Arduino Pro-mini Data-logger: 15 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Xây dựng hướng dẫn cho trình ghi dữ liệu Arduino pro-mini mã nguồn mở

Tuyên bố từ chối trách nhiệm: Thiết kế và mã sau đây được tải xuống và sử dụng miễn phí, nhưng hoàn toàn không đi kèm với bất kỳ bảo đảm hay bảo hành nào.

Trước tiên, tôi phải cảm ơn và quảng bá những người tài năng đã truyền cảm hứng cho ý tưởng cho bộ ghi dữ liệu này và đóng góp vào mã và cảm biến được sử dụng. Thứ nhất, ý tưởng cho trình ghi dữ liệu đến từ trình ghi dữ liệu được thiết kế rất tốt và được giải thích rõ ràng (xin lỗi, bài hướng dẫn của chúng tôi không tốt bằng) của Edward Mallon: https://thecavepearlproject.org/2017/06/19/ arduin…

Thứ hai, các cảm biến độ ẩm đất mã nguồn mở được sử dụng ở đây, cũng như mã / thư viện để chạy chúng, được thiết kế và xây dựng bởi Catnip Electronics. Đây là những cảm biến chất lượng cao và rất chắc chắn. Thông tin về nơi mua chúng và lấy mã để chạy chúng (cảm ơn Ingo Fischer) được cung cấp bên dưới.

Bước 1: Vật liệu, dụng cụ, thiết bị cần thiết

Bo mạch Arduino Pro-mini. Đối với ứng dụng này, chúng tôi sử dụng mã nguồn mở (cũng như tất cả các bộ phận của chúng tôi) sao chép pro-mini do Trung Quốc sản xuất (bộ vi xử lý 5V, 16MHz, ATmega 326) (Hình 1a). Bạn có thể mua những bảng này trên Aliexpress, Ebay và các trang web tương tự với giá dưới $ 2US. Tuy nhiên, các bo mạch khác cũng có thể được sử dụng dễ dàng (lưu ý các yêu cầu về điện áp của các cảm biến cần thiết, cũng như các yêu cầu về bộ nhớ chương trình).

Thẻ SD và mô-đun ghi nhật ký theo thời gian thực (RTC) do Deek-Robot (ID: 8122) đưa ra (Hình 1b). Mô-đun này bao gồm một DS13072 RTC và đầu đọc thẻ micro-sd. Những bảng này có giá dưới $ 2US và rất mạnh mẽ.

Bộ điều hợp đầu cuối vít Arduino nano (có - “nano”), cũng đưa ra Deek-Robot, có thể được mua với giá dưới 2 đô la Mỹ từ Aliexpress hoặc tương tự (Hình 1c). Như bạn có thể thấy, chúng tôi chỉ yêu Aliexpress.

Dây cách điện lõi rắn 22 gage (Hình 1d).

Hộp ghi dữ liệu (Hình 1e). Chúng tôi sử dụng hộp "cấp nghiên cứu", nhưng đồ nhựa rẻ tiền hoạt động tốt trong hầu hết các tình huống.

Hộp đựng pin cho 4 pin AA NiMh (Hình 1f). Chúng có thể được mua trên Aliexpress với giá ca. $ 0,20 mỗi cái (vâng - 20 xu). Đừng lãng phí tiền của bạn vào các trường hợp pin đắt tiền hơn.

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời 6V, ca 1W. Có thể được mua trên Aliexpress với giá dưới $ 2US.

Sắt hàn, chất hàn và chất trợ dung loại trước đây.

Súng bắn keo nóng.

Bước 2: Hướng dẫn xây dựng

Thời gian cần thiết để xây dựng: khoảng 30 đến 60 phút.

Chuẩn bị bộ chuyển đổi đầu cuối nano để hàn.

Với mục đích của phần trình diễn này, chúng tôi sẽ chuẩn bị bộ chuyển đổi đầu cuối vít nano để tạo điều kiện kết nối ba cảm biến độ ẩm đất I2C. Tuy nhiên, chỉ cần một chút sáng tạo, các đầu vít có thể được chế tạo theo nhiều cách khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho các thiết bị khác. Nếu bạn không biết I2C là gì, hãy xem các trang web sau:

howtomechatronics.com/tutorials/arduino/ho…

www.arduino.cc/en/Reference/Wire

Ý tưởng sử dụng bộ điều hợp vít nano được lấy từ thiết kế bộ ghi dữ liệu tuyệt vời của Edward Mallon:

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

Cắt các vết trên mặt sau của đầu nối vít giữa các chốt lớn và nhỏ tại các vị trí 3, 5, 9, 10 và 11 (tính từ đầu của đầu cuối) (Hình 2). Các dấu vết này tương ứng với các nhãn “RST”, “A7”, “A3”, “A2” và “A1” trên đầu nối vít. Việc cắt các vết sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu bạn có một công cụ loại 'Dremel', nhưng nếu bạn không có, một con dao nhỏ sẽ hoạt động dễ dàng. Đừng tự cắt mình! Lưu ý rằng các nhãn trên thiết bị đầu cuối vít và trên pro-mini không giống nhau (nano và pro-mini có một số chân ở các vị trí khác nhau). Đây là một trong những điểm bất tiện của thiết kế này, nhưng nó đủ dễ dàng để dán nhãn lại bảng đầu cuối khi bạn hoàn thành, nếu bạn muốn.

