Регистратор данных Arduino Pro-mini: 15 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Инструкции по сборке для регистратора данных Pro-mini Arduino с открытым исходным кодом

Заявление об ограничении ответственности: следующий дизайн и код можно загрузить и использовать бесплатно, но на него не распространяется никаких гарантий или гарантий.

Прежде всего, я должен поблагодарить и продвигать талантливых людей, которые вдохновили идею этого регистратора данных и внесли свой вклад в используемый код и датчики. Во-первых, идея регистратора данных пришла из очень хорошо спроектированного и хорошо объясненного (извините, наш учебник не так хорош) регистратора данных Эдварда Мэллона: https://thecavepearlproject.org/2017/06/19/ ардуин…

Во-вторых, используемые здесь датчики влажности почвы с открытым исходным кодом, а также код / библиотека для их запуска были разработаны и изготовлены Catnip Electronics. Это датчики высокого качества и очень прочные. Информация о том, где их купить и получить код для их запуска (спасибо, Инго Фишер), приведена ниже.

Шаг 1. Необходимые материалы, инструменты, оборудование

Плата Pro-mini Arduino. Для этого приложения мы используем открытые (как и все наши части) клоны pro-mini китайского производства (5 В, 16 МГц, микропроцессор ATmega 326) (рис. 1a). Эти платы можно купить на Aliexpress, Ebay и подобных сайтах менее чем за 2 доллара США. Однако другие платы можно использовать так же легко (обратите внимание на требования к напряжению необходимых датчиков, а также на требования к программной памяти).

Модуль регистрации SD-карты и часов реального времени (RTC), выпущенный Deek-Robot (ID: 8122) (рис. 1b). Этот модуль включает DS13072 RTC и кардридер micro-sd. Эти платы стоят менее 2 долларов США и очень надежны.

Адаптер с винтовым зажимом для Arduino nano (да - «нано») также выпускает Deek-Robot, который можно приобрести менее чем за 2 доллара США на Aliexpress или аналогичном (Рис. 1c). Как видите, мы просто любим Алиэкспресс.

Сплошной изолированный провод 22 калибра (рис. 1г).

Блок регистратора данных (рис. 1д). Мы используем «исследовательские» коробки, но недорогая пластиковая посуда отлично работает в большинстве ситуаций.

Батарейный отсек для 4 никель-металлгидридных батареек AA (рис. 1е). Их можно купить на Алиэкспресс за ок. По 0,20 доллара (да - 20 центов). Не тратьте деньги на более дорогие аккумуляторные отсеки.

Солнечная панель мощностью 6 В, около 1 Вт. Можно приобрести на Aliexpress менее чем за 2 доллара США.

Паяльник, припой, пастообразный флюс.

Пистолет для горячего клея.

Шаг 2. Инструкции по сборке

Время, необходимое для сборки: от 30 до 60 мин.

Подготовьте нано-переходник для пайки.

Для этой демонстрации мы подготовим нано-винтовой клеммный адаптер, чтобы облегчить подключение трех датчиков влажности почвы I2C. Однако, проявив немного творчества, винтовые клеммы можно подготовить по-разному, чтобы облегчить работу других устройств. Если вы не знаете, что такое I2C, посетите следующие веб-сайты:

howtomechatronics.com/tutorials/arduino/ho…

www.arduino.cc/en/Reference/Wire

Идея использовать нано-винтовые адаптеры была взята из замечательной конструкции логгера Эдварда Мэллона:

thecavepearlproject.org/2017/06/19/arduino…

Обрежьте следы на обратной стороне винтовой клеммы между большим и малым контактами в положениях 3, 5, 9, 10 и 11 (считая от верхней части клеммы) (рис. 2). Эти дорожки соответствуют меткам «RST», «A7», «A3», «A2» и «A1» на винтовом зажиме. Обрезать следы будет намного проще, если у вас есть инструмент типа «Дремель», но если у вас его нет, вам легко подойдет небольшой нож. Не порежься! Обратите внимание, что метки на винтовой клемме и на pro-mini не одинаковы (у nano и pro-mini несколько контактов находятся в разных местах). Это одно из неудобств этой конструкции, но при желании достаточно легко перемаркировать клеммную колодку, когда вы закончите.

Тщательно соскребите (с помощью Dremel или маленького ножа) тонкий слой эпоксидной смолы, непосредственно прилегающий к большим контактам 9, 10 и 11 (помеченным как «A3», «A2», «A1» на нано-терминале) (рис. 2). Открытое медное покрытие под эпоксидной смолой заземлено на плату Arduino pro-mini. Позже мы припаяем эту открытую секцию к соседним контактам, получив таким образом три заземленных винтовых зажима.

Шаг 3. Инструкции по сборке

Отрежьте восемь отрезков изолированного провода калибра 22 длиной 8 см и снимите изоляцию примерно на 5 мм с одного конца и на 3 мм с другого конца. Мы рекомендуем использовать одножильный провод.

