Anemometar za samostalno bilježenje podataka: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Volim prikupljati i analizirati podatke. Takođe volim da pravim elektronske spravice. Prije godinu dana, kada sam otkrio Arduino proizvode, odmah sam pomislio: "Htio bih prikupiti podatke o okolišu." Bio je vjetrovit dan u Portlandu, OR, pa sam odlučio snimiti podatke o vjetru. Pogledao sam neke instrukcije za anemometre i otkrio da su vrlo korisni, ali su potrebne neke tehničke promjene. Prvo sam htio da uređaj radi samostalno, na otvorenom, tjedan dana. Drugo, želio sam da može snimati vrlo male udare vjetra, za neke od ovdje potrebnih dizajna potreban je prilično jak vjetar. Na kraju, htio sam zabilježiti podatke. Odlučio sam se za zaista lagani dizajn rotora sa što manje inercije i otpora. Da bih to postigao, koristio sam sve plastične dijelove (uključujući vinilne šipke s navojem), spojeve kugličnih ležajeva i optičke senzore. Drugi su dizajni koristili magnetske senzore ili stvarne istosmjerne motore, ali oba usporavaju rotor, optika koristi malo više snage, ali ne nudi mehanički otpor. Zapisnik podataka je jednostavno Atmega328P sa 8 mbit flash čipom. Razmišljao sam o prelasku na SD, ali sam htio zadržati niske troškove, potrošnju energije i složenost. Napisao sam jednostavan program koji bilježi dvobajtnu rotaciju računa se svake sekunde. S 8 megabita sam zaključio da mogu prikupiti podatke vrijedne oko sedmicu dana. U mom originalnom dizajnu zaključio sam da će mi trebati 4 C ćelije, ali nakon tjedan dana one su bile potpuno napunjene pa sam morao biti isključen za red veličine potrošnje energije. Nisam koristio linearne regulatore, sve naponske vodilice sam vodio na 6V (iako su neki dijelovi bili ocijenjeni sa 3.3V. Yay overdesign!). Da bih preuzeo podatke, imao sam složen sistem koji je čitao flash i bacao ga na arduino serijski monitor, a ja sam ga izrezao i zalijepio u Excel. Nisam trošio vrijeme pokušavajući smisliti kako napisati USB aplikaciju za naredbeni redak kako bi flash isključio na standardno stanje, ali u nekom trenutku ću to morati shvatiti. Rezultat je bio prilično iznenađujući, uspio sam uočiti neke vrlo zanimljive trendove koje čuvam za drugi izvještaj. Sretno!

Korak 1: Izgradite rotor

Isprobao sam brojne različite ideje za rotorske čaše: uskršnja jaja, kuglice za stolni tenis, plastične čaše i prazne kuglice od božićnog drvca. Napravio sam nekoliko rotora i sve ih testirao sušilom za kosu, koje je pružalo niz brzina vjetra. Od četiri prototipa, ukrasne školjke najbolje su funkcionirale. Imali su i ove male jezičke koji su olakšavali pričvršćivanje, a izrađeni su od čvrste plastike koja je dobro funkcionirala s polikarbonatnim cementom. Isprobao sam nekoliko različitih duljina vratila, male, srednje i velike (otprilike 1 do 6 ") i otkrio da se veće veličine previše zakreću i ne reagiraju dobro na male brzine vjetra, pa sam krenuo s osovinama male veličine. Budući da je sve bilo od čiste plastike, napravio sam zgodan mali ispis kako bih pomogao pri paljenju tri oštrice. Materijali: Ukrasi su došli iz Orijentalne trgovačke kompanije, stavka "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", 6 USD plus 3 USD isporuke. Plastična vratila i konstrukcijski disk došli su iz lokalne trgovine TAP Plastics, u dijelovima još oko 4 USD.

