Самодельная метеостанция за окном. Моя самодельная домашняя метеостанция на Arduino Nano

Наблюдение за погодой - весьма увлекательное занятие. Я решил построить свою погодную станцию на базе популярного .

Прототип метеостанции выглядит так:

Функции моей метеостанции:

• измерение и отображение комнатной и наружной температур;
• отображение текущего времени (часы и минуты);
• отображение текущих фазы Луны и лунного дня;
• передача результатов измерений на компьютер через последовательное соединение;
• передача результатов измерений по протоколу MQTT с помощью приложения на компьютере.

Hex -файл прошивки для (версия от 9 мая 2018 года) - .
Как прошить hex -файл в плату Arduino , я описал .

Микроконтроллер Arduino Nano 3.0

"Сердцем" моей метеостанции является микроконтроллер eBay ):

Для управления индикацией и опросом датчиков я использую таймер 1 Arduino , вызывающий прерывания с частотой 200 Гц (период - 5 мс).

Индикатор

Для отображения измеряемых показаний датчиков и текущего времени я подключил к Arduino четырехразрядный светодиодный индикатор Foryard FYQ-5643BH с общими анодами (аноды одинаковых сегментов всех разрядов объединены).
Индикатор содежит четыре семисегментных разряда и две разделительные (часовые) точки:

Аноды индикатора подключены через токограничивающие резисторы к выводам Arduino :

Катоды сегментов подключены к выводам Arduino :

Сегмент индикатора светится, если на аноде соответствующего разряда высокий потенциал (1), а на катоде - низкий (0).

Я использую динамическую индикацию для отображения информации на индикаторе - в каждый момент времени активен только один разряд. Активные разряды чередуются с частотой 200 Гц (период отображения 5 мс). При этом для глаз мерцание сегментов незаметно.

Датчик температуры DS18x20

Для возможности удаленного измерения температуры я подключил датчик , который обеспечивает измерение наружной температуры в широких пределах. Датчик подключается к шине 1-Wire и имеет три вывода - питание (VCC ), данные (DAT ), земля (GND ):

Между выводами VCC и DAT я включил подтягивающий резистор сопротивлением 4,7 кОм.

Для перевода между градусами Цельсия и Фаренгейта можно использовать такую табличку:

Я разместил датчик за окном дома в пластиковом корпусе от шариковой ручки:

\

В профессиональных метеостанциях для защиты термометра от прямых солнечных лучей и обеспечения циркуляции воздуха используется экран Стивенсона (англ. Stevenson screen ):

Датчик давления и температуры BMP280

Для измерения атмосферного давления традиционно используют ртутные барометры и барометры-анероиды.

В ртутном барометре атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути, высота которого и ипользуется для измерения давления:

В барометре-анероиде используется сжатие и растяжение коробки под действием атмосферного давления:

Для измерения атмосферного давления и комнатной температуры в своей домашней метеостанции я использую датчик - маленький SMD -датчик размером 2 x 2,5 мм, основанный на пьезорезистивной технологии:

Платка с датчиком приобретена на торговой площадке eBay :

Датчик подключается к шине I2C (контакт данных - SDA/SDI , контакт синхронизации - SCL/SCK ):

Adafruit - файлы Adafruit_Sensor.h , Adafruit_BMP280.h , Adafruit_BMP280.cpp .

Единицы измерения атмосферного давления

Датчик через функцию readPressure выдает значение атмосферного давления в паскалях. Основной единицей измерения атмосферного давления служит гектопаскаль (гПа) (1 гПа = 100 Па), аналогом которого является внесистемная единица "миллибар " (мбар) (1 мбар = 100Па = 1гПа). Для перевода между часто используемой внесистемной единицей измерения давления "миллиметр ртутного столба " (мм рт. ст.) и гектопаскалями используются соотношения:
1гПа = 0,75006 мм рт. ст. ≈ 3/4 мм рт.ст.; 1 мм рт.ст. =1,3332 гПа ≈ 4/3 гПа.

Зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря

Атмосферное давление может быть представлено как в абсолютной, так и в относительной форме.
Абсолютное давление QFE (англ. absolute pressure ) – это актуальное атмосферное давление, не учитывающее поправку над уровнем моря.
Атмосферное давление уменьшается примерно на 1 гПа при повышении высоты на 1 м:

Барометрическая формула позволяет определить коррекцию показаний барометра для получения относительного давления (в мм рт. ст.):
$\Delta P = 760 \cdot (1 - {1 \over {10^ { {0,0081350 \cdot H} \over {T + 0,00178308 \cdot H} }}})$ ,
где $T$ - средняя температура воздуха по шкале Ранкина, °Ra , $H$ - высота над уровнем моря, футы.
Перевод градусов Цельсия в градусы Ранкина:
$^{\circ}Ra = {^{\circ}C \cdot 1,8} + 491,67$
Барометрическая формула используется при барометрическом нивелировании - определении высот (с погрешностью 0,1 - 0,5 %). В формуле не учитывается влажность воздуха и изменение ускорения свободного падения с высотой. Для небольших перепадов высоты эту экспоненциальную зависимость можно с достаточной точностью аппроксимировать линейной зависимостью.
Относительное давление QNH (англ. relative pressure , Q-code Nautical Height ) – это атмосферное давление, учитывающее поправку к среднему уровню моря (англ. Mean Sea Level, MSL ) (для ISA и температуры 15 градусов Цельсия), и первоначально выставляется с учётом высоты, на которой находится метеостанция. Его можно узнать из данных метеослужбы, показаний откалиброванных приборов в публичных местах, аэропорту (из сводок METAR ), из Интернета.
Например, для расположенного рядом аэропорта Гомель (UMGG ) я могу посмотреть сводку фактической погоды METAR на ru.allmetsat.com/metar-taf/russia.php?icao=UMGG :
UMGG 191800Z 16003MPS CAVOK M06/M15 Q1014 R28/CLRD// NOSIG ,
где Q1014 - давление QNH на аэродроме равно 1014 гПа.
Историю сводок METAR можно получить на aviationwxchartsarchive.com/product/metar .
За нормальное относительное давление воздуха QNH принимается давление 760 мм рт. ст. или 1013,25 гПа (при температуре 0ºС, под широтой 45º Северного или Южного полушария).
Я выставил для барометра-анероида давление QNH с помощью винта настройки чуткости:

Прогноз погоды

Анализ изменения давления позволяет строить прогноз погоды, причем его точность тем выше, чем более резко меняется давление. Например, старое эмпирическое правило мореплавателей гласит - падение давления на 10 гПа (7,5 мм рт. ст.) за период 8 часов говорит о приближении сильного ветра.

Откуда же возникает ветер? Воздух стекается к центру области низкого давления, возникает ветер - горизонтальное перемещение воздуха из областей высокого давления в области низкого давления (высокое атмосферное давление выдавливает воздушные массы в область низкого атмосферного давления). Если давление очень низкое, ветер может достигать силы шторма . При этом в области пониженного давления (барическая депрессия или циклон) теплый воздух поднимается вверх и формирует облака, которые часто приносят дождь или снег .

За направление ветра в метеорологии принимается направление, откуда дует ветер:

Это направление сводится к восьми румбам.

Для предсказания погоды на основе атмосферного давления и направления ветра часто используется алгоритм Zambretti .

Датчик влажности

Для определения относительной влажности воздуха я использую модуль DHT11 (приобретен на торговой площадке eBay ):

Датчик влажности DHT11 имеет три вывода - питание (+ ), данные (out ), земля (- ):

Для работы с датчиком я использую библиотеку от Adafruit - файлы DHT.h , DHT.cpp .

Влажность воздуха характеризует количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Относительная влажность показывает долю влаги в воздухе (в процентах) по отношению к максимальному возможному количеству при текущей температуре. Для измерения относительной влажности служит :

Для человека оптимальный интервал влажности воздуха - 40 ... 60 %.

