เครื่องวัดความเร็วลมในการบันทึกข้อมูลในตัว: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

ฉันชอบรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล ฉันชอบสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วย ปีที่แล้วเมื่อฉันค้นพบผลิตภัณฑ์ Arduino ฉันคิดทันทีว่า "ฉันต้องการรวบรวมข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อม" วันนั้นเป็นวันที่ลมแรงในพอร์ตแลนด์ รัฐออริกอน ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจเก็บข้อมูลลม ฉันดูคำแนะนำสำหรับเครื่องวัดความเร็วลมและพบว่ามีประโยชน์มาก แต่จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงทางวิศวกรรมบางอย่าง อันดับแรก ฉันต้องการให้อุปกรณ์ทำงานกลางแจ้งเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ อย่างที่สอง ฉันต้องการให้มันบันทึกลมกระโชกแรงเล็กน้อย การออกแบบหลายอย่างที่นี่ต้องใช้ลมที่ค่อนข้างแรงเพื่อไปต่อ สุดท้ายนี้ฉันต้องการบันทึกข้อมูล ฉันตัดสินใจเลือกใช้การออกแบบโรเตอร์ที่น้ำหนักเบาจริงๆ โดยมีแรงเฉื่อยและความต้านทานน้อยที่สุด เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ฉันใช้ชิ้นส่วนพลาสติกทั้งหมด (รวมถึงแท่งไวนิลแบบเกลียว) ข้อต่อตลับลูกปืน และเซ็นเซอร์ออปติคัล การออกแบบอื่นๆ ใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็กหรือมอเตอร์ DC จริง แต่ทั้งสองแบบทำให้โรเตอร์ช้าลง ออปติกใช้พลังงานมากกว่าเล็กน้อย แต่ไม่มีความต้านทานทางกล เครื่องบันทึกข้อมูลเป็นเพียง Atmega328P พร้อมชิปแฟลช 8 mbit ฉันคิดเกี่ยวกับ SD แต่ฉันต้องการรักษาต้นทุน การใช้พลังงาน และความซับซ้อนให้ต่ำ ฉันเขียนโปรแกรมง่าย ๆ ที่บันทึกการหมุนแบบสองไบต์ทุกวินาที ด้วย 8 เมกะบิต ฉันคิดว่าฉันสามารถรวบรวมข้อมูลได้ประมาณหนึ่งสัปดาห์ ในการออกแบบดั้งเดิมของฉัน ฉันคิดว่าฉันต้องการเซลล์ 4 C แต่หลังจากผ่านไปหนึ่งสัปดาห์ เซลล์เหล่านั้นยังคงถูกชาร์จจนเต็ม ดังนั้นฉันจึงต้องหยุดตามลำดับความสำคัญในการใช้พลังงาน ฉันไม่ได้ใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นตรง ฉันขับรางแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดไปที่ 6V (แม้ว่าบางส่วนจะได้รับการจัดอันดับ 3.3V การออกแบบ Yay overdesign!) ในการดาวน์โหลดข้อมูล ฉันมีระบบที่ซับซ้อนซึ่งอ่านแฟลชและทิ้งข้อมูลนั้นไปที่มอนิเตอร์อนุกรมของ Arduino และตัดและวางลงใน Excel ฉันไม่ได้ใช้เวลาพยายามหาวิธีเขียนแอพบรรทัดคำสั่ง USB เพื่อดัมพ์แฟลชให้เป็นมาตรฐาน แต่ในบางจุดฉันจะต้องคิดออก ผลที่ได้ค่อนข้างน่าประหลาดใจ ฉันสามารถสังเกตแนวโน้มที่น่าสนใจบางอย่างได้ ซึ่งฉันกำลังบันทึกไว้สำหรับรายงานอื่น ขอให้โชคดี!

