Un anemómetro de registro de datos autónomo: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Me encanta recopilar y analizar datos. También me encanta construir aparatos electrónicos. Hace un año, cuando descubrí los productos Arduino, pensé de inmediato: "Me gustaría recopilar datos ambientales". Era un día ventoso en Portland, Oregón, así que decidí capturar los datos del viento. Miré algunos de los instrumentos para anemómetros y los encontré bastante útiles, pero necesitaba hacer algunos cambios de ingeniería. Primero, quería que el dispositivo funcionara de forma autónoma, al aire libre, durante una semana. En segundo lugar, quería que pudiera registrar ráfagas de viento muy pequeñas, varios de los diseños aquí requerían vientos bastante fuertes para ponerse en marcha. Por último, quería registrar los datos. Decidí optar por un diseño de rotor realmente ligero con la menor inercia y resistencia posible. Para lograr esto, utilicé todas las piezas de plástico (incluidas las varillas de vinilo roscadas), los enlaces de los rodamientos de bolas y los sensores ópticos. Otros diseños usaban sensores magnéticos o motores de CC reales, pero ambos ralentizan el rotor, la óptica usa un poco más de potencia pero no ofrece resistencia mecánica. El registrador de datos es simplemente un Atmega328P con un chip flash de 8 mbit. Pensé en convertirme en SD, pero quería mantener bajos los costos, el consumo de energía y la complejidad. Escribí un programa simple que registraba recuentos de rotación de dos bytes cada segundo. Con 8 megabits, pensé que podría recopilar datos de aproximadamente una semana. En mi diseño original, pensé que necesitaría 4 celdas C, pero después de una semana todavía estaban completamente cargadas, por lo que debí haber perdido un orden de magnitud en el consumo de energía. No usé reguladores lineales, llevé todos los rieles de voltaje a 6V (aunque algunas de las partes tenían una clasificación de 3.3V. ¡Yay sobrediseño!). Para descargar los datos, tenía un sistema complejo que leía el flash y lo volcaba al monitor serial arduino, y lo cortaba y pegaba en Excel. No pasé tiempo tratando de averiguar cómo escribir una aplicación USB de línea de comando para volcar el flash a la salida estándar, pero en algún momento tendré que resolver esto. El resultado fue bastante sorprendente, pude observar algunas tendencias muy interesantes, que estoy guardando para otro informe. ¡Buena suerte!

Paso 1: construye el rotor

Probé varias ideas diferentes para los vasos de rotor: huevos de Pascua, pelotas de ping pong, vasos de plástico y bolas de adorno de árbol de Navidad vacías. Construí varios rotores y los probé todos con un secador de pelo, que proporcionó un rango de velocidades del viento. De los cuatro prototipos, las conchas de adorno funcionaron mejor. También tenían estas pequeñas pestañas que facilitaban la colocación y estaban hechas de un plástico rígido que funcionaba bien con cemento de policarbonato. Probé algunas longitudes de eje diferentes, pequeñas, medianas y grandes (alrededor de 1 "a alrededor de 6") y descubrí que los tamaños más grandes apretaban demasiado y no respondían bien a bajas velocidades del viento, así que opté por los ejes de tamaño pequeño.. Como todo era de plástico transparente, hice una pequeña impresión práctica para ayudar a encender las tres hojas. Materiales: Los adornos provienen de Oriental Trading Company, artículo "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", $ 6 más $ 3 de envío. Los ejes de plástico y el disco estructural provienen de una tienda local de TAP Plastics, alrededor de $ 4 más en piezas.

Paso 2: construye la base superior

Para reducir la inercia rotacional, utilicé una varilla de nailon roscada de McMaster Karr. Quería usar cojinetes, pero los cojinetes de la máquina están empaquetados con grasa para desacelerar el rotor, así que compré algunos cojinetes baratos para patinetas que no tenían ninguno. Simplemente encajaron dentro del adaptador de tubería de CPVC de diámetro interior de 3/4 ". No fue hasta que ensamblé la estructura que me di cuenta de que los cojinetes de patín manejan la carga plana y yo estaba aplicando una carga vertical, por lo que debería haber usado un cojinete de propulsión, pero funcionaron bien y probablemente ayudaron a controlar la fricción del par de precesión. Planeé conectar un sensor óptico a la parte inferior del eje, así que monté el acoplamiento de CPVC en una base más grande. Home Depot es un lugar divertido para mezclar y coincidir con los accesorios de CPVC / PVC. Al final, pude embutir el acoplamiento de CPVC roscado de 3/4 "en un reductor de PVC de 3/4" a 1-1 / 2 ". Fue necesario jugar mucho para que todo encajara, pero dejó suficiente espacio para la electrónica. Materiales: 98743A235 - Varilla de nailon con rosca negra (rosca de 5/16 "-18) 94900A030 - Tuercas hexagonales de nailon negro (rosca de 5/16" -18) Rodamientos baratos para patinetas Adaptador de CPVC con rosca de 3/4 "de 3/4" a 1 Reductor de PVC de 1/2 "a tubería roscada de 3/4" Nota: Las dimensiones de los acoplamientos de PVC y CPVC no son las mismas, probablemente para evitar un mal uso accidental; así que cambiarlo por un adaptador normal de PVC de 3/4 "no funcionará, sin embargo, las ROSCAS de un adaptador roscado son las mismas, lo cual es totalmente extraño. Las roscas de acoplamiento de CPVC en el buje del adaptador de PVC. Adaptador … buje … acoplamiento … Probablemente estoy mezclando todos estos términos, pero 15 minutos en el pasillo de plomería de Home Depot lo aclararán.