Часы реального времени

В качестве часов реального времени я применил модуль RTC DS1302 (платка с часиками приобретена на торговой площадке eBay ):

Модуль DS1302 подключается к шине 3-Wire . Для использования этого модуля совместно с Arduino разработана библиотека iarduino_RTC (от iarduino.ru ).

Плата с модулем DS1302 имеет пять выводов, которые я соединил с выводами платы Arduino Nano :

Для сохранения верных показаний часов при отключенном питании в гнездо на плате я вставил батарейку CR2032 .

Точность моего часового модуля оказалась не слишком высокой - часы спешат примерно на одну минуту за четверо суток. Поэтому я сделал сброс минут на "ноль" и часа на ближайший при удержании кнопки, подключенной к выводу A0 Arduino, после включения питания метеостанции. После инициализации вывод A0 используется для передачи данных через последовательное соединение.

Передача данных на компьютер и работа по протоколу MQTT

Для передачи данных через последовательное соединение к Arduino подключается USB -UART преобразователь:

Вывод Arduino используется для передачи данных в формате 8N1 (8 бит данных, без бита четности, 1 стоп-бит) со скоростью 9600 бит/с. Данные передаются пакетами, причем длина пакета - 4 символа. Передача данных осуществляется в "bit-bang " режиме, без использования аппаратного последовательного порта Arduino .

Формат передаваемых данных:

MQTT

Golang приложение - клиент протокола MQTT , отправляющую принятую от метеостанции информации на сервер (MQTT -брокер) :

Сервис позволяет создать акаунт с бесплатным тарифным планом "" (ограничения: 10 соединений, 10 Кб/с):

Для мониторинга показаний метеостанции при этом можно использовать Android -приложение :

Питание

Для питания метеостанции я использую зарядное устройство от старого мобильного телефона Motorola , выдающее напряжение 5 В с током до 0,55 А и подключаемое к контактам 5V (+) и GND (-):

Также можно использовать для питания батарейку напряжением 9 В, подключаемую к контактам VIN (+) и GND (-).

Эксплуатация метеостанции

При запуске происходит инициализация и проверка датчиков.

При отсутствии датчика DS18x20 выдается ошибка "E1", при отсутствии датчика - ошибка "E3".

Затем запускается рабочий цикл метеостанции:

• измерение и отображение наружной температуры;
• измерение и отображение комнатной температуры;
• измерение и отображение атмосферного давления и тренда его изменения;
• измерение и отображение относительной влажности воздуха;
• отображение текущего времени;
• отображение фазы Луны и лунного дня.

Видео работы моей метеостанции доступно на моем -канале: https://youtu.be/vVLbirO-FVU

Отображение температуры

При измерении температуры индицируется две цифры температуры и для отрицательной температуры знак "минус" (с символом градуса в крайнем правом разряде);
для наружной температуры знак градуса отображается вверху:


для комнатной температуры - внизу:

Отображение давления

При измерении давления индицируются три цифры давления в мм ртутного столба (с символом "P " в крайнем правом разряде):

Если давление резко упало, то вместо символа "P " в крайнем правом разряде отображается символ "L ", если резко выросло - то "H ". Критерий резкости изменения - 8 мм рт. ст. за 8 часов:

Так как моя метеостанция отображает абсолютное давление (QFE ), то показания оказываются несколько заниженными по сравнению со сведениями в сводке METAR (в которой приводится QNH ) (14 UTC 28 марта 2018 года):

Отношение давлений (по сведениями ATIS ) составило ${1015 \over 998} = 1,017$. Возвышение аэропорта Гомель (код ИКАО UMGG ) над уровнем моря составляет 143,6 м. Температура по данным ATIS составляла 1 °C .

Показания моей метеостанции практически совпали с абсолютным давлением QFE по сведениями ATIS !

