مقياس شدة الريح لتسجيل البيانات: 11 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

أنا أحب جمع البيانات وتحليلها. أنا أيضا أحب بناء الأدوات الإلكترونية. قبل عام عندما اكتشفت منتجات Arduino ، فكرت على الفور ، "أود جمع البيانات البيئية." كان يومًا عاصفًا في بورتلاند ، أوريغون ، لذلك قررت التقاط بيانات الرياح. نظرت إلى بعض التعليمات الخاصة بأجهزة قياس شدة الريح ووجدتها مفيدة للغاية ، لكنني بحاجة إلى إجراء بعض التغييرات الهندسية. أولاً ، أردت أن يعمل الجهاز مكتفيًا ذاتيًا ، في الهواء الطلق ، لمدة أسبوع. ثانيًا ، أردت أن يكون الجهاز قادرًا على تسجيل هبوب رياح صغيرة جدًا ، حيث تطلب العديد من التصميمات هنا رياحًا قوية إلى حد ما للانطلاق. أخيرًا ، أردت تسجيل البيانات. قررت أن أختار تصميم دوار خفيف الوزن حقًا بأقل قدر ممكن من الجمود والمقاومة. لتحقيق ذلك ، استخدمت جميع الأجزاء البلاستيكية (بما في ذلك قضبان الفينيل الملولبة) ، ووصلات محامل الكرة ، وأجهزة الاستشعار البصرية. استخدمت التصميمات الأخرى أجهزة استشعار مغناطيسية أو محركات DC فعلية ، لكن كلاهما يبطئ الدوار ، تستخدم البصريات طاقة أكثر قليلاً ولكنها لا تقدم مقاومة ميكانيكية. مسجل البيانات هو ببساطة Atmega328P مع شريحة فلاش 8 ميجابت. فكرت في الذهاب إلى SD ، لكنني أردت الحفاظ على انخفاض التكلفة واستهلاك الطاقة والتعقيد. لقد كتبت برنامجًا بسيطًا يقوم بتسجيل حساب دوران ثنائي البايت كل ثانية. مع 8 ميغا بت ، برزت أنه يمكنني جمع بيانات أسبوع تقريبًا. في تصميمي الأصلي ، اعتقدت أنني سأحتاج إلى 4 خلايا C ، ولكن بعد أسبوع كانت لا تزال مشحونة بالكامل ، لذا لا بد أني كنت قد توقفت عن العمل بترتيب كبير في استهلاك الطاقة. لم أستخدم منظمات خطية ، لقد قمت بقيادة جميع قضبان الجهد إلى 6 فولت (على الرغم من أن بعض الأجزاء تم تصنيفها 3.3 فولت. تصميم زائد!). لتنزيل البيانات ، كان لدي نظام معقد يقرأ الفلاش ويوضع في شاشة اردوينو التسلسلية ، وقمت بقصه ولصقه في Excel. لم أقضي وقتًا في محاولة اكتشاف كيفية كتابة تطبيق USB لسطر الأوامر لتفريغ الفلاش إلى المعيار ، ولكن في مرحلة ما سأحتاج إلى معرفة ذلك. كانت النتيجة مفاجئة إلى حد ما ، فقد تمكنت من ملاحظة بعض الاتجاهات المثيرة للاهتمام للغاية ، والتي أحفظها لتقرير آخر. حظا طيبا وفقك الله!

