Анемометры сделанные своими руками (для детей подготовительной группы). Самодельный анемометр
Появилась задача собрать для одного проекта анемометр, чтобы снимать данные можно было на компьютере по интерфейсу USB. В статье речь пойдет больше о самом анемометре, чем о системе обработки данных с него:
1. Компоненты
Итак, для изготовления изделия понадобились следующие компоненты:
Шариковая мышь Mitsumi — 1 шт.
Мячик для пинг-понга — 2 шт.
Кусок оргстекла подходящего размера
Медная проволока сечением 2,5 мм2 — 3 см
Стержень от шариковой ручки — 1 шт.
Палочка от конфеты чупа-чупс — 1 шт.
Клипса для кабеля — 1 шт.
Полый латунный бочонок 1 шт.
2. Изготовление крыльчатки
К латунному бочонку были припаяны 3 куска медной проволоки длиной 1 см каждый под углом 120 градусов. В отверстие бочонка я припаял стойку из китайского плеера с резьбой на конце.
Трубочку от конфеты разрезал на 3 части длиной около 2 см.
Разрезал пополам 2 шарика и с помощью мелких шурупов из того же плеера и полистирольного клея (клеевым пистолетом) прикрепил половинки шарика к трубочкам от чупа-чупса.
Трубочки с половинками шарика надел на припаянные куски проволоки, сверху все закрепил клеем.
3. Изготовление основной части
Несущим элементом анемометра является металлический стержень от шариковой ручки. В нижнюю часть стержня (куда вставлялась пробка) я вставил диск от мышки (энкодер). В конструкции самой мышки нижняя часть энкодера упиралась в корпус мышки образуя точечный подшипник, там была смазка, поэтому энкодер легко крутился. Но нужно было зафиксировать верхнюю часть стержня, для этого я подобрал подходящий кусок пластика с отверстием точно по диаметру стержня (такой кусок был вырезан из системы выдвигания каретки CD-ROMa). Оставалось решить проблему с тем, чтобы стержень с энкодером не выпадал из точечного подшипника, поэтому на стержне непосредственно перед удерживающим элементом я напаял несколько капель припоя. Таким образом, стержень свободно крутился в удерживающей конструкции, но не выпадал из подшипника.
Причина, по которой была выбрана схема с энкодером, следующая: все статьи о самодельных анемометрах в Интернете описывали их изготовление на базе двигателя постоянного тока от плеера, CD-ROMa или еще какого изделия. Проблема с такими устройствами во первых в их калибровке и малой точности при малой скорости ветра, а во вторых — в нелинейной характеристике скорости ветра по отношению к выходному напряжению, т.е. для передачи информации на компьютер есть определенные проблемы, нужно просчитывать закон изменения напряжения или тока от скорости ветра. При использовании энкодера такой проблемы нет, так как зависимость получается линейной. Точность высочайшая, так как энкодер дает около 50 импульсов на один оборот оси анемометра, но несколько усложняется схема преобразователя, в котором стоит микроконтроллер, считающий количество импульсов в секунду на одном из портов и выдающий это значение в порт USB.
4. Испытания и калибровка
Для калибровки был использован лабораторный анемометр.
Обычная бытовая фирменная или самодельная метеостанция измеряет две температуры-влажности (в комнате и на улице), атмосферное давление и дополнительно имеет часы с календарем. Однако, настоящая метеостанция имеет еще много всего - датчик солнечной радиации, измеритель осадков и всякое подобное, что, в общем, требуется только для профессиональных нужд, за одним исключением. Измеритель параметров ветра (скорости, и, главное, направления) - очень полезное дополнение для загородного дома. Причем фирменные датчики ветра довольно дороги даже на Али-Бабе, и имеет смысл присмотреться к самодельным решениям.
Сразу скажу, что если бы я заранее знал, в какой объем ручной работы и потраченных на эксперименты денег выльется моя задумка, может быть и не стал бы начинать. Но любопытство перевесило, а читатели этой статьи имеют шанс избежать тех подводных камней, о которые мне приходилось спотыкаться.
Для измерения скорости ветра (анемометрии) существует стопицот способов, главные из которых такие:
Термоанемометрический,
- механический - с пропеллером (точнее, импеллером) или чашечной горизонтальной крыльчаткой (классический чашечный анемометр), Измерение скорости в этих случаях эквивалентно измерению частоты вращения оси, на которой закреплена пропеллер или крыльчатка.
- а также ультразвуковой, объединяющий измерения скорости и направления.
Для измерения направления
способов меньше:
- упомянутый ультразвуковой;
- механический флюгер с электронным съемом угла поворота. Для измерения угла поворота есть также много различных способов: оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические. Можно, кстати, просто закрепить на валу флюгера электронный компас - вот только надежные и простые (для «наколеночного» повторения) способы передачи показаний с хаотично вращающейся оси придется еще поискать. Потому мы далее выбираем традиционный оптический способ.
При самостоятельном повторении любого из этих способов следует держать в уме требования минимального энергопотребления и круглосуточного (а, может, и круглогодичного?) пребывания на солнце и под дождем. Датчик ветра нельзя разместить под крышей в тени - наоборот, он должен быть максимально удален от всех мешающих факторов и «открыт всем ветрам». Идеальное место размещения - конек крыши дома или, на худой конец, сарая или беседки, удаленных от других строений и деревьев. Такие требования предполагают автономное питание и, очевидно, беспроводной канал передачи данных. Этими требованиями обусловлены некоторые «навороты» конструкции, которая описывается далее.
О минимальном энергопотреблении
Кстати, а минимальное энергопотребление - сколько это? Если исходить из обычных бытовых батареек типа АА, то среднее потребление схемы в идеальном случае должно составлять не более 1-2 мА. Посчитайте сами: емкость приличного щелочного элемента типоразмера АА составляет около 2,5-3 А ч, то есть схема с указанным потреблением проработает от него около 1500-2500 часов, или 2-3 месяца. В принципе это тоже немного, но относительно приемлемо - меньше нельзя никак: либо разоритесь на батарейках, либо придется применять аккумуляторы, которые нужно будет заряжать еще чаще, чем менять батарейки. По этой причине мы при составлении такой схемы обязаны ловить любые крохи: обязательный режим энергосбережения, тщательно продуманная схемотехника и последовательность действий в программе. Далее мы увидим, что в окончательной конструкции я все-таки не уложился в нужные требования и пришлось применять питание от аккумулятора.
Познавательную историю о том, как я пытался воспроизвести самый современный и продвинутый из способов - ультразвуковой, и потерпел неудачу, я расскажу как-нибудь в другой раз. Все другие способы предполагают раздельное измерение скорости и направления, потому пришлось городить два датчика. Поизучав теоретически термоанемометры, я понял, что готовый чувствительный элемент любительского уровня у нас приобрести не получится (на западном рынке они доступны!), а самостоятельно изобретать - ввязываться в очередные НИиОКР с соответствующими тратами времени и денег. Потому по некотором размышлении я решил сделать унифицированную конструкцию на оба датчика: чашечный анемометр с оптическим измерением скорости вращения и флюгер с электронным съемом угла поворота на основе кодирующего диска (энкодера).
Конструкции датчиков
Преимущество механических датчиков в том, что никакие НИиОКР там не требуются, принцип прост и понятен, а качество результата зависит только от аккуратности исполнения тщательно продуманной конструкции.Так казалось теоретически, на практике это вылилось в кучу механических работ, часть из которых пришлось заказывать на стороне, ввиду отсутствия под рукой токарного и фрезерного станков. Сразу скажу, что я ни разу не пожалел о том, что с самого начала сделал ставку на капитальный подход, а не стал городить конструкции из подручных материалов.
Для флюгера и анемометра нужны следующие детали, которые пришлось заказать у токаря и фрезеровщика (количество и материал указаны сразу для обоих датчиков):
Оси, заметим, обязательно вытачиваются на токарном станке: изготовить на коленке ось с острием точно по центру практически невозможно. А размещение острия точно по оси вращения здесь - определяющий фактор успеха. Кроме того, ось должна быть идеально прямой, никакие отклонения не допускаются.
Механический датчик направления ветра - электронный флюгер
Основой флюгера (как и датчика скорости далее) служит П-образная скоба из дюраля Д-16, изображенная на чертеже вверху слева. В нижнее углубление запрессовывается кусочек фторопласта, в котором делается ступенчатое углубление последовательно сверлами 2 и 3 мм. В это углубление острым концом вставляется ось (для флюгера - из латуни). Сверху она свободно проходит через отверстие 8 мм. Над этим отверстием винтами М2 к скобе прикрепляется прямоугольный кусочек того же фторопласта толщиной 4 мм так, чтобы он перекрывал отверстие. Во фторопласте сделано отверстие точно по диаметру оси 6 мм (расположенное точно по общей оси отверстий - см. сборочный чертеж ниже). Фторопласт вверху и внизу здесь играет роль подшипников скольжения.