Cẩn thận cạo bỏ (sử dụng dao Dremel hoặc dao nhỏ) lớp mỏng epoxy tiếp giáp trực tiếp với các chân lớn 9, 10 và 11 (có nhãn 'A3', 'A2', 'A1' trên đầu cực nano) (Hình 2). Lớp phủ đồng lộ ra bên dưới lớp epoxy được nối đất với bo mạch Arduino pro-mini. Sau đó, chúng tôi sẽ hàn phần tiếp xúc này với các chân lân cận, do đó cung cấp ba đầu nối vít nối đất.

Bước 3: Hướng dẫn xây dựng

Cắt tám đoạn dây dài 22 cữ cách điện dài 8 cm và dải cách điện khoảng 5 mm từ đầu này và cách đầu kia 3 mm. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng dây lõi đặc.

Lấy bốn trong số các dây này, uốn cong một đầu 90 độ (đầu có 5 mm hoặc dây tiếp xúc) và hàn * ngang * (tức là, nối tất cả các chân với chất hàn và thông lượng phong phú) đến các điểm sau:

Dây 1: chân lớn 3, 4 và 5 (có nhãn 'RST', '5V', 'A7' trên đầu cuối nano). Chúng tôi sẽ sửa đổi ba đầu cuối vít này thành ba đầu cuối VCC (Hình 3).

Bước 4: Hướng dẫn xây dựng

Dây 2: các chân lớn 9, 10 và 11 (có nhãn 'A3', 'A2', 'A1' trên thiết bị đầu cuối nano) cũng như lớp phủ đồng được tiếp xúc trước đó. Sử dụng nhiều chất hàn. Đừng lo lắng nếu nó trông lộn xộn. Chúng tôi sẽ sửa đổi ba đầu cuối vít này thành ba đầu cuối nối đất (-) (Hình 4).

Bước 5: Hướng dẫn xây dựng

Dây 3: chân lớn 13, 14 và 15 (có nhãn 'REF', '3V3', 'D13' trên đầu cuối nano). Chúng tôi sẽ sửa đổi ba đầu cuối vít này thành ba đầu cuối SCL A5 cho giao tiếp I2C (Hình 5).

Bước 6: Hướng dẫn xây dựng

Dây 4: chân lớn 28, 29 và 30 (có nhãn 'D10', 'D11', 'D12' trên đầu cuối nano). Chúng tôi sẽ sửa đổi ba đầu cuối vít này thành ba đầu cuối SDA A4 cho giao tiếp I2C (Hình 6).

Bước 7: Hướng dẫn xây dựng

Hàn một dây vào mỗi chân nhỏ (tôi nói lại - nhỏ) 9, 10 và 11 (có nhãn 'A3', 'A2', 'A1' trên đầu cuối nano) (Hình 7).

Bước 8: Hướng dẫn xây dựng

Hàn

dây còn lại đến chân lớn 22 (có nhãn 'D4' trên đầu cực nano) (Hình 8).

Bước 9: Hướng dẫn xây dựng

Hàn đầu còn lại của mỗi dây vào các lỗ ghim tương ứng của nó trên tấm chắn ghi dữ liệu Deek-Robot (Hình 9):

chân lớn 'RST + 5V + A7' vào lỗ chân 5V

chốt lớn 'A3 + A2 + A1' vào lỗ ghim GND

ghim nhỏ 'A3' vào lỗ ghim SCK

chốt nhỏ 'A2' vào lỗ ghim MISO

chốt nhỏ 'A1' vào lỗ ghim MOSI

chốt lớn 'REF + 3V3 + D13' vào lỗ ghim SCL

chốt lớn 'D10 + D11 + D12' vào lỗ chốt SDA

và chốt lớn 'D4' vào lỗ chốt CS

Bước 10: Hướng dẫn xây dựng

Xin lưu ý rằng chúng tôi cung cấp các nhãn nano ở đây chỉ để dễ kết nối. Các nhãn này sẽ không tương ứng với các chân trên bo mạch chủ mini khi nó được lắp vào đầu nối vít.