الخطوة 1: بناء الدوار

لقد جربت عددًا من الأفكار المختلفة للأكواب الدوارة: بيض عيد الفصح ، وكرات تنس الطاولة ، وأكواب بلاستيكية ، وكرات زينة شجرة عيد الميلاد الفارغة. لقد صنعت عدة دوارات واختبرتها جميعًا باستخدام مجفف شعر ، مما وفر نطاقًا من سرعات الرياح. من بين النماذج الأولية الأربعة ، عملت قذائف الزخرفة بشكل أفضل. لديهم أيضًا هذه الألسنة الصغيرة التي جعلت اللصق أسهل ، وكانت مصنوعة من البلاستيك الصلب الذي يعمل جيدًا مع الأسمنت البولي. لقد جربت عددًا قليلاً من أطوال الأعمدة المختلفة ، صغيرة ومتوسطة وكبيرة (حوالي 1 "إلى حوالي 6") ووجدت أن الأحجام الأكبر تتأرجح كثيرًا ولا تستجيب جيدًا لسرعات الرياح المنخفضة ، لذلك ذهبت مع مهاوي صغيرة الحجم. نظرًا لأن كل شيء كان من البلاستيك الشفاف ، فقد قمت بعمل نسخة مطبوعة صغيرة سهلة الاستخدام للمساعدة في حرق الشفرات الثلاثة. المواد: الزينة من شركة أورينتال تريدنج كومباني ، البند "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT" ، 6 دولارات بالإضافة إلى 3 دولارات للشحن. جاءت الأعمدة البلاستيكية والقرص الهيكلي من متجر TAP Plastics محلي ، حوالي 4 دولارات أخرى في الأجزاء.

الخطوة 2: بناء القاعدة العلوية

لتقليل الجمود الدوراني ، استخدمت قضيبًا نايلونًا ملولبًا من McMaster Karr. كنت أرغب في استخدام المحامل ، لكن محامل الماكينة معبأة في شحم يعمل على إبطاء الدوار ، لذلك اشتريت بعض محامل ألواح التزلج الرخيصة التي لا تحتوي على أي منها. لقد تصادف أنها مناسبة داخل مهايئ الأنبوب بقطر 3/4 بوصة CPVC الداخلي.. ولم أدرك أن محامل الزلاجات تتعامل مع الحمل المستوي إلا بعد أن قمت بتجميع الهيكل ، وكنت أقوم بتطبيق الحمل الرأسي ، لذلك كان يجب أن أستخدم محمل الدفع ، لكنهم عملوا بشكل جيد ، وربما ساعدوا في إدارة الاحتكاك من عزم الدوران المسبق. خططت لتوصيل مستشعر بصري بأسفل العمود ، لذلك قمت بتركيب أداة توصيل CPVC في قاعدة أكبر. يعد Home Depot مكانًا ممتعًا للخلط و تطابق تركيبات CPVC / PVC في النهاية تمكنت من حشو وصلة CPVC المسننة 3/4 بوصة في مخفض PVC 3/4 "إلى 1-1 / 2". استغرق الأمر الكثير من اللعب لجعل كل شيء مناسبًا ، لكنه ترك مساحة كافية للإلكترونيات. المواد: 98743A235 - قضيب نايلون أسود ملولب (5/16 "-18 خيطًا) 94900A030 - صواميل سداسية من النايلون الأسود (5/16" -18 خيطًا) محامل تزلج رخيصة 3/4 "محول CPVC ملولب 3/4" إلى 1 -1/2 "مخفض PVC إلى أنبوب ملولب 3/4" ملاحظة: أبعاد اقتران PVC و CPVC ليست متماثلة ، ربما لمنع سوء الاستخدام العرضي ؛ لذا فإن التبديل في محول عادي PVC 3/4 بوصة لن يعمل ، ومع ذلك ، فإن خيوط المحول الملولب هي نفسها ، وهو أمر غريب تمامًا. ربما أخلط بين كل هذه المصطلحات ، لكن 15 دقيقة في ممر السباكة Home Depot ستجعلك في وضع مستقيم.