ขั้นตอนที่ 1: สร้างโรเตอร์

ฉันลองใช้ไอเดียต่างๆ มากมายสำหรับโรเตอร์คัพ: ไข่อีสเตอร์ ลูกปิงปอง ถ้วยพลาสติก และลูกบอลประดับต้นคริสต์มาสเปล่า ฉันสร้างโรเตอร์หลายตัวและทดสอบทั้งหมดด้วยเครื่องเป่าผม ซึ่งให้ช่วงความเร็วลม จากต้นแบบทั้งสี่ชิ้น เปลือกเครื่องประดับทำงานได้ดีที่สุด พวกเขายังมีแถบเล็กๆ เหล่านี้ที่ช่วยให้ติดได้ง่ายขึ้น และทำจากพลาสติกแข็งที่ทำงานได้ดีกับซีเมนต์โพลีคาร์บอเนต ฉันลองใช้ด้ามยาวหลายแบบ ทั้งขนาดเล็ก กลาง และใหญ่ (ประมาณ 1 นิ้วถึงประมาณ 6 นิ้ว) และพบว่าขนาดที่ใหญ่กว่านั้นให้แรงบิดมากเกินไปและไม่ตอบสนองต่อความเร็วลมต่ำได้ดี ดังนั้นฉันจึงเลือกเพลาขนาดเล็ก. เนื่องจากทุกอย่างเป็นพลาสติกใส ฉันจึงพิมพ์งานพิมพ์เล็กๆ ที่มีประโยชน์เพื่อช่วยดับใบมีดทั้งสาม วัสดุ: เครื่องประดับมาจาก Oriental Trading Company รายการ "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT" มูลค่า 6 เหรียญบวกค่าจัดส่ง 3 เหรียญ ด้ามพลาสติกและจานโครงสร้างมาจากร้าน TAP Plastics ในพื้นที่ ชิ้นส่วนอีกประมาณ $4

ขั้นตอนที่ 2: สร้างฐานบน

เพื่อลดความเฉื่อยในการหมุน ฉันใช้แกนไนลอนแบบเกลียวจาก McMaster Karr ฉันต้องการใช้ตลับลูกปืน แต่ตลับลูกปืนของเครื่องจักรบรรจุในจาระบีที่ชะลอความเร็วของโรเตอร์ ดังนั้นฉันจึงซื้อตลับลูกปืนสเก็ตบอร์ดราคาถูกที่ไม่มีเลย พวกเขาเพิ่งจะพอดีกับอะแดปเตอร์ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของ CPVC 3/4".. ฉันไม่ได้ประกอบโครงสร้างที่ฉันรู้ว่าตลับลูกปืนสเก็ตรองรับน้ำหนักระนาบและฉันกำลังโหลดแนวตั้ง ดังนั้นฉันควรใช้ตลับลูกปืนกันรุน แต่ทำงานได้ดีและอาจช่วยจัดการแรงเสียดทานจากแรงบิด precession ฉันวางแผนที่จะติดตั้งเซ็นเซอร์ออปติคัลที่ด้านล่างของเพลา ดังนั้นฉันจึงติดตั้งคัปปลิ้ง CPVC ลงในฐานที่ใหญ่ขึ้น Home Depot เป็นสถานที่ที่สนุกในการผสมและ จับคู่อุปกรณ์ CPVC / PVC ในที่สุดฉันก็สามารถใส่ข้อต่อ CPVC แบบเกลียว 3/4" ลงในตัวลดขนาด PVC 3/4" ถึง 1-1 / 2" ต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการทำให้ทุกอย่างเข้าที่ แต่ก็มีที่ว่างเพียงพอสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุ: 98743A235 - ก้านไนล่อนเกลียวสีดำ (5/16" - 18 เกลียว) 94900A030 - น็อตหกเหลี่ยมไนลอนสีดำ (5/16" - 18 เกลียว) ตลับลูกปืนสเก็ตบอร์ดราคาถูก 3/4" อะแดปเตอร์ CPVC แบบเกลียว 3/4" ถึง 1 -1/2" PVC reducer to threaded 3/4" pipe หมายเหตุ: PVC และ CPVC coupling ขนาดไม่เหมือนกัน อาจเพื่อป้องกันการใช้ในทางที่ผิด ดังนั้นการเปลี่ยนอะแดปเตอร์ธรรมดา PVC 3/4" ธรรมดาจะไม่ทำงาน อย่างไรก็ตาม THREADS ของอะแดปเตอร์แบบเกลียวจะเหมือนกัน ซึ่งแปลกมาก ข้อต่อ CPVC เกลียวเข้ากับบูชอะแดปเตอร์ PVC อะแดปเตอร์… บูช… คัปปลิ้ง… ฉันอาจจะสับสนคำศัพท์เหล่านี้ทั้งหมด แต่ 15 นาทีในช่องประปา Home Depot จะทำให้คุณตรง

