Проект " метеостанция в домашних условиях". Метеостанция своими руками (Погодная станция) Общая схема метеостанции

МБОУ СОШ Селихинского сельского поселения

Тема проекта

« Метеостанция в домашних условиях»

Выполнил:

Пюви Райнис, ученик 5 кл.

Руководитель:

Бессмертная О.А.

2016г

Тема : «Метеостанция в домашних условиях».

Гипотеза: Можно ли создать метеостанцию в домашних условиях.

Цель: Изготовление метеостанции в домашних условиях и наблюдение за изменениями погоды.

Задачи:

Узнать что такое метеостанция.

Изучить историю фенологии.

Изучить строение метеостанции.

Изготовить метеостанцию в домашних условиях;

Наблюдать за погодой и записывать результаты наблюдений в таблицу;

Методы исследования:

поисковый (сбор информации по теме)

наблюдения

практический (изготовление приборов)

аналитический (сравнение результатов)

Введение.

При изучении на уроке географии темы: «Погода и метеорологические наблюдения», нам задали на дом изготовить своими руками метеорологический прибор и провести наблюдения за погодой согласно этого прибора. У меня возник вопрос: «Можно ли создать метеорологическую станцию в домашних условиях и проводить по ней наблюдения за погодой?».

Наш далекий предок находился в большой зависимости от превратностей погоды. Он не понимал сути и закономерности природных явлений и все непонятное объяснял наличием сверхъестественной, «божественной» силы. По «воле богов» всходило солнце, шел дождь, пересыхали реки, налетал ветер.

Все народы обожествляли Солнце, Луну, ветер, молнию и гром. У восточных славян до принятия ими христианства особо почитался Перун- земледельческий бог, податель дождя, творец молнии и грома, в его власти было появление весенней зелени на земле и деревьях. Приняв новую веру, наши предки стали чтить Илью- громовержца.

Многие народы считали Солнце главным источником жизни на Земле. Они называли его «князем Земли и царем неба». Луну почитали как княгиню.

До появления специальных приборов прогноз погоды основывался исключительно на визуальных наблюдениях за атмосферными явлениями, позволивших еще в древности установить некоторые закономерности. Приобретенный опыт продолжал развиваться и накапливаться и в течение многих веков передавался из поколения в поколение.

Из истории фенологии.

Фенология - наука о закономерностях сезонного развития природы. Развитие фенологии определяется запросами практики (сельского, рыбного, охотничьего, лесного хозяйства, охраны природы, здравоохранения и др.) .

Фенология позволяет прогнозировать сезонные явления и планировать хозяйственную деятельность (природоохранные мероприятия, сроки сельскохозяйственных работ и т. п.) в соответствии со сроками этих явлений.

(№1.)

Имеются свидетельства, что древнейшие народы земли - китайцы и египтяне - в своей земледельческой практике умели следить за сезонным развитием природы. Сезонные явления нашли отражение в ряде трудов античных авторов (например, у греческого философа Феофраста (372-287 г. до н. э.) и римского писателя Плиния Младшего (62-114 г. н. э.)).

В средние века в русских и зарубежных летописях и хрониках иногда велись записи о сроках наступления важнейших сезонных явлений (например, в монастыре Кракова за 1490- 1527 г., во дворце японского микадо с 812 г. и др.). Однако эти материалы оставались без систематизации и научной обработки.

В России самым старинным считается рукописный календарь, датированный 1670 годом, а первым печатным календарем следует считать «Святцы или календарь, изданный Копиевским в Амстердаме и датированный 1702 годом.

Первая мысль о необходимости вести наблюдения за сезонными явлениями природы в России принадлежала Петру I.

В 1721 году Петр I писал из Москвы в Петербург А.Д. Менишкову: «Когда деревья станут раскидываться, тогда велите присылать нам весточки оных, понедельно, наклеивши на бумагу с подписями чисел, дабы узнать, где ранее началась весна». А указом государя, изданным 28 марта 1722 года, предписывалось адмиралу Крюйсу вести систематические записи о состоянии погоды в Петербурге.

Во второй половине XVIII века караульным у Кремлевской стены вменялось в обязанность отмечать состояние мороза, наступление метели, толщину снежного покрова, характер ветра, града, грозы и другие показатели погоды.

С1864 года начал издаваться «Киевский народный календарь» с предсказаниями погоды на каждый месяц. Его целью было «дать народу знание в популярной форме на строго научно изложенных статьях и в справочном отделе, приноровленном к нуждам народа». Теперь эта задача метеорологии- науке о погоде. Она получила свое название от греческого слова «метеора»- «нечто в небе».

После революции 1917 года метеорология продолжала совершенствоваться. В настоящее время гидрометеорологическая служба располагается тысячами наблюдательных станций, множеством обсерваторий и целым рядом научно-исследовательских учреждений. Работники метеослужбы стремятся дать информацию не только на ближайшую, но и на отдаленную перспективу.

№2.

Понятие метеостанции, её состав.

Метеостанция - совокупность различных приборов для метеорологических измерений (наблюдения за погодой).

В узком смысле метеостанция - учреждение, проводящее метеорологические наблюдения. Основным официальным метеостанциям мира присвоены синоптические индексы. В России большинство метеостанций находятся в ведении Росгидромета. В зависимости от установленного объёма наблюдений, метеостанции имеют определённый разряд. Данные метеостанций СССР публиковались в «Метеорологическом ежемесячнике».

Различают аналоговые и цифровые метеорологические станции.

На классической (аналоговой) метеостанции имеется:

1.Термометр для измерения температуры воздуха и почвы.

2. Барометр для измерения давления.

3. Анемометр для направления ветра.

4. Осадкомер (плювиограф) для измерения осадков.

5. Гигрометр для измерения влажности воздуха

6. Снегомерная рейка - рейка, предназначенная для измерения толщины снежного покрова при метеонаблюдениях.

7.Термограф- самописец, непрерывно регистрирующий температуру воздуха.

