Arduino Pro-mini Data-logger: 15 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

สร้างคำแนะนำสำหรับ open-source pro-mini Arduino data-logger

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: การออกแบบและโค้ดต่อไปนี้สามารถดาวน์โหลดและใช้งานได้ฟรี แต่จะไม่มีการรับประกันหรือการรับประกันใดๆ ทั้งสิ้น

ก่อนอื่นผมต้องขอขอบคุณและส่งเสริมผู้ที่มีพรสวรรค์ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้แนวคิดสำหรับเครื่องบันทึกข้อมูลนี้และมีส่วนสนับสนุนโค้ดและเซ็นเซอร์ที่ใช้ ประการแรก แนวคิดสำหรับ data-logger มาจาก data-logger ที่ออกแบบมาอย่างดีและมีการอธิบายอย่างดี (ขออภัยในบทช่วยสอนของเราไม่ดีเท่า) data-logger ของ Edward Mallon: https://thecavepearlproject.org/2017/06/19/ อาร์ดูอิน…

ประการที่สอง เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดินแบบโอเพนซอร์สที่ใช้ในที่นี้ ตลอดจนโค้ด/ไลบรารีเพื่อใช้งาน ได้รับการออกแบบและสร้างโดย Catnip Electronics เหล่านี้เป็นเซ็นเซอร์คุณภาพสูงและทนทานมาก ข้อมูลเกี่ยวกับสถานที่ที่จะซื้อและรับรหัสเพื่อเรียกใช้ (ขอบคุณ Ingo Fischer) แสดงไว้ด้านล่าง

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ เครื่องมือ อุปกรณ์ที่จำเป็น

บอร์ด Arduino โปรมินิ สำหรับแอปพลิเคชันนี้ เราใช้โอเพ่นซอร์ส (เช่นเดียวกับทุกส่วนของเรา) pro-mini โคลนนิ่งที่ผลิตในจีน (5V, 16MHz, ไมโครโปรเซสเซอร์ ATmega 326) (รูปที่ 1a) บอร์ดเหล่านี้สามารถซื้อได้ใน Aliexpress, Ebay และเว็บไซต์ที่คล้ายกันในราคาไม่ถึง $2US อย่างไรก็ตาม สามารถใช้บอร์ดอื่นๆ ได้ง่ายเช่นเดียวกัน (โปรดคำนึงถึงข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ที่จำเป็น รวมทั้งข้อกำหนดหน่วยความจำของโปรแกรมด้วย)

โมดูลบันทึก SD การ์ดและนาฬิกาแบบเรียลไทม์ (RTC) ที่ Deek-Robot (ID: 8122) นำเสนอ (รูปที่ 1b) โมดูลนี้ประกอบด้วยเครื่องอ่านการ์ด DS13072 RTC และ micro-sd บอร์ดเหล่านี้มีราคาไม่ถึง 2 เหรียญสหรัฐฯ และมีความแข็งแกร่งมาก

Arduino nano (ใช่ - "นาโน") อะแดปเตอร์ขั้วสกรูยังนำ Deek-Robot ออกซึ่งสามารถซื้อได้น้อยกว่า $ 2US จาก Aliexpress หรือใกล้เคียง (รูปที่ 1c) อย่างที่คุณเห็นเราแค่รัก Aliexpress

ลวดหุ้มฉนวนแกนแข็ง 22 เกจ (รูปที่ 1d)

กล่องบันทึกข้อมูล (รูปที่ 1e) เราใช้กล่อง “เกรดวิจัย” แต่ภาชนะพลาสติกราคาไม่แพงก็ใช้ได้ดีในสถานการณ์ส่วนใหญ่

กล่องใส่แบตเตอรี่สำหรับแบตเตอรี่ AA NiMh 4 ก้อน (รูปที่ 1f) สามารถซื้อได้ใน Aliexpress สำหรับแคลิฟอร์เนีย $0.20 ต่ออัน (ใช่ – 20 เซ็นต์) ไม่ต้องเสียเงินกับเคสแบตเตอรี่ที่แพงกว่า