Максимальное/минимальное давления (QFE ), зарегистрированные моей метеостанцией за все время наблюдений:

Отображение относительной влажности воздуха

Относительная влажность воздуха отображается в процентах (в двух правых разрядах отображается символ процента):

Отображение текущего времени

Текущее время отображается на индикаторе в формате "ЧЧ:ММ", причем разделительное двоеточие мигает раз в секунду:

Отображение фаз Луны и лунного дня

Первые два разряда индикатора отображают текущую лунную фазу, а следующие два - текущий лунный день:

У Луны выделяются восемь фаз (приведены английские и русские (синим цветом - неточные) названия):

На индикаторе фазы отображаются пиктограммами:

фаза	пиктограмма
растущий серп (полумесяц)
убывающий серп (полумесяц)

Передача данных на компьютер

Если соединить метеостанцию с USB -UART преобразователем (например, на базе микросхемы CP2102 ), подключенным к USB -порту компьютера, то можно с помощью терминальной программы наблюдать передаваемые метеостанцией данные:

Я разработал на языке программирования golang программу, ведущую журнал метеонаблюдений и отправляющую данные в сервис , и их можно просматривать на Android -смартфоне с помощью приложения :

По данным журнала метеонаблюдений можно, например, строить график изменения атмосферного давления:
пример графика с заметным минимумом давления


пример графика с незначительным ростом давления

Планируемые доработки:

• добавление датчиков направления и скорости ветра

В метеостанциях для измерения скорости ветра используется трехчашечный анемометр (1), а для определения направления ветра - флюгер (2):

Также для измерения скорости ветра используются термоанемометры с нитью накала (англ. hot wire anemometer ). В качестве нагреваемой проволоки можно использовать вольфрамовую нить накала от лампочки с разбитым стеклом. В промышленно выпускаемых термоанемометрах датчик обычно располагается на телескопической трубке:

Принцип действия этого прибора заключается в том, что тепло отводится от нагревательного элемента вследствие конвекции воздушным потоком - ветром. При этом сопротивление нити накала определяется температурой нити. Закон изменения сопротивления нити накала $R_T$ от температуры $T$ имеет вид:
$R_T = R_0 \cdot (1 + {\alpha \cdot (T - T_0)})$ ,
где $R_0$ - сопротивление нити при температуре $T_0$, $\alpha$ - температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама $\alpha = 4,5\cdot{10^{-3} {^{\circ}{C^{-1}}}}$).

С изменением скорости воздушного потока изменяется температура при неизменном токе накала (анемометр с постоянным током, англ. CCA ). Если температура нагревательного элемента поддерживается постоянной, то ток через элемента будет пропорционален скорости воздушного потока (анемометр с постоянной температурой, англ. CTA ).

Продолжение следует

Данный проект разработан как автоматическая метеорологическая станция на солнечных батареях. Цель была конструирование небольшой, компактной метеорологической станции со следующими требованиями:

• На солнечных батареях, с аккумулятором для работы в ночное время
• Компактная по размеру, с простым способом монтажа
• Возможность выгрузки данных в сети WeatherUnderground
• Измерение температуры, влажности, давления воздуха, ультрафиолетового излучения

В процессе разработки удалось решить большинство этих требований. В настоящее время метеостанция имеет термометр, гигрометр, УФ-излучения и датчик давления. Являясь частью сети WeatherUnderground, метеорологическая станция помогает предсказывать местную погоду. Вот полная схема метеорологической станции, увеличить которую можно сохранив на своём ПК:

Метеостанции потребляет 1 миллиампер. Резервный аккумулятор тут всего лишь 1000 м/ч — литий-полимерная батарея. По сравнению со старыми метеостанциями где батареи герметичные свинцово-кислотные на 5 А/ч — это прогресс. Размеры печатной платы 100 мм х 75 мм и вот как она выглядела, когда всё было сделано на макетке, а следующее фото в готовом виде:

Блок на 433 МГц обеспечивает беспроводную связь для обмена данных. На данный момент устройство прикрепляется непосредственно на крыше, и выкладывает данные на WeatherUnderground каждые 11 минут.