№3.

4.Метеорологические приборы:

Термо́метр (греч. θέρμη - тепло; μετρέω - измеряю) - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометра: жидкостные; механические; электронные;

Баро́метр (др.-греч. βάρος - «тяжесть» и μετρέω - «измеряю») - прибор для измерения атмосферного давления. Ртутный барометр был изобретён итальянским математиком и физиком Эванджелистой Торричелли в 1644 году, это была тарелка с налитой в неё ртутью и пробиркой(колбой), поставленной отверстием вниз. Когда атмосферное давление повышалось, ртуть поднималась в пробирке, когда же оно понижалось - ртуть опускалась. Из-за неудобства такая конструкция перестала применяться и уступила место барометру-анероиду, но метод, по которому такой барометр был изготовлен, стал применяться в термометрах.

А.А. Летягин. География. Начальный курс:5 класс: учебник для учащихся общеобразовательных организаций/А.А. Летягин; под ред. В.П. Дронова.-3-еизд.,дораб. и доп.-М.: Вентана-Граф, 2015г.-160с.

Представляю еще один проект на основе микроконтроллера AVR Atmega8. На этот раз будем конструировать комнатную метеостанцию. В устройстве применяется два датчика - DHT11 и BMP180. Первый мы будем использовать в качестве измерителя влажности воздуха, а второй в качестве измерителя атмосферного давления, а также, раз уж он имеет более точный термодатчик, то и в качестве термометра для измерения температуры в комнате. В итоге с помощью этой схемы можно отслеживать основные параметры погоды, так сказать. Если добавить датчики скорости и направления воздушных потоков, то данную схему можно будет переквалифицировать в наружнюю метеостанцию. Тем не менее сейчас рассмотрим только комнатный вариант.

Схема устройства:

Как можно было судить выше, сердцем схемы является микроконтроллер Atmega8. Данный контроллер можно использовать в любом корпусе - DIP-28 или TQFP-32, не имеет значения, только собственные предпочтения или особенности изготавливаемой печатной платы. Резистор R3, подтягивающий плюс питания к выводу PC6, предотвращает самопроизвольный перезапуск микроконтроллера в случае каких-либо случайных наводок на схему. Далее в качестве индикатора измеряемых параметров используется жидко кристаллический экран на две строки по шестнадцать символов в каждой - SC1602. Данный ЖК экранчик изготовлен на базе контроллера HD44780, поэтому данную модель можно заменить на другую на этом же контроллере или может быть совместимую с ним. Подсветка в данном варианте схемы на ЖК дисплее организована через выводы "А" и "К" (то есть анод и катод подсветки - дисплей имеет дополнительные выводы для подключения подсветки). Однако, просто подключить питание к этим выводам будет не правильно, нужно подключать 5 вольт через резистор ограничивающий ток, чтобы не сжечь подсветку. По схеме это резистор R1, его номинал составляет 22 Ом, чем больше номинал, тем менее ярко будет подсвечиваться дисплей. Номинал менее 22 Ом не рекомендую использовать, так как может появиться риск вывода из строя подсветки экрана при длительном использовании.

Питается вся схема от простого модуля питания на силовом трансформаторе. Переменное напряжение выпрямляется четырьмя диодами VD1 - VD4 марки 1N4007, пульсации сглаживаются конденсаторами C1 и C2. Номинал конденсатора C2 можно увеличить до 1000 - 4700 мкФ. Четыре выпрямительных диода можно заменить одним диодным мостом. Трансформатор применен марки BV EI 382 1189 - преобразует 220 вольт переменного тока в 9 вольт переменного тока. Мощность трансформатора составляет 4,5 Вт, этого вполне достаточно и еще с запасом. Такой трансформатор можно заменить любым другим силовым трансформатором, подходящим для Вас. Либо данный питающий модуль схемы заменить на импульсный источник напряжения, можно собрать схему обратноходового преобразователя либо применить иже готовый блок питания от телефона, например - все это дело вкусов и потребностей. Выпрямленное напряжение с трансформатора стабилизируется на микросхеме линейного стабилизатора L7805 , ее можно заменить на отечественный аналог пяти вольтового линейного стабилизатора КР142ЕН5А, либо применить другу микросхему стабилизатора напряжения в соответствии с подключением ее в схеме (например LM317 или импульсные стабилизаторы LM2576, LM2596, MC34063 и так далее). Далее 5 вольт стабилизируются другой микросхемой - AMS1117 в исполнении, дающей на выходе 3,3 вольта. Это напряжение используется для питания датчика атмосферного давления BMP180 в соответствии с документацией. Стабилизатор напряжения AMS1117 можно также заменить на исполнение ADJ (AMS1117ADJ) - то есть регулируемый вариант, задать необходимое напряжение при таком выборе необходимо будет при помощи двух резисторов, подключаемых к микросхеме в соответствии с даташитом на нее. Самым экономичным вариантом замены этой микросхемы стабилизатора будет замена ее на стабилитрон на нужное напряжение (параметрический стабилизатор на стабилитроне). Номиналы конденсаторов в обвязках микросхем стабилизаторов напряжения можно варьировать в широких пределах в области взятого порядка.

Как было указано выше, в качестве датчиков были использованы DHT11 и BMP180:

DHT11 используется в схеме только как датчик влажности воздуха, данные датчик передает контроллеру через второй вывод, подтянутый резистором R8, к плюсу питания. Номинал этого резистора можно варьировать до 10 кОм. На фото использованы два резистора по 2,7 кОм, соединенных последовательно. Вывод 3 датчика не используется вовсе, выводы 1 и 4 используются для подключения питания. Датчик DHT11 выбран в соответствии с оптимальным соотношением цена / функционал - для комнатных условий самый лучший вариант, для применения на улице лучше подойдет DHT21 в корпусе более предназначенном для применения на улице.