Возьмите четыре таких провода, согните один конец на 90 градусов (конец с 5 мм или оголенным проводом) и припаяйте * поперек * (т.е. соединив все контакты с большим количеством припоя и флюса) к следующим точкам:

Провод 1: большие контакты 3, 4 и 5 (помечены «RST», «5V», «A7» на нано-терминале). Мы изменим эти три винтовых клеммы на три клеммы VCC (рис. 3).

Шаг 4. Инструкции по сборке

Провод 2: большие контакты 9, 10 и 11 (обозначены как «A3», «A2», «A1» на нано-терминале), а также обнаженное медное покрытие, которое было обнажено ранее. Используйте много припоя. Не волнуйтесь, если это выглядит неаккуратно. Мы изменим эти три винтовые клеммы на три клеммы заземления (-) (рис. 4).

Шаг 5. Инструкции по сборке

Провод 3: большие контакты 13, 14 и 15 (обозначены «REF», «3V3», «D13» на нано-терминале). Мы изменим эти три винтовых клеммы на три клеммы A5 SCL для связи I2C (рис. 5).

Шаг 6. Инструкции по сборке

Провод 4: большие контакты 28, 29 и 30 (помечены «D10», «D11», «D12» на нано-терминале). Мы изменим эти три винтовых клеммы на три клеммы A4 SDA для связи I2C (рис. 6).

Шаг 7. Инструкции по сборке

Припаяйте по одному проводу к каждому из маленьких (я повторяю - маленьких) контактов 9, 10 и 11 (обозначенных «A3», «A2», «A1» на нано-терминале) (рис. 7).

Шаг 8: Инструкции по сборке

Припой

оставшийся провод к большому контакту 22 (обозначен как «D4» на нано-терминале) (рис. 8).

Шаг 9: Инструкции по сборке

Припаяйте свободный конец каждого провода к соответствующим отверстиям на экране логгера Deek-Robot (рис.9):

большой штифт 'RST + 5V + A7' к отверстию для штифта 5V

большой штифт 'A3 + A2 + A1' к отверстию для контакта GND

маленький штифт A3 в отверстие для штифта SCK

маленький штифт 'A2' в отверстие для штифта MISO

маленький штифт A1 в отверстие для штифта MOSI

большой штифт 'REF + 3V3 + D13' к отверстию для штифта SCL

большой штифт 'D10 + D11 + D12' в отверстие для штифта SDA

и большой штифт D4 в отверстие для штифта CS.

Шаг 10: Инструкции по сборке

Обратите внимание, что здесь мы предоставляем нано-этикетки только для удобства подключения. Эти метки не будут соответствовать контактам на плате pro-mini, когда она вставлена в винтовой зажим.

Припаяйте два провода длиной 6 см в отверстия A4 и A5 с нижней стороны платы pro-mini (рис. 10).

Шаг 11: Инструкции по сборке

Припаяйте контакты к плате pro-mini и вставьте ее в готовый винтовой зажим. Не забудьте вставить провода A5 и A4 в клеммы D12 (A4) и D13 (A5) на плате nano. Всегда помните, что контакты на этикетках Arduino и винтовых клемм не будут точно совмещены (платы pro-mini и nano имеют разное расположение контактов).

Вставьте батарею CR 1220 и карту micro-sd в плату регистратора. Мы используем SD-карты емкостью менее 15 ГБ, так как у нас были проблемы с картами большей емкости. Мы используем форматирование карт в FAT32.

Наконец, закройте все паяные соединения и прикрепите все провода к клеммной колодке горячим клеем.

Теперь плата готова к использованию. Готовая доска должна теперь выглядеть так: Рис. 11.

Шаг 12: Настройка регистратора данных для использования в полевых условиях

Чтобы ваш регистратор данных не опрокинулся в коробке регистратора данных, а также для обеспечения легкого доступа к контактам связи, мы рекомендуем сделать стабилизирующую платформу. Платформа также удерживает электронику на расстоянии не менее нескольких сантиметров от дна коробки на случай затопления. Мы используем 1,5-миллиметровый акриловый лист и соединяем его с регистратором данных с помощью 4-миллиметровых болтов, гаек и шайб (рис. 12).

Шаг 13:

Мы используем емкостные датчики влажности почвы I2C с открытым исходным кодом. Мы покупаем их в Catnip Electronics (веб-сайт ниже). Их можно купить на Tindie по цене около 9 долларов США за стандартную модель и около 22 долларов США за модель повышенной прочности. Мы использовали защищенную версию в полевых экспериментах. Они очень надежны и предлагают такую же производительность, как и гораздо более дорогие коммерческие альтернативы (мы не будем никого выставлять на Front Street, но вы, вероятно, знаете обычных подозреваемых).