Питание схемы выполнено с помощью регулятора напряжения MAX604. Этот регулятор был довольно дорогим ($7.00), но зато имел очень малое падение напряжения, что делает его очень эффективным. Тут использован этот регулятор, чтобы 3,7-4,2 вольтовую батарею Li-po батарею преобразовать в идеальные 3.3 В.

Для того чтобы зарядить аккумулятор, установлен TP4056 модуль. Этот модуль является очень эффективным, и он способен работать от 5 В входного питания. Ещё в наличии была небольшая, 5 В солнечная панель, которая в состоянии зарядить аккумулятор через TP4056 даже при недостаточном освещении.

Для того чтобы загрузить данные в сеть, пришлось писать специальное приложение для компьютера. Программное обеспечение было написано на C# с помощью Visual Studio. Скачать файлы проекта вы можете в .

Захотелось иметь свою метеостанцию, которая передает показания с датчиков на карту народного мониторинга (ищется в гугле за 5 секунд). Оказалось это не так сложно, как кажется. Рассмотрим, что было сделано.

Для данного действия я взял себе Arduino Uno и Ethernet Shield w5100 для нее. Все это заказывалось из Китая на Aliexpress.

Так же там заказал себе датчики: DHT22, DHT11, DS18B20, BMP280 (в планах еще датчики газа, дыма…)

Покурив форумы, гугл, яндекс, я нашел неплохой вариант скетча — https://student-proger.ru/2014/11/meteostanciya-2-1/

Там же в комментариях человек выкладывал дописанный скетч с датчиками освещенности, газа. Я взял их за основу.

В тех скетчах не было поддержки 280-го датчика давления, пообщались с автором, он заменил 180 на 280. Все заработало прекрасно (спасибо ему за это огромное)

Ниже приведу пример итогового скетча, что получился у меня.

В данный момент у меня подключены датчики:
DHT22 — 1шт.
DHT11 — 1шт.
BMP280 — 1шт.
DS18B20 — 2шт.

ВНИМАНИЕ! Перед тем как заливать скетч, не забудьте изменить MAC-адрес устройства, чтобы не пересекаться с другими (например взять Mac-адрес вашего мобильного телефона и изменить в нем последние буквы/цифры, что не «будоражило» вашу локальную сеть!

Примерная схема подключения (картинка взята на просторах интернета от данного скетча):

По техническим причинам у меня не получается выложить скетч прямо сюда. Поместил его в архив. Ссылка на него строчкой выше.

Как видно, показания есть, идут исправно, для примера выложу пару скриншотов со своих датчиков:

Сегодня будет подробный рассказ о внутреннем устройстве метеостанции, которую включил в работу. От идеи до её технической реализации прошло более года, за это время пришлось решить массу ожидаемых и неожиданных проблем. Теперь обо всём по порядку...

Начнем с грабель.

Грабли №1 . Наверное кто-нить помнит что в начале прошлого года я радиомодули на базе чипа nRF24L01+ c усилителем RFX2401C и в дальнейшем собирал

Увы, данная конструкция работать не захотела. Не смотря на все попытки, мне так и не удалось обеспечить надёжную двухстороннюю связь радиомодулей на значительных расстояниях. Конструкция отняла довольно много сил и времени, но, в силу объективных причин, пришлось отказаться от этого варианта.

И тогда решил достать из закромов опытно-экспериментальный маршрутизатор TP Link MR3220 c системой OpenWRT на борту.

Принципиальная схема метеостанции несколько отличается от той, которую разрабатывал . Первое отличие - применение вместо Arduino Pro Mini платы Arduino Nano. Это позволило выполнять удалённую перепрошивку микроконтроллера, что очень удобно когда физический доступ на объект затруднён

Грабли №2 Я применил китайский клон Arduino Nano v.3.0, о котором подробнее рассказывал . Но возникла неожиданная проблема - при открытии маршрутизатором USB-порта, ардуинка стала перезагружаться. Все возможные варианты конфигурирования USB порта командой stty результата не принесли. С FT232RL такой проблемы не наблюдалось. Пришлось подключить RC-цепочку R1C1 на свободный порт GPIO7 маршрутизатора, это схемное решение позволило блокировать перезагрузку в нормальном режиме работы микроконтроллера. При необходимости перепрошивки нужно вручную включать GPIO7.