Датчик BMP180 используется как термометр и как датчик атмосферного давления. Он выбран для измерения температуры, потому что в отличие от DHT11, он измеряет температуру окружающей среды с точностью до 0,1 градуса. BMP180 требует питания в 3,3 вольта, а микроконтроллер питается от 5 вольт. Именно для питания этого датчика и используется дополнительный стабилизатор VR2 на AMS1117. Также для надежной передачи данных от датчика к контроллеру нужно согласовать уровни I2C протокола передачи, который используется. Для этой цели применена микросхема согласования уровней PCA9517 компании NXP. Резисторы R4 - R7 необходимы для работы I2C интерфейсов микросхем. С их помощью на выводах микросхем образуются сигналы логического нуля и единицы.

Подтягивающие резисторы постоянно держат логическую единицу на линиях данных I2C. На время логического нуля микросхема проваливает напряжение, созданное подтягивающим резистором на землю, соответственно напряжение на линии становится уровня логического нуля. Номиналы этих резисторов не должны быть слишком маленькими, иначе микросхема или датчик могут не справиться с проваливанием линии на ноль. Также не желательно ставить очень большие номиналы, чтобы потенциал логической единицы устанавливался надежно на линиях данных I2C.

На картинке выше представлена диаграмма работы I2C интерфейса датчика атмосферного давления BMP180.

Номиналы можно варьировать от 2,2 кОм до 10 кОм. При сборке схемы был использован китайский модуль на базе датчика BMP180. Такой модуль содержит все необходимое для работы с датчиком - стабилизатор напряжения на 3,3 вольта, конденсаторы необходимые в обвязке датчика и стабилизатора, а также pull-up резисторы (подтягивающие к плюсу питания), необходимые для работы по I2C.

Также в схеме предусмотрена кнопка сброса микроконтроллера, подключенная к выводу PC6 - reset, замыкающая этот вывод на землю при необходимости сброса. Все резисторы постоянного сопротивления по схеме используются мощностью 0,25 Вт или можно использовать в варианте SMD типоразмера 1206. Также конденсаторы емкостью 100 нФ можно использовать в SMD типоразмера 0805 или 1206.

Устройство, собранное по традиции на макетной печатной плате для микроконтроллера Atmega8 на фото ниже:

Для программирования микроконтроллера Atmega8 для данного устройства необходимо знать конфигурацию фьюз битов:

Микроконтроллер работает от внутреннего генератора на 8 МГц. Для программирования использовался программатор перепрошитый в AVR doper (STK500).

К статье прилагается прошивка для микроконтроллера на комнатную метеостанцию, документация на датчик атмосферного давления BMP180, исходный код прошивки микроконтроллера, а также небольшое видео, демонстрирующее работоспособность схемы (изменение показаний на дисплее вызывает мокрая салфетка, накрывающая датчик влажности и прикосновение пальца к датчику давления и температуры).

Список радиоэлементов

В этом проекте будет реализована комнатная настольная метеостанция своими руками. Вы можете подумать, что таких проектов было уже много, но этот проект будет базироваться на новом чипе ESP32, также он будет оснащен новым датчиком BME280, этот датчик измеряет температуру, влажность и атмосферное давление.

Когда настольная метеостанция будет включена, она подключится к WiFi и запросит свежий прогноз погоды для заданной местности. Затем она отобразит его, наряду с данными датчика, на 3,2″ дисплее. Данные с датчика будут обновляться каждые 2 секунды, а данные о погоде — каждый час. Как вы видите, в этом проекте мы будем использовать последние технологии, доступные на сегодняшний день. Если у вас есть опыт в DIY, то проект займёт у вас всего 5 минут.

Если вы новичок, то просмотрите видео, в котором разобраны нюансы сборки.

Шаг 1: Компоненты станции

Чтобы построить свою станцию, нам понадобятся:

• Плата ESP32 (ссылка)
• Датчик BME280 I2C (ссылка)
• Дисплей 3.2” Nextion (ссылка)
• Небольшая макетная плата (ссылка)
• Немного проводов (ссылка)

Стоимость проекта будет варьироваться в районе $30.

Вместо модуля ESP32 можно использовать более дешевый чип ESP8266, но я решил использовать ESP32, чтобы получить представление об этом новом модуле и посмотреть, как он работает.

Шаг 2: ESP32

Это первый проект, который я собрал, используя чип ESP32. Если вы не знакомы с ним, чип ESP32 — это следующее поколение популярного чипа ESP8266. ESP32 предоставляет два 32-процессных ядра, работающих на 160MHz,большой объем памяти, WiFi, Bluetooth и много других функций. И это всего за $7.

Посмотрите видео с моим детальным описанием этой платы. Оно поможет понять, почему этот чип изменит наш подход к созданию вещей.

Шаг 3: Дисплей Nextion

Также, это первый проект, в котором я использовал тачевый дисплей Nextion. Это новый вид дисплеев, который оснащен собственным ARM-процессором, позволяющим настраивать дисплей и создавать графический интерфейс. Поэтому мы можем использовать его с любым микроконтроллером и получать хорошие результаты.

Шаг 4: Датчик BME280

Датчик BME280 — это новейший сенсор от Bosch. Он может измерять температуру, влажность и атмосферное давление. Нам нужен всего один датчик, чтобы собрать целую погодную станцию.

В дополнение, этот датчик очень маленький и он прост в управлении. Датчик управляется через интерфейс I2C, так что взаимодействие с Ардуино будет очень простым — для стабильной работы нам нужно будет запитать его и припаять всего пару проводов.

Также существует множество библиотек, разработанных для этого датчика, так что в нашем проекте мы можем использовать любую из них.

Заметка: нам нужен датчик BME280. Существует также датчик BMP280, который не измеряет влажность воздуха. Проверьте название перед тем, как купите датчик.

Шаг 5: Соединяем части вместе

Соединение модулей достаточно простое, вы можете увидеть это на приложенной схеме.