แผงโซล่าเซลล์ 6V ประมาณ 1W. สามารถซื้อใน Aliexpress ได้ในราคาต่ำกว่า $2US

หัวแร้ง หัวแร้ง และฟลักซ์ประเภทอดีต

ปืนกาวร้อน

ขั้นตอนที่ 2: สร้างคำแนะนำ

เวลาที่ใช้ในการสร้าง: ประมาณ 30 ถึง 60 นาที

เตรียมอะแดปเตอร์ขั้วนาโนสำหรับการบัดกรี

เพื่อจุดประสงค์ในการสาธิตนี้ เราจะเตรียมอะแดปเตอร์ขั้วต่อสกรูนาโนเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ความชื้นในดิน I2C สามตัว อย่างไรก็ตาม ด้วยความคิดสร้างสรรค์เพียงเล็กน้อย ขั้วต่อสกรูสามารถเตรียมได้หลายวิธีเพื่ออำนวยความสะดวกให้กับอุปกรณ์อื่นๆ หากคุณไม่ทราบว่า I2C คืออะไร ให้ตรวจสอบเว็บไซต์ต่อไปนี้:

howtomechatronics.com/tutorials/arduino/ho…

www.arduino.cc/en/Reference/Wire

แนวคิดในการใช้อะแดปเตอร์สกรูนาโนได้มาจากการออกแบบเครื่องบันทึกข้อมูลที่ยอดเยี่ยมของ Edward Mallon:

thecavepearlproject.org/2017/06/19/arduino…

ตัดรอยที่ด้านหลังของขั้วต่อสกรูระหว่างหมุดขนาดใหญ่และขนาดเล็กที่ตำแหน่ง 3, 5, 9, 10 และ 11 (นับจากด้านบนของขั้วต่อ) (รูปที่ 2) ร่องรอยเหล่านี้สอดคล้องกับฉลาก “RST”, “A7”, “A3”, “A2” และ “A1” บนขั้วต่อสกรู การตัดรอยตามรอยจะง่ายกว่ามากหากคุณมีเครื่องมือประเภท 'Dremel' แต่ถ้าคุณไม่มี มีดขนาดเล็กจะทำงานได้ง่าย อย่ากัดตัวเอง! โปรดทราบว่าฉลากบนขั้วต่อสกรูและบน pro-mini ไม่เหมือนกันทั้งหมด (Nano และ Pro-mini มีหมุดบางตัวอยู่ในตำแหน่งที่ต่างกัน) นี่เป็นหนึ่งในความไม่สะดวกของการออกแบบนี้ แต่ก็ง่ายพอที่จะติดฉลากแผงขั้วต่อใหม่เมื่อคุณทำเสร็จแล้ว หากคุณต้องการ

ขูดออกอย่างระมัดระวัง (โดยใช้เดรเมลหรือมีดขนาดเล็ก) ชั้นบาง ๆ ของอีพ็อกซี่ที่อยู่ติดกับหมุดขนาดใหญ่ 9, 10 และ 11 (มีป้ายกำกับว่า 'A3', 'A2', 'A1' ที่ขั้วนาโน) (รูปที่ 2). การเคลือบทองแดงแบบเปลือยภายใต้อีพ็อกซี่นั้นต่อสายดินกับบอร์ด Arduino pro-mini ต่อมาเราจะประสานส่วนที่เปิดออกนี้กับหมุดที่อยู่ติดกัน ดังนั้นจึงมีขั้วต่อสกรูที่มีสายดินสามตัว

ขั้นตอนที่ 3: สร้างคำแนะนำ

ตัดลวดและแถบหุ้มฉนวนยาว 8 ซม. ยาว 8 ซม. แปดเส้นและแถบฉนวนประมาณ 5 มม. จากปลายด้านหนึ่งและ 3 มม. จากปลายอีกด้านหนึ่ง เราแนะนำให้ใช้ลวดแกนแข็ง