Ось в месте трения о фоторопласт можно отполировать, а площадь трения уменьшить, отзенковав отверстие во фторопласте. (См. на эту тему ниже UPD от 13.09.18 и 05.06.19 ). Для флюгера это не играет особой роли - некоторая «заторможенность» ему даже полезна, а для анемометра придется постараться минимизировать трение и инерцию.
Теперь о съеме величины угла поворота. Классический энкодер Грея на 16 положений применительно к нашему случаю выглядит так, как показано на рисунке:
Размер диска был выбран, исходя из условия надежной оптической изоляции пар излучатель-приемник друг от друга. При такой конфигурации щели шириной 5 мм располагаются с промежутком также 5 мм, а оптические пары расположены на расстоянии ровно 10 мм. Размеры скобы, к которой крепится флюгер, были рассчитаны именно исходя из диаметра диска 120 мм. Все это, конечно, можно уменьшить (особенно, если подобрать светодиоды и фотоприемники как можно меньшего диаметра), но было принята во внимание сложность изготовления энкодера: выяснилось, что фрезеровщики за такую тонкую работу не берутся, потому его пришлось выпиливать вручную надфилем. А тут чем больше размеры, тем надежнее результат и меньше хлопот.
На сборочном чертеже выше показано крепление диска к оси. Тщательно отцентрованный диск крепится винтиками М2 к капролоновой втулке. Втулка размещается на оси так, чтобы зазор вверху был минимальным (1-2 мм) - так, чтобы ось в нормальном положении вращалась свободно, а при перевороте острие не выпадало из гнезда внизу. Блоки фотоприемников и излучателей прикрепляются к скобе сверху и снизу диска, более конкретно об их конструкции далее.
Вся конструкция помещается в пластиковый (АБС или поликарбонат) корпус 150×150×90 мм. В собранном виде (без крышки и флюгера) датчик направления выглядит следующим образом:
Отметьте, что выбранное направление на север помечено стрелкой, его нужно будет соблюдать при установке датчика на место.
На верхушку оси крепится собственно флюгер. Он изготовлен на основе такой же латунной оси, в разрез на тупой стороне которой впаивается хвостовик из листовой латуни. На остром конце на некоторую длину нарезается резьба М6, и на ней с помощью гаек закрепляется круглый груз-противовес, отлитый из свинца:
Груз рассчитан так, чтобы центр тяжести приходился точно на место крепления (передвигая его вдоль резьбы, можно добиться идеальной балансировки). Крепление флюгера к оси осуществляется с помощью нержавеющего винта М3, который проходит через отверстие в оси флюгера и ввинчивается в резьбу, нарезанную в оси вращения (крепящий винт виден на фото выше). Для точной ориентации верхушка оси вращения имеет полукруглое углубление, в которое ложится ось флюгера.
Датчик скорости ветра - чашечный анемометр своими руками
Как вы уже поняли, основа для датчика скорости в целях унификации была выбрана та же самая, что и для флюгера. Но требования к конструкции тут несколько иные: в целях снижения порога трогания анемометр должен быть максимально облегчен. Поэтому, в частности, ось для него сделана из дюраля, диск с отверстиями (для измерения частоты вращения) уменьшен в диаметре:
Если для четырехбитного энкодера Грея требуется четыре оптопары, то для датчика скорости всего одна. По окружности диска на равном расстоянии просверлено 16 отверстий, таким образом один оборот диска в секунду эквивалентен 16 герцам частоты, поступающей с оптопары (можно больше отверстий, можно меньше - вопрос только в масштабе пересчета и экономии энергии на излучатели).
Самодельный датчик все равно получится достаточно грубым (порог трогания не менее полуметра-метра в секунду), но его снизить можно только если радикально изменить конструкцию: например, вместо чашечной вертушки поставить пропеллер. У чашечной вертушки разность сил сопротивления потоку, обуславливающая крутящий момент, относительно невелика - она достигается исключительно за счет разной формы поверхности, встречающей набегающий поток воздуха (поэтому форма чашек должна быть как можно более обтекаемой - в идеале это половинка яйца или шара). У пропеллера вращающий момент гораздо больше, его можно сделать гораздо меньшим по весу, и, наконец, само изготовление проще. Но пропеллер нужно устанавливать по направлению потока воздуха - например, разместив его на конце того же флюгера .
Вопрос вопросов при этом: как передавать показания с датчика, хаотично вращающегося вокруг вертикальной оси? Я его решить не смог, и судя по тому, что профессиональные чашечные конструкции до сих пор широко распространены, решается он отнюдь не с полпинка (ручные анемометры в расчет не берем - их ориентируют по потоку воздуха вручную).
Мой вариант чашечного анемометра сделан на основе лазерного диска. Вид сверху и снизу показан на фото:
Чашки сделаны из донышек от бутылочек из-под детской воды «Агуша». Донышко аккуратно отрезается, причем все три - на одинаковом расстоянии, чтобы имели равный вес, локально прогревается по центру (ни в коем случае не грейте целиком - необратимо покоробится!) и тыльной стороной деревянной ручки от напильника выгибается наружу, чтобы сделать его более обтекаемым. Будете повторять - запаситесь бутылочками побольше количеством, из пяти-шести штук вам, вероятно, удастся сделать три более-менее одинаковых чашки. В изготовленных чашках делается сбоку прорезь и они закрепляются по периметру диска под 120° по отношению друг к другу с помощью водостойкого клея-герметика. Диск строго центруется относительно оси (я это делал с помощью вложенной металлической шайбы) и закрепляется на капролоновой втулке винтами М2.
Общая конструкция и установка датчиков
Оба датчика, как уже говорилось, размещаются в пластиковых корпусах 150×150×90 мм. К выбору материала корпуса надо подходить продуманно: АБС или поликарбонат имеют достаточную атмосферостойкость, но полистирол, оргстекло и тем более полиэтилен тут решительно не подойдут (и окрасить для защиты от солнца их тоже будет затруднительно). Если нет возможности приобрести фирменную коробку, лучше самостоятельно спаять корпус из фольгированного стеклотекстолита, и затем окрасить для защиты от коррозии и придания эстетического вида.В крышке точно в месте выхода оси делается отверстие 8-10 мм, в которое тем же клеем-герметиком вклеивается пластиковый конус, вырезанный из носика от баллончика со строительным герметиком или клеем:
Чтобы отцентровать конус по оси, струбциной закрепите снизу крышки деревяшку, наметьте на ней точный центр и немного углубитесь перовым сверлом 12 мм, сделав вокруг отверстия кольцевое углубление. Конус туда должен войти точно, после чего его можно обмазывать клеем. Можно его дополнительно зафиксировать в вертикальном положении на время застывания винтом М6 с гайкой.
Датчик скорости сам накрывает ось с этим конусом, как зонтиком, предотвращая попадание воды внутрь корпуса. Для флюгера стоит дополнительно разместить над конусом втулку, которая закроет зазор между осью и конусом от прямого стока воды (см. фото общего вида датчиков далее).
Провода от оптопар у меня выведены на отдельный разъем типа D-SUB (см. фото датчика направления выше). Ответная часть с кабелем вставляется через прямоугольное отверстие в основании корпуса. Отверстие затем прикрывается крышкой с прорезью для кабеля, которая удерживает разъем от выпадания. К основанию корпуса привинчиваются дюралевые скобы для крепления на месте. Конфигурация их зависит от места установки датчиков.
В собранном виде оба датчика выглядят следующим образом:
Здесь они показаны уже установленными на место - на конек беседки. Обратите внимание, что углубления для крепящих крышку винтов защищены от воды заглушками из сырой резины. Датчики устанавливаются строго горизонтально по уровню, для чего пришлось использовать подкладки из кусочков линолеума.