Так как датчик BME280 использует интерфейс I2C, нам нужно всего два провода, чтобы соединить его с ESP32. Я соединил датчик с пинами 26 и 27. В теории, каждый цифровой пин платы ESP32 может быть использован для взаимодействия с периферией, работающей на I2C. На практике, я обнаружил, что некоторые пины не работают, так как зарезервированы для других целей. Пины 26 и 27 работают без перебоев.

Чтобы отправить данные на дисплей, нам нужно соединить провод с пином TX0 на ESP32. Мне пришлось согнуть пин на 90 градусов, чтобы соединить его с дисплеем, так как плата ESP32 оказалась великоватой для макетной платы.

После сборки всех частей, нам нужно залить код на ESP32, а также залить интерфейс на дисплей Nextion. Если у вас возникли трудности при прошивке ESP32, зажмите кнопку BOOT сразу после нажатия кнопки загрузки в ИДЕ Ардуино.

Чтобы залить интерфейс на дисплей, скопируйте файл WeatherStation.tft, который будет приложен ниже, на пустую карту SD. Поместите карту в слот, располагающийся на задней части дисплея. После подачи питания, интерфейс будет загружен в дисплей — можно выключить его и извлечь карту, затем включить заново.

После успешной загрузки кода, станция соединится с WiFi, запросит данные о погоде с сайта openweathermap.org, а также отобразит данные с датчика. Давайте теперь посмотрим на программную часть проекта.

Шаг 6: Код проекта

Чтобы спарсить погодные данные, нам понадобится библиотека JSON для Ардуино. Также нам понадобится библиотека для датчика.

Рассмотрим код. Сначала нам нужно отправить SSID и пароль нашей сети WiFi. Затем нам нужно ввести ключ API с сайта operweathermap.org. Чтобы создать собственный ключ, нужно зарегистрироваться на сайте. Получение текущей погоды бесплатно, но сайт предлагает больше услуг, если вы хотите платить за них. Затем нам нужно найти ID нашего местонахождения. Найдите ваш населённый пункт и скопируйте его ID из URL.

Затем скопируйте ваш ID в переменную CityID. Также скопируйте высоту над уровнем моря для вашего населённого пункта. Это необходимо для того, чтобы барометр показывал точные данные.

Const char* ssid = "yourSSID"; const char* password = "yourPassword"; String CityID = "253394"; //Sparta, Greece String APIKEY = "yourAPIkey"; #define ALTITUDE 216.0 // Altitude in Sparta, Greece

Ответ мы получим в формате JSON. Перед отправкой данных в библиотеку JSON, я вручную удалил некоторые символы, которые вызывали проблемы. После этого библиотека спокойно принимает данные, и мы можем сохранить их в переменные. После сохранения данных в переменные, всё, что нам нужно сделать — это отобразить их на дисплее и ждать, пока через час они не обновятся. Я отобразил на дисплее только прогноз погоды, но вы, при желании, можете вывести на него больше информации — всё сохраняется в переменные. Затем мы считываем информацию о температуре, влажности, давлении с датчика и также отправляем их на дисплей.

Чтобы обновить информацию на дисплее, мы просто отправляем команды на серийный порт:

Void showConnectingIcon() { Serial.println(); String command = "weatherIcon.pic=3"; Serial.print(command); endNextionCommand(); }

Интерфейс дисплея Nextion состоит из заднего фона, текстовых блоков и картинки, которая меняется в зависимости от погоды. Посмотрите руководство к дисплею, чтобы узнать больше о его возможностях. Вы можете быстро спроектировать свои интерфейс, если хотите, чтобы дисплей отображал больше данных.

Или вы можете просто использовать мой код, приложенный к этой инструкции.

Файлы

Шаг 7: Заключительные мысли и улучшения

Как вы видите, на сегодняшний день, искушенный человек может собрать своими руками удивительные вещи всего за несколько часов и написав всего несколько строчек кода. Проекты такого уровня были невообразимы даже два года назад.

Конечно, это только начало проекта. Я бы хотел добавить в него много улучшений, например графики, тачевую функциональность, может быть, заменил бы дисплей на другой, размером побольше. Также я бы напечатал на 3D принтере красивый корпус. Еще я бы спроектировал более интересный интерфейс и иконки. И у меня уже есть несколько свежих идей комнатных метеостанций, которые можно внедрить!

РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ ПРОСТОЙ ДОМАШНЕЙ МЕТЕОСТАНЦИИ СВОИМИ СИЛАМИ

Если целый день или вообще круглосуточно включен компьютер, его можно использовать для работы домашней метеостанции. Поставлена цель создать простую и недорогую метеостанцию, в которой будет задействован персональный компьютер (ПК). ПК выступает в роли считывателя, обработчика и отправителя на сайт "Метеопост" измеренных метеорологических данных. Связь между компьютером и измерительным блоком будет осуществляться по сети 1-Wire.

Состав измерительного комплекса
1. Персональный компьютер с операционной системой Windows XP и выше и наличием свободного COM порта.
2. Адаптер для COM порта (преобразователь 1wire - RS232)
3. 4-х жильный Ethernet кабель типа "витая пара", длины должно хватить от COM порта до измерительного блока
4. Блок питания на 5В постоянного тока с хорошей стабилизацией напряжения
5. Измерительный блок (установлен на улице)
6. Программное обеспечение для ПК - приложение "Метеостанция".

ВАРИАНТ №1 - ОДИН ДАТЧИК

Сначала рассмотрим самый простой вариант - это метеостанция с одним датчиком температуры. Для этого не нужен дополнительный блок питания (п.4). И система очень упрощается. Адаптер для COM порта (п.2) можно выполнить по такой схеме. Адаптер состоит из двух стабилитронов на 3.9В и 6.2В, двух диодов Шотки и одного резистора.

Схема адаптера для COM порта

Адаптер в корпусе D-SUB

Место пайки кабеля и датчика температуры, включительно и выводы датчика нужно хорошо защитить от влаги. Лучше всего применить клей на полиуретановой основе.

