Делаем метеостанцию на базе Arduino

Содержание

• Общий принцип работы
• Виды датчиков
• Схема на датчике DHT11
• Станция с датчиком давления
• Датчик на Arduino Uno и плате расширения Troyka Shield
• Заключение

Современные технологии позволяют в любой момент узнать прогноз погоды — на текущую дату-время или будущее. Но в ряде случаев необходимо знать параметры окружающей среды «здесь и сейчас», для чего понадобится метеостанция. Это устройство можно приобрести готовым или собрать своими руками на базе контроллера Ардуино и связанных с ним датчиков. Такой прибор, в отличие от громоздких анемометров и термометров, компактен, дешев и благодаря небольшим размерам может быть легко перенесен куда угодно.

В статье мы рассмотрим, из чего состоит работающая под управлением Arduino метеостанция, и разберем несколько типовых схем.

Общий принцип работы

Измеряющая данные окружающей среды метеостанция на Ардуино состоит из нескольких основных компонентов:

• собственно плата управления Arduino (например, Uno). На нее поступает информация со внешних датчиков, контроллер выполняет вычисления и выводит информацию на экран;
• электронный дисплей — служит для отображения поступивших с контроллера данных в понятной человекочитаемой форме;
• сенсор влажности температуры. В подобных схемах популярны датчики DHT11 и DHT22. Они регистрируют данные среды и отдают их контроллеру;
• макетная плата — основа для сборки всех компонентов. На ней фиксируются все элементы метеостанции, по ней же прокладываются электрические соединения;
• соединительные провода — с «оголенными» концами под пайку или оснащенные штекерами.

Кроме того, в плату понадобится залить соответствующее программное обеспечение — скетч. Его содержимое зависит от набора элементов и выполняемых задач, примеры скетчей мы также рассмотрим ниже.

Виды датчиков

Для измерения параметров среды часто применяют три вида сенсоров:

Плюс первого — дешевизна, скорость работы и стабильность сигнала. Из минусов отметим сравнительно слабую программную реализацию библиотеки, высокую погрешность выполняемых измерений и не всегда подходящий диапазон рабочих температур. DHT22 выгодно отличается благодаря:

• малым погрешностям;
• высокой дальности сигнала;
• поддержке дробных значений.

Как и первый сенсор, DHT22 не работает без подгруженной библиотеки. Кроме того, для профессиональных задач его чувствительность и скорость реакции может стать недостаточной.

Датчики линейки SHT1x быстро срабатывают, имеют весьма низкую погрешность, экономичны и умеют «засыпать» при долгой неактивности. Из недостатков выделим:

• два цифровых интерфейса;
• невозможность работы без подключения программной библиотеки и диапазон от 0 до 50 градусов — как в других образцах. Его хватает не всегда.

По стоимости все три варианта примерно одинаковы. Для «домашних» установок чаще берут DHT11-22 за их сравнительную простоту в эксплуатации и настройке.

Схема на датчике DHT11

Выбор этого средства измерения температуры/влажности обусловлен его популярностью, дешевизной и надежностью — такой набор характеристик делает датчик отличным вариантом для домашнего проекта. DHT11 состоит из:

• определяющего влажность резистора;
• измеряющего температуру термистора.

Информация с выходов датчика идет на контроллер, в нашем случае это Ардуино.

Сенсор имеет следующие характеристики:

• рабочее напряжение — 3–5 В;
• питание — от источника в 2.5 мА;
• диапазон измерения влажности окружающей среды — 20–80% с погрешностью в 5%;
• диапазон измеряемых температур — 0–50 °С с погрешностью в 2%;
• частота измерений — раз в секунду;
• габариты — 15 на 15.15 на 5.5 мм.

На корпусе имеются четыре выхода, благодаря чему можно подключать сенсор к различным измерительным приборам. В домашней схеме будут использоваться лишь три:

Важно отметить, что подключать 5–10 кОм резистор на выход DATA необходимости нет. Иногда этот элемент встречается в других проектах, но в нашем случае он избыточен — плата уже несет на себе необходимый резистор.

В продаже встречаются и датчики DHT11 по отдельности, и в составе готового модуля. Рекомендуется найти последний вариант — он удобнее. В разных модулях внешний вид и конфигурация выходов могут различаться, но принцип везде одинаков, следует лишь обращать внимание на распиновку.

Методика взаимодействия

Датчик транслирует цифровой сигнал с закодированными в нем значениями влажности и температуры. Оба параметра передаются одновременно.

Связь происходит по следующему принципу:

• микроконтроллер отправляет сенсору запрос проверки состояния;
• DHT11 меняет битовую кодировку и отдает на Arduino результат;
• если формат запроса-ответа согласован с обеих сторон, на управляющую плату поступает пятибайтовый отчет о влажности и температуре.

• первые два байта — уровень температуры;
• вторые два — влажность;
• пятый байт — нужная для предотвращения ошибки измерений и передачи контрольная сумма.

Программная часть

Чтобы собранная метеостанция на базе Ардуино заработала, понадобится подходящий скетч.