Электронная часть
Метеостанция в целом состоит из двух модулей: выносного блока (который обслуживает оба датчика ветра, а также снимает показания с внешнего датчика температуры-влажности), и основного модуля с дисплеями. Выносной блок оборудован беспроводным передатчиком для отправки данных, установленным внутри него (антенна торчит сбоку). Основной модуль принимает данные от выносного блока (приемник для удобства его ориентации вынесен на кабеле в отдельный блок), а также снимает показания с внутреннего датчика температуры-влажности и выводит все это на дисплеи. Отдельная составляющая основного блока - часы с календарем, которые для удобства общей настройки станции обслуживаются отдельным контроллером Arduino Mini, и имеют свои дисплеи.Выносной модуль и измерительная схема датчиков ветра
В качестве фотоизлучателей были выбраны светодиоды ИК-диапазона АЛ-107Б. Эти старинные светодиоды, конечно, не самые лучшие в своем классе, зато имеют миниатюрный корпус диаметром 2,4 мм и способны пропускать ток до 600 мА в импульсе. Между прочим, при испытаниях выяснилось, что образец этого светодиода около 1980 года выпуска (в корпусе красного цвета) имеет примерно вдвое большую эффективность (выразившуюся в дальности уверенной работы фотоприемника), чем современные экземпляры, купленные в «Чипе-Дипе» (они имеют прозрачный желтовато-зеленый корпус). Вряд ли в 1980 году кристаллы были лучше, чем сейчас, хотя чем черт не шутит? Возможно, однако, дело в разных углах рассеяния в том и другом оформлении.Через светодиод в датчике скорости пропускался постоянный ток около 20 мА (резистор 150 Ом при питании 5 вольт), а в датчике направления - импульсный (меандр со скважностью 2) ток около 65 мА (те же 150 Ом при питании 12 вольт). Средний ток через один светодиод датчика направления при этом около 33 мА, всего через четыре канала - около 130 мА.
В качестве фотоприемников были выбраны фототранзисторы L-32P3C в корпусе диаметром 3 мм. Сигнал снимался с коллектора, нагруженного на резистор 1,5 или 2 кОм от питания 5 В. Эти параметры подобраны так, чтобы на расстоянии ~20 мм между фотоизлучателем и приемником на вход контроллера поступал сразу полноразмерный логический сигнал в 5-вольтовых уровнях без дополнительного усиления. Токи, фигурирующие здесь, могут показаться вам несоразмерно большими, если исходить из озвученного выше требования минимального энергопотребления, но как вы увидите, фигурируют они в каждом цикле измерения на протяжении максимум нескольких миллисекунд так, что общее потребление остается небольшим.
Основой для крепления приемников и излучателей послужили отрезки кабельного канала (видны на фото датчиков выше), вырезанные так, чтобы у основания образовать «ушки» для крепления на скобе. Для каждого из этих обрезков к запирающей крышке изнутри приклеивалась пластиковая пластинка, по ширине равная ширине канала. Светодиоды и фототранзисторы закреплялись на нужном расстоянии в отверстиях, просверленных в этой пластинке так, чтобы выводы оказались внутри канала, а наружу выступали только выпуклости на торце корпусов. Выводы распаиваются в соответствии со схемой (см. ниже), внешние выводы делаются обрезками гибкого разноцветного провода. Резисторы для излучателей датчика направления также размещаются внутри канала, от них делается один общий вывод. После распайки крышка защелкивается на место, все щели герметизируются пластилином и дополнительно липкой лентой, которой также закрывается отверстие со стороны, противоположной выводам, и вся конструкция заливается эпоксидной смолой. Внешние выводы, как можно видеть на фото датчиков, выводятся на клеммную колодку, закрепленную на тыльной стороне скобы.
Принципиальная схема блока обработки датчиков ветра выглядит так:
О том, откуда берется питание 12-14 вольт, см. далее. Кроме компонентов, указанных на схеме, выносной блок содержит датчик температуры-влажности, который на схеме не показан. Делитель напряжения, подключенный к выводу A0 контроллера, предназначен для контроля напряжения источника питания с целью своевременной замены. Светодиод, подключенный к традиционному выводу 13 (вывод 19 корпуса DIP) - суперяркий, для его нормального, не слепящего свечения достаточно тока в доли миллиампера, что и обеспечивается необычно высоким номиналом резистора 33 кОм.
В схеме используется «голый» контроллер Atmega328 в DIP-корпусе, запрограммированный через Uno и установленный на панельку. Такие контроллеры с уже записанным Arduino-загрузчиком, продаются, например, в «Чипе-Дипе» (или загрузчик можно записать самостоятельно). Такой контроллер удобно программировать в привычной среде, но, лишенный компонентов на плате, он во-первых, получается экономичнее, во-вторых, занимает меньше места. Полноценный энергосберегающий режим можно было бы получить, избавившись и от загрузчика тоже (и вообще расписав весь код на ассемблере:), но здесь это не очень актуально, а программирование при этом неоправданно усложняется.
На схеме серыми прямоугольниками обведены компоненты, относящиеся отдельно к каналам скорости и направления. Рассмотрим функционирование схемы в целом.
Работа контроллера в целом управляется сторожевым таймером WDT, включенным в режиме вызова прерывания. WDT выводит контроллер из режима сна через заданные промежутки времени. В случае, если в вызванном прерывании таймер взводится заново, перезагрузки с нуля не происходит, все глобальные переменные остаются при своих значениях. Это позволяет накапливать данные от пробуждения к пробуждению и в какой-то момент обрабатывать их - например, усреднять.
В начале программы сделаны следующие объявления библиотек и глобальных переменных (чтобы не загромождать текст и без того обширных примеров, здесь выпущено все, что относится к датчику температуры-влажности):
#include
Для инициации режима сна и WDT (пробуждение каждые 4 с) служат следующие процедуры:
// перевод системы в режим сна
void system_sleep() {
ADCSRA &= ~(1 << ADEN); //экв. cbi(ADCSRA,ADEN); выключим АЦП
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // режим сна
sleep_mode(); // система засыпает
sleep_disable(); // система продолжает работу после переполнения watchdog
ADCSRA |= (1 << ADEN); /экв. sbi(ADCSRA,ADEN); включаем АЦП
}
//****************************************************************
// ii: 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
// 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
void setup_watchdog(int ii) {
byte bb;
if (ii > 9) ii=9;
bb=ii & 7;
if (ii > 7) bb|= (1<<5); //в bb - код периода
bb|= (1<
В функции setup() объявляются направления выводов, инициализируются библиотека передатчика 433 МГц и сторожевой таймер (строка для IN_PINF в принципе лишняя, и вставлена для памяти):
Void setup() {
pinMode(IR_PINF, OUTPUT); //на выход
pinMode(IN_PINF, INPUT); //вывод обнаружения частоты на вход
pinMode(13, OUTPUT); //светодиод
vw_setup(1200); // скорость соединения VirtualWire
vw_set_tx_pin(2); //D2, PD2(4) вывод передачи VirtualWire
// Serial.begin(9600); // Serial-порт для контроля при отладке
setup_watchdog(8); //WDT период 4 c
wdt_reset();
}
Наконец, в основном цикле программы мы сначала каждый раз при пробуждении (каждые 4 секунды) считываем напряжение и рассчитываем частоту датчика скорости ветра:
Void loop() {
wdt_reset(); //обнуляем таймер
digitalWrite(ledPin, HIGH); //включаем светодиод для контроля
batt=analogRead(0); //читаем и сохраняем текущий код батарейки
/*=== частота ==== */
digitalWrite(IR_PINF, HIGH); //включаем ИК-светодиод датчика скорости
float f=0; //переменная для частоты
ttime=periodInLong(IN_PINF, LOW, 250000); //ожидание 0,25 сек
// Serial.println(ttime); //для контроля при отладке
if (ttime!=0) {//на случай отсутствия частоты
f = 1000000/float(ttime);} // вычисляем частоту сигнала в Гц
digitalWrite(IR_PINF, LOW); //выключаем ИК-светодиод
ff=f; //сохраняем вычисленное значение в массиве. . . . .
Время горения ИК-светодиода (потребляющего, напомню, 20 мА) здесь, как видите, будет максимальным при отсутствии вращения диска датчика и составляет при этом условии около 0,25 секунды. Минимальная измеряемая частота, таким образом, составит 4 Гц (четверть оборота диска в секунду при 16 отверстиях). Как выяснилось при калибровке датчика (см. далее), это соответствует примерно 0,2 м/с скорости ветра Подчеркнем, что это минимальная измеряемая величина скорости ветра, но не разрешающая способность и не порог трогания (который окажется гораздо выше). При наличии частоты (то есть при вращении датчика) время измерения (и, соответственно, время горения LED, то есть потребление тока) будет пропорционально уменьшаться, а разрешающая способность - увеличиваться.
