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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Volim prikupljati i analizirati podatke. Također volim graditi elektroničke 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 instrumente 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, nekoliko je ovdje dizajna zahtijevalo prilično jake vjetrove. 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), kuglične ležajeve 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 jednostavno je Atmega328P s 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 dvobajtno zakretanje računa se svake sekunde. S 8 megabita sam zaključio da mogu prikupiti podatke vrijedne oko tjedan dana. U svom sam izvornom dizajnu zaključio da će mi trebati 4 C ćelije, ali nakon tjedan dana bile su potpuno napunjene pa sam morao biti isključen za red veličine potrošnje energije. Nisam koristio linearne regulatore, vozio sam sve naponske vodilice na 6V (iako su neki dijelovi bili ocijenjeni s 3.3V. Yay overdesign!). Za preuzimanje podataka imao sam složen sustav koji je čitao bljesak i bacio 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 da izbaci flash na standardni izlaz, ali u jednom trenutku ću to morati shvatiti. Rezultat je bio prilično iznenađujući, uspio sam uočiti neke vrlo zanimljive trendove koje spremam za još jedno izvješće. Sretno!

Korak 1: Izgradite rotor

Isprobao sam brojne različite ideje za šalice rotora: uskršnja jaja, kuglice za stolni tenis, plastične čaše i prazne kuglice s božićnim drvcem. Napravio sam nekoliko rotora i sve ih testirao sušilom za kosu, koje je omogućilo niz brzina vjetra. Od četiri prototipa, ukrasne školjke najbolje su djelovale. Imali su i te male jezičke koji su olakšavali pričvršćivanje, a izrađeni su od krute plastike koja je dobro funkcionirala s polikarbonatnim cementom. Isprobao sam nekoliko različitih duljina vratila, male, srednje i velike (otprilike od 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 tvrtke Oriental Trading Company, stavka "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", 6 USD plus 3 USD dostave. Plastična vratila i konstrukcijski disk došli su iz lokalne trgovine TAP Plastics, u dijelovima još oko 4 USD.

Korak 2: Izgradite gornju bazu

Za smanjenje rotacijske inercije koristio sam najlonsku šipku s navojem tvrtke McMaster Karr. Htio sam koristiti ležajeve, ali ležajevi strojeva pakirani su u mast koja usporava rotor, pa sam kupio neke jeftine ležajeve za skejtbord koji nisu imali. Jednostavno su se uklopili unutar CPVC -ovog cijevnog adaptera s unutarnjim promjerom 3/4 ". Tek kad sam sastavio strukturu, shvatio sam da klizni ležajevi podnose planarno opterećenje, a ja sam primjenjivao okomito opterećenje, pa sam trebao upotrijebiti potisni ležaj, ali radili su sasvim u redu i vjerojatno 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 s 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, vjerojatno radi sprječavanja slučajne zlouporabe; tako da zamjena u običnom PVC 3/4 "običnom adapteru neće funkcionirati, međutim, NITI adaptera s navojem su isti, što je potpuno čudno. CPVC spojni navoji u čahuru od PVC adaptera. Adapter … čahura … spojnica … Vjerojatno miješam sve ove pojmove, ali 15 minuta u vodovodnom prolazu Home Depot izravnat će vas.

Korak 3: Optički prekidač

Kako se rotor okreće, njegovo se okretanje broji optičkim prekidačem. Razmišljao sam o korištenju diska, ali to je značilo da ću izvor rasvjete i detektor morati pričvrstiti okomito, što bi bilo vrlo teško sastaviti. Umjesto toga, odlučio sam se za vodoravno postavljanje i pronašao male čašice koje idu na dno stolica kako bi zaštitile podove 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 s 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 bilo bi dobro istražiti ga. Zalijepio sam obojenu čašu na maticu i pričvrstio je na kraj vratila. Materijali: Šalica za štitnike nogu od stolice iz crne boje Home Depot

Korak 4: Pričvrstite rotor

U ovom trenutku to je počelo izgledati prilično cool. Najlonske matice su stvarno skliske 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. Na internetu sam pronašao prilično cool vodootpornu kutiju od tvrtke koja se zove Polycase. To je doista glatko kućište koje dobro brtvi, a vijci su širi u dnu pa ne padaju lako s vrha. Za gornju PVC čahuru koristio sam PVC mat. Ovaj donji bazni par samo je 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 zalijepio jer sam htio moći ga otvoriti i po potrebi izvršiti prilagodbe, a montaža je lakša pri pričvršćivanju ploča. Materijali: Vodootporna kutija od Polycasea, stavka # WP-23F, 12,50 USD Navojna 1-1/2 "PVC spojnica

Korak 6: Izgradite optički senzor

Senzorski mehanizam je 940nm LED i prijemnik s Schmittovim okidačem. Volim ljubav, volim Schmittov okidački sklop, on se brine za sve moje potrebe za otkazivanjem i šalje CMOS/TTL kompatibilan signal. Jedina mana? Rad 5V. Da, pretjerao sam cijeli dizajn na 6V, ali mogao sam otići na 3.3V da nije bilo ovog dijela. Ideja je da se ovaj krug montira ispod čaše rotora, što prekida snop dok se okreće, generirajući logičke prijelaze za svaki rub. Nemam dobru sliku kako je ovo montirano. U osnovi sam zalijepila dva plastična pomaka u donju osnovnu PVC spojnicu i uvrnula ih odozgo u njih. Morao sam samljeti rubove ploče kako bi se lijepo uklopila. Nemam čak ni shemu za to, stvarno je jednostavno: samo pokrenite 1k otpornik s Vina i povežite ga tako da LED uvijek svijetli, a izlaz detektora je na svom pinu. Materijali: 1 940nm LED 1k otpornik 1 OPTEK OPL550 osjetnik 1 tropolni utikač (ženski) 1 ploča "1,5" x1,5 "Različite duljine žice Termoskupljajuće cijevi ako volite da vam se žice spajaju