الخطوة 3: قاطع بصري

عندما يدور الجزء المتحرك ، يتم حساب دورانه بواسطة قاطع بصري. فكرت في استخدام قرص ، لكن هذا يعني أنني سأضطر إلى توصيل مصدر الإضاءة والكاشف عموديًا ، الأمر الذي سيكون صعبًا للغاية في التجميع. بدلاً من ذلك ، اخترت التثبيت الأفقي ووجدت بعض الأكواب الصغيرة التي توضع في أسفل الكراسي لحماية الأرضيات الصلبة. لقد قمت برسم وتسجيل ستة أجزاء ، والتي من شأنها أن تعطيني اثني عشر (تقريبًا) حافة موحدة ، أو 12 علامة لكل ثورة في الدوار. فكرت في القيام بالمزيد ولكني لم أكن على دراية بسرعة الكاشف أو مجال رؤية بصرياته. بمعنى ، إذا ذهبت ضيقة جدًا ، فقد يتسلل مؤشر LED حول الحواف وينشط المستشعر. هذا مجال بحثي آخر لم أقم بمتابعته ، لكن سيكون من الجيد استكشافه. لقد قمت بلصق الكوب المطلي على الجوز وربطته بنهاية العمود. المواد: كوب واقي أرجل الكرسي شيء من طلاء Home Depot Black

الخطوة 4: قم بتوصيل الدوار

في هذه المرحلة ، بدأ يبدو رائعًا. صواميل النايلون زلقة حقًا ، لذلك اضطررت إلى استخدام العديد من القفل (في حالة عدم ملاحظتك من الصور السابقة). اضطررت أيضًا إلى صنع مفتاح ربط مسطح خاص ليناسب الغطاء الموجود أسفل الدوار حتى أتمكن من قفل كلا الصامولة.

الخطوة 5: بناء القاعدة السفلية

تحتوي القاعدة السفلية على البطاريات وتوفر هيكل دعم. لقد وجدت صندوقًا مقاومًا للماء رائعًا عبر الإنترنت من شركة تسمى Polycase. إنها حافظة ملساء حقًا تغلق بإحكام ، والمسامير أوسع في القاعدة حتى لا تسقط بسهولة من القمة. لقد استخدمت رفيق PVC في جلبة PVC العلوية. رفيقة القاعدة السفلية هذه عبارة عن اقتران PVC ملولب 1-1 / 2 ". يتلاءم ضغط قاعدة الدوار العلوي مع القاعدة السفلية عبر هذا الاقتران. كما سترون لاحقًا ، لم ألصق هذه القطع معًا لأنني أردت ذلك تكون قادرة على فتحه وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر ، بالإضافة إلى أن التجميع أسهل عند توصيل لوحات الدوائر المواد: صندوق مقاوم للماء من Polycase ، العنصر # WP-23F ، 12.50 دولارًا ، اقتران PVC ملولب 1-1 / 2"

الخطوة 6: بناء جهاز الاستشعار البصري

آلية الاستشعار هي 940nm LED وجهاز استقبال Schmitt-Trigger. أنا أحب أحب دائرة الزناد Schmitt ، فهي تهتم بجميع احتياجاتي المعلقة وترسل إشارة متوافقة مع CMOS / TTL. الجانب السلبي الوحيد؟ عملية 5V. نعم ، لقد تجاوزت التصميم بالكامل إلى 6 فولت ، لكن كان بإمكاني الذهاب إلى 3.3 فولت لولا هذا الجزء. الفكرة هي أن هذه الدائرة تتصاعد تحت كوب الدوار ، والذي يقطع الشعاع أثناء دورانه ، ويولد انتقالات منطقية لكل حافة. ليس لدي صورة جيدة عن كيفية تركيب هذا. لقد قمت بشكل أساسي بلصق اثنين من الإزاحات البلاستيكية في أداة التوصيل البلاستيكية السفلية ، وقمت بربطها بها من الأعلى. اضطررت إلى طحن حواف اللوح لجعله مناسبًا بدقة. ليس لدي حتى مخطط لهذا ، إنه سهل حقًا: فقط قم بتشغيل مقاوم 1 كيلو من Vin وقم بتوصيله بحيث يكون مؤشر LED قيد التشغيل دائمًا ويكون خرج الكاشف على دبوسه. المواد: 1 940nm LED المقاوم 1k 1 مستشعر OPTEK OPL550 1 قابس ثلاثي المسامير (أنثى) 1 1.5 "x1.5" لوحة دائرة كهربائية أطوال مختلفة من الأسلاك أنابيب الانكماش الحراري إذا كنت ترغب في تجميع الأسلاك الخاصة بك