นำลวดเหล่านี้สี่เส้น งอปลายด้านหนึ่ง 90 องศา (ปลายด้วยลวด 5 มม. หรือแบบเปลือย) แล้วบัดกรี *ทั่ว* (เช่น การเชื่อมหมุดทั้งหมดด้วยการบัดกรีและฟลักซ์จำนวนมาก) จนถึงจุดต่อไปนี้:

สาย 1: หมุดขนาดใหญ่ 3, 4 และ 5 (ติดป้ายกำกับ 'RST', '5V', 'A7' บนเทอร์มินัลนาโน) เราจะปรับเปลี่ยนขั้วสกรูทั้งสามนี้เป็นขั้ว VCC สามขั้ว (รูปที่ 3)

ขั้นตอนที่ 4: สร้างคำแนะนำ

ลวด 2: หมุดขนาดใหญ่ 9, 10 และ 11 (มีข้อความว่า 'A3', 'A2', 'A1' บนขั้วนาโน) รวมถึงการเคลือบทองแดงแบบสัมผัสที่เปิดเผยก่อนหน้านี้ ใช้บัดกรีจำนวนมาก ไม่ต้องกังวลถ้ามันดูยุ่ง เราจะปรับเปลี่ยนขั้วสกรูทั้งสามนี้เป็นขั้วต่อกราวด์ (-) สามขั้ว (รูปที่ 4)

ขั้นตอนที่ 5: สร้างคำแนะนำ

สาย 3: หมุดขนาดใหญ่ 13, 14 และ 15 (ติดป้ายกำกับ 'REF', '3V3', 'D13' บนเทอร์มินัลนาโน) เราจะปรับเปลี่ยนขั้วสกรูทั้งสามนี้เป็นขั้ว A5 SCL สามขั้วสำหรับการสื่อสาร I2C (รูปที่ 5)

ขั้นตอนที่ 6: สร้างคำแนะนำ

สาย 4: หมุดขนาดใหญ่ 28, 29 และ 30 (ติดป้าย 'D10', 'D11', 'D12' บนเทอร์มินัลนาโน) เราจะปรับเปลี่ยนขั้วสกรูทั้งสามนี้เป็นขั้ว A4 SDA สามขั้วสำหรับการสื่อสาร I2C (รูปที่ 6)

ขั้นตอนที่ 7: สร้างคำแนะนำ

บัดกรีลวดหนึ่งเส้นกับหมุดขนาดเล็กแต่ละอัน (ฉันพูดอีกครั้ง – เล็ก) 9, 10 และ 11 (ที่มีป้ายกำกับ 'A3', 'A2', 'A1' บนขั้วนาโน) (รูปที่ 7)

ขั้นตอนที่ 8: สร้างคำแนะนำ

ประสาน

ลวดที่เหลือไปยังพินขนาดใหญ่ 22 (ติดป้าย 'D4' บนขั้วนาโน) (รูปที่ 8)

ขั้นตอนที่ 9: สร้างคำแนะนำ

ประสานปลายด้านที่ว่างของลวดแต่ละเส้นเข้ากับรูเข็มที่ตรงกันบนเกราะป้องกันตัวบันทึกข้อมูล Deek-Robot (รูปที่ 9):

พินขนาดใหญ่ 'RST+5V+A7' ไปยังรูพิน 5V

พินขนาดใหญ่ 'A3+A2+A1' ไปยังรูพิน GND

หมุดเล็ก 'A3' ถึงรูพิน SCK

หมุดเล็ก 'A2' ถึงรูพิน MISO

หมุดเล็ก 'A1' ถึงรูพิน MOSI

พินขนาดใหญ่ 'REF+3V3+D13' ไปยังรูพิน SCL

พินขนาดใหญ่ 'D10+D11+D12' ไปยังรูพิน SDA

และพินขนาดใหญ่ 'D4' ไปยังรูพิน CS

ขั้นตอนที่ 10: สร้างคำแนะนำ

โปรดทราบว่าเราจัดเตรียมฉลากนาโนไว้ที่นี่เพื่อความสะดวกในการเชื่อมต่อเท่านั้น ฉลากเหล่านี้จะไม่ตรงกับหมุดบนบอร์ดโปรมินิเมื่อเสียบเข้ากับขั้วต่อสกรู