Далее следуют процедуры, которые выполняются каждое четвертое пробуждение (то есть каждые 16 секунд). Значение частоты датчика скорости из накопленных четырех значений мы передаем не среднее, а максимальное - как показал опыт, это более информативная величина. Каждую из величин, независимо от ее типа, для удобства и единообразия мы перед передачей превращаем в целое положительное число размером в 4 десятичных разряда. За отсчетом числа пробуждений следит переменная count:
//каждые 16 сек усредняем батарейку и определяем максимальное значение
//частоты из 4-х значений:
if (count==3){
f=0; //значение частоты
for (byte i=0; i<4; i++) if (f
/* ===== Wind Gray ==== */
//направление:
tone(IR_Pin,5000);//частоту 5 кГц на транзистор
boolean yes = false;
byte i=0;
while(!yes){ //разряд 3
i++;
boolean state1 = (digitalRead(in_3p)&HIGH);
delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд
yes=(state1 & !digitalRead(in_3p));
if (i>4) break; //пробуем четыре раза
}
if (yes) wDir=1; else wDir=0;
yes = false;
i=0;
while(!yes){ //разряд 2
i++;
boolean state1 = (digitalRead(in_2p)&HIGH);
delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд
yes=(state1 & !digitalRead(in_2p));
if (i>4) break; //пробуем четыре раза
}
if (yes) wDir=1; else wDir=0;
yes = false;
i=0;
while(!yes){ //разряд 1
i++;
boolean state1 = (digitalRead(in_1p)&HIGH);
delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд
yes=(state1 & !digitalRead(in_1p));
if (i>4) break; //пробуем четыре раза
}
if (yes) wDir=1; else wDir=0;
yes = false;
i=0;
while(!yes){ //разряд 0
i++;
boolean state1 = (digitalRead(in_0p)&HIGH);
delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд
yes=(state1 & !digitalRead(in_0p));
if (i>4) break; //пробуем четыре раза
}
if (yes) wDir=1; else wDir=0;
noTone(IR_Pin); //выключаем частоту
//собираем в байт в коде Грея:
wind_Gray=wDir+wDir*2+wDir*4+wDir*8; //прямой перевод в дв. код
int wind_G=wind_Gray*10+1000; //дополняем до 4-х дес. разрядов. . . . .
Максимальная длительность одной процедуры будет при отсутствии частоты на приемнике и равна 4×100 = 400 микросекунд. Максимальное время горения 4-х светодиодов направления будет тогда, когда не засвечен ни один приемник, то есть 4×400 = 1,6 миллисекунды. Алгоритм, кстати, точно так же будет работать, если вместо частоты, период которой кратен 100 мкс, просто подать постоянный высокий уровень на светодиоды. При наличии меандра вместо постоянного уровня мы просто экономим питание вдвое. Мы можем еще сэкономить, если завести каждый ИК-светодиод через отдельную линию (соответственно, через отдельный вывод контроллера со своим ключевым транзистором), но зато при этом усложняется схема, разводка и управление, а ток в 130 мА в течение 2 мс каждые 16 секунд - это, согласитесь, немного.
Наконец, беспроводная передача данных . Для передачи данных от места установки датчиков до табло метеостанции был выбран самый простой, дешевый и надежный способ: пара передатчик/приемник на частоте 433 МГц . Согласен, способ не самый удобный (из-за того, что девайсы рассчитаны на передачу битовых последовательностей, а не целых байтов, приходится изощряться в конвертации данных между нужными форматами), и уверен, что многие со мной захотят поспорить в плане его надежности. Ответ на последнее возражение простой: «ты просто не умеешь их готовить!».
Секрет в том, что обычно остается за кадром различных описаний обмена данными по каналу 433 МГц: поскольку приборы эти чисто аналоговые, то питание приемника должно быть очень хорошо очищено от любых посторонних пульсаций. Ни в коем случае не следует питать приемник от внутреннего 5-вольтового стабилизатора Arduino! Установка для приемника отдельного маломощного стабилизатора (LM2931, LM2950 или аналогичного) непосредственно поблизости от его выводов, с правильными цепями фильтрации на входе и выходе, радикально повышает дальность и надежность передачи.
В данном случае передатчик работал непосредственно от напряжения аккумулятора 12 В, приемник и передатчик были снабжены стандартными самодельными антеннами в виде отрезка провода длиной 17 см. (Напомню, что провод для антенн пригоден только одножильный, а размещать антенны в пространстве необходимо параллельно друг другу.) Пакет информации длиной в 24 байта (с учетом влажности и температуры) без каких-то проблем уверенно передавался со скоростью 1200 бит/с по диагонали через садовый участок 15 соток (около 40-50 метров), и затем через три бревенчатых стенки внутрь помещения (в котором, например, сотовый сигнал принимается с большим трудом и не везде). Условия, практически недостижимые для любого стандартного способа на 2,4 ГГц (типа Bluetooth, Zig-Bee и даже любительский Wi-Fi), притом, что потребление передатчика здесь составляет жалкие 8 мА и только в момент собственно передачи, остальное время передатчик потребляет сущие копейки. Передатчик конструктивно размещен внутри выносного блока, антенна торчит сбоку горизонтально.
Объединяем все данные в один пакет (в реальной станции к нему добавятся еще температура и влажность), состоящий из единообразных 4-байтных частей и предваряемый сигнатурой «DAT», отправляем его на передатчик и завершаем все циклы:
/*=====Transmitter=====*/
String strMsg="DAT"; //сигнатура - данные
strMsg+=volt; //присоединяем батарейку 4 разряда
strMsg+=wind_G; //присоединяем wind 4 разряда
strMsg+=fi; //присоединяем частоту 4 разряда
strMsg.toCharArray(msg,16); //переводим строку в массив
// Serial.println(msg); //для контроля
vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // передача сообщения
vw_wait_tx(); // ждем завершения передачи - обязательно!
delay(50); //+ еще на всякий случай задержка
count=0; //обнуляем счетчик
}//end count==3
else count++;
digitalWrite(ledPin, LOW); //гасим сигнальный светодиод
system_sleep(); //систему - в сон
} //end loop
Размер пакета можно сократить, если отказаться от требования представления каждой из величин разнообразных типов в виде единообразного 4-байтового кода (например, для кода Грея, конечно, хватит и одного байта). Но универсализации ради я оставил все как есть.
Питание и особенности конструкции выносного блока . Потребление выносного блока подсчитываем таким образом:
20 мА (излучатель) + ~20 мА (контроллер со вспомогательными цепями) в течение примерно 0,25 с каждые четыре секунды - в среднем 40/16 = 2,5 мА;
- 130 мА (излучатели) + ~20 мА (контроллер со вспомогательными цепями) в течение примерно 2 мс каждые 16 секунд - в среднем 150/16/50 ≈ 0,2 мА;
Накинув на этот расчет потребление контроллера при съеме данных с датчика температуры-влажности и при работе передатчика, смело доводим среднее потребление до 4 мА (при пиковом около 150 мА, заметьте!). Батарейки (которых, кстати, потребуется аж 8 штук для обеспечения питания передатчика максимальным напряжением!) придется менять слишком часто, потому возникла идея питать выносной блок от 12-вольтовых аккумуляторов для шуруповерта - их у меня образовалось как раз две штуки лишних. Емкость их даже меньше, чем соответствующего количества АА-батареек - всего 1,3 А часа, но зато никто не мешает их менять в любое время, держа наготове второй заряженный. При указанном потреблении 4 мА емкости 1300 мА часов хватит примерно на две недели, что получается не слишком хлопотно.
Отметим, что напряжение свежезаряженного аккумулятора может составить до 14 вольт. На этот случай поставлен входной стабилизатор 12 вольт - чтобы не допустить перенапряжений питания передатчика и не перегружать основной пятивольтовый стабилизатор.
Выносной блок в подходящем пластиковом корпусе размещается под крышей, к нему на разъемах подведен кабель питания от аккумулятора и соединения с датчиками ветра. Основная сложность в том, что схема оказалась крайне чувствительной к влажности воздуха: в дождливую погоду уже через пару часов начинает сбоить передатчик, измерения частоты показывают полную кашу, а измерения напряжения аккумулятора показывают «погоду на Марсе».
Поэтому после отладки алгоритмов и проверки всех соединений корпус необходимо тщательно герметизировать. Все разъемы в месте входа в корпус промазываются герметиком, то же самое касается всех головок винтов, торчащих наружу, выхода антенны и кабеля питания. Стыки корпуса промазываются пластилином (с учетом того, что их придется разнимать), и дополнительно проклеиваются сверху полосками сантехнического скотча. Неплохо дополнительно аккуратно укрепить эпоксидкой используемые разъемы внутри: так, указанный на схеме выносного модуля DB-15 сам по себе не герметичен, и между металлическим обрамлением и пластиковой основой будет медленно просачиваться влажный воздух.
Но все эти меры сами по себе дадут только кратковременный эффект - даже если не будет подсоса холодного влажного воздуха, то сухой воздух из комнаты легко превращается во влажный при падении температуры снаружи корпуса (вспомните про явление, называемое «точка росы»).
Чтобы этого избежать, необходимо внутри корпуса оставить патрончик или мешочек с влагопоглотителем - силикагелем (мешочки с ним иногда вкладывают в коробки с обувью или в некоторые упаковки с электронными устройствами). Если силикагель неизвестного происхождения и долго хранился, его перед использованием необходимо прокалить в электродуховке при 140-150 градусах несколько часов. Если корпус герметизирован как следует, то менять влагопоглотитель придется не чаще, чем в начале каждого дачного сезона.
