Учебный проект самодельной метеостанции

Создание принципиальной электрической схемы метеостанции

Анализ технического задания

Основная задача

Разработка учебного проекта метеостанции.

Требования, предъявляемые к разрабатываемому устройству

Устройство метеостанции должно удовлетворять следующим требованиям:

• обладать достаточной степенью надежности;
• иметь малые габаритные размеры, сохраняя при этом высокую функциональность;
• сохранять автономность работы длительный промежуток времени;
• обеспечивать сбор, обработку, хранение и передачу информации;
• встраиваемость в бортовые системы;
• возможность расширения функционала.

Функции

Разработанное учебное устройство метеостанции должно иметь возможность измерения и индикации следующих параметров:

• температуры;
• влажности;
• давления;
• высоты.

Кроме того, для учебного проекта метеостанции было решено задействовать звуковое и световое оповещение.

Подведение итогов

Разработанная метеостанция должна реализовывать заданный цикл регистрации, обработки и вывода информации. Данные должны быть представлены в числовой и графической форме, удобной для восприятия оператором.

Очевидно, что для выполнения поставленных задач следует использовать микропроцессорную систему.  Для этого в проекте метеостанции необходимо примененить микроконтроллер.

Так как в отличие от устройств, собранных на традиционной элементной базе, устройства с применением микроконтроллеров:

• проще;
• надежнее;
• не требуют регулировки;
• выигрывают по размерам.

Кроме того, появляется возможность по добавлению новых потребительских функций и возможностей. Что также является немаловажным фактором, говорящим в пользу микроконтроллера.

Выбор элементной базы для учебного проекта метеостанции

Микроконтроллер

Из всей широкой номенклатуры предлагаемых микроконтроллеров следует уделить внимание микроконтроллерам фирмы PIC.

Отличительной особенностью данных устройств является:

• хорошая преемственность различных семейств;
• программная совместимость;
• совместимость по выводам, периферии, напряжениям питания.

При выборе микроконтроллера PIC, остановим свой выбор на 8-битном микроконтроллере PIC16F883-I/SO. Число портов выбранного микроконтроллера является достаточным для подключения внешних устройств. Данный факт позволяет 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;
• высоты.

Пьезоизлучатель

Для звукового оповещение оператора в принципиальную электрическую схему добавим звуковые пьезоизлучатели. Данные элементы обладают оптимальными массогабаритными показателями. Низкая стоимость пьезоизлучателей также делает целесообразным их применение в разрабатываемом устройстве.

Устройства индикации

Получаемая и хранимая в памяти МК информация может отображаться:

• семисегментных индикаторов;
• жидкокристаллических дисплеев;
• другими специализированными устройствами.

Свой выбор средств отображения информации останавливаем на жидкокристаллическом дисплее. Выбранный ЖКИ позволяет получить необходимый объём информации при удовлетворительных показателях цены, габаритов и энергоёмкости.

Кнопки

Для полноценного функционирования метеостанции необходимо наличие клавиатуры или управляющих кнопок, которые также следует предусмотреть при разработке проекта.

Разъем программирования

Для разрабатываемого проекта метеостанции следует предусмотреть возможность обновления программного обеспечения микроконтроллера. Для этого на плате разрабатываемого устройства нужно установить разъём программирования.

Описание принципиальной электрической схемы метеостанции

Согласно представленным выше требованиям технического задания была разработана принципиальная электрическая схема, представленная ниже.

Принципиальная электрическая схема метеостанции содержит микроконтроллер PIC, выполняющий сбор, обработку, индикацию, оповещение. Кроме того, микроконтроллер обеспечивает управление исполнительными устройствами.

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.

Схема питания разработанной метеостанции

Питание метеостанции осуществляется от источника 12В. Данное напряжение поступает на разъем питания XS2 (PJ-037AH). С разъема XS2 напряжение 12B поступает на входы стабилизаторов 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).

Датчики спроектированной метеостанции

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.

Управление разработанной метеостанцией

Осуществляется с помощью кнопок.

Внешний сброс активируется, если на входе «MCLR» в течение 1,5 мкс удерживается логический ноль. Для этого используется кнопка SB1. На данный вывод микроконтроллера приходят также сигналы от разъема «ICSP». Поэтому контакты кнопки SB1 при программировании должны всегда находиться в разомкнутом состоянии.

Управление и навигация метеостанцией осуществляется блоком кнопок SB2…SB5.

Индикация и устройства оповещения в проекте метеостанции

Режим работы, информационные сообщения, текущие показатели, а также результаты самодиагностики отображаются жидко-кристаллическим дисплеем. Для данного проекта метеостанции выбран четырёхстрочный 16-разрядный ЖК-дисплей WH1604B-YYH-CT# фирмы Winstar (H1). Управление яркостью подсветки дисплея осуществляется с помощью триммера R21 (3214G) фирмы Bourns.

Дистанционная индикация режимов работы метеостанции осуществляется:

• светодиодами HL2…HL4 (ARL-2835CW-L80);
• пьезокерамическими звукоизлучателями BA1, BA2.

Светодиод HL2 служит для индикации работы схемы. Его свечение служит признаком нормальной работы устройства. Свечение двух других светодиодов служит признаком отклонения от нормального режима работы:

• HL3 – предупреждение
• HL4 – критическая ошибка или угроза жизни и здоровью персонала.

Управление исполнительными устройствами

Для расширения функционала разрабатываемой метеостанции в принципиальную электрическую схему добавлено реле HFD3. Две контактные группы которого подключены к клеммным колодкам X1 и X2. Это дает возможность управлять внешними исполнительными устройствами, подключенными к данным клеммникам. Управление режимом работы реле K1 осуществляется микроконтроллером DD1 (вывод 17). Транзистор VT2 усиливает сигнал управления.

Индикация режима работы реле отображается светодиодным индикатором HL1.

Выбор типа корпусов для разработанного проекта метеостанции

Большая часть элементной базы реализована на поверхностно-монтируемых компонентах (SMD монтаж). Это позволяет:

• снизить себестоимость разрабатываемого устройства;
• повысить перспективность будущих разработок .

Разработка печатной платы метеостанции

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

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

Выводы по разработке метеостанции

По результатам разработки проекта метеостанции был сделан ряд выводов. При следующей модификации разработанного устройства было решено внести следующие изменения в конструкцию:

• добавить дополнительный литиевый источник питания;

Введение данного изменения в схему повысит автономность работы спроектированной метеостанции. Например, при перебоях и неисправностях питающей бортовой сети.

• заменить два светодиода аварийного режима – RGB модулем;
• расширить возможности управления исполнительными устройствами, задействовав больше линий микроконтроллера;
• улучшить эргономику;
• добавить в слой шелкографии подписи кнопок и светодиодных индикаторов.

Всё это необходимым сделать после отладки работы печатной платы и проведения испытаний метеостанции.

Файлы проекта метеостанции

• Принципиальная электрическая схема самодельной метеостанции (формат DIPTRACE);
• Печатная плата самодельной метеостанции (формат DIPTRACE);
• Сборочный чертеж самодельной метеостанции (jpeg – файл);
• 3D модель печатной платы метеостанции (step формат).

Помощь в разработке

Нужна помощь в разработке электронного проекта печатной платы? Пишите.