Korak 2: Izgradite gornju bazu

Da bih smanjio rotacijsku inerciju, upotrijebio sam najlonsku šipku s navojem iz tvrtke McMaster Karr. Htio sam koristiti ležajeve, ali ležajevi strojeva su pakirani u mast koja usporava rotor, pa sam kupio neke jeftine ležajeve za skejtbord koji nisu imali. Jednostavno su se uklopili u unutarnji promjer cijevi promjera 3/4 "od CPVC -a. Tek kad sam sastavio strukturu, shvatio sam da klizni ležajevi podnose planarno opterećenje, a ja sam primjenjivao vertikalno opterećenje, pa sam trebao koristiti potisni ležaj, ali su radili sasvim u redu, i vjerovatno su pomogli u upravljanju trenjem od precesijskog momenta. Planirao sam priključiti optički senzor na dno vratila, pa sam spojio CPVC spojnicu u veću podlogu. Home Depot je zabavno mjesto za miješanje i odgovaraju CPVC/PVC armaturi. Na kraju sam uspio ugurati 3/4 "CPVC spojnicu sa navojem u PVC 3/4" na 1-1/2 "reduktor. Bilo je potrebno dosta igranja kako bi se sve uklopilo, ali je ostavilo dovoljno prostora za elektroniku. Materijali: 98743A235-Najlonska šipka sa crnim navojem (navoj 5/16 "-18) 94900A030-Šesterokutne matice od crnog najlona (navoj 5/16" -18) Jeftini ležajevi za klizanje 3/4 "navojni CPVC adapter 3/4" do 1 -1/2 "PVC reduktor na navojnu cijev 3/4" Napomena: PVC i CPVC spojnice nisu iste dimenzije, vjerovatno radi sprječavanja slučajne zloupotrebe; tako da zamjena u običnom PVC 3/4 "običnom adapteru neće funkcionirati, međutim, NITI adaptera s navojem su isti, što je potpuno čudno. CPVC spoji navoje u čahuru od PVC adaptera. Adapter … čahura … spojnica … Vjerojatno miješam sve ove pojmove, ali 15 minuta u vodovodnom prolazu Home Depot će vas ispraviti.

Korak 3: Optički prekidač

Kako se rotor okreće, njegovo se okretanje broji optičkim prekidačem. Razmišljao sam o korištenju diska, ali to je značilo da moram okomito priključiti izvor osvjetljenja i detektor, što bi bilo vrlo teško sastaviti. Umjesto toga, odlučio sam se za vodoravno postavljanje i pronašao male čašice koje idu na dno stolica za zaštitu podova od tvrdog drva. Obojao sam i zalijepio šest segmenata, što bi mi dalo dvanaest (gotovo) ujednačenih rubova ili 12 otkucaja po okretaju rotora. Razmišljao sam o tome da učinim više, ali nisam bio upoznat sa brzinom detektora ili vidnim poljem njegove optike. Odnosno, ako sam otišao preusko, LED bi se mogao provući po rubovima i aktivirati senzor. Ovo je još jedno područje istraživanja kojim se nisam bavio, ali bi bilo dobro istražiti ga. Obojenu čašu zalijepio sam za maticu i pričvrstio je na kraj vratila. Materijali: Zaštitna čaša za stolice od crne boje Home Depot

Korak 4: Pričvrstite rotor

U ovom trenutku to je počelo izgledati prilično kul. Najlonske matice su jako klizave, pa sam morao koristiti mnoge matice (u slučaju da niste primijetili sa prethodnih slika). Također sam morao napraviti poseban ravni ključ koji se uklapa u čep ispod rotora kako bih mogao zaključati obje matice.