Основной модуль
В основном модуле все величины принимаются, расшифровываются, если надо, преобразуются в соответствии с калибовочными уравнениями и выводятся на дисплеи.Приемник вынесен за пределы корпуса основного модуля станции и помещен в маленькую коробочку с ушками для крепления. Антенна выведена через отверстие в крышке, все отверстия в корпусе загерметизированы сырой резиной. Контакты приемника выведены на очень надежный отечественный разъем типа РС-4, со стороны приемника он подключен через отрезок сдвоенного экранированного AV-кабеля:
По одной из жил кабеля снимается сигнал, по другой подается питание в виде «сырых» 9 вольт от адаптера питания модуля. Стабилизатор типа LM-2950-5.0 вместе с фильтрующими конденсаторами установлен в коробочке вместе с приемником на отдельной платке.
Производились эксперименты по увеличению длины кабеля (на всякий случай - вдруг через стенку не заработало бы?), в которых выяснилось, что в пределах длины до 6 метров ничего не меняется.
Дисплеев типа OLED всего четыре: два желтых обслуживают метеоданные, два зеленых часы и календарь. Размещение их показано на фото:
Обратите внимание, что в каждой группе один из дисплеев - текстовый, второй - графический, с искусственно созданными шрифтами в виде картинок глифов. Здесь мы в дальнейшем на вопросе вывода информации на дисплеи останавливаться не будем, чтобы не раздувать и без того обширный текст статьи и примеров: из-за наличия картинок глифов, которые приходится выводить индивидуально (зачастую простым перечислением вариантов путем оператора case) программы вывода могут быть весьма громоздки. О том, как обращаться с таким дисплеями, см. публикацию автора «Графический и текстовый режим дисплеев Winstar », где есть в том числе и пример дисплея для вывода данных ветра.
Принципиальная схема. Часы и их дисплеи для удобства настройки обслуживаются отдельным контроллером Arduino Mini и больше мы их здесь разбирать не будем. Схема подключения компонентов к Arduino Nano, управляющим приемом и выводом метеоданных, следующая:
Здесь, в отличие от выносного модуля, показано подключение метеодатчиков - барометра и внутреннего датчика температуры-влажности. Следует обратить внимание на разводку питания - дисплеи питаются от отдельного стабилизатора 5 В типа LM1085. От него же естественно запитать дисплеи часов, однако в этом случае контроллер часов также должен питаться от этого же напряжения, причем через вывод 5 В, а не Vin (для Mini Pro последний называется RAW). Если запитать контроллер часов так же, как Nano - 9 вольтами через вывод RAW, то его внутренний стабилизатор будет конфликтовать с внешними 5-ю вольтами и в этой борьбе, естественно, победит сильнейший, то есть LM1085, а Mini останется вовсе без питания. Также во избежание всяческих неприятностей перед программированием Nano и особенно Mini (то есть перед подключением USB-кабеля) внешний адаптер следует отключать.
На стабилизаторе LM1085 при подключении всех четырех дисплеев будет выделяться мощность около ватта, потому его следует установить на маленький радиатор около 5-10 см2 из алюминиевого или медного уголка.
Прием и обработка данных. Здесь я воспроизвожу и комментирую только фрагменты программы, относящиеся к данным ветра, о других датчиках несколько слов далее.
Для приема сообщения по каналу 433 МГц применим стандартный способ, описанный во множестве источников. Подключаем библиотеку и объявляем переменные:
#include
С величиной размера буфера buflen связана одна особенность: объявить ее значение (VW_MAX_MESSAGE_LEN) один раз в начале программы недостаточно. Так как в функции приема (см. далее) эта переменная фигурирует по ссылке, то размер сообщения по умолчанию приходится обновлять каждый цикл. Иначе из-за приема испорченных сообщений значение buflen будет каждый раз укорачиваться, пока вы не начнете получать всякую чушь вместо данных. В примерах обе эти переменные обычно объявляют локально в цикле loop(), потому размер буфера обновляется автоматически, а здесь мы просто будем повторять присваивание нужного значения в начале каждого цикла.
В процедуре setup делаем следующие установки:
Void setup() {
delay (500); //для устаканивания питания дисплеев
pinMode(16,INPUT_PULLUP); //вывод для кнопки
vw_setup(1200); // Скорость соединения VirtualWire
vw_set_rx_pin(17); //A3 Вывод приемника VirtualWire
. . . . .
Перед тем, как что-то принимать, проверяется интервал времени t_time, прошедшего с последнего приема. Если он превысил разумные пределы (например, 48 секунд - трехкратное время повтора сообщений с внешнего блока), то это воспринимается, как потеря датчика и каким-то образом индицируется на дисплее:
Void loop() {
vw_rx_start(); // Готовность приема
buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; //размер буфера каждый раз заново
if ((int(millis()) - t_time) > 48000) //если t_time не обновлялось более 48 сек
{
<отображаем прочерк на дисплее>
}//end датчик не найден
if (vw_have_message()) { //ждем приема
if (vw_get_message(buf, &buflen)) // Если данные приняты
{
vw_rx_stop(); //останавливаем прием на время
t_time = millis(); //обновляем t_time
for (byte i=0;i<3;i++) // Получить первые три байта
str[i]= buf[i];
str="\0";
if((str=="D")&&(str=="A")&&(str=="T")) { //сигнатура принята
//принимаем данные:
for (byte i=3;i<7;i++) // извлечь четыре байта аккумулятора
str= buf[i]; // упаковать их в строку
volt=atoi(str); //преобразовать в целое число
volt=(volt/10)-100; //удаляем добавки до 4-х байт
batt=float(volt)/55.5; //преобразуем в реальный вид напряжения в вольтах
//и пока храним в глобальной переменной
for (byte i=7;i<11;i++) // извлечь четыре байта направления
str= buf[i]; // упаковать их в строку
int w_Dir=atoi(str); //преобразовать в целое число
w_Dir=(w_Dir-1000)/10; //возвращаем к исходному виду
wDir=lowByte(w_Dir); //младший байт - код Грея
<выводим направление на дисплей через оператор case>
. . . . .
Коэффициент 55.5 - пересчет значения кода АЦП в реальное напряжение, его величина зависит от опорного напряжения и величин резисторов делителя.
Кстати, код Грея имеет одну особенность: в нем неважен порядок бит, все свои свойства код сохраняет при любой их перестановке. А так как при расшифровке мы здесь все равно рассматриваем каждый случай отдельно, то биты можно рассматривать в любом порядке и даже путать при подключении. Другое дело, если бы захотели это дело как-то упорядочить - например, создать массив значений направления («с», «ссз», «сз», «зсз», «з» и т.д.), и вместо индивидуального рассмотрения каждого варианта извлекать обозначения по номеру в этом массиве. Тогда пришлось бы преобразовывать код Грея в упорядоченный двоичный, и порядок бит играл бы существенную роль.
И, наконец, извлекаем значение скорости и закрываем все операторы:
For (byte i=19;i<23;i++) // Получить четыре байта частоты
str= buf[i]; // упаковать их в строку
int wFrq=atoi(str); //преобразовать в целое число
wFrq = (wFrq-1000)/10; //удаляем добавки до 4-х байт
wFrq=10+0.5*wFrq;//скорость в целом виде с десятыми
<отображаем ее на дисплее поразрядно>
}//end if str=DAT
}//end vw_get_message
} //end vw_have_message();
. . . . .
Здесь 10+0.5*wFrq - калибровочное уравнение. 10 дм/с (то есть 1.0 метра в секунду) есть порог трогания, а 0,5 - коэффициент пересчета частоты в скорость (в дм/сек). При нулевом значении входной частоты это уравнение выдает 10 дм/с, потому следует отдельно позаботиться, чтобы при этом выводить не 1 м/с, а именно нулевое значение. Калибровать датчик скорости можно с помощью любого самого дешевого ручного анемометра и настольного вентилятора. Не пытайтесь определить порог трогания экспериментально - гораздо точнее получится, если отметить две-три точки калибровочной прямой значения скорости V от частоты F: V = Vп + K×F при разных скоростях потока, тогда порог трогания определится автоматически, как величина Vп (ордината точки пересечения этой прямой с осью скоростей).
Перед тем, как закрыть основной цикл, нужно сделать еще одну вещь. Напряжение аккумулятора у нас имеется, но выводить на дисплей все время его не нужно - только место занимать. Для этого и нужна кнопка Кн1 - нажимая на нее, мы временно (до следующего обновления данных) заменяем строку внешней температуры-влажности значением напряжения:
If (digitalRead(16)==LOW){ //кнопка нажата
<выводим напряжение на дисплей, затирая значение температуры-влажности>
}//конец кнопка
delay(500);
}//конец loop
Кнопка у меня была, как видно из схемы, с перекидным контактом, но ничто не мешает установить обычную с замыкающим, подключив ее к питанию через резистор. Можно также добавить к этому мигание символов на дисплее в случае, если напряжение аккумулятора снизится ниже, например, 10 вольт, как знак, что его пора менять.