Paso 3: Interruptor óptico

A medida que el rotor gira, su rotación es contada por un interruptor óptico. Pensé en usar un disco, pero eso significaba que tendría que conectar la fuente de iluminación y el detector verticalmente, lo que sería muy difícil de ensamblar. En su lugar, opté por el montaje horizontal y encontré algunas tazas pequeñas que se colocan en la parte inferior de las sillas para proteger los pisos de madera. Pinté y pegué seis segmentos, lo que me daría doce bordes (casi) uniformes, o 12 tics por revolución del rotor. Pensé en hacer más, pero no estaba muy familiarizado con la velocidad del detector o el campo de visión de su óptica. Es decir, si me estrecho demasiado, el LED podría deslizarse por los bordes y activar el sensor. Esta es otra área de investigación que no realicé, pero que sería bueno explorar. Pegué la copa pintada a una tuerca y la sujeté al extremo del eje. Materiales: Copa protectora para las piernas de la silla de la pintura negra de Home Depot

Paso 4: ¡Conecte el rotor

En este punto, estaba empezando a verse bastante bien. Las tuercas de nailon son muy resbaladizas, así que tuve que usar muchas contratuercas (en caso de que no lo hayas notado en las fotos anteriores). También tuve que hacer una llave plana especial para encajar en la tapa debajo del rotor para poder bloquear ambas tuercas.

Paso 5: construya la base inferior

La base inferior alberga las baterías y proporciona una estructura de soporte. Encontré una caja impermeable bastante buena en línea de una compañía llamada Polycase. Es un estuche realmente resbaladizo que se sella herméticamente y los tornillos son más anchos en la base para que no se caigan fácilmente de la parte superior. Usé un compañero de PVC para el buje de PVC superior. Este compañero de base inferior es solo un acoplamiento de PVC roscado de 1-1 / 2 ". La presión de la base del rotor superior encaja en la base inferior a través de este acoplamiento. Como verá más adelante, no pegué estas piezas porque quería poder abrirlo y hacer ajustes si es necesario, además el ensamblaje es más fácil cuando se conectan las placas de circuito. Materiales: Caja impermeable de Polycase, artículo # WP-23F, $ 12.50 Acoplamiento de PVC roscado de 1-1 / 2"

Paso 6: construya el sensor óptico

El mecanismo del sensor es un LED de 940 nm y un receptor de gatillo Schmitt. Me encanta, me encanta, me encanta el circuito de disparo Schmitt, se encarga de todas mis necesidades de eliminación de rebotes y envía una señal compatible con CMOS / TTL. ¿El único inconveniente? Funcionamiento a 5V. Sí, sobrepasé todo el diseño a 6V, pero podría haber ido a 3.3V si no fuera por esta parte. La idea es que este circuito se monte debajo de la copa del rotor, que interrumpe el haz a medida que gira, generando transiciones lógicas para cada borde. No tengo una buena imagen de cómo se montó esto. Básicamente, pegué dos compensaciones de plástico en el acoplamiento de PVC de la base inferior y las atornillé desde arriba. Tuve que pulir los bordes de la tabla para que encajara perfectamente. Ni siquiera tengo un esquema para esto, es realmente fácil: simplemente ejecute una resistencia de 1k de Vin y conéctela para que el LED esté siempre encendido y la salida del detector esté en su pin. Materiales: 1 resistencia LED de 1k de 940nm 1 sensor OPTEK OPL550 1 enchufe de tres clavijas (hembra) 1 placa de circuito de 1.5 "x1.5" Varias longitudes de cable Tubería termorretráctil si le gustan los cables empaquetados

Paso 7: construya el registrador de datos

La placa de creación de prototipos Arduino era demasiado grande para encajar en el chasis. Usé EagleCAD para diseñar una placa de circuito más pequeña y perdí una sola capa … hay cuatro cables feos que necesitaba para salvar algunos huecos.