ขั้นตอนที่ 3: Optical Interrupter

เมื่อโรเตอร์หมุน การหมุนของโรเตอร์จะถูกนับโดยตัวขัดขวางด้วยแสง ฉันคิดเกี่ยวกับการใช้ดิสก์ แต่นั่นหมายความว่าฉันต้องแนบแหล่งกำเนิดแสงและเครื่องตรวจจับในแนวตั้ง ซึ่งอาจเป็นเรื่องยากมากที่จะประกอบ แต่ฉันกลับเลือกใช้การยึดในแนวนอนและพบว่ามีถ้วยเล็กๆ วางอยู่ที่ด้านล่างของเก้าอี้เพื่อป้องกันพื้นไม้เนื้อแข็ง ฉันทาสีและติดเทปหกส่วนซึ่งจะทำให้ฉันมีขอบที่เหมือนกันสิบสอง (เกือบ) หรือ 12 ขีดต่อการหมุนของโรเตอร์ ฉันคิดที่จะทำมากกว่านี้แต่ไม่ค่อยคุ้นเคยกับความเร็วของเครื่องตรวจจับหรือระยะการมองเห็นของเลนส์ นั่นคือ ถ้าฉันแคบเกินไป ไฟ LED อาจเคลื่อนไปรอบๆ ขอบและทำให้เซ็นเซอร์ทำงาน นี่เป็นอีกหนึ่งงานวิจัยที่ฉันไม่ได้ติดตาม แต่ควรสำรวจให้ดี ฉันติดถ้วยที่ทาสีไว้กับน็อตแล้วขันเข้ากับปลายก้าน วัสดุ: ที่รองขาเก้าอี้ แบบถ้วย จาก Home Depot Black paint

ขั้นตอนที่ 4: แนบโรเตอร์

ณ จุดนี้เริ่มจะดูสวยขึ้น น็อตไนลอนลื่นมาก เลยต้องใช้น็อตล็อคหลายๆ ตัว (ในกรณีที่คุณไม่ได้สังเกตจากรูปที่แล้ว) ฉันยังต้องทำประแจแบบแบนพิเศษให้พอดีกับฝาปิดใต้โรเตอร์ด้วย เพื่อที่ฉันจะได้ล็อคน็อตทั้งสองตัวลง

ขั้นตอนที่ 5: สร้างฐานล่าง

ฐานด้านล่างเป็นที่เก็บแบตเตอรี่และมีโครงสร้างรองรับ ฉันพบกล่องกันน้ำสวยๆ ทางออนไลน์จากบริษัทที่ชื่อ Polycase เป็นเคสที่เนียนมากซึ่งซีลได้แน่น และสกรูก็กว้างที่ฐาน เพื่อไม่ให้หลุดออกจากด้านบนได้ง่าย ฉันใช้พีวีซีเมทกับบูชพีวีซีด้านบน ฐานรองด้านล่างนี้เป็นเพียงข้อต่อพีวีซีแบบเกลียวขนาด 1-1/2" แรงกดของฐานโรเตอร์ด้านบนจะพอดีกับฐานด้านล่างผ่านข้อต่อนี้ อย่างที่คุณเห็นในภายหลัง ฉันไม่ได้ติดชิ้นส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกันเพราะฉันต้องการ สามารถเปิดและปรับเปลี่ยนได้หากจำเป็นรวมทั้งประกอบได้ง่ายขึ้นเมื่อติดแผงวงจร วัสดุ: กล่องกันน้ำจาก Polycase รายการ # WP-23F, $12.50 ข้อต่อ PVC เกลียว 1-1/2"