В заключение о метеодатчиках. В качестве наружного датчика был использован SHT-75 - единственный из найденных мной любительских датчиков, который не требует калибровки и показывает реальные величины и температуры и влажности прямо «из коробки» (отсюда и его высокая цена).
Библиотеку для его подключения можно найти .
Сконструирован SHT-75 довольно по-дурацки: металлическая подложка платы отлично проводит тепло, потому его необходимо целиком выносить за пределы корпуса. Иначе наличия одного только контроллера типа ATmega328 со стабилизатором питания в замкнутом корпусе достаточно, чтобы через подложку платы подогреть датчик на пару градусов даже в случае, если его головка вынесена наружу. Моя схема с датчиками ветра, с ее токами в 20-130 мА (пусть даже текущими ничтожные миллисекунды) подогревала SHT-75 градусов на пять, поэтому он был вынесен наружу и установлен отдельно на пластиковую пластину, торчащую из корпуса вбок.
Данные с SHT-75 снимаются тем же контроллером, что и данные датчиков ветра, и посылаются из выносного модуля в едином пакете через беспроводной канал 433 МГц. Для передачи предварительно они также приводятся к формату 4-байтовой строки.
Для измерения температуры и влажности внутри помещения был выбран банальный DHT-22 - поскольку диапазон там невелик в сравнении с улицей, то совершено безразлично, какой датчик использовать (кроме, разумеется, DHT-11, который вообще использовать не следует ни при каких обстоятельствах, в целевом назначении он просто неработоспособен). Температура DHT-22 была подправлена по измерениям ртутным термометром (с SHT-75 они полностью совпали!), а влажность слегка подрихтована сравнением с SHT-75. Поправки вводятся непосредственно перед индикацией на дисплее.
Кстати, DHT-22 тоже необходимо выносить подальше от корпуса с дисплеями - иначе он будет неизбежно подогреваться и врать. Я его закрепляю на пластиковом креплении внизу корпуса, на расстоянии миллиметров десять от него. Это обстоятельство, кстати, как я подозреваю, одна из причин (кроме отсутствия индивидуальной калибровки) того, что все фирменные бытовые метеостанции RST и Oregon безбожно врут в показаниях, имея разброс даже сами с собой (внутренний датчик с наружным) в два-три градуса и до десятка процентов влажности.
Барометр не представляет проблем, поскольку почти все имеющиеся в продаже сделаны на одной и той же основе - микроэлектромеханической (MEMS) микросхеме BMP180 или ее модификациях. Мой личный опыт попытки использования более редко встречающейся разновидности на основе LPS331AP был отрицательным: библиотеку для нее найти труднее, и в довершение был обнаружен конфликт с другими устройствами на I2C-шине. Показания барометра, возможно, придется подогнать по месту установки - каждые 10-12 метров высоты над уровнем моря снижают давление на 1 мм.рт. ст. Поэтому из показаний придется вычесть (или добавить) некую величину, чтобы величина давления соответствовала показаниям официальной метеостанции в данной местности.
Полностью все программы метеостанции я не привожу - они довольно громоздкие, а повторить конструкцию один в один вам все равно не удастся. Если что, стучитесь в личку.
UPD от 30.06.17.
Установил питание от солнечной батареи. Комплект отсюда:
солнечная панель
контроллер
АКБ
Все вместе + доставка по Москве в пределах 2,5 тыр. Работает безупречно.
Интересна методика подсчета мощности солнечной батареи и АКБ, которую предлагают консультанты с этого сайта. Пример расчета на 3 Вт потребляемой мощности (у меня гораздо меньше), цитирую:
«3Вт умножаем на 24ч и делим на 6 = 12Ач это минимальная емкость аккумулятора
3Вт умножаем на 24ч и делим на 3ч = 24Вт это минимальная мощность солнечной батареи»
Без комментариев.
В моем случае получившаяся мощность солнечной энергоустановки в десятки раз превышает необходимую при самых плохих погодных условиях. Поэтому в контроллере датчика можно особо не заботиться об энергосбережении, и применить любые необходимые частоты снятия показаний и осреднения величин.
UPD от 13.09.18.
За почти два сезона эксплуатации выявились сильные и слабые стороны станции. Слабые - прежде всего то, что цикл обновления показаний в 16 секунд (из четырех серий измерений), как это было изначально, слишком длинный. Установка солнечной батареи с буферным аккумулятором позволила не думать об энергосбережении и поиграться с длительностью цикла. В результате цикл был установлен в 8 секунд (четыре измерения через две секунды).
Из механических усовершенствований был введен твердый подпятник под острие датчика скорости (да, меня еще тогда предупреждали о его необходимости, но я тогда не придумал, как его сделать). Через некоторое время ось датчика полностью пропилила фторопластовую опору и порог трогания резко возрос (на чувствительности флюгера это, кстати, совершенно не сказалось). Потому опора была заменена на подпятник из нержавейки, в котором тонким сверлом сделано небольшое углубление. Предчувствую, что придется потом еще что-то придумывать с острием, которое, как и вся ось, сделано из дюраля. Но я отложил это до момента, когда датчик все равно придется переделывать: лазерный диск, взятый за основу конструкции, за два сезона помутнел от солнца и начал растрескиваться.
UPD от 05.06.19.
О переделке датчика (флюгер оставлен тот же самый). Датчик скорости пришлось переделать и из-за стершейся оси и из-за пришедшего в негодность лазерного диска. Основа конструкции оставлена той же самой, но новый лазерный диск покрашен золотистой краской из баллончика. Решение для острия оси нашлось в следующем виде. В дюралевой оси было высверлено углубление точно по центру, и туда вставлен на секундном клее обрезок верхушки китайского метчика на 3 мм. Верхушка у метчика представляет собой хорошо отцентрованный конус с углом около 70-80 град., он был дополнительно отполирован шкуркой-нулевкой и затем пастой ГОИ. В качестве основания я использовал головку нержавеющего винта М3 со спиленным шлицем, в которой обычным сверлом D=2 мм намечено небольшое углубление по центру. Этот винт заворачивался прямо в углубление во фторопласте, пропиленное осью ранее, чем обеспечивалась центровка.
Кончик оси смазывался графитовой смазкой для защиты от коррозии (так как нержавеющие свойства метчика мне неизвестны). После некоторой притирки порог трогания снизился настолько, что его стало невозможно измерить фирменным анемометром, у которого порог составляет около 0,3-0,5 см/с. По косвенным данным (построением прямой по двум точкам) был волюнтаристски принят порог в 0,3 м/с, хотя, вероятно, он несколько меньше.
Главное изменение в алгоритмах обсчета также касается датчиков ветра, и я посчитал полезным вынести это в .
Ветры бывают самые разные, от легкого бриза до внезапных, порывистых шквалов, несущих разрушение и смерть. Самые сильные ветры - это ураганы. Такие ураганные ветры образуются над океанами в тропиках, когда огромные массы воздуха засасываются в области низкого давления. Штормовые тучи часто кружатся вокруг центра (или глаза) урагана со скоростью выше скорости железнодорожного экспресса.
Возможно, тебе никогда не доводилось встречаться с ураганными ветрами, но где бы ты ни жил, тебе, наверняка, приходилось наблюдать как тихие, так и ветреные дни. Изготовь анемометр - простейший прибор для измерения скорости ветра, и записывай значения силы ветра в своей местности в ветреный день.
Тебе
понадобятся:
Толстый деревянный штырь
тонкие деревянные стержни
веревка и отвес
стаканчик из-под йогурта
клейкая лента (водонепроницаемая)
чертежные кнопки
цветной картон
медная трубка
клей
ножницы
1. Возьми толстый деревянный штырь и плотно вставь его в медную трубку. Это будет стойка анемометра.
2. Попроси взрослых помочь просверлить дырку сквозь стойку. Диаметр отверстия должен соответствовать толщине одного из тонких стержней. Сделай прорезь на одном из концов этого тонкого стержня. Вставь его в стойку и закрепи, как показано на рисунке.
3.
Вырежи из картона наконечник и оперение стрелы и закрепи
на концах тонкого стержня.
4. Вырежи четверть круга из цветного картона и прикрепи его к стреле при помощи клейкой ленты.
5. Возьми большой стаканчик из-под йогурта. Приклей его к одному концу второго тонкого деревянного стержня.
6. Попроси взрослых помочь тебе просверлить маленькую дырочку на другом конце второго стержня, а затем прикрепи его булавкой или прибей гвоздиком к верхушке стойки. Убедись, что стержень в состоянии свободно вращаться.
