Como construir seu próprio anemômetro usando chaves de palheta, sensor de efeito Hall e alguns recados no Nodemcu. - Parte 1 - Hardware: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Introdução

Desde que comecei com os estudos do Arduino e da cultura do Maker, tenho gostado de construir dispositivos úteis usando lixo e pedaços de sucata, como tampas de garrafa, pedaços de PVC, latas de bebida, etc. Adoro dar uma segunda vida a qualquer peça ou qualquer material. Grande parte dos materiais usados aqui são sucatas removidas de alguns equipamentos e recicladas

Quando comecei o projeto de uma estação meteorológica para mim, percebi que a medição da intensidade e direção do vento não seria muito fácil ou barata. Depois de vários meses apresento a vocês este projeto que usa principalmente materiais reciclados e peças eletrônicas muito baratas encontradas facilmente em qualquer loja de eletrônicos.

Esta postagem tem 2 partes.

Parte 1 - Construção dos dispositivos Anemômetro e Direção do Cata-vento.

Parte 2 - O esboço usando Arduino IDE para Esp8266 Nodemcu e transmissão para ThingSpeak.

Veja o vídeo para saber a solução final.

Como construir seu próprio anemômetro usando sensor de efeito Hall e chaves Reed

Descrição do Projeto

O anemômetro é um dispositivo capaz de medir a velocidade do vento e sua direção. Usando um sensor de efeito Hall, seremos capazes de contar quantas rotações as xícaras dão em um período de tempo. A intensidade do vento é proporcional à velocidade de rotação do eixo. Com algumas equações físicas simples, você pode determinar a velocidade linear do vento, naquele momento. Explicaremos todos eles na parte 2.

E a direção do vento vamos medir através de um pára-brisa com um ímã de neodímio e interruptores de palheta. O cata-vento aponta na direção do vento e o ímã ligado a ele conectará os interruptores reed, permitindo que a corrente elétrica passe através da conexão (ou conexões). Os circuitos com corrente positiva indicam a direção do vento, como uma bússola.

Temos 8 circuitos que irão emular 16 direções: 4 pontos cardinais e 4 pontos colaterais quando 1 chave é ativada (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW) e quando 2 chaves são ativadas simultaneamente temos 8 sub colaterais pontos (NNE, ENE, ESE, SSE, SSW, WSW, WNW, NNW).

A velocidade e direção do vento serão calculadas e determinadas por um esboço no nodemcu. Mas isso será explicado na parte 2. Agora vamos para a montagem do hardware.

Isenção de responsabilidade: este anemômetro não deve ser usado para fins profissionais. É apenas para uso acadêmico ou doméstico.

Nota: Inglês não é minha língua natural. Se você encontrar erros gramaticais que o impeçam de entender o projeto, entre em contato para corrigi-los. Muito obrigado.

Etapa 1: Lista de materiais

Cata-vento

8 x Reed Switches

8 x 10 k ohms resistores

Tubo de PVC de 10 cm

2 tampas de PVC com 5 cm de diâmetro

1 tampa de PVC de 2,5 cm de diâmetro

1 multiplexador analógico CD4051

1 disco de plástico

20 x 20 peça de plástico forte

1 Ímã de neodímio (As dimensões do ímã devem permitir que dois interruptores sejam conectados simultaneamente. O meu é de 0,5 x 0,5 cm e está indo bem.)

10 fios de cores diferentes

1 PCB genérico

1 rolamento de esferas com o mesmo diâmetro dos tubos de alumínio

1 tubo de alumínio de aproximadamente 20 cm

1 tubo de alumínio de aproximadamente 10 cm

1 braçadeira de mangueira

Massa Epóxi

Cola Instantânea - cianoacrilato e bicarbonato de sódio

Anemômetro

2 bolas de pingue-pongue

4 varas de madeira ou alumínio de aproximadamente 12 cm

1 rolamento de esferas

1 tubo de alumínio de aproximadamente 5 cm

3 pedaços de fios de cores diferentes

1 sensor Hall SS49E

1 ímã de neodímio

Massa epóxi e cola instantânea - cianoacrilato e bicarbonato de sódio

2 torneiras de plástico com aproximadamente 3 a 5 cm de diâmetro

1 tampa de PVC e tubo de PVC de 5 cm

1 tampa de PVC de 2,5 cm de diâmetro

• Nodemcu
• Caixa de plástico para projetos eletrônicos
• Ferro de solda
• 1 tubo de PVC de aproximadamente 2 metros e conector de PVC "T"
• 1 conexão de PVC 90 graus
• Fonte de alimentação 5V (estou usando painel solar)

Etapa 2: Montagem do Cata-vento Rosetta

Chaves Reed e resistores montados em PCB

Corte o PCB genérico na forma de um círculo com um diâmetro um pouco menor do que a CAP de PVC porque quando estiver pronto vai caber nele.

Dobre as pernas do reed switch em 90 graus para encaixá-las no PCB com cuidado para não quebrar o vidro de proteção. O ideal fica a 3 mm de distância do vidro. Monte cada interruptor reed de acordo com o diagrama. Numere cada um de 0 a 7 como o diagrama. A identificação correta será importante ao conectar os terminais ao multiplexador. Use o ferro de solda para soldá-los na placa.

Posicione cada resistor conforme o diagrama em que um dos terminais é soldado em um dos terminais da chave reed e o outro será comum a todos os resistores, posicionado no centro da placa de circuito impresso.