Конфигурирование порта

echo "7" > /sys/class/gpio/export

Конфигурируем GPIO7 как выход

echo out > /sys/class/gpio/gpio7/direction

Включить GPIO7

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Выключить GPIO7:

echo 0 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Проверить состояние порта:

cat /sys/class/gpio/gpio7/value

Так как точность термодатчиков семейства DS1820 при отрицательных температурах оставалась под вопросом, для точного измерения температуры решил дополнительно использовать медный термометр сопротивления ТСМ-50М совместно с измерительным преобразователем Ш79. Разумеется, предварительно откалибровал систему с использованием поверенных образцовых приборов и добился погрешности измерения не более 0.2 градуса в диапазоне температур -50...+50 градусов Цельсия.

Ш79 это уже достаточно древний, весьма надёжный советский преобразователь, построенный по классической МДМ-схеме с унифицированным токовым выходом 0...5 мА или напряжением 0...10 В. В данном случае использовал токовый сигнал.

Несмотря на простую принципиальную схему, столкнулся с огромным объемом механической работы. Одно дело когда схема собрана за полчаса на макетной плате и совсем другое - когда устройству нужно придать законченный вид.

Печатная плата метеоконтроллера

Контроллер поместил в гермобокс

Маршрутизатор и метеоконтроллер закрепил на боковой стенке Ш79.

Вид сбоку

И вся эта система помещается в металлический ящик

Внутренности ящика

Так как ещё не знал в каком помещении будет установлен данный шкаф, решил сделать ему обогрев. Температура внутри ящика поддерживается обыкновенным биметаллическим термостатом, на фото выше виден его круглый корпус.

Резисторы обогрева закрыл металлическим кожухом. Круглые отверстия используются для подведения кабелей внутрь шкафа.

Конструкция в собранном виде

Выносные датчики температуры и влажности расположены на отдельной печатной плате

Для защиты от атмосферных воздействий плата покрыта лаком ХСЛ

Сверху кожух закрывает крышка

Внутрь кожуха поместил плату с датчиками и растянул её при помощи толстой рыболовной лески. Это сделано для того чтобы снизить теплопередачу между кожухом и платой датчиков. Данную конструкцию почему-то решил назвать измерительной ячейкой.

UPD: Не смотря на все предпринимаемые меры, как показала практика, солнечные лучи все-таки влияют на показания термометра - нагревается кожух и от него греется сам датчик. Поэтому в настоящее время используется уличный термокожух заводского исполнения, он показал значительно лучшие результаты. Подробнее о данном термокожухе можно почитать .

О конструкции анемометра более подробно рассказывал .

UPD: В настоящее время используется новая конструкция анемометра, подробнее можно почитать . Программа для работы с данным анемометром приведена в конце статьи.

Все выносные датчики соединяются с контроллером посредством 5 парного магистрального телефонного кабеля ТППэп длиной 100 метров. На конце кабеля распаял слегка модернизированную соединительную коробку КРТН-10.

Грабли №3 Для защиты контроллера от атмосферной статики и возможных грозовых перенапряжений хотел поставить защитные диоды 1.5КЕ7.5 на порты D2, D3, D4. Увы, собственная ёмкость данных диодов не позволила пропускать цифровые данные. Поэтому пришлось ограничиться установкой диода D1 по питанию +5V и заземлением экранной оболочки магистрального кабеля.

К данной коробочке подключаются сами датчики

Измерительная ячейка установлена на относительно открытом участке местности на высоте 3-х метров от поверхности земли, это на метр выше положенного по правилам, но сделал это намеренно, т.к. в нашей местности есть вероятность появления высоких сугробов.

Анемометр укреплён на высоте 5 метров, по хорошему нужно ставить выше, но с этим есть конструктивные сложности. Пусть пока поработает так.