7. Выбери подходящее место для наблюдения на улице. Вбей медную трубку в землю, а затем вставь в нее стойку. Закрепи стойку в нужном положении при помощи чертежной кнопки. Установи стойку строго вертикально, подвесив к стрелке отвес (в качестве отвеса можно использовать гайку). Веревка отвеса должна висеть строго параллельно стойке.
Ветер поворачивает стрелку анемометра так, что она
указывает направление, откуда дует ветер.
Стаканчик из-под йогурта и стержень вместе с ним будут
подниматься вверху. Чем сильнее ветер, тем выше
поднимается стержень указатель.
Шкала Бофорта
Это шкала для измерения скорости ветра, в основе которой лежат наблюдения за природой. Шкала была изобретена английским адмиралом сэром Френсисом Бофортом почти 200 лет назад.
Скорость ветра на картах погоды указываются числом штрихов на значке силы ветра.
| Скорость ветра | Словесная характеристика | Признаки оценки скорости ветра | ||
| м/сек | км/час | балл Бофорта |
||
| 0,0-1,5 | 0,0-1,8 | 0 | Штиль | Дым поднимается отвесно или почти отвесно, листья неподвижны |
| 0,6-1,7 | 1,9-5,1 | 1 | Тихий ветер | Направление ветра определяется по дыму |
| 1,8-3,3 | 5,2-11,7 | 2 | Легкий ветер | Движение ветра чувствуется лицом, шелестят листья |
| 3,4-5,2 | 11,8-18,7 | 3 | Слабый ветер | Листья и тонкие ветви деревьев постоянно колышутся, ветер развевает легкие флаги, море покрыто сплошной легкой волной |
| 5,3-7,4 | 18,8-26,6 | 4 | Умеренный ветер | Ветер поднимает пыль, приводит в движение тонкие ветви деревьев, на отдельных волнах изредка появляются белые, быстро пропадающие "барашки" |
| 7,5-9,8 | 26,7-35,3 | 5 | Свежий ветер | Качаются толстые сучья деревьев; "барашки" видны на каждой волне |
| 9,9-12,4 | 35,4-44,0 | 6 | Сильный ветер | Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода, "барашки" на волнах более продолжительны (5-10 сек.) |
| 12,5-15,2 | 44,1-54,7 | 7 | Крепкий ветер | Качаются верхушки деревьев, гнутся большие ветви, неудобно идти против ветра. Пенящиеся волны на море |
| 15,3-18,2 | 54,8-66,0 | 8 | Очень крепкий ветер | Ветер ломает тонкие ветви и сухие сучья деревьев, затрудняет движение |
| 18,3-21,5 | 66,1-77,5 | 9 | Шторм | Ветер сбрасывает дымовые трубы, черепицу. Идти против ветра очень трудно. |
| 21,6-25,1 | 77,6-90,2 | 10 | Сильный шторм | Значительные разрушения, деревья вырываются с корнем |
| 25,2-29,0 | 90,3-104,4 | 11 | Жестокий шторм | Большие разрушения: валит телеграфные столбы, вагоны |
| Более 29,0 | Свыше 104,4 | 12 | Ураган | Разрушает дома, производит большие разрушения |
Мой новый анемометр. Анемометр получился не маленький, генератор дисковый, диаметр винта 0.5 м. Анемометр горизонтального типа с шестилопастным винтом. В статье подробное описание с фото и видео
Новая статья по теме + фото и видео - Анемометр андроид + микрофон
Наконец дело дошло и до анемометра. Имея опыт изготовления уже трех ветрогенераторов я так и не знаю точно на каком ветре и сколько дают мои ветряки. Сейчас всего один ветрогенератор в строю, мой самый удачный, хотя и собранный весь " на коленке". Я примерно и представляю силу ветра и могу отличить ветер в 5 м/с от 10 м/с, но все-же хочется более точно знать скорость ветра чтобы определять мощность ветрогенератора.
Несколько дней время от времени думал из чего-же сделать анемометр, но из хлама, имеющегося дома пока ничего толкового не вырисовывалось. Нашел два маленьких моторчика от DVD плеера, но они что-то уж больно крошечные и лопасти к тонкому валу трудно придумать.
Попался мне на глаза автомобильный вентилятор, такие в грузовых авто ставят обычно. Вот его та я и замучил. Разобрал и достал моторчик. С винта сломал лопасти и осталось только основание - центральная часть, которая на вал надевается. Далее думал какие лопасти к нему приделать, пробовал и донышки пластиковых бутылок и банки консервные, но все это мне не нравилось.
Потом отыскал кусок ПВХ трубы диаметром 5см, и длинной50 см. Из нее сделал 4 лопасти, просто порезал трубу вдоль на две половинки, и половинки, каждую на две части, получилось 4 лопасти. В основании, которое осталось от родного винта просверлил 4 отверстия для крепления лопастей, так-же и в лопастях сделал 4 отверстия. Все это дело скрутил на болтики и получился четырех лопастной винт - савониус (первая "серьезная" вертикалка).
Ну а далее нашел провода нужной длинны, сростил метром 5 антенного кабеля и метров 8 обычного. провода сразу подсоединил чтобы замерять параметры с учетом длинны провода, так-как данные могут различаться если делать замеры на метровом проводе, или на 13 м.
Потом нашел кусок металлической трубки длинной около 80-90 см, ее изогнул буквой Z и примотал моторчик. Этой трубкой анемометр будет крепиться к мачте. Тут ничего сложного, можно использовать любой подручный материал.
Ну а далее, как собрал полностью анемометр, я его чтобы откалибровать установил на свой мотоцикл. Ниже на фото можно видеть как это сделано, все примитивно и просто. На зеркало приматах изолентой мыльтиметр, в общем кое-как все закрепил чтобы освободить руки для управления мотоциклом.
Этот осенний денек очень удачный из-за практически полного отсутствия ветра, что кстати и послужило быстрой сборки анемометра, не пропадать-же такому дню. На асфальт выезжать не хотелось, так-как с непонятной штуковиной спереди мотоцикла я бы привлекал к себе внимание, поэтому решил проехаться по полям вдоль лесопосадок.
Катался туда сюда и в разных направлениях и записывал в телефон показания мультиметра при разных скоростях движения. Стартовал анемометр со скорости 7 км/ч, и я постепенно откатал туда сюда на разных скоростях начиная с 10 км/ч и максимальная 40км/ч, можно было и больше, но грунтовые дороги очень не ровные и сильно не разгонишься.
>
После покатушек нарисовались вот такие данные. Мультиметр показал при 10км/с =0.06V , при 20км/ч=0.12V, при 30=0.20V, при 40км/ч=0.30V.
Потом с помощью калькулятора я высчитал показания для промежуточных значений скорости ветра.
Вольты-скорость ветра м/с.
Данные выше 11 м/с вычислил нарисовав на листке бумаги график роста напряжения в зависимости от скорости ветра, который плавно продолжил до 15 м/с. Этим-же днем, а точнее уже вечером установил анемометр на мачту к ветрогенератору. Опустил ветряк и примотал ниже анемометр. Трубу временно притянул на проволоку и обмотал дополнительно изолентой, получилось вроде крепко. Ну а далее поднял все это дело на место и теперь рядом с ветрогенератором на мачте теперь стоит анемометр, который стартует при 3м/с и исправно показывает скорость ветра.
>
>
Ниже на фото уже поднятый ветрогенератор с закрепленным анемометром. Более подробно я не стал фотографировать, так-как там ничего сложного нет, и повторять нечего. Анемометр собрать можно из чего угодно, из практически любого моторчика. Калибровать конечно удобнее на автомобиле. Там и комфортное, и удобнее, и спидометр точнее. Но я вот решил на мотоцикле, и тоже вроде получилось неплохо, надеюсь если спидометр и врет, то не намного.
>
Пока все, эта первая версия этого анемометра, и я думаю не последняя. А пока дождусь ветра и узнаю что дает мой ветрогенератор. Ну и дополню эту статью этими данными. А может что-нибудь придется переделывать....
Дополнение
Появился ветер и я испытал анемометр. Первые наблюдения за силой ветра и показанием амперметра генератора наглядно показали какой не постоянный ветер. Сдесь внизу, так-как мачта немвысокая, он состоит в основном из коротких порывов, длительность которых не привышает двух трех секунд, и за несколько секунд ветер может меняться в больших пределах.Не нагруженый ничем винт анемометра резко реагирует на каждый порыв и изменение скорости ветра. А нагруженый винт этого ветрогенератора все-таки запаздывает в реакциях, и из-за этого не синхронные данные в показаниях. Сегодня ветер 3-7 м/с, анемометр правда ловил пару порывов до 10м/с, но они длились менее секунды и ветрогенератор просто не упевал на них реагировать.
