Самостоятелен анемометър за регистриране на данни: 11 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Обичам да събирам и анализирам данни. Обичам и изграждането на електронни джаджи. Преди година, когато открих продуктите на Arduino, веднага си помислих: „Бих искал да събера данни за околната среда“. Беше ветровит ден в Портланд, Орегон, затова реших да заснема данни за вятъра. Разгледах някои от инструкциите за анемометри и ги намерих за доста полезни, но трябваше да направя някои инженерни промени. Първо исках устройството да работи самостоятелно, на открито, в продължение на една седмица. Второ, исках да може да записва много малки пориви на вятъра, няколко от проектите тук изискват доста силни ветрове, за да започнат. И накрая, исках да запиша данните. Реших да отида за наистина лек дизайн на ротора с възможно най -малка инерция и съпротивление. За да постигна това, използвах всички пластмасови части (включително резбовани винилови пръти), връзки на сачмени лагери и оптични сензори. Други дизайни използват магнитни сензори или действителни DC двигатели, но и двата забавят ротора, оптиката използва малко повече енергия, но не предлага механично съпротивление. Регистраторът на данни е просто Atmega328P с 8 mbit флаш чип. Мислех за SD, но исках да запазя ниските разходи, консумация на енергия и сложност. Написах проста програма, която регистрира двубайтовото завъртане се брои всяка секунда. С 8 мегабита реших, че мога да събера данни за около седмица. В моя оригинален дизайн реших, че ще ми трябват 4 C клетки, но след седмица те все още бяха напълно заредени, така че сигурно бях изключен с порядък в консумацията на енергия. Не използвах линейни регулатори, задвижвах всички релси за напрежение до 6V (въпреки че някои от частите бяха оценени с 3.3V. Браво overdesign!). За да изтегля данните, имах сложна система, която чете флашката и я изхвърля на серийния монитор arduino, и изрязах и поставих в Excel. Не прекарвах време, опитвайки се да разбера как да напиша USB приложение от командния ред, за да изхвърля светкавицата до стандарт, но в един момент ще трябва да разбера това. Резултатът беше доста изненадващ, успях да наблюдавам някои много интересни тенденции, които запазвам за друг доклад. Късмет!

Стъпка 1: Изградете ротора

Опитах редица различни идеи за роторните чаши: великденски яйца, топки за пинг -понг, пластмасови чаши и празни топки за украса на коледно дърво. Изградих няколко ротора и ги изпробвах със сешоар, който осигуряваше диапазон на скоростта на вятъра. От четирите прототипа, орнаментните черупки работят най -добре. Те също имаха тези малки фиксатори, които улесняваха закрепването и бяха направени от твърда пластмаса, която работеше добре с поликарбонатен цимент. Опитах няколко различни дължини на вала, малки, средни и големи (около 1 "до около 6") и установих, че по -големите размери се въртят твърде много и не реагират добре на ниските скорости на вятъра, затова отидох с валовете с малки размери. Тъй като всичко беше от прозрачна пластмаса, направих удобна малка разпечатка, за да помогна да запалите трите остриета. Материали: Орнаментите идват от Oriental Trading Company, артикул „48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT“, $ 6 плюс $ 3 доставка. Пластмасовите валове и структурният диск дойдоха от местен магазин за пластмаси TAP, още около 4 долара на части.

Стъпка 2: Изградете горната основа

За да намаля инерцията на въртене, използвах найлонов прът с резба от McMaster Karr. Исках да използвам лагери, но лагерите на машините са опаковани в грес за забавяне на ротора, затова купих евтини лагери за скейтборд, които нямаха такива. Те просто се вписаха във вътрешния диаметър на тръбата с вътрешен диаметър 3/4 ". Едва когато сглобих конструкцията, осъзнах, че лагерите за кънки се справят с равнинното натоварване и прилагах вертикално натоварване, така че трябваше да използвам лагер на тяга, но те работеха отлично и вероятно помогнаха за справяне с триенето от прецесионния въртящ момент. Планирах да прикрепя оптичен сензор към дъното на вала, затова монтирах CPVC съединителя в по -голяма основа. Home Depot е забавно място за смесване и съвпадат с фитингите от CPVC/PVC. В крайна сметка успях да натъпча 3/4 "резбова CPVC връзка в PVC 3/4" до 1-1/2 "редуктор. Трябваше много да се играе, за да се нареди всичко, но оставяше достатъчно място за електроника. Материали: 98743A235-Найлонов прът с черен резба (резба 5/16 "-18) 94900A030-Черни найлонови шестостенни гайки (резба 5/16" -18) Евтини лагери за скейтборд 3/4 "резбован CPVC адаптер 3/4" до 1 -1/2 "PVC редуктор към тръба с резба 3/4" Забележка: Размерите на съединителя от PVC и CPVC не са еднакви, вероятно за предотвратяване на случайна неправилна употреба; така че смяната в обикновен PVC 3/4 "обикновен адаптер няма да работи, обаче, НИТЕТЕ на адаптер с резба са същите, което е напълно странно. CPVC свързващи резби в втулката от PVC адаптер. Адаптер … втулка … свързване … Вероятно бъркам всички тези термини, но 15 минути в водопроводната пътека Home Depot ще ви направят.