บัดกรีสายไฟยาว 6 ซม. สองเส้นเข้ากับรูเข็ม A4 และ A5 จากด้านล่างของบอร์ดโปรมินิ (รูปที่ 10)

ขั้นตอนที่ 11: สร้างคำแนะนำ

บัดกรีหมุดเข้ากับบอร์ดโปรมินิแล้วเสียบเข้ากับขั้วต่อสกรูที่เสร็จแล้ว อย่าลืมเสียบสาย A5 และ A4 เข้ากับขั้ว D12 (A4) และ D13 (A5) บนบอร์ดนาโน โปรดจำไว้เสมอว่าหมุดบน Arduino และฉลากขั้วต่อสกรูจะไม่อยู่ในแนวเดียวกัน (บอร์ดโปรมินิและนาโนมีการจัดเรียงพินที่แตกต่างกัน)

ใส่แบตเตอรี่ CR 1220 และการ์ด micro-sd ลงในบอร์ดบันทึก เราใช้การ์ด SD ที่มีความจุน้อยกว่า 15GB เนื่องจากเรามีปัญหากับการ์ดที่มีความจุมากขึ้น เราใช้ฟอร์แมตการ์ดเป็น FAT32

สุดท้าย ปิดข้อต่อที่บัดกรีทั้งหมดและยึดสายไฟทั้งหมดเข้ากับแผงขั้วต่อด้วยกาวร้อน

บอร์ดพร้อมใช้งานแล้ว กระดานที่เสร็จแล้วควรมีลักษณะดังนี้: รูปที่ 11

ขั้นตอนที่ 12: การตั้งค่า Data-logger สำหรับการใช้งานภาคสนาม

เพื่อป้องกันไม่ให้ data-logger ของคุณพลิกคว่ำในกล่อง data-logger และให้การเข้าถึงที่ง่ายไปยังพินการสื่อสาร เราแนะนำให้สร้างแพลตฟอร์มที่มีความเสถียร แท่นนี้ยังช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ห่างจากด้านล่างกล่องอย่างน้อยสองสามเซนติเมตรในกรณีที่เกิดน้ำท่วม เราใช้แผ่นอะคริลิก 1.5 มม. และเชื่อมต่อกับเครื่องบันทึกข้อมูลด้วยสลักเกลียว น็อต และแหวนขนาด 4 มม. (รูปที่ 12)

ขั้นตอนที่ 13:

เราใช้เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดินประเภทความจุ I2C แบบโอเพนซอร์ส เราซื้อจาก Catnip Electronics (เว็บไซต์ด้านล่าง) สามารถซื้อได้ที่ Tindie และมีราคาประมาณ 9 เหรียญสหรัฐฯ สำหรับรุ่นมาตรฐาน และประมาณ 22 เหรียญสหรัฐฯ สำหรับรุ่นทนทาน เราใช้เวอร์ชันที่ทนทานในการทดลองภาคสนาม พวกเขาแข็งแกร่งมากและให้ประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกันกับทางเลือกเชิงพาณิชย์ที่มีราคาแพงกว่ามาก (เราจะไม่วางใครไว้ที่ Front Street แต่คุณอาจรู้จักผู้ต้องสงสัยตามปกติ)

เซ็นเซอร์ Catnip Electronics I2C ที่แสดงในบทช่วยสอนนี้:

ซื้อที่นี่:

ห้องสมุด Arduino:

ห้องสมุด Arduino บน Github:

ติดสายสีเหลืองจากเซ็นเซอร์ I2C เข้ากับขั้วสกรู A5 ตัวใดตัวหนึ่ง ต่อสายสีเขียวจากเซ็นเซอร์ I2C เข้ากับขั้ว A4 อันใดอันหนึ่ง สายสีแดงและสีดำจากเซ็นเซอร์ไปที่ VCC และขั้วต่อกราวด์ตามลำดับ

ใส่แบตเตอรี่ NiMh ที่ชาร์จแล้วสี่ก้อนลงในกล่องแบตเตอรี่ ต่อสายสีแดง (+) เข้ากับหมุด RAW บนเครื่องบันทึกข้อมูล (เช่น หมุด RAW บนบอร์ดโปรมินิ) (แต่ดูหัวข้อ "การประหยัดพลังงาน" ด้านล่าง) ต่อสายสีดำ (-) เข้ากับหมุดกราวด์ตัวใดตัวหนึ่งบนตัวบันทึกข้อมูล

สำหรับการใช้งานภาคสนามในระยะยาว ให้ติดแผงโซลาร์เซลล์ขนาด 6V 1W เข้ากับตัวบันทึก แผงโซลาร์เซลล์จะใช้เพื่อเรียกใช้เครื่องบันทึกข้อมูลและชาร์จแบตเตอรี่ในระหว่างวัน และทำงานได้แม้ในที่ที่มีเมฆมาก (แม้ว่าหิมะจะมีปัญหา)

ขั้นแรก ประสานไดโอดชอตต์กี้ ~2A ที่ขั้วบวกของแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งจะป้องกันไม่ให้กระแสไหลกลับเข้าสู่แผงโซลาร์เซลล์เมื่อไม่มีรังสีจากดวงอาทิตย์ อย่าลืมทำเช่นนี้ไม่เช่นนั้นแบตเตอรี่จะหมดในเวลาไม่นาน

แนบขั้ว (+) จากแผงโซลาร์เซลล์ (เช่น ไดโอด) เข้ากับพิน RAW บนตัวตัดไม้ (เช่น พิน RAW บนโปรมินิ) และขั้วต่อ (-) จากแผงโซลาร์เซลล์เข้ากับพื้นด้านใดด้านหนึ่ง ขั้วบนคนตัดไม้

การตั้งค่านี้ช่วยให้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าในตัวในบอร์ด pro-mini เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มาจากทั้งแผงโซลาร์เซลล์และชุดแบตเตอรี่ ตอนนี้… ฉันจะบอกว่านี่ไม่ใช่การตั้งค่าที่เหมาะสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ NiMh (ยากแม้ในสภาวะที่สมบูรณ์แบบ) อย่างไรก็ตาม แผงโซลาร์เซลล์ที่เราใช้นั้นมีอุณหภูมิไม่เกิน 150mA ภายใต้สภาวะแสงแดดเต็มที่ ซึ่งสอดคล้องกับ ca 0.06 C (C = ความจุของก้อนแบตเตอรี่) ซึ่งพิสูจน์ให้เราเห็นว่าเป็นวิธีการชาร์จที่ง่าย ปลอดภัย และเชื่อถือได้ สำหรับคนตัดไม้ของเรา เราให้พวกมันวิ่งในลักษณะนี้ในทุ่งนานานถึงหนึ่งปีในโคโลราโด อย่างไรก็ตาม โปรดดูข้อจำกัดความรับผิดชอบ – คนตัดไม้ของเราไม่มีการรับประกันหรือการรับประกันโดยเด็ดขาด ทุกครั้งที่คุณใช้แบตเตอรี่หรือแผงโซลาร์เซลล์ในสนาม คุณเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ ระวัง. ใช้การออกแบบนี้โดยยอมรับความเสี่ยงเอง!