Korak 5: Izgradite donju bazu

Donja baza sadrži baterije i pruža potpornu strukturu. Našao sam prilično cool vodootpornu kutiju na mreži od kompanije koja se zove Polycase. To je zaista glatko kućište koje dobro brtvi, a vijci su širi u dnu pa ne padaju lako s vrha. Za gornju PVC čahuru koristio sam PVC podlogu. Ovaj donji bazni par samo je navojna PVC spojnica s navojem od 1-1/2 ". Gornji tlak osnove rotora uklapa se u donju bazu putem ove spojnice. Kao što ćete vidjeti kasnije, ove dijelove nisam lijepio zajedno jer sam htio biti u mogućnosti otvoriti ga i izvršiti prilagodbe ako je potrebno, a montaža je lakša pri postavljanju ploča. Materijali: Vodootporna kutija od Polycasea, stavka # WP-23F, 12,50 USD Navojna 1-1/2 "PVC spojnica

Korak 6: Izgradite optički senzor

Mehanizam senzora je 940nm LED i prijemnik sa Schmittovim okidačem. Volim ljubav, volim Schmittovo okidačko kolo, brine se o svim mojim potrebama otkazivanja i šalje CMOS/TTL kompatibilan signal. Jedina mana? 5V rad. Da, pretjerao sam cijeli dizajn na 6V, ali mogao bih ići na 3.3V da nije bilo ovog dijela. Ideja je da se ovo kolo montira ispod čaše rotora, što prekida snop dok se okreće, generirajući logičke prijelaze za svaki rub. Nemam dobru sliku o tome kako je ovo montirano. U osnovi sam zalijepio dva plastična odstupanja u donju podnožnu PVC spojnicu i pričvrstio ih odozgo u njih. Morao sam samljeti rubove ploče kako bi se lijepo uklopila. Nemam čak ni shemu za ovo, zaista je jednostavno: samo pokrenite 1k otpornik s Vina i povežite ga tako da LED uvijek svijetli, a izlaz detektora bude na njegovom pinu. Materijali: 1 940nm LED 1k otpornik 1 OPTEK OPL550 senzor 1 tropolni utikač (ženski) 1 ploča "1,5" x1,5 "Različite dužine žice Termoskupljajuće cijevi ako vam se sviđaju vaše žice povezane

Korak 7: Izgradite Data Logger

Arduino prototipna ploča bila je prevelika da se uklopi u šasiju. Koristio sam EagleCAD za postavljanje manje ploče, a izgubljen sam izvukao jedan sloj … postoje četiri ružne žice koje su mi trebale da premostim nekoliko praznina.

(Mislio sam da sam ovo izmjerio na ~ 50mW radne snage, a na osnovu vatnih sati baterija, mislio sam da ću pasti ispod 5V za tjedan dana, ali ili je moje mjerenje snage ili moja matematika bila pogrešna jer su 4 C ćelije zadržane traje prilično dugo.) Prilično jednostavan raspored: samo rezonator, ATmega328, flash čip, kratkospojnik za otklanjanje grešaka, LED za otklanjanje grešaka, poklopac napajanja, i to je to. Postoji nešto što se zove DorkBoard, što bih i ja mogao koristiti, u osnovi je sve potrebno za ATMega328 dev ploču veličine DIP utičnice. Razmišljao sam o kupovini, ali je moj diskretni pristup bio oko 50% jeftiniji. Evo veze na dorkboard:

Evo osnovne ideje (izvorni kôd će kasnije biti uključen) kako ploča radi: Jumper postavljen na "debug" način rada: priključite prekid promjene vrijednosti na izlaz optičkog senzora i trepćite testnu LED u skladu s detektorom. Ovo je bilo od velike pomoći pri otklanjanju grešaka. Kratkospojnik postavljen na način "snimanja": pričvrstite isti prekid na brojač, a u glavnoj petlji odgodite 1000 msec. Na kraju 1000 msec, upišite # odbrojavanje rubova na 256-bajtnu flash stranicu, a kad se stranica napuni, ispišite je i resetirajte brojanje. Jednostavno, zar ne? Prilicno. Zaista volim Winbond flash uređaje, dizajnirao sam flash još 90 -ih, pa ih je bilo zabavno ponovo programirati. SPI interfejs je sjajan. Tako jednostavan za upotrebu. Dopustit ću shemama i izvornom kodu da govore same za sebe. Jesam li spomenuo da je EagleCAD odličan? Zaista je tako. Na YouTubeu postoje odlični vodiči.