Стъпка 3: Оптичен прекъсвач

Когато роторът се завърти, въртенето му се отчита от оптичен прекъсвач. Мислех да използвам диск, но това означаваше, че ще трябва да прикрепя източника на осветление и детектора вертикално, което би било много предизвикателно за сглобяване. Вместо това избрах хоризонтално монтиране и намерих малки чаши, които отиват на дъното на столовете, за да предпазят подовете от твърда дървесина. Нарисувах и залепих шест сегмента, което би ми дало дванадесет (почти) еднакви ръба или 12 кърлежи на оборот на ротора. Мислех да направя повече, но не бях много запознат със скоростта на детектора или зрителното поле на неговата оптика. Тоест, ако бях прекалено тесен, светодиодът може да пропълзи по краищата и да активира сензора. Това е друга област на изследване, с която не се занимавах, но би било добре да проуча. Залепих боядисаната чаша към гайка и я закрепих към края на вала. Материали: Чаша за протектор за крака на стола от черна боя Home Depot

Стъпка 4: Прикрепете ротора

В този момент започна да изглежда доста готино. Найлоновите гайки са наистина хлъзгави, така че трябваше да използвам много контргайки (в случай, че не сте забелязали от предишните снимки). Също така трябваше да направя специален плосък ключ, който да се побере в капачката под ротора, за да мога да заключа и двете гайки.

Стъпка 5: Изградете долната основа

Долната основа съдържа батерии и осигурява поддържаща структура. Намерих доста готина водоустойчива кутия онлайн от компания, наречена Polycase. Това е наистина хлъзгав калъф, който се запечатва плътно, а винтовете са по -широки в основата, така че не падат лесно от горната част. Използвах PVC мате към горната PVC втулка. Тази долна опорна основа е само резбована 1, 1/2 PVC съединител. Горното налягане на основата на ротора се вписва в долната основа чрез тази връзка. Както ще видите по-късно, не лепих тези парчета заедно, защото исках да може да го отворите и да направите корекции, ако е необходимо, плюс монтажът е по-лесен при закрепване на платките. Материали: Водоустойчива кутия от Polycase, артикул # WP-23F, 12,50 щ.д.

Стъпка 6: Изградете оптичния сензор

Сензорният механизъм е 940nm LED и приемник с задействане на Schmitt. Обичам любовта, обичам схемата за задействане на Schmitt, тя се грижи за всички мои нужди за развенчаване и изпраща CMOS/TTL съвместим сигнал. Единственият недостатък? 5V работа. Да, прекарах целия дизайн до 6V, но можех да отида до 3.3V, ако не беше тази част. Идеята е тази верига да се монтира под роторната чаша, която прекъсва лъча, докато се завърта, генерирайки логически преходи за всеки ръб. Нямам добра представа как е монтирано това. По принцип залепих две пластмасови компенсации в долната основа на PVC съединителя и ги завинтвах отгоре. Трябваше да смила ръбовете на дъската, за да може тя да пасне добре. Дори нямам схема за това, наистина е лесно: просто пуснете 1k резистор от Vin и го свържете, така че светодиодът да свети винаги и изходът на детектора да е на неговия щифт. Материали: 1 940nm LED 1k резистор 1 OPTEK OPL550 сензор 1 три-пинов щепсел (женски) 1 1.5 "x1.5" печатна платка Различни дължини на жицата Термосвиваеми тръби, ако харесвате кабелите си в пакет

Стъпка 7: Изградете регистратора на данни

Платката за прототипиране на Arduino беше твърде голяма, за да се побере в шасито. Използвах EagleCAD, за да изложа по -малка платка, и загубих, изтеглих един слой … има четири грозни проводника, от които се нуждаех, за да преодолея няколко пропуски.

