Учебный проект самодельной метеостанции

Проект метеостанции Готовые работы

Разработка принципиальной электрической схемы метеостанции

Задачей данного проекта является разработка устройства метеостанции. Среди всевозможных функций, которые можно задействовать в разрабатываемом устройстве первостепенное значение имеют следующие:

  • определение температуры;
  • определение влажности;
  • определение давления;
  • определение высоты;
  • звуковое и световое оповещение;
  • удобное управление.

Разрабатываемая метеостанция должна реализовывать заданный цикл с регистрацией, обработкой и выводом информации в числовую и графическую формы, удобные для восприятия оператором. Кроме того, разрабатываемое устройство должно иметь малые габаритные размеры и обладать достаточной степенью надежности.
Очевидно, что для выполнения поставленных задач следует использовать микропроцессорную систему с применением микроконтроллерных технологий. Так как в отличие от устройств, собранных на традиционной элементной базе устройства с применением микроконтроллеров, становятся проще, надежнее, не требуют регулировки и выигрывают по размерам. С применением микроконтроллера появляется возможность по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующему устройству, что также является немаловажным фактором, говорящим в пользу микроконтроллера.
Из всей широкой номенклатуры предлагаемых микроконтроллеров следует уделить внимание микроконтроллерам фирмы PIC отличительной особенностью которых является хорошая преемственность различных семейств: программная совместимость (общие средства разработки: бесплатная IDE MPLAB, общие библиотеки, общие стеки наиболее популярных протоколов передачи данных), совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания.
При выборе микроконтроллера PIC, остановим свой выбор на 8-битном микроконтроллере PIC16F883-I/SO с числом портов, а, следовательно, и линий достаточным для подключения внешних устройств, что позволит упростить схему, повысить её надёжность, уменьшить габариты.
Для получения информации о параметрах окружающей среды следует задействовать в разрабатываемой принципиальной электрической схеме датчики: влажности, температуры, давления и высоты.
Для звукового оповещение оператора и обслуживающего персонала в принципиальную электрическую схему добавим звуковые пьезоизлучатели, обладающие оптимальными массогабаритными показателями и стоимостью оптимальной для применения в разрабатываемом устройстве.
Получаемая и хранимая в памяти МК информация может отображаться посредством семисегментных индикаторов, жидкокристаллических дисплеев, а также других специализированных устройств. При выборе средств отображения информации останавливаем свой выбор на жидкокристаллическом дисплее, который позволит получить весь необходимый объём информации при удовлетворительных показателях цены, габаритов и энергоёмкости. В настоящее время для управления подавляющего числа жидкокристаллических индикаторов используется специальный драйвер, обеспечивающий формирование необходимых сигналов, а также последовательный интерфейс с устройством управления, подключаемым, как правило, к одному из портов микроконтроллера. ЖКИ бывают различных типов.
Для полноценного функционирования метеостанции необходимо наличие клавиатуры или управляющих кнопок, которые также следует предусмотреть при разработке.
Чтобы сохранить возможность перепрограммирования микроконтроллера (добавления новых функций) на плате разрабатываемого устройства нужно установить разъём для обновления программного обеспечения.

Описание принципиальной электрической схемы

Согласно представленным выше требованиям, а также рекомендациям к разработке была разработана принципиальная электрическая схема, представленная ниже.
Принципиальная электрическая схема метеостанции содержит микроконтроллер PIC, выполняющий сбор, обработку, индикацию, оповещение, а также обеспечивающий управление исполнительными устройствами.

Принципиальная электрическая схема метеостанции
Рисунок 1 — Принципиальная электрическая схема разработанной метеостанции