Гидроизоляция выводов датчика

Эта система обеспечит мониторинг температуры с точностью до десятых градуса. При этом в окне приложения будет виден график зависимости температуры воздуха от времени и иконка в трее будет всегда показывать текущую температуру. Приложение позволяет задавать интервал измерений.

СТОИМОСТЬ РАДИОДЕТАЛЕЙ - не выше 50 грн.

ВАРИАНТ №2 - ЧЕТЫРЕ ДАТЧИКА

Более сложная метеостанция с четырьмя датчиками: температура, влажность, освещенность, давление. Поскольку только датчик температуры будет цифровой, а остальные аналоговые - в системе используется четырехканальный АЦП ds2450. Этот АЦП поддерживает протокол 1-wire. Схема требует дополнительного источника питания. Источник питания должен обеспечивать высокую стабильность напряжения. Но поскольку схема выше описанного адаптера имеет недостаток - невозможность подключения к датчикам внешнего источника питания из-за отсутствия реальной массы (-), используем другую схему адаптера. Этот адаптер также умещается в корпусе разъема COM порта типа D-SUB. Теперь в кабеле задействованы три провода: масса (-), +5в и данные.

Схема адаптера для COM порта с внешним питанием

Схема измерительного блока вполне может быть выполнена даже на макетной плате. Нужно только уделить особое внимание гидроизоляции контактов. Самый простой способ это расплавить парафин и кисточкой нанести его во все оголенные места на плате. Если плата будет незащищенной от воды, будут утечки напряжения и будет много ошибок в измерениях. В нашем случае даже сотые доли Вольта существенно влияют на результаты.

Схема измерительного блока

Измерительный блок нужно разместить в корпусе и таком, чтобы плата и датчики были защищены от прямого воздействия осадков и солнечного излучения. Для этих целей хорошо подходит коробка из плотного пенопласта. В стенках коробки (дно и стенка с теневой стороны) нужно сделать побольше отверстий для вентиляции. Стенки коробки изнутри желательно обклеить алюминиевой фольгой для дополнительной защиты от инфракрасного излучения, иначе будет погрешность измерения температуры. Все датчики, кроме освещенности, размещаются прямо на плате. Датчик освещенности (фоторезистор) выносится из платы на проводах и устанавливается в отверстии дна пенопластового корпуса. Так, чтобы поверхность датчика смотрела вниз. В таком случае на датчик не будут попадать осадки и особенно зимой это убережет его от обледенения. Датчик освещенности для гидроизоляции нужно обработать, например, прозрачным клеем на полиуретановой основе (силиконовый герметик тест не прошел, он давал утечку тока). Обработать включительно (!) и светочувствительную зону фоторезистора. Выводы датчика залить клеем и разместить их можно в изоляционной трубочке. Концы выводов припаять к маленькой плате. А уже провода от измерительного блока припаять к этой плате. Места пайки залить парафином. Иначе, когда идет проливной дождь с ветром, метеостанция может оказаться неработоспособной и придется разбирать ее и все высушивать. Блок можно соединить с кабелем с помощью разъема. Но нужно использовать специальный влагозащитный разъем - система будет работать в сложных погодных условиях.

Если приходится размещать корпус за окном многоэтажки (нет возможности установить на стойке у земли) то коробку нужно удалить от стены дома насколько это возможно, на кронштейне. Иначе нагрев воздуха от стены дает очень искаженные данные о температуре. В условиях частного дома лучше конечно изготовить настоящую метеобудку. Нужно позаботиться о надежном креплении корпуса, иначе сильные порывы ветра могут оторвать нашу конструкцию.

Измерительный блок на кронштейне

Выходное напряжение блока питания (БП) должно быть в пределах 4.8-5.3В. Подойдет и зарядка от старого телефона. Однако если в блоке питания нет стабилизатора - нужно добавить его в блок питания, т.к. для точности измерений очень важно наличие стабильного напряжения. Можно хотябы проверить тестером - изменяются ли десятые или сотые волта на выходе БП. Скачки десятых волта не допускаются. Простая схема стабилизатора на 5в приведена ниже. На входе БП может быть от 7 до 17В. На выходе будет около 5В. После этого нужно подключить наш кабель (который идет к измерительному блоку) к БП и измерить напряжение тестером на другом конце кабеля. Это напряжение может быть несколько ниже, чем непосредственно на выходе БП, из-за сопротивления кабеля. Это измеренное напряжение нужно ввести в настройках приложения как "Напряжение питания датчиков".

Типичная схема стабилизатора напряжения

СТОИМОСТЬ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦИИ

Примерная стоимость радиодеталей (цены 2015 года по магазину ).
1. Датчик температуры ds18b20 - 25 грн
2. АЦП ds2450 - 120 грн
3. Фоторезистор LDR07 - 6 грн
4. Датчик влажности HIH-5030 - 180 грн
5. Датчик давления MPX4115A- 520 грн.
ВСЕГО: 850 грн или 37$

Остальные элементы в сумме стоят не выше 50 грн, блок питания можно взять, например, со старой "зарядки" для телефона.

Маркировка радиоэлементов

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦИИ

Мы разработали приложение для Windows, которое предоставим бесплатно любому желающему собрать такую метеостанцию. Оно позволит вам на своем ПК наблюдать за погодой.

Окно приложения для ПК

В системном трее отображается температура воздуха

Все измеренные данные приложение может отправлять на наш сервер "Метеопост" и на специальной странице (пример) можно просматривать все метеоданные с браузера ПК. Также страница адаптирована и для браузера мобильного телефона.

Снимок экрана браузера мобильного телефона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Можно сэкономить на стоимости деталей, если покупать их у китайцев на AliExpress. Возможно собрать метеостанцию без любого из датчиков, за исключением датчика температуры. У нашего АЦП остался один свободный вход, поэтому на него можно еще подать сигнал от датчика ветра. Но поскольку мы находимся в городе - установить и протестировать такой датчик нам попросту негде. В городской застройке не будет адекватного измерения скорости и направления ветра. Способы самостоятельного изготовления датчика скорости ветра подробно описаны многими энтузиастами в сети. Заводской датчик стоит довольно дорого.