الخطوة 7: بناء مسجل البيانات

كانت لوحة النماذج الأولية من Arduino وسيلة كبيرة لتناسب الهيكل. لقد استخدمت EagleCAD لوضع لوحة دوائر أصغر ، وفقدت طبقة واحدة … هناك أربعة أسلاك قبيحة كنت بحاجة إليها لسد بعض الفجوات.

(اعتقدت أنني قمت بقياس هذا عند حوالي 50 ميغاواط من الطاقة التشغيلية ، وبناءً على Watt-Hours للبطاريات ، اعتقدت أنني سأقل عن 5V في أسبوع ، لكن إما قياس قوتي أو حسابي كان خاطئًا لأن 4 خلايا C احتفظت لفترة طويلة.) تصميم بسيط إلى حد ما: مجرد مرنان ، ATmega328 ، شريحة فلاش ، وصلة تصحيح أخطاء ، مصباح LED لتصحيح الأخطاء ، غطاء إمداد الطاقة ، وهذا كل ما في الأمر. هناك شيء يسمى DorkBoard والذي كان بإمكاني استخدامه أيضًا ، إنه في الأساس كل ما تحتاجه لوحة تطوير ATMega328 بحجم مقبس DIP. فكرت في شراء واحدة لكن أسلوبي المنفصل كان أرخص بحوالي 50٪. هنا رابط dorkboard:

إليك الفكرة الأساسية (سيتم تضمين الكود المصدري لاحقًا) كيف تعمل اللوحة: تم ضبط Jumper على وضع "التصحيح": قم بإرفاق مقاطعة تغيير القيمة بإخراج المستشعر البصري ، ووميض مؤشر LED للاختبار في انسجام مع الكاشف. كان هذا مفيدًا جدًا في التصحيح. تم ضبط الطائر على وضع "التسجيل": قم بإرفاق نفس المقاطعة بالعداد ، وفي الحلقة الرئيسية ، قم بتأخير 1000 ميللي ثانية. في نهاية 1000 مللي ثانية ، اكتب عدد تعداد الحواف لصفحة فلاش 256 بايت ، وعندما تمتلئ الصفحة ، اكتبها وأعد ضبط العد. بسيط ، أليس كذلك؟ علم. تعجبني حقًا أجهزة الفلاش Winbond ، فقد اعتدت تصميم الفلاش في التسعينيات ، لذلك كان من الممتع برمجتها مرة أخرى. واجهة SPI رائعة. سهل الاستخدام. سأترك الخطط وشفرة المصدر تتحدث عن نفسها. هل ذكرت أن EagleCAD رائع؟ هو حقا. هناك بعض الدروس الرائعة على موقع يوتيوب.

الخطوة 8: قم بتوصيل الإلكترونيات

مرة أخرى ، ليس لدي الكثير من الصور الجيدة هنا ، ولكن إذا تخيلت اثنين من المواضع البلاستيكية الملصقة على الجزء الداخلي من PVC ، فإن كلا اللوحين مشدودان به. هذه لقطة للوحة المسجل متصلة بالجزء السفلي. لوحة الكاشف موجودة داخل السكن.

