργάστηκα μετά σε MPH (ή KPH) στο Excel. (Ανέφερα ότι έβαλα ένα κακό παλτό από βαμμένη ελιά; Θα το ονόμαζα "Ανεμόμετρο καταγραφής τακτικών δεδομένων", αλλά τότε θυμήθηκα ότι "Τακτικό" σημαίνει "μαύρο".)

Βήμα 10: Πηγαίνετε Συλλέξτε μερικά δεδομένα ανέμου

Αυτό είναι λίγο πολύ. Νομίζω ότι λείπουν μερικές εικόνες, π.χ. δεν φαίνονται τα τέσσερα κύτταρα C στριμωγμένα στην κάτω βάση. Δεν μπορούσα να χωρέσω μια βάση με ελατήριο, έτσι κατέληξα να κολλήσω καλώδια στις ίδιες τις μπαταρίες. Γράφω αυτό το διδακτικό ένα χρόνο μετά την κατασκευή του και στην αναθεώρηση #2, χρησιμοποίησα μπαταρίες AA επειδή υπερεκτίμησα κατά πολύ την κατανάλωση ενέργειας. Η χρήση AA μου επέτρεψε να προσθέσω έναν διακόπτη on-off και πραγματικά απελευθέρωσα λίγο χώρο μέσα, διαφορετικά ήταν αρκετά σφιχτό. Συνολικά ήμουν αρκετά ικανοποιημένος με το σχέδιο. Το παρακάτω γράφημα δείχνει τα μέσα δεδομένα μιας εβδομάδας κατά μέσο όρο. Οι μπαταρίες άρχισαν να σβήνουν την έβδομη ημέρα. Θα μπορούσα να βελτιώσω τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας τρέχοντας το LED σε χαμηλότερο κύκλο λειτουργίας περίπου 1kHz και δεν θα έχανα άκρες λόγω της σχετικά χαμηλής γωνιακής ταχύτητας του ρότορα.

Καλα να περνατε! Ενημερώστε με εάν βλέπετε περιθώρια βελτίωσης!

Βήμα 11: Πηγαίος κώδικας

Επισυνάπτεται ένα μεμονωμένο αρχείο προέλευσης Arduino. Το έκανα GPL γιατί, γεια, GPL.

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ: Θα ήθελα να επισημάνω ότι η εφαρμογή της καθυστέρησης 1s () είναι μια φοβερή ιδέα και σε h Το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να γράψω στο φλας και να διαβάσω τον αισθητήρα μπορεί να φαίνεται μικρό, αλλά στη διάρκεια των 7 -10s προσθέτει σε κάποια σημαντική μετατόπιση. Αντ 'αυτού, χρησιμοποιήστε διακοπή χρονοδιακόπτη 1Hz (Ο χρονοδιακόπτης #1 στο 328P μπορεί να βαθμονομηθεί σε 1Hz τέλεια). Για να είστε ασφαλείς, πρέπει να κωδικοποιήσετε σε έναν φράκτη σε περίπτωση που η εγγραφή και η ανάγνωση του αισθητήρα της σελίδας για κάποιο λόγο διαρκεί περισσότερο από 1 δευτερόλεπτο (χειριστείτε τα δείγματα), αλλά μια διακοπή χρονοδιακόπτη είναι ο τρόπος για να κάνετε πράγματα που πρέπει να είναι χρόνος ακριβής. Στην υγειά σας!