Собрать такую метеостанцию под силам радиолюбителю со средними навыками. Для еще большего упрощения можно не разводить печатную плату, а собрать навесным монтажом на макетной плате. Проверено - работает.

Мы попытались создать именно доступную, дешевую метеостанцию. В частности для этого в системе задействован компьютер. Если его исключить, то нужно делать еще блок индикации, блок передачи данных в сеть и т.д, что существенно прибавит в цене. Например, сейчас популярная "Netatmo Weather Station" с подобными измеряемыми параметрами стоит около 4000 грн (200$).

Всем желающим сделать себе такую метеостанцию готовы помочь консультациями. Также предоставим необходимое программное обеспечение и подключим вашу станцию к нашему сайту.

Метеостанция построена на Picaxe микроконтроллере от Revolution Education Ltd и состоит из двух основных частей: наружный блок, который посылает свои данные каждые 2 секунды, используя передатчик на частоте 433МГц. И внутренний блок, который отображает полученные данные на 20 х 4 ЖК-дисплее, а также атмосферное давление, которое измеряется локально во внутреннем блоке.

Я пытался сохранить дизайн максимально простым и в то же время функциональным. Связь устройства с компьютером осуществляется через COM-порт. В настоящее время на компьютере непрерывно строятся графики из полученных значений, а также идет отображение значений на обычных индикаторах. Графики и показания датчиков доступны на встроенном веб-сервере, все данные сохранятся и т.о. можно посмотреть данные за любой промежуток времени.

Постройка метеостанции заняло несколько месяцев, от разработки до завершения, и в целом я очень доволен результатом. Я особенно рад, что мне удалось построить все с нуля при помощи обычных инструментов. Меня она полностью устраивает, но совершенству предела нет, и особенно это касается графического интерфейса. Я не предпринял никаких попыток коммерциализации метеостанции, но если вы думаете о создании метеостанции для себя, то это хороший выбор.

Уличные датчики

Датчики используются для измерения температуры, влажности, осадков, направления и скорости ветра. Датчики представляют собой сочетание механических и электронных устройств.

Датчик температуры и относительной влажности воздуха

Измерение температуры, пожалуй, проще всего. Для это используется датчик DS18B20. Для измерения влажности был использован HIH-3610, выдающий напряжение 0.8 - 3.9В при влажности 0% до 100%

Я установил оба датчика на небольшой печатной плате. Плата установлена внутри самодельного корпуса, который предотвращает воздействие дождя и других внешних факторов.

Упрощенный код для каждого из датчиков приведен ниже. Более точный код, который считывает значения с точностью до одной десятой, показан на сайте Питера Андерсона . Его код используется в окончательном варианте метеостанции.

Датчик температуры обеспечивает точность ± 0.5 °C. Датчик влажности обеспечивает точность до ± 2%, так что это не очень важно, сколько знаков доступно после запятой!

Пример участка из программного обеспечения, работающего на ПК.

Температура

Main: readtemp B.6, b1 ; read value into b1 if b1 > 127 then neg ; test for negative sertxd (#b1, cr, lf) ; transmit value to PE terminal pause 5000 goto main neg: b1 = b1 - 128 ; adjust neg value sertxt ("-") ; transmit negative symbol sertxt (#b1, cr, lf) ; transmit value to PE terminal pause 5000 goto main

Влажность

Main: readadc B.7,b1 ; read humidity value b1 = b1 - 41 * 100 / 157 ; change to %RH sertxd (#b1, "%", cr, lf) pause 5000 ; wait 5 seconds goto main

Расчет показаний датчика влажности

Расчеты взяты из документации датчика Honeywell HIH-3610. На графике показывана стандартная зависимость при 0 °C.

Напряжение с датчика измеряется на входе АЦП (B.7) микроконтроллера Picaxe 18M2. В коде, показанном выше, значение, которое представлено в виде числа от 0 до 255 (т.е. 256 значений), хранится в переменной b1.

Наша схема питается от 5В, так что каждый шаг АЦП равен:
5/256 = 0.0195 В.

На графике видно начально значение АЦП 0.8 В:
0.8 / 0.0195 = 41

Взяв значения из графика, наклон графика (с учетом смещения) примерно:
Напряжение выхода / % относительной влажности или
(2.65 - 0.8) / 60 = 0.0308 В в% RH
(В документации 0.0306)

Рассчитаем кол-во шагов АЦП на 1% влажности:
(В на % RH) / (шаг АЦП)
0.0308 / 0.0195 = 1.57

% RH = значение с АЦП - смещение АЦП / (шаги АЦП в % RH), или
% RH = значение с АЦП - 41 / 1.57

Итоговая формула расчет для микроконтроллера будет выглядеть: % RH = значение с АЦП - 41 * 100/157

Защитный корпус

Начните с разрезания каждой панели на две части. Планки на одной части будут крепко прикреплены с двух сторон, а на второй части только с одной стороны. Не выбрасывайте эти части - они используются.

К целым частям прикрепите два деревянных бруска 20мм х 20мм сверху и с низу, и прикрутите к ним другие части.

Обрежьте одну из частей с одной целой стороной по размеру и приклейте ее к внутренней стороне одной из сторон. Убедитесь, что планки приклеены так, что образуют вместе "^" форму. Сделайте так со всеми сторонами.

Измеритель скорости и направления ветра

Механическая часть

Датчики скорости и направления ветра представляют собой сочетание механических и электронных компонентов. Механическая часть идентична для обеих датчиков.

12мм вставка из фанеры (marine ply) находится между трубой из ПВХ и диском из нержавеющей стали в верхнем конце трубы. Подшипник приклеен к диску из нержавеющей стали и удерживается нержавеющей пластиной.

Как только все будет полностью собрано и настроено, открытые места герметизируются герметиком для водонепроницаемости.

