Для наблюдения за погодой обычно используют несколько приборов, каждый из которых измеряет один параметр. В последнее время в продаже появились портативные электронные метеостанции зарубежного производства, но они довольно дороги. Автор предлагаемой статьи попытался разработать любительскую конструкцию подобного устройства.
Метеостанция может измерять три параметра: скорость ветра, температуру и атмосферное давление. Информация поочередно (через 6 с) выводится на четырехразрядный семиэлементный светодиодный индикатор. Еще четыре разряда постоянно отображают текущее время: часы и минуты с мигающей децимальной точкой.
Схема метеостанции показана на рис. 1.
(нажмите для увеличения)
В основе устройства - микроконтроллер (однокристальная микроЭВМ) КМ1816ВЕ51 или КМ1816ВЕ751 (DD1). Трехканальный мультиплексор на микросхемах DD5, DD6 обеспечивает поочередное подключение одного из трех датчиков. Далее сигнал поступает на усилитель DA2, а затем - на вход преобразователя напряжение-частота DA3.
Конфигурация метеостанции может быть различна. Например, по двум каналам можно измерять температуру (на улице и в доме), а по третьему - давление
Информация на восьмиразрядный дисплей поступает с контроллера по последовательному каналу. Это позволяет выносить дисплей (вместе с регистрами и дешифраторами DD2-DD4) на значительное расстояние.
Все управление (установка часов, минут, включение и отключение каналов) осуществляется тремя кнопками SB1-SB3. Кнопкой SB1 производят выбор часов, минут, канала измерения, установку часов или минут в сторону уменьшения или отключение канала, если мигают децимальные точки выбранного параметра. Кнопкой SB3 корректируют часы в сторону увеличения и включают канал, если мигают децимальные точки выбранного параметра. Кнопка SB2 выполняет функцию "установка/выбор". Она работает в триггерном режиме. Если после выбора параметра (одной из кнопок SB1, SB3) нажать SB2, децимальные точки у выбранного параметра начинают мигать, теперь возможна установка параметра кнопками SB1 и SB3.
Сигналы от контроллера последовательно, через 6 с, подключают очередной датчик к входу усилителя DA2. Синхронно с выбором датчика на входе DA3 изменяется положительное смещение. Эта микросхема формирует на выходе сигнал, частота которого линейно зависит от напряжения на входе.
Задавать начальное смещение необходимо всем датчикам, в том числе и датчикам, работающим от нуля (датчик скорости ветра), так как для определения знака температуры из полученного результата программно вычитается константа 3000 (десятичное), а программа обработки результата измерения одинакова для всех трех каналов. Это делает прибор более гибким: нет жесткой привязки датчиков к определенным каналам, возможно подключение на двух или трех каналах датчиков температуры, можно использовать любой из каналов для самодельных экспериментальных датчиков (датчик влажности, например).
С выхода микросхемы DA3 импульсный сигнал поступает на вход первого таймера/счетчика микроконтроллера. При этом второй таймер запрограммирован как делитель тактовой частоты и формирует сигнал 625 Гц для динамической индикации (сканирование дисплея) и интервал времени 1 с, в течение которого первый таймер подсчитывает импульсы от DA3. Далее из полученного двухбайтового числа в первом таймере вычитается константа 3000 (десятичное), абсолютное значение результата делится на 4, округляется, производится десятичная коррекция и гашение незначащих нулей.
Вывод информации производится через последовательный порт в режиме синхронной передачи (сдвиговый регистр). Канальная информация, меняясь каждые 6 с, отображается на правом четырехразрядном индикаторе (HG3, HG4), а часы и минуты - на левом (HG1,HG2).
Конденсатор С9 является частотозадающим, отсюда особые требования к его точности и ТКЕ. Можно применить К31-10. Емкость конденсатора С9 - 4020±40 пФ. Конденсатор С8 - с допуском 5%. Дорогую микросхему КМ1816ВЕ751 (керамический корпус УФПЗУ) можно заменить на AT89S52 с флэш-памятью программ. В таблице дана прошивка контроллера DD1.
(нажмите для увеличения)
Датчиком температуры RK1 служит медный резистор ЭСМ-03-ГР23. Его легко изготовить и самому: из медного провода диаметром 0,15 мм намотать бухту диаметром 50 мм и, придав ей удлиненную форму, поместить в футляр от шариковой ручки, предва рительно залив туда герметик ВГО-1. Если в приборе предполагается использовать только один термодатчик, нет необходимости в точной подгон кг его сопротивления: R = 50 ± 5 Ом. Можно применить и интегральный термодатчик К1019ЕМ1, но так как при номинальном токе 1 мА и нулевой температуре напряжение на датчике, равное 2,73 В, введет усилитель DA2 в насыщение, то начальное смещение нужно подать на инвертирующий вход DA2. При этом нужно установить резистор R' и отпаять R18.
Датчики абсолютного атмосферного давления производят отечественные фирмы: МИДА-ДА-53 (МИДА, г. Ульяновск), ТДМ2-А, ПАД-К01 (ЗАО "ИЦНТ", г. Зеленоград). Датчики иностранных фирм Bosch и Motorola стоят дороже отечественных. Например, датчик МРХ 2200АР фирмы Motorola стоит 15 долларов и уступает нашим датчикам по основным параметрам: чувствительности и температурной зависимости Такой датчик можно купить на радиорынках.
Возможная конструкция датчика скорости ветра показана на рис. 2.
Здесь: 1 - конус из оцинкованного железа (диаметр в основании - 80 мм, высота - 75 мм); 2 - защитный экран из оцинкованного железа (припаян к оси); 3 - капролоновые подшипники; 4 - ось диаметром 8 мм из нержавеющей стали; 5 - тахогенератор G1 (электродвигатель ДПН-ЗОН-19); 6 - муфта из резинового шланга (лучше применить вакуумную резину); 7 - кронштейн; 8 - цилиндр; 9 - стальные спицы диаметром 4 и длиной 320 мм.
Налаживание метеостанции заключается в ее калибровке с помощью промышленных термометров и барометров. Сложнее (из-за отсутствия образцового прибора) откалибровать канал измерения скорости ветра. При указанных на рис. 2 размерах и использовании в качестве тахогенератора электродвигателя ДПМ-ЗОН-19 экспериментально получена следующая зависимость: U-740·n, где U - вырабатываемое тахогенератором напряжение в милливольтах; n - скорость ветра в метрах в секунду.
Подстроечными резисторами R24-R26 регулируют смещение, a R12-R14 - крутизну преобразования.
Анемометр будет намного точнее и сделать его проще, если вместо тахогенератора использовать оптопару светодиод-фотодиод с вращающимся между ними обтюратором, Сигнал с фотодиода можно подать непосредственно на вход микроконтроллера.
Таблица прошивки
Автор: С.Семилетников, г.Москва