Korak 7: Izgradite zapisnik podataka

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 pri radnoj snazi od ~ 50mW, a na temelju vatnih sati baterija, mislio sam da ću pasti ispod 5V za tjedan dana, ali bilo je moje mjerenje snage ili moja matematika pogrešna jer su 4 C-ćelije zadržale trajat će dugo.) Prilično jednostavan raspored: samo rezonator, ATmega328, flash čip, kratkospojnik za otklanjanje pogrešaka, LED za otklanjanje pogrešaka, kapa napajanja, i to je to. Postoji nešto što se zove DorkBoard, što sam i ja mogao koristiti, u osnovi je sve potrebno za ATMega328 dev ploču u veličini DIP utičnice. Razmišljao sam o kupnji, ali moj diskretni pristup bio je oko 50% jeftiniji. Evo veze na dorkboard:

Evo osnovne ideje (izvorni kôd će kasnije biti uključen) kako ploča radi: Jumper postavljen na način "debug": priključite prekid promjene vrijednosti na izlaz optičkog senzora i trepćite ispitnu LED diodu u skladu s detektorom. Ovo je bilo od velike pomoći pri otklanjanju pogrešaka. Kratkospojnik postavljen na način "snimanja": pričvrstite isti prekid na brojač, a u glavnoj petlji odgodite 1000 msec. Na kraju 1000 msec upišite # broja rubova na 256-bitnu flash stranicu, a kad se stranica napuni, ispišite je i resetirajte brojanje. Jednostavno, zar ne? Prilično. Jako volim Winbond flash uređaje, dizajnirao sam flash još 90 -ih, pa ih je bilo zabavno ponovno programirati. SPI sučelje je sjajno. Tako jednostavan za korištenje. Dopustit ću shemama i izvornom kodu da govore same za sebe. Jesam li spomenuo da je EagleCAD super? Stvarno je. Na YouTubeu postoje izvrsni vodiči.

Korak 8: Priključite elektroniku

Opet, ovdje nemam puno dobrih slika, ali ako zamislite dva plastična držača zalijepljena na unutrašnjost PVC -a, obje su ploče uvrnute u njega. Evo snimke ploče za snimanje spojene na dno. Pločica detektora nalazi se unutar kućišta.

Korak 9: Kalibracija

Napravio sam probnu opremu za kalibriranje zvijeri kako bih mogao pretvoriti sirove brojeve rotora u MPH. Da, to je 2x4. Na jedan sam kraj pričvrstio anemometar, a na drugi Arduio za ispravljanje pogrešaka. LCD je prikazao broj rotora. Proces je tekao ovako: 1) Pronađite dugu ravnu cestu bez prometa. 2) Držite 2x4 tako da štrči što dalje kroz prozor 3) Uključite glasovno snimanje na svom iPhoneu ili Androidu 4) Uključite digitalni GPS brzinomjer na svom ručnom uređaju po izboru 5) Vozite postojano pri nekoliko brzina i najavite vašem snimaču se broji brzina i prosječni rotor 6) Nemojte se sudariti 7)? 8) Kasnije, kad ne vozite, ponovite svoju telefonsku poruku i unesite podatke u excel te se nadajte da će linearni ili eksponencijalni ili polinom odgovarati vrijednosti R-kvadrata većoj od 99% Ova će se konverzija # 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 tamnocrvene boje? Nazvao bih ovo "anemometrom za bilježenje taktičkih 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-stanice 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 izgradio, a u reviziji #2 koristio sam AA baterije jer sam uvelike precijenio potrošnju energije. Korištenje AA-a omogućilo mi je dodavanje prekidača za uključivanje-isključivanje i stvarno je oslobodilo malo prostora unutra, inače je bilo prilično tijesno. Sve u svemu, bio sam prilično zadovoljan dizajnom. Donji grafikon prikazuje prosječne podatke za tjedan dana. Baterije su počele prazniti sedmi dan. Mogao sam poboljšati vijek trajanja baterije pokretanjem LED -a pri nižem radnom ciklusu na oko 1 kHz i ne bih izgubio niti jedan rub zbog relativno niske kutne brzine rotora.

Zabavi se! Javite mi ako vidite prostora za poboljšanje!

Korak 11: Izvorni kod

U privitku je jedna izvorna datoteka Arduino. GPL sam to uzeo jer, hej, GPL.

Edit -10 -ih to dodaje do nekog značajnog zanošenja. Umjesto toga, koristite prekid timera od 1Hz (Timer #1 na 328P može se savršeno kalibrirati na 1Hz). Kako biste bili sigurni, trebali biste kodirati u ogradi u slučaju da pisanje stranice i očitavanje senzora iz nekog razloga potraju dulje od 1 sekunde (rukovanje ispuštenim uzorcima), ali prekid timera je način na koji se rade stvari koje trebaju, pa … točan. Živjeli!