Korak 8: Priključite elektroniku

Opet, ovdje nemam mnogo dobrih slika, ali ako zamislite dva plastična držača zalijepljena na unutrašnjost PVC -a, obje ploče su uvrnute u njega. Evo snimke ploče za snimanje spojene na dno. Detektorska ploča je gore u kućištu.

Korak 9: Kalibracija

Napravio sam testnu opremu za kalibriranje zvijeri kako bih mogao pretvoriti sirove brojeve rotora u MPH. Da, to je 2x4. Priključio sam anemometar na jedan kraj, a na drugom Arduio za otklanjanje grešaka. LCD je prikazao broj rotora. Proces je tekao ovako: 1) Pronađite dugačku ravnu cestu bez prometa. 2) Držite 2x4 tako da štrči što dalje kroz prozor 3) Uključite snimanje glasa na vašem iPhoneu ili Androidu 4) Uključite digitalni GPS brzinomjer na svom ručnom uređaju po izboru 5) Vozite stabilno s nekoliko brzina i najavite vašem rekorderu se broji brzina i prosječan broj rotora 6) Nemojte se sudariti 7)? 8) Kasnije, dok ne vozite, ponovite svoju telefonsku poruku i unesite podatke u excel i nadajte se da linearni ili eksponencijalni ili polinom odgovaraju R-kvadratnoj vrijednosti većoj od 99% Ova konverzija # će se kasnije koristiti. Uređaj snima samo sirove podatke, naknadno sam ih obradio u MPH (ili KPH) u Excelu. (Jesam li spomenuo da sam nanio badass premaz tamnomasline boje? Nazvao bih ovo "taktičkim anemometrom za bilježenje podataka", ali onda sam se sjetio da "taktički" znači "crno".)

Korak 10: Prikupite neke podatke o vjetru

To je otprilike to. Mislim da nedostaje nekoliko slika, npr. nisu prikazane četiri C-ćelije nabijene u donju bazu. Nisam mogao postaviti držač s oprugom pa sam na kraju lemio žice do samih baterija. Pišem ovo uputstvo godinu dana nakon što sam ga napravio, a u reviziji #2 koristio sam AA baterije jer sam grubo precijenio potrošnju energije. Korištenje AA-a omogućilo mi je dodavanje prekidača za uključivanje-isključivanje i zaista je oslobodilo malo prostora unutra, inače je bilo prilično tijesno. Sve u svemu, bio sam prilično zadovoljan dizajnom. Donji grafikon prikazuje prosječne podatke za jednu sedmicu. Baterije su počele da se prazne sedmog dana. Mogao sam poboljšati vijek trajanja baterije pokretanjem LED -a na nižem radnom ciklusu na oko 1 kHz i ne bih izgubio niti jednu ivicu zbog relativno niske kutne brzine rotora.

Zabavi se! Javite mi ako vidite prostora za poboljšanje!

Korak 11: Izvorni kod

U prilogu je jedna izvorna datoteka Arduina. Uzeo sam GPL jer, hej, GPL.

Edit -10 -ih to dodaje značajnom zanošenju. Umjesto toga, upotrijebite prekid timera od 1Hz (Tajmer #1 na 328P može se savršeno kalibrirati na 1Hz). Da biste bili sigurni, trebali biste kodirati u ogradi u slučaju da pisanje stranice i očitavanje senzora iz nekog razloga potraju duže od 1 sekunde (rukovanje ispuštenim uzorcima), ali prekid brojača je način na koji se rade stvari koje trebaju, pa, vrijeme- tačan. Živjeli!