Программная часть особо не изменилась: на маршрутизаторе работает php-скрипт отсылки данных на сервер narodmon

который каждые 5 минут запускается планировщиком cron

Программа ардуинки ждёт приема команды от скрипта и формирует пакет данных. Предусмотрел возможность ручной коррекции атмосферного давления для его приведения к уровню моря, метеостанции или аэродрома.

P.S. А вообще использование Wi-Fi для передачи метеоданных не оптимально, было бы лучше использовать УКВ-диапазон, собственно, так и сделано на автоматических метеостанциях. Это повысит дальность связи и снизит требования к месту установки, точнее к наличию прямой радиовидимости.

Принципиальную схему и печатные платы можно скачать

(хроно-термо-гигро-барометр)

Как поется в известной песне «Главней всего погода в доме…». Конечно автор под погодой имел ввиду душевное состояние супругов живущих под одной крышей. Но если подходить к этой фразе буквально, то она о том, что под крышей кроме душевного должен быть и климатический комфорт. Предлагаемое устройство обеспечивает измерение и отображение на светодиодном индикаторе температуры и относительной влажности воздуха в помещении, значения атмосферного давления и текущего времени.

Станция снабжена датчиком движения, который включает ее при появлении человека в зоне действия датчика. Этот режим позволяет экономить потребляемую энергию и использовать в качестве источника питания гальванические батареи. Кроме того, этот режим удобно использовать в спальне - выключенный дисплей станции не будет раздражать своим свечением. В этом случае для включения станции будет достаточно выполнить движение рукой или ногой.

Внешний вид станции показан на рисунках (Рисунок 1 и Рисунок 2).

Рисунок 1.
Внешний вид станции

Рисунок 2.
Внешний вид станции (обратная сторона)

Видео с демонстрацией работы станции представлено ниже:

Электрическая схема.

Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 3.

Рисунок 3.
Схема электрическая принципиальная.

Станция собрана на микроконтроллере ATmega8. Цепочка R1С1 обеспечивает начальный сброс (Reset) микроконтроллера при включении. Предусмотрено внутрисхемное программирование МК через разъем XP3 «SPI программатор».
Фьюзы МК ATmega8: HIGH=0xD9, LOW=0xE4.

В качестве дисплея используется четырех-разрядный 7-сегментный индикатор типа CL5642BN c общим анодом и двухточечным («:») разделителем часов и минут. Катоды сегментов индикатора подключены к МК через ограничительные резисторы. МК обеспечивает динамическую индикацию поочередно включая транзисторные ключи VT3…VT6.

Хронометр собран на микросхеме DS1307 по штатной схеме включения. Точность хода часов обеспечивается кварцевым резонатором Y1 с частотой 32768Гц. При отсутствии основного питания (5 Вольт) непрерывность хода часов обеспечивается резервным источником питания на гальваническом элементе CR2032 (3 Вольта). Взаимодействие МК с микросхемой DS1307 осуществляется по шине TWI (I2C). Линии шины TWI «подтянуты» к питанию VCC2 резисторами R20, R21. Установка часов и минут обеспечивается кнопками SA1 («Часы+»), SA2 («Минуты+»), SA3 («Установка»). При этом необходимо в момент начала цикла отображения данных на дисплее нажать и удерживать кнопку «Установка». Нажатием или нажатием с удержанием кнопок «Часы+» или «Минуты+» устанавливается время хронометра. При отпускании кнопки «Установка» в микросхему DS1307 в соответствующие ячейки запишутся значения часов и минут, отображенные на дисплее, а в ячейку секунд запишется значение 0. Таким образом можно точно синхронизировать время с внешними эталонными источниками точного времени (например, от вещательных радиостанций или телевидения).

К шине TWI также подключена плата барометра BMP180. Программа устройства считывает калибровочные коэффициенты, устанавливаемые производителем, и учитывает их при расчете атмосферного давления.

Измерение температуры осуществляется датчиком DHT11. МК управляет датчиком по последовательному однопроводному двунаправленному интерфейсу. Линия интерфейса «подтянута» к питанию VCC2 резистором R19.