Датчик Catnip Electronics I2C, представленный в этом руководстве:

купить здесь:

библиотека arduino:

библиотека arduino на Github:

Подсоедините желтый провод от датчика I2C к одной из винтовых клемм A5. Подключите зеленый провод от датчика I2C к одной из клемм A4. Красный и черный провода от датчика идут к клеммам VCC и заземления соответственно.

Поместите четыре заряженных никель-металлгидридных аккумулятора в аккумуляторный отсек. Подключите красный (+) провод к контакту RAW на регистраторе данных (т. Е. Контакту RAW на плате pro-mini) (но см. Раздел «Энергосбережение» ниже). Подсоедините черный (-) провод к одному из контактов заземления регистратора данных.

Для длительного использования в полевых условиях прикрепите к регистратору солнечную панель мощностью 6 В и мощностью 1 Вт. Солнечная панель будет использоваться для работы регистратора данных и зарядки аккумуляторной батареи в течение дня и работает даже при облачном небе (хотя снег - проблема).

Сначала припаяйте диод Шоттки ~ 2А к положительной клемме солнечной панели. Это предотвратит протекание тока обратно в солнечную панель при отсутствии солнечного излучения. Не забудьте сделать это, иначе у вас разрядятся батареи в кратчайшие сроки.

Подключите вывод (+) от солнечной панели (то есть диода) к выводу RAW на регистраторе (т.е. вывод RAW на pro-mini), а вывод (-) от солнечной панели к одному из заземлений. терминалы на регистраторе.

Эта установка позволяет встроенному регулятору напряжения в плате pro-mini регулировать напряжение, поступающее как от солнечной панели, так и от аккумуляторной батареи. Теперь… я скажу, что это не идеальная установка для зарядки NiMh аккумуляторов (сложно даже в идеальных условиях). Однако солнечные панели, которые мы используем, вырабатывают около 150 мА в условиях полного солнца, что соответствует примерно 0,06 C (C = емкость аккумуляторной батареи), что доказало нам, что это простой, безопасный и надежный метод зарядки. для наших регистраторов. У нас они уже год работают в этой области в Колорадо. Тем не менее, пожалуйста, ознакомьтесь с отказом от ответственности - наши регистраторы не имеют никаких гарантий или гарантий. Каждый раз, когда вы используете батареи или солнечные батареи в поле, вы рискуете начать пожар. Будь осторожен. Используйте этот дизайн на свой страх и риск!

Закрепите регистратор данных и аккумуляторную батарею в водонепроницаемом боксе (рис. 13).

Шаг 14: энергосбережение

Мы часто отключаем светодиоды питания как на плате pro-mini, так и на плате регистратора данных. Следы от этих светодиодов можно аккуратно вырезать лезвием бритвы (см. Ссылку ниже). Каждый светодиод потребляет около 2,5 мА тока при 5 В (ссылка ниже). Однако для многих приложений эта величина потерь мощности будет незначительной, и исследователь может просто оставить светодиоды питания как есть.

www.instructables.com/id/Arduino-low-Proje…

Мы также запускаем библиотеку LowPower.h (от rocketscream; ссылка приведена ниже), которая очень проста в использовании и значительно снижает энергопотребление между интервалами регистрации.

github.com/rocketscream/Low-Power

После удаления светодиодов питания с pro-mini и платы регистрации данных и запуска библиотеки LowPower.h (см. «Код» ниже) регистратор будет потреблять ок. 1 мА тока при 5 В во время сна. При одновременном запуске трех датчиков I2C регистратор в спящем режиме (между итерациями выборки) потребляет примерно 4,5 мА при 5 В и примерно 80 мА при выборке. Однако, поскольку выборка происходит очень быстро и довольно редко, потребляемый ток 80 мА не оказывает существенного влияния на разрядку батареи.

Если не использовать солнечные панели, можно сэкономить больше энергии, подключив (+) клемму аккумулятора непосредственно к выводу VCC на регистраторе. Однако подключение напрямую к VCC, а не к выводу RAW, позволяет избежать встроенного регулятора напряжения, и ток, подаваемый на датчики, не будет почти таким постоянным, как если бы он проходил через регулятор. Например, напряжение будет уменьшаться по мере разряда батареи в течение нескольких дней и недель, и во многих случаях это приведет к значительным изменениям в показаниях датчика (в зависимости от того, какие датчики вы используете). Не подключайте солнечную панель напрямую к VCC.

Шаг 15: Код

Мы прилагаем два эскиза для запуска регистратора данных с тремя датчиками влажности почвы I2C. Первый скетч logger_sketch будет производить выборку с каждого датчика и записывать данные о емкости и температуре на SD-карту каждые 30 минут (но может быть легко изменен пользователем). Второй скетч «ChangeSoilMoistureSensorI2CAddress» позволит пользователю назначать разные адреса I2C каждому из датчиков, чтобы они могли использоваться одновременно регистратором данных. Адреса в logger_sketch можно изменить в строках 25, 26 и 27. Библиотеки, необходимые для запуска датчика, можно найти на Github.