Анемометр – востребованное устройство в разных сферах деятельности. Оно позволяет измерить скорость ветра, воздушного потока. На сегодняшний день прибор анемометр можно встретить в различных отраслях деятельности:

На станциях метеорологии, которые работают с целью наблюдения за погодой.

В аэропортах. Ими пользуется служба безопасности полетов.

Для определения тяги в системах вентиляции в отраслях добычи горных пород и угля.

В строительстве анемометры используются для обеспечения безопасности: прибор закрепляют на верхней части стрелы крана. При достижении скорости ветра выше заданного параметра работы проводить запрещается.

В сельском хозяйстве данный прибор используется при проведении обработки посевов средствами химической защиты и удобрениями.

Основная проблема всех данных устройств на рынке – это цена и не совершенность. Один анемометр стоит порядка 2000 рублей, а если взять в расчет еще электронный блок управления, то это цифра может доходить до 20000 рублей.

Я предлагаю более простое устройство выполняющее функции измерения скорости ветра и регуляции температуры по наиболее меньшей цене.

Перед устройством стоят задачи :

1. Определять скорость ветра.

2. Выводить скорость на дисплей для уведомления.

1. Обзор существующих решений

В зависимости от принципа действия, прибор для измерения скорости ветра изготавливается в трех вариантах:

Механический. За счет движения воздуха в них происходит вращение отдельных элементов. В данную категорию относится анемометр чашечный и крыльчатый (или лопастной). Они отличаются между собой конструкцией элемента, который воспринимает потоки воздуха. Анемометр крыльчатый. Данный прибор способен определить скорость движения воздуха, которая находится в интервале от 0,5 до 45 м/с. Кроме того, данное устройство позволяет измерять температуру, которая находится в пределах от минус 50 до плюс 100 градусов. Конструкция анемометра такова, что ветер воспринимается лопастной крыльчаткой. Это небольшое легкое колесико, которое от механических воздействий защищается металлическим кольцом. Принцип его работы напоминает вентилятор или мельницу. Под действием ветра крыльчатка начинает вращаться. По системе зубчатых колес ее вращение передается на стрелки счетного механизма.

Анемометр чашечный способен производить измерения только в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси вращения. Конструкция прибора представляет собой 4 чашки в форме полусфер, которые одеты на симметричные крестообразные спицы ротора.

Нагревательные (или тепловые). В их конструкцию входит нагревательный элемент (обычно это простая накаливаемая проволока). Под воздействием движущихся воздушных масс данный элемент остывает. Прибор определяет степень снижения температуры. Ультразвуковые, которые измеряют скорость движения звука. Звук, проходя сквозь движущийся газ, обладает различной скоростью. Если он движется навстречу ветру, то его скорость будет ниже. И наоборот, при движении в одну сторону с ветром, его скорость будет выше, чем в неподвижном воздухе. Принцип работы подобных анемометров заключается в определении электрического сопротивления проволоки. Данное значение изменяется в зависимости от температуры, которая снижается за счет движущегося потока воздуха. Это подобно тому, как в солнечный жаркий день ветерок холодит кожу.

Конструкция анемометра представляет собой металлическую нить накаливания (из платины, нихрома, серебра, вольфрама и других металлов), которая разогревается электрическим током до температуры, превышающей температуру окружающей среды.

Преимущество моей разработки это простота сборки и более дешевая цена по сравнению с аналогами.

2. Разработка структурной схемы

1) Основным структурным звеном является плата Arduino UNO. Микроконтроллер считывает данные с датчика Холла A3144

и передает их на дисплей .

3. Разработка принципиальной схемы.

Для разработки принципиальной схемы я воспользовался программой Proteus 8.8, что бы убедиться в том, что устройство работает правильно.

Мне понадобилось:

1) Дисплей LCD1602;

2) Датчик Холла A3144

3) Плата Arduino UNO;

4) Соединительные провода;

5) USB для прошивки платы .

Плата Arduino UNO

Вместо микроконтроллера я выбрал плату Arduino UNO. У платы есть все необходимые компоненты для обеспечения работы микроконтроллера. Достаточно подключить USB кабель к компьютеру и подать питание.

Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств, для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.

Рассылаемые в настоящее время версии могут быть заказаны уже распаянными. Информация об устройстве платы (рисунок печатной платы) находится в открытом доступе и может быть использована теми, кто предпочитает собирать платы самостоятельно. Микроконтроллеры ATmega328 дёшевы и стоят около 200 рублей.

У Arduino Uno:

1) 14 цифровых портов входа-выхода ( 6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции);

2) 6 аналоговых входов;

3) частота тактирования 16 МГц;

4) USB порт;

5) разъем питания;

6) разъем внутрисхемного программирования;

7) кнопка сброса.

.

Технические характеристики.