Hàn hai sợi dây dài 6 cm vào lỗ kim A4 và A5 từ mặt dưới của bảng pro-mini (Hình 10).

Bước 11: Hướng dẫn xây dựng

Hàn ghim vào bảng pro-mini và lắp nó vào thiết bị đầu cuối vít đã hoàn thành. Đừng quên cắm dây A5 và A4 vào các đầu nối D12 (A4) và D13 (A5) trên bảng nano. Luôn nhớ rằng các chân trên Arduino và nhãn đầu cuối vít sẽ không căn chỉnh chính xác (bảng pro-mini và nano có cách sắp xếp chân khác nhau).

Lắp pin CR 1220 và thẻ micro-sd vào bảng ghi nhật ký. Chúng tôi sử dụng thẻ SD có dung lượng dưới 15GB, vì chúng tôi đã gặp sự cố với thẻ dung lượng lớn hơn. Chúng tôi sử dụng định dạng thẻ thành FAT32.

Cuối cùng, phủ tất cả các mối nối đã hàn và cố định tất cả các dây vào bảng đầu cuối bằng keo nóng.

Hội đồng quản trị hiện đã sẵn sàng để sử dụng. Bảng hoàn chỉnh bây giờ sẽ trông như thế này: Hình 11.

Bước 12: Thiết lập Data-logger để sử dụng tại hiện trường

Để ngăn trình ghi dữ liệu của bạn bị lật trong hộp ghi dữ liệu, cũng như cung cấp khả năng truy cập dễ dàng vào các chân giao tiếp, chúng tôi khuyên bạn nên tạo một nền tảng ổn định. Nền tảng này cũng giữ cho các thiết bị điện tử cách đáy hộp ít nhất vài cm, trong trường hợp bị ngập nước. Chúng tôi sử dụng tấm acrylic 1,5mm và kết nối nó với bộ ghi dữ liệu bằng bu lông, đai ốc và vòng đệm 4mm (Hình 12).

Bước 13:

Chúng tôi sử dụng cảm biến độ ẩm đất kiểu điện dung I2C nguồn mở. Chúng tôi mua chúng từ Catnip Electronics (trang web bên dưới). Bạn có thể mua chúng trên Tindie với giá khoảng 9 đô la Mỹ cho mô hình tiêu chuẩn và khoảng 22 đô la Mỹ cho mô hình chắc chắn. Chúng tôi đã sử dụng phiên bản gồ ghề trong các thí nghiệm thực địa. Chúng rất mạnh mẽ và cung cấp hiệu suất tương tự như các lựa chọn thay thế thương mại đắt tiền hơn nhiều (chúng tôi sẽ không đưa bất kỳ ai vào Front Street, nhưng bạn có thể biết những nghi phạm thông thường).

Cảm biến I2C của Catnip Electronics được giới thiệu trong hướng dẫn này:

mua tại đây:

thư viện arduino:

thư viện arduino trên Github:

Gắn dây màu vàng từ cảm biến I2C vào một trong các đầu nối vít A5. Gắn dây màu xanh lá cây từ cảm biến I2C vào một trong các đầu cuối A4. Các dây màu đỏ và đen từ cảm biến lần lượt đi đến các đầu nối tiếp đất và VCC.

Đặt bốn pin NiMh đã sạc vào hộp đựng pin. Gắn dây (+) màu đỏ vào chân RAW trên bộ ghi dữ liệu (tức là chân RAW trên bo mạch chủ mini) (nhưng hãy xem phần “tiết kiệm năng lượng” bên dưới). Gắn dây (-) màu đen vào một trong các chân nối đất trên bộ ghi dữ liệu.

Để sử dụng lâu dài tại hiện trường, hãy gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời 6V 1W vào máy ghi. Bảng điều khiển năng lượng mặt trời sẽ được sử dụng để chạy trình ghi dữ liệu và sạc pin trong ngày, đồng thời hoạt động ngay cả dưới bầu trời nhiều mây (mặc dù tuyết là một vấn đề).

Đầu tiên, hàn một diode Schottky ~ 2A vào cực dương của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Điều này sẽ ngăn dòng điện chạy ngược vào tấm pin mặt trời khi không có bức xạ mặt trời. Đừng quên làm điều này nếu không bạn sẽ nhanh chóng hết pin.

Gắn đầu cuối (+) từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời (tức là đi-ốt) vào chân RAW trên thiết bị ghi (tức là chân RAW trên pro-mini) và đầu cuối (-) từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào một mặt đất thiết bị đầu cuối trên máy ghi.