Принципиальная схема

Так будет выглядеть схема сборки станции:

После сборки, прошивки и запуска на экране станет отображаться влажность и температура. Дисплей покажет:

• тепловой индекс — HiX;
• температуру воздуха — Т (temperature, в градусах);
• влажность — H (Humidity, в процентах).

Используется I2C-дисплей 1602.

Недостатки

Приведенная конструкция имеет один минус — при взаимодействии с экраном цифры округляются до целых. Для домашних вычислений это некритично, но при необходимости получить более точные величины придется заменить датчик на более продвинутый DHT22. Его поддержка в скетче есть по умолчанию.

Если используется простой DHT11, а нули после запятой не нужны или эстетически мешают, можно также добавить в код поддержку подсчетов с «плавающей точкой» — dtostrf.

Теперь рассмотрим образец метеостанции под Ардуино на основе DHT22 и с дополнительной функцией — измерением давления.

Станция с датчиком давления

Следующая модель будет уметь определять:

• влажность и температуру;
• уровень высоты;
• атмосферное давление.

Компоненты

Для сборки потребуются:

• сенсор DHT22;
• датчик давления BMP180;
• плата Ардуино Нано;
• lcd-экран с блоком I2C;
• резистор 10 кОм;
• плата макетная;
• припой;
• 40-контактный однорядный разъем;
• соединительные провода.

Придется паять и работать с контактами, поэтому также необходим паяльник и плоскогубцы.

Сенсор давления

Таковым послужит барометрический датчик с интерфейсом I2C BMP180. Он станет контролировать абсолютное значение параметра вокруг себя. Падение обычно сигнализирует о приближении грозы и наступлении дождя (поскольку им сопутствует область низкого давления), а увеличение, наоборот, говорит о прохождении области низкого давления и наступлении ясной сухой погоды.

Давление всегда зависит от высоты над уровнем моря и погодных условий в зоне измерения. Но в нашем случае измеряется относительное — как если бы метеостанция находилась на уровне моря.

Важно: BMP180 нуждается в свободном доступе к атмосфере, поэтому нельзя помещать его в закрытый корпус. В таком случае считывать давление воздуха он не сможет. Полностью выносить прибор наружу не обязательно — достаточно оставить ему небольшое отверстие для вентиляции. Если оставить сенсор открытым, показания станут сбиваться ветром, поэтому требуется продумать ветрозащиту.

Кроме того, монитор погоды должен быть защищен и от нагрева — воздействие источников тепла исказит показания температуры. Попадание воды также внесет помехи, в конструкции это нужно учесть и предусмотреть защиту.

Еще один важный момент — светочувствительность. Благодаря силикону в конструктиве BMP180 он способен улавливать попадающий через отверстие в корпусе микрочипа свет и нагреваться. Максимально точные измерения потребуют изоляции от окружающего света.

BMP180 соединяется через шину I2C по следующей схеме:

Сборка

Процесс сборки начинается с монтажа однорядных разъемов для DHT22 и Arduino:

От вывода DATA к GND припаян резистор на 10 кОм.

Далее монтируется разъем для BMP180 (питаться датчик будет от линии 3.3 В). Компоненты соединяются шиной I2C.

На последнем этапе та же шина соединяется с дисплеем.

Так выглядит домашняя метеостанция в сборе:

Пример вывода информации об атмосферном давлении:

Программный код

Для работы понадобятся скетч Ардуино и библиотеки датчиков. Все они доступны в приложениях к статье.

Датчик на Arduino Uno и плате расширения Troyka Shield

Рассмотрим еще одну погодную станцию. Ее особенности:

• использование цифрового метеосенсора troyka;
• термометр DS18B20;
• барометр Troyka V2.
• хранение данных на карточке MicroSD — для удобства их последующего анализа на любом устройстве.

Компоненты

Для проекта требуются:

• контроллер Arduino Uno;
• плата расширения Troyka Shield;
• метеодатчик;
• четырехразрядный цифровой дисплей-индикатор;
• барометр с troyka-блоком подтяжки;
• картридер и карточка micro-SD.

Порядок сборки

Система собирается по шагам.

1. Установить плату расширения на Ардуино.
2. Подключить к пинам шины I2C метеодатчик.
3. Подсоединить дисплей в разъемы e-f на схеме. Пин CS идет на пин 10 микрокомпьютера Ардуино.
4. Барометр вставляется в слот B, пины шины I2C.
5. Термометр подключается в слот C, пин 4. Для его работы потребуется дополнительный модуль подтяжки.
6. И, наконец, к слоту D и на пин 8 подключается картридер.

Программные компоненты

Для работы системы нужно «прошить» Ардуино соответствующей программой. Исходный текст доступен ниже по ссылке, а «залить» его в плату можно через Arduino IDE.

Заключение

Мы рассмотрели несколько примеров несложных приборов на Ардуино. Простота и доступность платформы и компонентов позволяет своими руками собрать функциональную и недорогую метеостанцию, которая справится и с задачами измерений дома/на даче, и с более серьезными вызовами, вплоть до научных исследований. А модульность Arduino дает возможность бесконечно дорабатывать и совершенствовать схемы, дополняя их новыми функциями — например, часами.

Источник: osensorax.ru