Для экономного расходования энергии батарей микроконтроллер большую часть своего времени пребывает в состоянии глубокого сна («power-down»). При этом МК перед засыпанием обесточивает все измерительные датчики, подключенные к VCC2 (хронометр, датчик атмосферного давления, датчик влажности и температуры). Обесточивание датчиков обеспечивается ключами на транзисторах VT1 и VT2.

Для пробуждения МК в схему станции включен датчик движения HC-SR501. Его задача - вывести МК из состояния сна. При срабатывании датчик посылает сигнал МК, который пробуждается сам и подает питание VCC2 на периферийные датчики (хронометр, датчик атмосферного давления, датчик влажности и температуры). Ключ на транзисторе VT7 обеспечивает инверсию сигнала датчика движения для согласования с МК. Переключатель «Движение» позволяет отключить датчик движения, для еще большей экономии энергии батарей. В этом случае альтернативную команду на пробуждение МК можно подать нажатием кнопки «Установка».

Питание станции осуществляется от двух альтернативных типов источников: от трех батарей типа АА или от сетевого источника питания 5 Вольт по шине USB. Для переключения между источниками питания необходимо установить переключатель «Питание» в одно из положений: «USB» или «Батарея». При питании от батарей ток потребления станции в режиме сна составляет не более 200мкА, что при емкости батареи 2000мАч соответствует 10000 часам (более одного года) непрерывной работы.

При выборе сетевого источника питания следует учитывать, что пиковый ток потребления станции (во время измерения и при включенном дисплее) не превышает 100мА. Поэтому можно использовать практически любое зарядное устройство.

При питании от шины USB иногда целесообразно обеспечить постоянное измерение значений датчиками и отображение данных на дисплее. Для этого необходимо установить переключатель «Дисплей» в положение «Вкл». В этом случае МК не будет переводится в состояние сна.

Печатные платы.

Печатные платы разработаны в программе Dip Trace. Они выполнены на одностороннем фольгированном стеклотекстолите. Расположение деталей на основной печатной плате показано на рисунке (Рисунок 4). На рисунке перемычки со стороны монтажа выделены цветными ломаными линиями. Печатная плата со стороны дорожек показана на рисунке (Рисунок 5).

Рисунок 4.
Печатная плата (вид со стороны радиодеталей).

Рисунок 5.
Печатная плата (вид снизу, зеркальное отображение).

Кнопки и переключатели пульта управления станцией установлены на отдельной печатной плате (Рисунок 6 и Рисунок 7).

Рисунок 6.
Печатная плата Пульта управления (вид сверху).

Рисунок 7.
Печатная плата Пульта управления (вид со стороны дорожек).

Гнездо для подключения USB кабеля установлено на отдельной плате, купленной на AliExpress (Рисунок 8).

Рисунок 8.
Плата с гнездом USB.

Монтаж.

Станция смонтирована в корпусе универсальной коробки для кабельных каналов «Промрукав» - IP42; 400V; полистирол ГОСТ Р 50827.1-2009 ТУ 3464-001-97341529-2012 Артикул 40-0460.

На передней стороне корпуса прорезаны окна для дисплея и датчика движения. На тыльной стороне корпуса размещен датчик влажности и температуры DHT11, кнопки и переключатели пульта управления.

Батарея питания - три элемента AA 1.5 Вольт каждый размещены в специализированном держателе - «кроватке» .

Размещение радиодеталей на печатной плате показан на рисунке (Рисунок 9).

Рисунок 9.
Внешний вид размещения деталей на плате.

Архив к статье «CTBH.rar» содержит:

1. Папку CTBH - файлы проекта на Си в среде Atmel Studio 7.
2. CTBH.dch - схема электрическая принципиальная в формате Dip Trace.
3. CTBH.dip - печатная плата устройства в формате Dip Trace.
4. CTBH_Buttons.dip - печатная плата Пульта управления в формате Dip Trace.
5. CTBH.hex - загрузочный файл для МК.

Удачи Вам в творчестве и всего наилучшего!

Скачать архив.