Остальные три отверстия на фотографии предназначены для лопастей. Лопасти длиной 80 мм дают радиус поворота 95мм. Чашки 50 мм в диаметре. Для них я использовал обрезанные флаконы от одеколона, которые имеют почти сферическую форму. Я не уверен в их надёжности, поэтому сделал их легкозаменяемыми.

Электронная часть

Электроника для датчика скорости ветра состоит только из транзисторного ключа, фотодиода и двух резисторов. Они монтируются на небольшой круглой ПП диаметром 32мм. Они установлены в трубе свободно, чтобы влага в случае её попадания стекала вниз не задевая электронику.

Анемометр - один из трех датчиков, который необходимо откалибровать (два других – счетчик осадков и датчик атмосферного давления)

Фотодиод обеспечивает два импульса за один оборот. В простой «последовательной» системе, к которой я стремился (все датчик опрашиваются поочередно), должен быть компромисс между длиной времени, затрачиваемого на опрос каждого датчика (в данном случае, подсчет импульсов) и отзывчивость системы в целом. В идеале, на полный цикла опроса всех датчиков должно уйти не более 2-3 секунд.

На фото выше проверка датчика при помощью мотора с регулируемыми оборотами.

; LCD-specific commands shown in blue hsersetup B9600_4, %10000 ; Use LCD Pin 1, no hserin hserout 0, (13) : pause 100 ; Initialize LCD hserout 0, (13) : pause 100 hserout 0, (13) : pause 100 pause 500 hserout 0, ("ac1", 13) ; Clear display pause 50 hserout 0, ("acc", 13) hserout 0, ("ac81", 13, "adcount: ", 13) ; Print the headings pause 10 hserout 0, ("ac95", 13, "adpulsin: ", 13) ; Print the headings pause 10 do count C.2, 1000, w0 ; Count the pulses (two per rev) w1 = 0 for b8 = 1 to 2 ; Measure pulse length twice pulsin C.2, 1, w2 ; per rev and... w1 = w1 + w2 next w1 = w1 / 2 ; ...calculate average hserout 0, ("ac89", 13, "ad ", #w0, " ", 13) ;Print the count value hserout 0, ("ac9d", 13, "ad ", #w1, " ", 13) ;Print the pulse-length value pause 100 loop

Я хотел откалибровать его при движении на автомобиле, но на это не было времени. Я живу в относительно плоской местности с аэропортом в нескольких километрах рядом, поэтому я калибровал датчик, сравнивая мои показания скорости ветра с показаниями аэропорта.

Если бы мы имели 100% КПД и лопасти вертелись-бы со скоростью ветра, то:
Радиус ротора = 3.75"
Диаметр ротора = 7.5" = 0.625 фута
Длина окружности ротора = 1.9642 фута

1 фут/мин = 0.0113636 м/ч,
1.9642 фут/мин = 1 об = 0.02232 м/ч
1 м/ч = 1 / 0.02232 об

1 м/ч = 44.8 об
? м/ч = об / 44.8
= (об/мин * 60) / 44.8

Поскольку за поворот выходит два импульса
? м/ч = (импульсов в секунду * 30) / 44.8
= (импульсов в секунду) / 448

Датчик направления ветра - механическая часть

В датчике направления ветра, вместо алюминиевой пластины используется магнит, а вместо оптоэлектронного узла - специальная микросхема AS5040 (магнитный энкодер).

На фото ниже показан 5мм магнит, установленный на торце центрального винта. Выравнивание магнита относительно микросхемы очень важно. Магнит должен быть точно по центру на высоте около 1мм над микросхемой. Как только все будет точно выровнено, датчик будет работать правильно.

Датчик направления ветра - электронная часть

Существуют различные схемы для измерения направления ветра. В основном они состоят либо из 8 герконов расположенных под углом 45 градусов с интервалом вращающегося магнита или потенциометра который может полностью проворачиваться.

Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Основным преимуществом является то, что они оба просты в реализации. Недостатком является то, что они подлежат износу - особенно потенциометры. Альтернативой использованию герконов будет использовать датчика Холла для решения механического износа, но они по-прежнему ограничиваются 8 различными позициями... В идеале, я хотел бы попробовать что-то другое и в конечном счете решил о - поворотном магнитном датчике IC. Хотя это устройство для поверхностного монтажа (которого я стараюсь избегать), оно имеет ряд преимуществ, которые делают ее использование привлекательным!

Он имеет несколько различных форматов вывода, два из которых наиболее подходит для нашей цели. Наилучшая точность достигается с помощью SSI интерфейса. AS5040 выдает импульсы длиной от 1 мкс при 0° и до 1024 мкс при 359,6°

Проверка калибровки датчика направления ветра:

Do readadc10 B.3, w0 ;Read from AS5040 magnetic bearing pause 100 w0 = w0 * 64 / 182 ; Convert to 0 - 360 (degrees) debug ; Display in Prog/Edit debug window loop

Измеритель уровня осадков

Насколько это возможно, я сделал дождемер из пластика и нержавеющей стали, основание сделано из алюминия толщиной 3 мм для жесткости.

В измерителе уровня осадков есть две ведерка. Каждое ведерко вмещает до 6 мл воды до его смещения центра тяжести, которое заставляет его вылить воду в ёмкость и подать сигнал на датчик. Когда ведро опрокидывается, алюминий флаг проходит через оптический датчик, посылающий сигнал на электронику наружного блока.

На данный момент, я оставил его с прозрачными стенками (потому что интересно наблюдать это работает!). Но я подозреваю, что нужно покрасить его белой краской, чтобы отражать тепло летом, во избежание испарения. Я не мог найти маленькую воронку, поэтому пришлось сделать её самому. Обратите внимание на проволоку внутри воронки и по центру желоба. Это поможет остановить поверхностное натяжение воды в воронке и помогает капать воде. Без проволоки, дождь имел бы тенденцию к "водовороту", и его траектория была-бы непредсказуемой

Оптодатчики крупным планом:

Электронная часть дождемера

Из-за случайного характера работы датчика, программное прерывание в микроконтроллере наружного блока, казалось, логичный подход. К сожалению, некоторые команды программы, отключают механизм прерываний в то время, как они выполняются, т.о. есть вероятность, что сигнал придет в никуда. По этим причинам, дождемер имеет собственный микроконтроллер 08М Picaxe.