รักษาความปลอดภัยเครื่องบันทึกข้อมูลและชุดแบตเตอรี่ภายในกล่องป้องกันสภาพอากาศ (รูปที่ 13)

ขั้นตอนที่ 14: การอนุรักษ์พลังงาน

เรามักจะปิดการใช้งานไฟ LED จากทั้งบอร์ด pro-mini และ data-logger ร่องรอยของไฟ LED เหล่านี้สามารถตัดอย่างระมัดระวังด้วยใบมีดโกน (ดูลิงค์ด้านล่าง) LED แต่ละตัวกินกระแสประมาณ 2.5mA ที่ 5V (ลิงค์ด้านล่าง) อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานหลายอย่าง การสูญเสียพลังงานจำนวนนี้จะเล็กน้อยมาก และผู้วิจัยสามารถปล่อยให้ไฟ LED ทำงานเหมือนเดิมได้

www.instructables.com/id/Arduino-low-Proje…

เรายังเรียกใช้ไลบรารี 'LowPower.h' (โดย 'rocketscream' ลิงก์ด้านล่าง) ซึ่งใช้งานง่ายมาก และลดการใช้พลังงานลงอย่างมากระหว่างช่วงเวลาการบันทึก

github.com/rocketscream/Low-Power

หลังจากถอดไฟ LED ออกจาก pro-mini และกระดานบันทึกข้อมูล และเรียกใช้ไลบรารี LowPower.h (ดู 'รหัส' ด้านล่าง) ตัวบันทึกจะกินเนื้อที่โดยประมาณ กระแสไฟ 1mA ที่ 5V ขณะหลับ ใช้เซ็นเซอร์ I2C สามตัวพร้อมกัน ตัวบันทึกในโหมดสลีป (ระหว่างการสุ่มตัวอย่างซ้ำ) กินไฟประมาณ 4.5mA ที่ 5V และ 80mA ในการสุ่มตัวอย่าง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการสุ่มตัวอย่างเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และค่อนข้างไม่บ่อยนัก การดึงกระแสไฟ 80mA จึงไม่ส่งผลต่อการระบายแบตเตอรี่อย่างมีความหมาย

สามารถประหยัดพลังงานได้มากขึ้นเมื่อไม่ได้ใช้แผงโซลาร์เซลล์โดยเชื่อมต่อขั้วแบตเตอรี่ (+) เข้ากับพิน VCC บนตัวบันทึกโดยตรง อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อโดยตรงกับ VCC แทนที่จะเป็นพิน RAW จะหลีกเลี่ยงตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าออนบอร์ด และกระแสที่ส่งไปยังเซ็นเซอร์จะไม่คงที่เกือบเท่าที่มีการกำหนดเส้นทางผ่านตัวควบคุม ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อแบตเตอรี่หมดในช่วงวันและสัปดาห์ และในหลายกรณี จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่มีความหมายในการอ่านค่าของเซ็นเซอร์ (ขึ้นอยู่กับว่าคุณใช้เซ็นเซอร์แบบใด) อย่าเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์โดยตรงกับ VCC

ขั้นตอนที่ 15: รหัส

เรารวมสองภาพร่างสำหรับการรันเครื่องบันทึกข้อมูลด้วยเซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน I2C สามตัว 'logger_sketch' แบบร่างแรกจะสุ่มตัวอย่างจากเซ็นเซอร์แต่ละตัวและบันทึกข้อมูลความจุและข้อมูลอุณหภูมิไปยังการ์ด sd ทุก ๆ 30 นาที (แต่ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดาย) ร่างที่สอง 'ChangeSoilMoistureSensorI2CAddress' จะอนุญาตให้ผู้ใช้กำหนดที่อยู่ I2C ที่แตกต่างกันให้กับเซ็นเซอร์แต่ละตัว เพื่อให้เครื่องบันทึกข้อมูลสามารถใช้งานได้พร้อมกัน ที่อยู่ใน 'logger_sketch' สามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่บรรทัดที่ 25, 26 และ 27 ห้องสมุดที่จำเป็นในการเรียกใช้เซ็นเซอร์สามารถพบได้บน Github