Спустя некоторое время наблюдений нарисовались некоторые средние значения силы тока от ветрогенератора при определенном ветре. Стартует винт с 3,5-4 м/с, зарядка 0.5А на 4м/с, 1А на 5м/с, 2,5А на 6м/с, 4А на 7м/с, 5А на 8м/с . Эти данные усредненные, так-как амперметр аналоговый стот, и я могу ошибаться до 0.5А в показаниях силы тока от ветрогенератора.
Должно было получиться что-то вот такое
Этапы изготовления самого датчика:
Корпус сделал так: взял кусок квадратной трубы в ней вырезал окошко, чтобы через него потом смонтировать начинку (кстати окошко вырезал с температурой, но так мне очень хотелось это сделать, что встал и пошел пилить). Затем внутрь приварил пластину (держатель внутреннего подшипника), тогда приварил низ (держатель нижнего подшипника). Когда решил делать верх задумал сделать скатную крышу-для этого вырезал четыре треугольника и аккуратно поприхватывал, а затем проварил полностью и так сделал заостренный козырек. Тогда зажал в тиски и сверлом на 0,5 мм меньше, чем диаметр подшипника просверлил вертикально отверстие в нижние крышке и в средние, оба для подшипников. Чтоб подшипники стали с натяжкой подгонял разверткой. Подшипники встали как родные. Затем в них вставил чуть-чуть подшлифованный гвоздь 100-ку при этом в середине окошка надев на него пластмассовую шаийбу с 4-мя прорезями. На гвозде снизу нарезал резьбу и на нее накрутил крыльчатку.
Крыльчатку изготовил так: к гайке электродом двойкой приварил три гвоздя потом их обрезал и на концах нарезал резьбу которой прикрутил половинки от мячика.
К корпусу приварил держатель- шестигранный пруток из нержавейки. Сам корпус покрасил белой эмалью два раза, чтобы точно не ржавел.
Решил не придумывать велосипед, а сделать так как в компьютерной мышке, есть пластмассовая шайба с четырьмя прорезями на оси вращения, когда крыльчатка крутится то крутится и шайба при этом проемы мелькают над датчиком, который крепится к передней крышки и когда крышка прикручивается, то он как раз становится так что шайба с прорезями крутится и заступает и отступает световой поток от светодиода к фототранзистору. Все… тут вам и импульсы, а их можно посчитать и иметь количество оборотов в секунду.
Светодиодиодно - фототранзисторный датчик выдернул из принтера, там таких навалом.
Сначала сделал из теннисных мячиков
Пришлось немного модифицировать прибор. На крыльчатка от теннисных мячиков он стартовал при ветре 5м/с. были куплены мячики в магазине детских игрушек диаметром 55 мм. Стартует при 2м/с и ведет измерения до 22 м/с, Мне хватаєт.
После того как датчик был готов. Надо было сделать электронику.
Первый вариант был самодельный ЛУТ технология + зеленая маска из Китая, сохнет под ультрафиолетом.
55 на фотографии это оборотов в секунду. Надо было как-то перевести в м/с. Долго думал как, достал даже два анемометры старый еще с СССР и китайский за 50 $, но с поверкой возникли проблемы, потому что ветер порывистый и не дует стабильно.
Поэтому придумал так: в выходной день я с Папой нашли за городом 2 км ровной дороги без машин, без ветра и с обеих сторон посадка деревьев (Папа за рулем а я сидел наполовину за окном) и давай гонять взад вперед. Сначала выставил СССР-кий и китайские анемометры я убедился, что они оба показывают одинаково и правильно, потому что если разделить скорость на спидометре машины на 3,6 то получалась цифра которую показывали анемометры в м/с. Папа ехал с одинаковой скоростью и приборы показывали одинаковый ветер. Таким образом я и проверял свой прибор. Папа добавлял каждый раз +5 км в час, а я записывал новый показатель (оборотов в секунду). Замеры провел трижды. Когда мы ехали более 80 км/ч (22м/с) мой анемометр уже не мог раскрутиться и цифра замирала, потому более 22м/с он не измеряет....
Кстати, Китайский показывал до 28м/с. СССР-кий до 20м/с. Когда установил его в месте с доработанной программой, еще раз сверил с китайским все сошлось.
Сейчас переделывается под Ардуино.
В планах это докрутить в систему умного дома, чтобы можно было со смартфона заходить и управлять нагрузками в доме, смотреть температуру в доме (для меня это актуально, просто порой газ выключают зимой и хорошо видеть какая температура) будет еще датчик газа, и плюс будет отображаться скорость ветра у дома.
Видео работы
Результаты работы за зиму
с-сть --- часов за зиму
0 м/с --- 511,0
1 м/с --- 475,0
2 м/с --- 386,5
3 м/с --- 321,2
4 м/с --- 219,0
5 м/с --- 131,5
6 м/с --- 63,3
7 м/с --- 32,5
8 м/с --- 15,4
9 м/с --- 9,1
10 м/с --- 5,0
11 м/с --- 3,5
12 м/с --- 2,2
13 м/с --- 1,3
14 м/с --- 0,8
15 м/с --- 0,5
16 м/с --- 0,5
17 м/с --- 0,2
18 м/с --- 0,0
19 м/с --- 0,1
По результатам за две зимы я увидел что ветры у меня не сильные и ветряк будет не эффективен, поэтому сделал маленький с лопастями по 50см. мощностью в пику 150 Вт. Сделал просто, чтобы хотя бы одна экономная лампочка светила когда свет пропадет.
Теперь немного о Arduino.
Нашел в Интернете схему работы мышки, она наглядно иллюстрирует как работает моя система.
Отталкиваясь от схемы мышки я сделал следующую схемку.
Импульсы поступают с фототранзистора на Arduino, а он воспринимает их как нажатия кнопки.
Алгоритм работы программы таков: Считаем сколько нажатий кнопки произошло за одну секунду вот и имеем частоту вращения. Для того чтобы эту частоту перевести в м/с. еще когда я делал на Атмел я сделал алгоритм расчета частоты в м / с. Выглядел он так:
int ob_per_sec=0; // Переменная в которую попадает частота оборотов в секунду.
int speed_wind=0; // Сюда будет попадать значение после пересчета частоты в м/с.
int speed_wind_max=0; // Сюда попадает максимальное значение показаний ветра м/с.
int speed_wind_2=0; // К-во секунд с начала работы программы со скоростью ветра 2 м/с.
int speed_wind_3=0; // К-во секунд с начала работы программы со скоростью ветра 3 м/с.
int speed_wind_4=0; // К-во секунд с начала работы программы со скоростью ветра 4 м/с.
int speed_wind_5=0; // К-во секунд с начала работы программы со скоростью ветра 5 м/с.
…………………………………………………………..
int speed_wind_22=0; // К-во секунд с начала работы программы со скоростью ветра 22 м/с.
if (ob_per_sec >0 && ob_per_sec<4) { speed_wind=2; speed_wind_2++;}
if (ob_per_sec >4 && ob_per_sec<7) { speed_wind=3; speed_wind_3++; }
if (ob_per_sec >7 && ob_per_sec<11) { speed_wind=4; speed_wind_4++; }
if (ob_per_sec >11 && ob_per_sec<15) { speed_wind=5; speed_wind_5++; }
if (ob_per_sec >15 && ob_per_sec<18) { speed_wind=6; speed_wind_6++; }
if (ob_per_sec >18 && ob_per_sec<23) { speed_wind=7; speed_wind_7++; }
if (ob_per_sec >23 && ob_per_sec<27) { speed_wind=8; speed_wind_8++; }
if (ob_per_sec >27 && ob_per_sec<30) { speed_wind=9; speed_wind_9++; }
…………………………………………………………..
if (ob_per_sec >60 && ob_per_sec<67) { speed_wind=22; speed_wind_22++; }
if (speed_wind> speed_wind_max){ speed_wind_max = speed_wind ;}// проверяем и перезаписываем, если максимальное значение больше чем предыдущее записанное.
И выводим на экран значение.
При необходимости можно затем просмотреть сколько минут дул ветер с определенной скоростью, для этого нужно на экран вывести переменную (с необходимым индексом скорости) speed_wind_№ (но разделить ее на 60, чтобы получились минуты.).
Я у себя в программе сделал так: при нажатии определенной кнопки поочередно выводятся все переменные, от speed_wind_1 до speed_wind_22.
Рекомендуем также
Древние государства востока Управление в государствах древнего востока презентация
Презентация по биологии деление клетки митоз
Презентация на тему "экономическая модельзимбабве"
Презентация на тему "скелет человека"
Представление цвета в компьютере Дайте определение понятию палитра информатика
Экологические группы растений: характеристики, примеры Виды по отношению к воде
Loading...