Использование отдельного чипа позволяет использовать его для создания достаточно точной 1-часовой задержки для того, чтобы считать ведра в час.

Калибровка

Picaxe 18м2 получает текущее количество ведерок в час и выводит его на дисплей и компьютер.

В качестве отправной точки, я использую следующие данные:
Воронка диаметров 120мм и емкость площадью 11,311мм2
1 мм дождя = 11,311мм3 или 11,3 мл.
Каждое ведро это 5,65 мл. Таким образом, 2 ведра 2 х 5,65 = 11,3 мл (или 1 мм) осадков. Одно ведро = 0,5 мм осадков.

Для сверки, я купил дешевый стакан для измерения осадков.

Для вышеприведенной схемы и схемы 08М Picaxe для датчика используется одна и та же топология печатной платы. Устройство питается от аккумулятора 12V 7Ah через стабилизатор 7805.
Я использовал набор RF Connect kit для беспроводной связи на 433 МГц. Комплект содержит пару специально запрограммированных PIC контроллеров. Комплект беспроводных модулей в ходе испытаний зарекомендовал себя как достаточно надежный.

На ПП установлен 08М Picaxe и 18м2. Каждый из них имеет свой собственный разъем программирования. Отдельные разъемы, каждый со своим +5 В, предназначены для каждого датчика - за исключением температуры и влажности.

Обратите внимание, что я нарисовал чертёж в Paintshop Pro поэтому я не могу гарантировать точность расстояния между выводами.

Внутренний блок

Во внутреннем блоке используетя 18м2 Picaxe, датчик давления и ЖК-дисплей. Также есть стабилизатор напряжения 5В.

Датчик давления

После нескольких неудачных попыток, я остановился на MPX4115A. Хотя другие датчики имеют диапазон измерения немного больше, они труднодоступны. Кроме того, другие датчики, как правило, работают от 3,3В и требуют дополнительный стабилизатор. MPX4115A выдает аналоговое напряжение от 3,79 и до 4,25В пропорционально давлению. Хотя это почти достаточное разрешение для обнаружения 1 мбар изменения давления, после некоторого обсуждения на форуме, я добавил АЦП MCP3422. Он может работать в 16-битном режиме (или выше) по сравнению с 10-битном режиме Picaxe. MCP3422 может быть связан (как в нашей схеме) в дифференциальный режим с аналоговым входом от датчика. Основным преимуществом является то, что это позволяет корректировать выход датчика, тем самым легко компенсировать ошибки MPX4115A и обеспечить простой способ калибровки датчика.

MPC3422 на самом деле имеет два дифференциальных входа, но так-как один не используется они замкнуты. Выход из MCP3422 имеет интерфейс I2C и соединяется с SDA и SCL контактам на 18м2 Picaxe – выводы B.1 и B.4 соответственно. С моей точки зрения, единственный недостаток в использовании MCP3422 том, что это небольшое устройство для поверхностного монтажа, но я его припаял к адаптеру. В дополнение к I2C интерфейсу MCP3422 18м2 просто обрабатывает поступающие данные из 433МГц беспроводной приемник, выводит данные на дисплей и передает данные на ПК. Для того чтобы избежать ошибок внутреннего блока когда компьютер не работает, нет никаких ответов от ПК. Внутренний блок передает данные и идет дальше. Он передает данные приблизительно в 2-секундным интервалом, чтобы потери данных быстро компенсировались следующий раз. Я использовал незадействованные порты на 18м2 для подключения кнопки на передней панели. Переключатель S1 (вход С.5) используется для включения подсветки ЖК-дисплея. Переключатель S2 (вход C.0) сбрасывает значение давления (мбар) на ЖК-дисплее. Переключатель S3 (вход C.1) переключает осадки отображаемые на ЖК-дисплее между общим в предыдущий час и текущими. Кнопки необходимо удерживать более 1 секунды для их реакции.

Сборка внутреннего блока

Как и в печатной плате для наружного блока, я нарисовал макет вручную с помощью Paintshop Pro, так что в расстояниях могут быть ошибки

Плата немного больше, чем это необходимо, чтобы вписаться в пазы в алюминиевом корпусе.
Я сознательно сделал разъем для программирования немного "внутрь" от края платы, чтобы предотвратить его прикосновение к корпусу. Вырез для ЖК-дисплея производится высверливание и подгонкой до точных размеров.

На фото показано всё уже установленное в корпус.

Штырьки на плате делают сложным её установку в корпус, поэтому мне пришлось отпаять их и припаять дисплей к плате проводами.

Внешний блок - код Picaxe

Использовано памяти = 295 байт из 2048

Счетчик количества осадков - 08M код

Внутренний блок - код Picaxe

Использовано памяти = 764 байт из 2048

Программное обеспечение для ПК

Программное обеспечение, работающее на ПК было написано с использованием Borland Delphi 7. Оно довольно примитивно в его нынешнем виде, но это, по крайней мере, показывает связь Picaxe с компьютером.

Графики могут быть выбраны для показа в период 1 час или 12 часов. Графики можно прокручивать вперёд-назад с помощью мышки. Они могут быть сохранены. Для этого необходимо кликнуть по ним правой кнопкой мыши и указать имя и файл значения. Можно настроить ограниченный набор APRS данных, записываемых раз в минуту на одну строку файла APRS.TXT и которые сохраняются в той же папке, где находится Weather.exe. Отмечу, что температура в градусах по Фаренгейту и осадки в 1/100ths на дюйм.

Список радиоэлементов