ขั้นตอนที่ 6: สร้างออปติคัลเซนเซอร์

กลไกเซ็นเซอร์คือ LED 940nm และตัวรับสัญญาณ Schmitt-trigger ฉันรักความรักรักวงจรทริกเกอร์ Schmitt มันดูแลความต้องการที่ลดลงทั้งหมดของฉันและส่งสัญญาณที่เข้ากันได้กับ CMOS / TTL ข้อเสียเพียงอย่างเดียว? การทำงาน 5V ใช่ ฉันขับการออกแบบทั้งหมดไปที่ 6V มากเกินไป แต่ฉันสามารถไปที่ 3.3V ได้ถ้าไม่ใช่สำหรับส่วนนี้ แนวคิดก็คือวงจรนี้ติดตั้งอยู่ใต้โรเตอร์คัพ ซึ่งจะขัดจังหวะลำแสงขณะหมุน ทำให้เกิดการเปลี่ยนทางตรรกะสำหรับขอบแต่ละด้าน ฉันไม่มีภาพที่ดีเกี่ยวกับวิธีการติดตั้ง โดยพื้นฐานแล้วฉันติดกาวพลาสติกสองอันเข้ากับคัปปลิ้ง PVC ฐานด้านล่างแล้วขันให้แน่นจากด้านบน ฉันต้องบดขอบกระดานเพื่อให้เข้าที่พอดี ฉันไม่มีแผนผังสำหรับสิ่งนี้ มันง่ายมาก: เพียงเรียกใช้ตัวต้านทาน 1k จาก Vin แล้วต่อสายไฟเพื่อให้ LED ติดสว่างเสมอ และเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับอยู่บนขาของมัน วัสดุ: 1 ตัวต้านทาน LED 940nm 1k 1 ตัว 1 เซ็นเซอร์ OPTEK OPL550 1 ปลั๊กสามขา (ตัวเมีย) 1 แผงวงจรขนาด 1.5"x1.5" ความยาวสายไฟต่างๆ ท่อหดแบบใช้ความร้อนหากต้องการรวมสายไฟ

ขั้นตอนที่ 7: สร้าง Data Logger

บอร์ดสร้างต้นแบบ Arduino มีขนาดใหญ่พอที่จะใส่ลงในแชสซีได้ ฉันใช้ EagleCAD เพื่อจัดวางแผงวงจรขนาดเล็ก และสูญหายไปจากชั้นเดียว … มีสายไฟที่น่าเกลียดสี่เส้นที่ฉันต้องการเพื่อลดช่องว่างบางส่วน

(ฉันคิดว่าฉันวัดสิ่งนี้ที่กำลังไฟ ~ 50mW และจากวัตต์ต่อชั่วโมงของแบตเตอรี่ฉันคิดว่าฉันจะลดลงต่ำกว่า 5V ในหนึ่งสัปดาห์ แต่การวัดกำลังหรือคณิตศาสตร์ของฉันผิดเพราะ 4 C-cells เก็บไว้ เป็นเวลานาน) เลย์เอาต์ที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา: แค่ resonator, ATmega328, ชิปแฟลช, จัมเปอร์ดีบัก, ไฟ LED สำหรับการดีบัก, ฝาปิดพาวเวอร์ซัพพลาย และนั่นก็เท่านั้น มีบางอย่างที่เรียกว่า DorkBoard ซึ่งฉันก็สามารถใช้ได้เช่นกัน โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นทุกอย่างที่จำเป็นสำหรับบอร์ด ATMega328 dev ที่มีขนาดเท่ากับซ็อกเก็ต DIP ฉันคิดว่าจะซื้อหนึ่งอัน แต่วิธีการแยกของฉันถูกกว่าประมาณ 50% นี่คือลิงค์ dorkboard:

นี่คือแนวคิดพื้นฐาน (ซอร์สโค้ดจะรวมไว้ในภายหลัง) วิธีการทำงานของบอร์ด: จัมเปอร์ตั้งค่าเป็นโหมด "ดีบัก": แนบค่าอินเตอร์รัปต์การเปลี่ยนแปลงไปยังเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ออปติคัล และแฟลช LED ทดสอบพร้อมกับเครื่องตรวจจับ สิ่งนี้มีประโยชน์มากสำหรับการดีบัก จัมเปอร์ตั้งค่าเป็นโหมด "บันทึก": แนบอินเทอร์รัปต์เดียวกันกับตัวนับ และในลูปหลัก หน่วงเวลา 1,000 มิลลิวินาที เมื่อสิ้นสุด 1,000 มิลลิวินาที ให้เขียน # ของขอบที่นับเป็นแฟลชเพจขนาด 256 ไบต์ และเมื่อหน้าเต็ม ให้เขียนออกมาและรีเซ็ตการนับใหม่ ง่ายใช่มั้ย? ค่อนข้างมาก ฉันชอบอุปกรณ์แฟลช Winbond มาก ฉันเคยออกแบบแฟลชย้อนกลับไปในยุค 90 ดังนั้นจึงสนุกกับการตั้งโปรแกรมอีกครั้ง อินเทอร์เฟซ SPI นั้นยอดเยี่ยม ใช้งานง่ายมาก ฉันจะให้แผนผังและซอร์สโค้ดพูดเพื่อตัวเอง ฉันพูดถึง EagleCAD ว่ายอดเยี่ยมหรือไม่? มันเป็นจริงๆ มีบทช่วยสอนที่ยอดเยี่ยมบน YouTube

ขั้นตอนที่ 8: แนบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อีกครั้ง ฉันไม่มีรูปภาพที่ดีมากมายที่นี่ แต่ถ้าคุณลองนึกภาพว่ามีพลาสติกสองชิ้นติดอยู่ด้านในของ PVC กระดานทั้งสองจะถูกขันเข้าไป นี่คือภาพของบอร์ดตัดไม้ที่เชื่อมต่อกับด้านล่าง แผงตรวจจับอยู่ด้านในตัวเรือน

ขั้นตอนที่ 9: การปรับเทียบ

ฉันสร้างแท่นทดสอบเพื่อปรับเทียบสัตว์ร้ายเพื่อที่ฉันจะได้แปลงจำนวนโรเตอร์ดิบเป็น MPH ใช่นั่นคือ 2x4 ฉันติดเครื่องวัดความเร็วลมที่ปลายด้านหนึ่ง และดีบัก Arduio ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง LCD แสดงจำนวนโรเตอร์ กระบวนการเป็นดังนี้: 1) หาถนนสายยาวตรงที่ไม่มีรถสัญจรไปมา 2) ถือ 2x4 เพื่อให้ยื่นออกไปนอกหน้าต่างให้ไกลที่สุด 3) เปิดการบันทึกเสียงบน iPhone หรือ Android 4) เปิดมาตรวัดความเร็ว GPS แบบดิจิทัลบนอุปกรณ์มือถือที่คุณเลือก 5) ขับอย่างมั่นคงด้วยความเร็วหลายระดับและประกาศ เครื่องบันทึกของคุณมีความเร็วและโรเตอร์เฉลี่ย 6) อย่าชน 7) ? 8) ต่อมา เมื่อไม่ได้ขับรถ ให้เล่นข้อความในโทรศัพท์ของคุณซ้ำแล้วป้อนข้อมูลลงใน excel และหวังว่าเส้นตรงหรือเลขชี้กำลังหรือพหุนามจะพอดีกับค่า R-squared ที่มากกว่า 99% การแปลง # นี้จะถูกใช้ในภายหลัง อุปกรณ์จับเฉพาะข้อมูลดิบ ฉันประมวลผลเป็น MPH (หรือ KPH) ใน Excel (ฉันเคยพูดถึงไหมว่าฉันทาสีมะกอกสีน้ำตาลอมเหลือง ฉันจะเรียกสิ่งนี้ว่า "เครื่องวัดความเร็วลมในการบันทึกข้อมูลเชิงยุทธวิธี" แต่แล้วฉันก็จำได้ว่า "ยุทธวิธี" หมายถึง "สีดำ")