الخطوة 9: المعايرة

لقد صنعت منصة اختبار لمعايرة الوحش حتى أتمكن من تحويل أعداد الدوار الخام إلى MPH. نعم ، هذا 2 × 4. لقد قمت بتوصيل مقياس شدة الريح بطرف واحد ، و Arduio تصحيح الأخطاء بالطرف الآخر. عرضت شاشة LCD عدد الدوارات. سارت العملية على النحو التالي: 1) ابحث عن طريق طويل مستقيم بدون حركة مرور. 2) امسك 2x4 بحيث يخرج من النافذة قدر الإمكان 3) قم بتشغيل التسجيل الصوتي على جهاز iPhone أو Android 4) قم بتشغيل عداد السرعة الرقمي GPS على جهازك المحمول الذي تختاره 5) قم بالقيادة بثبات بسرعات متعددة وأعلن للمسجل الخاص بك السرعة ومتوسط عدد الدوار 6) لا تحطم 7)؟ 8) في وقت لاحق ، عند عدم القيادة ، أعد تشغيل رسالة هاتفك وأدخل البيانات في برنامج Excel ونأمل أن يتلاءم خطي أو أسي أو متعدد الحدود مع قيمة تربيع R أكبر من 99 ٪ سيتم استخدام هذا التحويل # لاحقًا. يلتقط الجهاز البيانات الأولية فقط ، وقد قمت بمعالجتها لاحقًا إلى MPH (أو KPH) في Excel. (هل ذكرت أنني قمت بتطبيق طبقة بدس من طلاء الزيتون الباهت؟ كنت سأطلق على هذا "مقياس شدة البيانات التكتيكي لتسجيل البيانات" ، ولكن بعد ذلك تذكرت أن كلمة "تكتيكي" تعني "أسود".)

الخطوة 10: اذهب وجمع بعض بيانات الرياح

هذا الى حد كبير ذلك. أعتقد أن بعض الصور مفقودة ، على سبيل المثال لا تظهر الخلايا C الأربعة في القاعدة السفلية. لم أستطع تركيب حامل زنبركي لذلك انتهى بي الأمر بلحام خيوط اللحام بالبطاريات نفسها. أكتب هذه التعليمات بعد عام من إنشائي لها ، وفي المراجعة رقم 2 ، استخدمت بطاريات AA لأنني بالغت في تقدير استهلاك الطاقة بشكل كبير. سمح لي استخدام AA بإضافة مفتاح تشغيل وإيقاف وحرر بعض المساحة بالداخل ، وإلا فقد كان ضيقًا جدًا. بشكل عام كنت راضيًا جدًا عن التصميم. يوضح الرسم البياني أدناه متوسط قيمة أسبوع واحد من البيانات. بدأت البطاريات تموت في اليوم السابع. كان بإمكاني تحسين عمر البطارية عن طريق تشغيل LED في دورة عمل أقل عند حوالي 1 كيلو هرتز ولن أفقد أي حواف بسبب السرعة الزاوية المنخفضة نسبيًا للدوار.

استمتع! اسمحوا لي أن أعرف إذا كنت ترى أي مجال للتحسين!

الخطوة 11: كود المصدر

مرفق ملف مصدر واحد من Arduino. لقد حصلت عليه بترخيص GPL لأنه ، مرحبًا ، GPL.

تحرير: أود أن أشير إلى أن تطبيقي لاستخدام تأخير 1 ثانية () فكرة رهيبة وفي h قد يبدو مقدار الوقت المطلوب للكتابة إلى الفلاش وقراءة المستشعر صغيرًا ، ولكن على مدار 7 -10s يضيف بعض الانجراف الكبير. بدلاً من ذلك ، استخدم مقاطعة مؤقت 1 هرتز (يمكن معايرة المؤقت رقم 1 على 328P إلى 1 هرتز تمامًا). لكي تكون آمنًا ، يجب عليك كتابة التعليمات البرمجية في السياج في حالة ما إذا كانت كتابة الصفحة وقراءة المستشعر لسبب ما تستغرق أكثر من ثانية واحدة (معالجة العينات المسقطة) ، ولكن مقاطعة المؤقت هي الطريقة للقيام بالأشياء التي يجب أن تكون ، حسنًا ، الوقت- دقيق. هتافات!