(Мислех, че съм измерил това при ~ 50mW работна мощност и въз основа на ватовите часове на батериите, мислех, че ще падна под 5V за една седмица, но измерването на мощността или математиката ми бяха грешни, защото 4 C-клетки се поддържаха ще продължи дълго.) Доста просто оформление: просто резонатор, ATmega328, флаш чип, джъмпер за отстраняване на грешки, светодиод за отстраняване на грешки, капачка на захранването и това е всичко. Има нещо, наречено DorkBoard, което също бих могъл да използвам, това е основно всичко необходимо за ATMega328 dev платка с размерите на DIP гнездото. Обмислях да си купя, но дискретният ми подход беше с около 50% по -евтин. Ето връзката към dorkboard:

Ето основната идея (изходният код ще бъде включен по-късно) как работи платката: Джамперът е настроен на режим "отстраняване на грешки": прикрепете прекъсване на променлива стойност към изхода на оптичния сензор и премигнете тестовия светодиод в унисон с детектора. Това беше много полезно за отстраняване на грешки. Джъмперът е настроен на режим "запис": прикрепете същото прекъсване към брояч, а в основния контур забавете 1000 мсек. В края на 1000 msec запишете броя на ръбовете на 256-байтова флаш страница и когато страницата е пълна, изпишете я и нулирайте броя. Просто, нали? Почти. Много харесвам флаш устройствата на Winbond, проектирах флаш през 90 -те, така че беше забавно да ги програмирам отново. Интерфейсът SPI е брилянтен. Толкова лесен за използване. Ще оставя схемите и изходния код да говорят сами. Споменах ли, че EagleCAD е страхотен? Наистина е. Има някои страхотни уроци в YouTube.

Стъпка 8: Прикрепете електрониката

Отново нямам много добри снимки тук, но ако си представите две пластмасови стойки, залепени към вътрешността на PVC, и двете дъски се завинтват в него. Ето снимка на дъската за записване, свързана към дъното. Детекторната платка е горе в корпуса.

Стъпка 9: Калибриране

Направих тестова платформа за калибриране на звяра, за да мога да преобразувам броя на суровите ротори в MPH. Да, това е 2x4. Прикрепих анемометъра към единия край, и отстраняване на грешки Arduio към другия. LCD дисплеят показва броя на ротора. Процесът протече така: 1) Намерете дълъг прав път без трафик. 2) Задръжте 2x4 така, че да се подава възможно най -навън през прозореца 3) Включете гласовия запис на вашия iPhone или Android 4) Включете цифров GPS скоростомер на вашето ръчно устройство по избор 5) Шофирайте стабилно с няколко скорости и обявете на вашия рекордер скоростта и средният брой ротори се броят 6) Не катастрофирайте 7)? 8) По-късно, когато не шофирате, повторете телефонното си съобщение и въведете данните в excel и се надявайте, че линейна или експоненциална или полинома се вписва със стойност R на квадрат по-голяма от 99% Това преобразуване # ще бъде използвано по-късно. Устройството улавя само необработени данни, аз ги обработвах до MPH (или KPH) в Excel. (Споменах ли, че съм нанесъл лошо покритие от боядисана маслинова боя? Щях да го нарека „Анемометър за запис на тактически данни“, но тогава се сетих, че „Тактически“означава „черен“.)

Стъпка 10: Съберете малко данни за вятъра

Това е почти всичко. Мисля, че липсват няколко снимки, напр. не са показани четирите С-клетки, натъпкани в долната основа. Не можах да монтирам пружинен държач, така че в крайна сметка запоявах кабелите към самите батерии. Пиша тази инструкция една година след като я създадох, а при ревизия #2 използвах батерии тип АА, защото грубо надцених консумацията на енергия. Използването на AA ми позволи да добавя превключвател за включване и изключване и наистина освободи малко място вътре, иначе беше доста стегнато. Като цяло бях доста доволен от дизайна. Графиката по -долу показва усреднени данни за една седмица. Батериите започнаха да се изтощават на седмия ден. Можех да подобря живота на батерията, като пусна LED при по -нисък работен цикъл на около 1 kHz и нямаше да загубя никакви ръбове поради сравнително ниската ъглова скорост на ротора.

Забавлявай се! Кажете ми, ако видите място за подобрение!

Стъпка 11: Изходен код

Прикачен е един единствен изходен файл на Arduino. Имах GPL, защото, хей, GPL.

РЕДАКТИРАНЕ: Бих искал да отбележа, че моята реализация на използване на закъснение 1s () е ужасна идея и в h Количеството време, необходимо за писане на флаш и четене на сензора, може да изглежда малко, но в течение на 7 -10 с добавя към значителен отклонение. Вместо това използвайте 1Hz прекъсване на таймера (Таймер #1 на 328P може да се калибрира перфектно до 1Hz). За да сте в безопасност, трябва да кодирате в ограда в случай, че писането на страницата и четенето на сензора по някаква причина отнема повече от 1 секунда (манипулиране на изпуснати проби), но прекъсването на таймера е начинът да се правят неща, които трябва да бъдат, добре, време- точен. Наздраве!