Для нормального функционирования любого микроконтроллера требуется выполнить ряд условий: подать питание, обеспечить генерацию тактовых импульсов, организовать начальный сброс, подключить периферию к входам-выходам.
Тактовая частота контроллера метеостанции задаётся кварцевым резонатором ZQ1 (HC-49SM) 8 МГц, подключенным к выводам 9, 10 микроконтроллера.
Питание метеостанции осуществляется от источника 12В. Данное напряжение поступает на разъем питания XS2 (PJ-037AH). С разъема XS2 12B поступают на входы стабилизаторов напряжения DA1(L78L05ABUTR) и DA2(L78L33ABUTR). Стабилизатор напряжения DA1 запитывает всю схему метеостанции, включая микроконтроллер DD1.
Стабилизатор DA2 служит для питания датчика давления и высоты B2 (HP206C).
Датчика температуры B1 реализован на микросхеме DS18B20 и подключен к выводу 11 порта С микроконтроллера DD1 (PIC16F883).
Данные по влажности регистрируются датчиком влажности B3 (HIH-4030), подключенным к выводу 7 порта А микроконтроллера.
Внешний сброс активируется, если на входе «MCLR» в течение 1,5 мкс удерживается логический ноль для этого используется кнопка SB1. Поскольку на данный вывод микроконтроллера приходят также сигналы от разъема «ICSP», то контакты кнопки SB1 при программировании должны всегда находиться в разомкнутом состоянии.
Управление и навигация метеостанцией осуществляется блоком кнопок SB2…SB5.
Режим работы, информационные сообщения, текущие показатели, а также результаты самодиагностики отображаются посредством четырёхстрочного 16-разрядного ЖК-дисплея H1 (WH1604B-YYH-CT#) фирмы Winstar. Управление яркостью подсветки дисплея осуществляется с помощью триммера R21 (3214G) фирмы Bourns.
Дистанционная индикация режимов работы метеостанции осуществляется светодиодами HL2…HL4 (ARL-2835CW-L80) и пьезокерамическими звукоизлучателями BA1, BA2. Светодиод HL2 служит для индикации работы схемы. Его свечение служит признаком нормальной работы устройства. Свечение двух других вышеназванных светодиодов (YL2 требует обратить внимание на предупреждение (HL3), либо критическую ошибку или угрозу жизни и здоровью персонала (HL4).
Для того, чтобы расширить возможности разрабатываемой метеостанции – в принципиальную электрическую схему добавлено реле K1 (серии HFD3), две контактные группы которого подключены к клеммным колодкам X1 и X2. Это дает возможность управлять внешними исполнительными устройствами, расширяя функционал разработанного устройства метеостанции. Управление режимом работы реле K1 осуществляется выводом 17 микроконтроллера DD1 через транзистор VT2. Индикация режима работы реле отображается светодиодным индикатором HL1.
Для снижения себестоимости разрабатываемого устройства в настоящем, а также для повышения перспективности будущих разработок большая часть элементной базы реализована на поверхностно-монтируемых компонентах (SMD монтаж).
Микроконтроллер DD1 (PIC16F883) корпус SOIC-28/300mil, керамические резисторы и конденсаторы типоразмера 1206,1210, электролитические алюминиевые конденсаторы поверхностного монтажа типоразмером 1206, транзисторы SOT-23, стабилизаторы SOT-89, светодиоды SMD2835.

Печатная плата метеостанции

Разработанная печатная плата метеостанции представлена на рисунках 2 (верхняя сторона) и 3 (нижняя сторона).

Верхняя сторона печатной платы метостанции
Рисунок 2 — Верхняя сторона печатной платы метеостанции
Нижняя сторона печатной платы метеостанции
Рисунок 3 — Нижняя сторона печатной платы метеостанции

Разработанный сборочный чертеж для изготовления самодельной печатной платы метеостанции представлен на рисунке 4.

Сборочный чертеж печатной платы метеостанции
Рисунок 4 — Сборочный чертеж печатной платы метеостанции с техническими требованиями и вариантами установки компонентов

Выводы

Во время разработки конструкции принципиальной электрической схемы метеостанции и проектирования её печатной платы был сделан вывод об изменениях, которые необходимо провести при следующей модификации разработанного устройства: добавить дополнительный литиевый источник питания с возможностью работы схемы в автономном режиме при возможных перебоях и неисправностях питающей бортовой сети, заменить два светодиода аварийного режима – RGB модулем, расширить возможности управления исполнительными устройствами задействовав больше линий микроконтроллера, улучшения эргономики, а также добавление в слое шелкографии подписи кнопок и светодиодных индикаторов. Всё это необходимым сделать после отладки работы печатной платы и проведения испытаний метеостанции.

Файлы для скачивания

Принципиальная электрическая схема самодельной метеостанции – скачать файл в формате DIPTRACE.

Печатная плата самодельной метеостанции – скачать файл в формате DIPTRACE.

Сборочный чертеж самодельной метеостанции – скачать файл в формате jpeg.

3D модель печатной платы метеостанции – скачать файл.

pcbdesigner.ru
Оцените автора
Сайт разработчика печатных плат