ขั้นตอนที่ 10: ไปรวบรวมข้อมูลลม

ประมาณนั้นครับ ฉันคิดว่าบางภาพหายไปเช่น ไม่แสดงเป็นเซลล์ C สี่เซลล์ที่อัดแน่นอยู่ในฐานด้านล่าง ฉันไม่สามารถใส่ที่ยึดแบบสปริงได้ดังนั้นฉันจึงลงเอยด้วยการบัดกรีที่นำไปสู่แบตเตอรี่เอง ฉันกำลังเขียนคำแนะนำนี้หนึ่งปีหลังจากที่ฉันสร้างมันขึ้นมา และในการแก้ไข # 2 ฉันใช้แบตเตอรี่ AA เพราะฉันประเมินการใช้พลังงานสูงเกินไป การใช้ AA ทำให้ฉันเพิ่มสวิตช์เปิด-ปิด และเพิ่มพื้นที่ว่างภายในได้จริง ไม่เช่นนั้นมันจะค่อนข้างแคบ โดยรวมแล้วฉันค่อนข้างพอใจกับการออกแบบ กราฟด้านล่างแสดงข้อมูลเฉลี่ยในหนึ่งสัปดาห์ แบตเตอรีเริ่มหมดในวันที่เจ็ด ฉันสามารถปรับปรุงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้โดยใช้ LED ที่รอบการทำงานที่ต่ำกว่าที่ประมาณ 1kHz และฉันจะไม่สูญเสียขอบใด ๆ เนื่องจากความเร็วเชิงมุมของโรเตอร์ค่อนข้างต่ำ

มีความสุข! แจ้งให้เราทราบหากคุณเห็นว่ามีการปรับปรุงใด ๆ !

ขั้นตอนที่ 11: รหัสที่มา

ที่แนบมาเป็นไฟล์ต้นทาง Arduino ไฟล์เดียว ฉัน GPL ทำเพราะ เฮ้ GPL

แก้ไข: ฉันต้องการชี้ให้เห็นว่าการใช้ 1s delay() เป็นแนวคิดที่แย่มาก และใน h ระยะเวลาที่ต้องใช้ในการเขียนไปยังแฟลชและอ่านเซ็นเซอร์อาจดูเล็กน้อย แต่ตลอดระยะเวลา 7 วัน -10 วินาทีจะรวมกันเป็นดริฟท์ที่สำคัญ ให้ใช้การขัดจังหวะตัวจับเวลา 1Hz แทน (ตัวจับเวลา #1 บน 328P สามารถปรับเทียบเป็น 1Hz ได้อย่างสมบูรณ์แบบ) เพื่อความปลอดภัย คุณควรเขียนโค้ดในรั้วในกรณีที่หน้าเขียน & เซ็นเซอร์อ่านด้วยเหตุผลบางอย่างใช้เวลานานกว่า 1 วินาที (จัดการกับตัวอย่างที่ตกหล่น) แต่ตัวจับเวลาขัดจังหวะเป็นวิธีในการทำสิ่งต่าง ๆ ที่จำเป็นต้องมี เวลา- แม่นยำ. ไชโย!