(Pensé que medí esto a ~ 50mW de potencia operativa, y según los vatios-hora de las baterías, pensé que caería por debajo de 5V en una semana, pero mi medición de potencia o mis matemáticas estaban equivocadas porque 4 celdas C se mantuvieron durante mucho tiempo.) Diseño bastante sencillo: solo un resonador, el ATmega328, un chip flash, un puente de depuración, un LED de depuración, tapa de la fuente de alimentación, y eso es todo. Hay algo llamado DorkBoard que podría haber usado también, es básicamente todo lo que se necesita para una placa de desarrollo ATMega328 del tamaño de un zócalo DIP. Consideré comprar uno, pero mi enfoque discreto era aproximadamente un 50% más barato. Aquí está el enlace de dorkboard:

Aquí está la idea básica (el código fuente se incluirá más adelante) cómo funciona la placa: Puente configurado en modo "depuración": adjunte una interrupción de valor de cambio a la salida del sensor óptico y haga parpadear el LED de prueba al unísono con el detector. Esto fue muy útil para la depuración. Puente configurado en modo "registro": conecte la misma interrupción a un contador y, en el bucle principal, demore 1000 mseg. Al final de los 1000 ms, escriba el número de recuentos de bordes en una página flash de 256 bytes y, cuando la página esté llena, escríbalo y restablezca el recuento. Simple, ¿verdad? Bastante. Me gustan mucho los dispositivos flash Winbond, solía diseñar flash en los años 90, así que fue divertido programarlos de nuevo. La interfaz SPI es brillante. Tan simple de usar. Dejaré que los esquemas y el código fuente hablen por sí mismos. ¿Mencioné que EagleCAD es increíble? Realmente es. Hay algunos excelentes tutoriales en YouTube.

Paso 8: conecte los componentes electrónicos

Nuevamente, no tengo muchas buenas imágenes aquí, pero si imagina dos separadores de plástico pegados al interior del PVC, ambas tablas están atornilladas. Aquí hay una toma de la placa de registro conectada a la parte inferior. La placa del detector está dentro de la carcasa.

Paso 9: Calibración

Hice una plataforma de prueba para calibrar la bestia de modo que pudiera convertir los recuentos de rotor en bruto a MPH. Sí, eso es un 2x4. Adjunté el anemómetro a un extremo y un Arduio de depuración al otro. La pantalla LCD mostró los recuentos del rotor. El proceso fue así: 1) Encuentre un camino largo y recto sin tráfico. 2) Sostenga el 2x4 de manera que se asome lo más posible por la ventana 3) Encienda la grabación de voz en su iPhone o Android 4) Encienda un velocímetro GPS digital en su dispositivo de mano de elección 5) Conduzca de manera constante a varias velocidades y anuncie a su grabadora la velocidad y el recuento promedio del rotor 6) No se estrelle 7)? 8) Más adelante, cuando no esté conduciendo, vuelva a reproducir el mensaje de su teléfono e ingrese los datos en Excel y espere que un ajuste lineal, exponencial o polinomial con un valor R cuadrado superior al 99%. Este número de conversión se utilizará más adelante. El dispositivo solo captura datos sin procesar, los procesé posteriormente a MPH (o KPH) en Excel. (¿Mencioné que apliqué una capa de pintura verde oliva? Lo habría llamado "Anemómetro de registro de datos tácticos", pero luego recordé que "Táctico" significa "negro").

Paso 10: ¡Recoja algunos datos de viento

Eso es practicamente todo. Creo que faltan algunas imágenes, p. Ej. no se muestran las cuatro celdas C apiñadas en la base inferior. No pude colocar un soporte con resorte, así que terminé soldando los cables a las baterías. Estoy escribiendo este instructivo un año después de que lo construí, y en la revisión # 2, usé baterías AA porque sobrestimé enormemente el consumo de energía. El uso de AA me permitió agregar un interruptor de encendido y apagado y realmente liberó algo de espacio en el interior, de lo contrario, estaba bastante apretado. En general, estaba bastante satisfecho con el diseño. El siguiente gráfico muestra los datos promediados de una semana. Las baterías empezaron a agotarse el día siete. Podría haber mejorado la duración de la batería ejecutando el LED en un ciclo de trabajo más bajo a aproximadamente 1 kHz y no habría perdido ningún borde debido a la velocidad angular comparativamente baja del rotor.

¡Divertirse! ¡Avíseme si ve algún margen de mejora!

Paso 11: Código fuente

Se adjunta un único archivo fuente de Arduino. Lo hice GPL porque, oye, GPL.

EDITAR: Me gustaría señalar que mi implementación de usar un retraso de 1 s () es una idea terrible y en h La cantidad de tiempo requerida para escribir en el flash y leer el sensor puede parecer pequeña, pero en el transcurso de 7 -10s se suma a una deriva significativa. En su lugar, utilice la interrupción del temporizador de 1 Hz (el temporizador n. ° 1 en el 328P se puede calibrar perfectamente a 1 Hz). Para estar seguro, debe codificar en una cerca en caso de que la escritura de la página y la lectura del sensor por algún motivo demoren más de 1 segundo (manejar muestras caídas), pero una interrupción del temporizador es LA forma de hacer las cosas que deben ser, bueno, tiempo- preciso. ¡Salud!