Thiết lập này cho phép bộ điều chỉnh điện áp tích hợp trong bảng pro-mini để điều chỉnh điện áp đến từ cả bảng điều khiển năng lượng mặt trời và bộ pin. Bây giờ… tôi sẽ nói rằng đây không phải là thiết lập lý tưởng để sạc pin NiMh (khó ngay cả trong điều kiện hoàn hảo). Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời mà chúng tôi sử dụng có công suất khoảng 150mA trong điều kiện ánh nắng mặt trời hoàn toàn, tương ứng với khoảng 0,06 C (C = dung lượng của bộ pin), điều này đã chứng minh cho chúng tôi là một phương pháp sạc đơn giản, an toàn và đáng tin cậy. cho những người khai thác gỗ của chúng tôi. Chúng tôi đã cho chúng chạy theo cách này trên thực địa trong tối đa một năm ở Colorado. Tuy nhiên, vui lòng xem tuyên bố từ chối trách nhiệm - thiết bị ghi nhật ký của chúng tôi hoàn toàn không có bảo đảm hoặc bảo hành. Bất cứ khi nào bạn sử dụng pin hoặc các tấm pin mặt trời tại hiện trường, bạn đều có nguy cơ bắt lửa. Hãy cẩn thận. Sử dụng thiết kế này có nguy cơ của riêng bạn!

Giữ chặt bộ ghi dữ liệu và bộ pin trong hộp chống thời tiết (Hình 13).

Bước 14: Bảo toàn năng lượng

Chúng tôi thường vô hiệu hóa đèn LED nguồn từ cả bảng ghi dữ liệu và bảng ghi dữ liệu chuyên nghiệp. Các dấu vết của các đèn LED này có thể được cắt cẩn thận bằng một lưỡi dao cạo (xem liên kết bên dưới). Mỗi đèn LED tiêu thụ dòng điện khoảng 2,5mA ở 5V (liên kết bên dưới). Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng, lượng điện năng thất thoát này sẽ không đáng kể và nhà nghiên cứu có thể chỉ cần để nguyên các đèn LED nguồn.

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

Chúng tôi cũng chạy thư viện 'LowPower.h' (theo 'rocketscream'; liên kết được cung cấp bên dưới), rất dễ sử dụng và giảm đáng kể điện năng tiêu thụ giữa các khoảng thời gian ghi nhật ký.

github.com/rocketscream/Low-Power

Sau khi tháo các đèn LED nguồn khỏi pro-mini và bảng ghi dữ liệu và chạy thư viện LowPower.h (xem 'mã' bên dưới), trình ghi nhật ký sẽ tiêu thụ ca. 1mA hiện tại ở 5V khi ở chế độ ngủ. Chạy đồng thời ba cảm biến I2C, bộ ghi ở chế độ nghỉ (giữa các lần lặp lấy mẫu) tiêu thụ khoảng 4,5mA ở 5V và khoảng 80mA khi lấy mẫu. Tuy nhiên, vì việc lấy mẫu diễn ra rất nhanh và không thường xuyên, dòng điện 80mA không góp phần có ý nghĩa vào việc tiêu hao pin.

Có thể tiết kiệm nhiều điện năng hơn khi không sử dụng các tấm pin mặt trời bằng cách kết nối trực tiếp đầu cuối pin (+) với chân VCC trên bộ ghi. Tuy nhiên, kết nối trực tiếp với VCC, thay vì chân RAW, tránh bộ điều chỉnh điện áp trên bo mạch, và dòng điện đến các cảm biến sẽ gần như không đổi như khi nó được định tuyến qua bộ điều chỉnh. Ví dụ: điện áp sẽ giảm khi hết pin trong nhiều ngày và nhiều tuần, và trong nhiều trường hợp, điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi có ý nghĩa trong các chỉ số cảm biến (tùy thuộc vào loại cảm biến bạn đang sử dụng). Không kết nối trực tiếp bảng điều khiển năng lượng mặt trời với VCC.

Bước 15: Mã

Chúng tôi bao gồm hai bản phác thảo để chạy bộ ghi dữ liệu với ba cảm biến độ ẩm đất I2C. Bản phác thảo đầu tiên 'logger_sketch' sẽ lấy mẫu từ mỗi cảm biến và ghi dữ liệu điện dung và nhiệt độ vào thẻ sd sau mỗi 30 phút (nhưng người dùng có thể dễ dàng thay đổi). Bản phác thảo thứ hai 'ChangeSoilMoistureSensorI2CAddress' sẽ cho phép người dùng gán các địa chỉ I2C khác nhau cho từng cảm biến để chúng có thể được sử dụng đồng thời bởi trình ghi dữ liệu. Địa chỉ trong 'logger_sketch' có thể được thay đổi tại các dòng 25, 26 và 27. Có thể tìm thấy các thư viện cần thiết để chạy cảm biến trên Github.