Беспроводная метеостанция. Часть 1. Удаленный пост

Jerry Wasinger

I. Введение

На Среднем Западе главными темами разговоров могут быть обсуждения местной футбольной команды или выращивание зерновых. Хотя, неизбежно, беседа всегда ведет к погоде. Большинство из нас считает погоду чем-то само собой разумеющимся и не посвящает ей долгих размышлений. Но, в таких штатах, как Канзас, Оклахома и Техас, слово «погода» пишется с большой буквы и внимательно отслеживается и средствами массовой информации, и отдельными людьми. Погода – это грозы, тропические осадки, торнадо, снежные бури, линии столкновения холодных атмосферных фронтов со стороны Канады и теплого сырого воздуха Гибралтара, и ураганов. Начало любого из этих явлений может быть обнаружено путем мониторинга нескольких основных условий их возникновения.

Когда Вы узнаете погоду по телевидению или радио, это всегда погода в районе аэропорта или где-то еще, вдалеке от вашего дома. Но каковы погодные условия у меня на заднем дворе? Чтобы разобраться в этом, я попытался сконструировать Беспроводную Метеорологическую Станцию (Wireless Weather Station). Я хотел воплотить этот проект много лет назад, но два момента в развитии технологии, наконец-то, подтолкнули меня к действию: первым была разработка недорогих твердотельных датчиков влажности, а вторым – появление доступных миниатюрных ИС радиочастотных приемопередатчиков.

II. Конструкция

Беспроводная Метеостанция состоит из удаленного поста и базовой станции. Удаленный пост питается от солнечных батарей и «просыпается» раз в минуту для сбора и передачи данных. Базовая станция принимает и буферизует приходящие данные, а затем передает их в компьютер по интерфейсу RS-232 для дальнейшей обработки. В состав каждого из постов входит специализированная плата со смонтированной электронной схемой и отдельная плата с радиочастотным приемопередатчиком. Мы начнем наше обсуждение с удаленного поста.

Удаленный пост

Удаленный пост состоит из четырех функциональных секций: датчики-преобразователи, микроконтроллер PIC16F873, радиочастотная часть и источник питания. Схема, приведенная на Рис. 2, показывает секции микропроцессора и преобразователь.

В качестве датчика влажности я выбрал емкостной датчик Humirel HS1101. Этот прибор, в сочетании с КМОП таймером серии 555, работающего как астабильный мультивибратор, генерирует сигнал с частотой, зависящей от влажности. Для минимизации температурных эффектов, в этой конструкции важно использовать прибор TLC555 (Texas Instruments). Если в качестве датчика применен другой прибор, сравните его параметры с HS1101. Заметьте также, что особое внимание должно быть уделено точке соединения HS1101 и 555. Повышенные значения паразитной емкости приведут к ошибочным и непредсказуемым результатам. Я выполнил пайку этого соединения над поверхностью платы.

Зависимость между выходной частотой 555 и относительной влажностью представлена на Рис 1. Уравнение первого порядка, которое связывает относительную влажность с частотой:

R.H. = 565.1 – 0.0767×f

Для большей точности может быть использовано уравнение второго порядка:

R.H. = –6.4790×10^–6×f2 + 1.0047×10^–2×f + 2.7567×10²

 

Рис. 1. Зависимость относительной влажности от частоты таймера

Измерение температуры при помощи LM335 производится очень просто: выходной сигнал этой ИС соответствует температуре выраженной в градусах Кельвина, деленной на 100 или:

Vout = Температура (K)/100

Чтобы определить температуру в градусах Цельсия, используйте уравнение:

°C = 100×Vout – 273

Чтобы определить температуру в градусах Фаренгейта, используйте уравнение:

°F = 1.8×°C + 32.2
= 1.8×(100×Vout – 273) + 32.2
= 180×Vout – 459.2

При комнатной температуре, выходной сигнал этой ИС приблизительно 3 вольта.

Измерение давления осуществляется с помощью датчика Motorola MPX5100A, который работает в диапазоне от 0 до 16 PSI (Pound per Square Inch, фунтов на квадратный дюйм). Однако, нас интересует лишь очень малая часть этого диапазона. Значения атмосферного давления лежат между 28 и 32 дюймами ртутного столба. Это соответствует значениям от 13.75 до 15.72 PSI. Чтобы увеличить динамический диапазон выходного сигнала, я добавил в схему усилитель (U4), который вычитает приблизительно 3.7 вольта из выходного сигнала датчика и затем умножает разность на 4. Так как MPX5100 может потреблять до 10 мА, был добавлен усилитель на транзисторе Q1, чтобы обеспечить возможность включения MPX5100 микроконтроллером.

Я выбрал Microchip PIC16F873, потому что он имел подходящее соотношение объема памяти данных и программ, 10-битый АЦП и три таймера. Таймер 2 используется для измерения периода сигнала влажности. АЦП измеряет выходные сигналы датчиков температуры и давления, а также для контролирует напряжение батарей. Для повышения точности, я применил внешний источник опорного напряжения на 4.096 В (0.1 %) фирмы National Semiconductor, с которым 10-битый АЦП дает разрешающую способность 4 милливольта на отсчет.

Интерфейс подключения к радиопередатчику включает линию разрешения и выход данных.Так как схема передатчика питается от источника + 3.3 В, я использовал аналоговые ключи для согласования с 5-ти вольтовыми выходами микропроцессора. Вывод 14 74HC4066 соединен с источником +5 В, а вывод 7 – с «землей» (на схеме не показано). С помощью 6 штыревых контактов JP1 подключается радиомодуль.

Схема удаленного поста приведена на Рис. 2

Кликните для увеличения

Рис. 2. Удаленный пост. Микропроцессор и датчики

 

Надписи на схеме
See Text	См. в тексте
Humidity Sence	Датчик влажности
Pressure Sence	Датчик давления
74HC4066 is powered from +5V	74HC4066 питается от +5 В

Источник питания для удаленного поста показан на Рис. 3. Когда на солнечную батарею падает солнце, она генерирует мощность, достаточную для того, чтобы отдавать 50 мА в генератор тока Q1, U1, R1, служащий источником капельного заряда трех NiCd аккумуляторов.

 

Рис. 3. Главный элемент источника питания удаленного поста - повышающий преобразователь напряжения на микросхеме U2

От аккумуляторов питается импульсный повышающий преобразователь напряжения на микросхеме U2, вырабатывающий +5 В для микроконтроллера и датчиков. Линейный стабилизатор U3 обеспечивает питанием +3.3 В радиочастотные узлы схемы. Фильтр L2, C5 был добавлен для снижения шумов, идущих от преобразователя U2. D2 изолирует солнечную батарею от остальной схемы в темное время суток. Обратите внимание, что конденсаторы C3 и C5 должны иметь низкое последовательное сопротивление (low ESR) и рабочее напряжение не менее 6.3 В.

^{Продолжение следует}