Тип микроконтроллера

ATmega328P

Напряжение питания микроконтроллера

5 В

Рекомендуемое напряжение питания платы

7 – 12 В

Предельно допустимое напряжение питания платы

6 – 20 В

Цифровые входы-выходы

14 (из них 6 поддерживают ШИМ)

Выходы ШИМ модуляции

6

Аналоговые входы

6

Допустимый ток цифровых выходов

20 мА

Допустимый ток выхода 3,3 В

50 мА

Объем флэш памяти (FLASH)

32 кБ (из которых 0,5 кБ используется загрузчиком)

Объем оперативной памяти (SRAM)

2 кБ

Объем энергонезависимой памяти (EEPROM)

1 кБ

Частота тактирования

16 мГц

Длина платы

68,6 мм

Ширина платы

53,4 мм

Вес

25 г

3.2 LCD дисплей.

Жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display) сокращенно LCD построен на технологии жидких кристаллов. При проектировании электронных устройства, нам нужно недорогое устройство для отображения информации и второй не менее важный фактор, наличии готовых библиотек для Arduino.

Из всех доступных LCD дисплеев на рынке, наиболее часто используемой является LCD 1602, который может отображать ASCII символа в 2 строки (16 знаков в 1 строке) каждый символ в виде матрицы 5х7 пикселей. Существует огромное количество разновидностей данного ЖК модуля, он может быть 1,2, 4 –ех строчный с различным числом символов на строке.

LCD 1602 представляет собой электронный модуль основанный на драйвере HD44780 от Hitachi. LCD1602 имеет 16 контактов и может работать в 4-битном режиме (с использованием только 4 линии данных) или 8-битном режиме (с использованием всех 8 строк данных), так же можно использовать интерфейс I2C. Что не маловажно, так как нам нужно экономить ножки.

Я выбрал дисплей у которого 2 строки. Подключил к плате Arduino UNO через I2C интерфейс c помощью I2C модуля и SDA,SCL порты Arduino UNO.

Рис.6

3.3 Датчик Холла A3144

Датчик Холла — датчик, работающий на эффекте Холла (возникновение поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле). Датчик Холла A3144 — цифровой датчик (на выходе только 2 состояния — LOW и HIGH), идентифицирующий наличие магнитного поля, в непосредственной близости от датчика.

Рис.7

Схема датчика, и его корректное подключение (подтягивающий резистор на 10 КОм обязателен, без него датчик не генерирует сигнал)

Рис.8(а,б)

Таким образом, пока датчик не подвержен воздействию внешнего магнитного поля, на выходе присутствует логическая единица HIGH. Если датчик поместить в магнитное поле, происходит открытие транзистора и на выходе (OUTPUT) появляется логический ноль LOW. Далее с датчиком необходимо работать как с обычным цифровым элементом, например, кнопкой. Встроенный триггер Шмитта обеспечивает скоротечность переходного состояния.

4.Разработка программной части

4.1 Разработка программы устройства

Код программы:

#include <LiquidCrystal.h>

unsigned long lastflash;

float RPM;

LiquidCrystal lcd(13, 11, 7, 6, 5, 4);// Настройка пинов дисплея

void setup()

{

attachInterrupt(0,sens,RISING); //подключить прерывание на 2 пин при повышении сигнала

pinMode(3, OUTPUT);

digitalWrite(3, HIGH);

// устанавливаем размер (количество столбцов и строк) экрана

lcd.begin(16, 2);

lcd.setCursor(0, 0);

// печатаем вторую строку

lcd.print("WIND SPEED");

}

void sens() {

RPM=60/((float)(micros()-lastflash)/1000000); //расчет

lastflash=micros(); //запомнить время последнего оборота

}

void loop()

{

if ((micros()-lastflash)>1000000){ //если сигнала нет больше секунды

RPM=0; //считаем что RPM 0

}

lcd.setCursor(0, 1);

// печатаем вторую строку

lcd.print(RPM/60.00);

lcd.print(" m/s ");

delay(50); //задержка для стабильности

}

4.2 Выбор среды программирования.

Основа языка программирования модуля Arduino — это язык Си (скорее Си++).

Любая программа — это последовательность двоичных чисел. А программирование — это умение правильно записывать правильные последовательности двоичных чисел. Достаточно давно для записи программ стали использовать специальные средства, которые называются языками программирования.

Ближе всего к записи программы с помощью двоичных чисел, язык ассемблер. Для него характерно соответствие команд языка двоичным командам, понятным процессору. Но кодирование программ на ассемблере требует больших усилий и ближе к искусству, чем к формальным операциям. Более универсальны и легче в применении языки высокого уровня, как Бэйсик или Си.

В языке программирования СИ++ легко найти нужную библиотеку.

4.3 Моделирование рабочего устройства

Устройство я смоделировал в программе Proteus, что бы проверить работу.

Proteus — пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем.

Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов, принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета PROTEUS является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и проч. Библиотека компонентов содержит справочные данные. Дополнительно в пакет PROTEUS входит система проектирования печатных плат. Пакет Proteus состоит из двух частей, двух подпрограмм: ISIS — программа синтеза и моделирования непосредственно электронных схем и ARES — программа разработки печатных плат. Вместе с программой

устанавливается набор демонстрационных проектов для ознакомления.

Заключение:

В данной курсовой работе мне было предложено решить вопрос с измерением скорости ветра. С использованием датчика Холла и с дисплеем.

Я собрал устройство анемометр ,которое очень пригодится для использования во многих отраслях . Оно, несомненно, имеет преимущества по сравнению с аналогами .

Устройство собрано в среде Proteus. Программа для устройства написана на языке С++. Разработанное мной устройство полностью соответствует техническому заданию, работает исправно.