Solde um cabo de cobre que conecta todos os terminais externos das chaves reed, deixando os dois últimos sem conexão. Como um anel. A ordem de soldagem não importa.

Na junção de cada resistor e a chave reed solda o fio de cada cor. Eles são 8 diferentes. Solde um fio vermelho para o anel de cobre dos interruptores reed como um positivo e um fio preto para a junção de todos os resistores no centro da "roseta", como um negativo.

Observe os diagramas e tenha o cuidado de guardar a numeração dos cabos para conexão ao multiplexador.

Teste as conexões antes da montagem

Antes de prosseguir com a montagem, sugiro testar as conexões. Use um led, qualquer bateria 18650 de 3,7 V, um ímã de neodímio e cabos com garras de crocodilo. Conecte a bateria nos terminais VCC e GND e o cabo crocodilo no GND com a outra ponta no negativo do led (use um azul que não precisa de resistor). Conecte o outro cabo ao positivo do led e o outro a cada cabo conectado aos interruptores. Agora passe o ímã pela borda externa da chave conectada. Se o led acender, está tudo bem. Se não ligar, verifique as soldas. Para testar duas conexões ao mesmo tempo use outro cabo e outro led simultaneamente. Ao passar o ímã entre dois interruptores, os dois LEDs devem acender. É essencial que ambos os LEDs acendam ao mesmo tempo para que o sinal elétrico possa representar pontos sub-colaterais da bússola, como ENE, ESE, SSW, NNW, etc.

Etapa 3: conexões de e para o multiplexador CD4051

Multiplexador analógico CD4051

Multiplexadores são circuitos combinacionais com várias entradas e saída de dados única. Eles são equipados com entradas de controle capazes de selecionar uma, e apenas uma, das entradas de dados para permitir a sua transmissão da entrada selecionada para a referida saída.

Se você não conhece o funcionamento do CD4051, recomendo a leitura do datasheet que você encontra na web. Em resumo, o 4051 possui 8 entradas analógicas numeradas de 0 a 7, 3 e os pinos A, B e C que combinados permitem ler as entradas e definir qual saída analógica está sendo conectada. A cada leitura, o software analisa quais conexões estão com corrente positiva e indicará a direção correspondente do vento. Isso será explicado em detalhes na parte 2 do post. Observe o diagrama para ver como a roseta está conectada ao multiplexador.

Conexões para Nodemcu

Precisaremos de 8 cabos para conectar o Nodemcu. Veja o diagrama.

1 par de fios positivo (vermelho) e terra (preto) que fornecem corrente para a roseta

1 par de cabos positivo (vermelho) e terra (preto) que fornecem corrente ao CD4051

1 cabo para saída analógica A0 (cinza)

1 cabo para entrada digital do pino A = D5 (azul)

1 cabo para entrada digital do pino B = D4 (verde)

1 cabo para entrada digital do pino C = D3 (amarelo)

Usei um cabo telefônico de 10 fios de cores diferentes para facilitar a montagem final.

Identifique cada um dos cabos com seu endereço correspondente para facilitar a montagem final.

Etapa 4: Montagem de tudo no suporte de PVC

Montagem do suporte

Pegue o CAP de 5 cm de diâmetro de PVC, um pedaço de tubo de PVC e o CAP de 2,5 cm de diâmetro e cole todos com cola instantânea conforme a foto. Você também pode fazer um furo com o diâmetro do tubo para melhorar a conexão entre as peças. Depois que todas as peças estiverem coladas, aplique mais cola nas bordas coladas de cada peça e cubra imediatamente com bicarbonato de sódio. Ao secar a cola você terá uma dureza muito boa.

Deve-se também colar o silicone na borda do CAP que permitirá selar a união entre os 2 CAPs e facilitar o encaixe da roseta. Deixe-os secar antes de continuar.

Insira com cuidado a roseta já montada na peça de suporte e que ela se encaixe confortavelmente na borda do CAP. Lembre-se de que montaremos um segundo CAP acima deste. Veja a foto com a solução final. E identifique cada um dos cabos para facilitar as conexões com o nodemcu.

Etapa 5: montagem da palheta

Montagem da estrutura da palheta

Faça um ponteiro com massa epóxi com a forma mostrada na foto. Quando estiver bem seco pesar a peça e guardar o valor.

Pegue o pedaço de plástico e corte-o simetricamente para a parte traseira da palheta que serve para direcionar o vento. Pese também e economize o valor.

Pegue um dos tubos de alumínio e cole o ponteiro e o cata-vento com cola instantânea com todas as peças alinhadas ao meio. Faça o mesmo que você fez antes com o bicarbonato de sódio para aumentar a dureza de cada uma das partes coladas.

Pegue o segundo tubo de alumínio e vamos determinar onde ele ficará preso no outro tubo. Para manter o equilíbrio da peça, a distância pelo peso das costas deve ser igual à distância pelo peso do ponteiro. (Veja os cálculos que são mostrados no diagrama.) As medições de distância devem ser feitas mais ou menos para o centro de massa de cada peça. Use cola instantânea e bicarbonato de sódio.

Faça um furo no centro do CAP com o diâmetro do rolamento de esferas. Use cola instantânea para colar na tampa. Importante escolher o rolamento de esferas que possui o mesmo diâmetro interno do tubo vertical de alumínio da palheta.

Por fim, pegue o disco de plástico com diâmetro aproximado de 4,5 cm e cole um pequeno pedaço de metal na borda. Veja a foto Desta forma, você poderá "colar" o ímã de neodímio e ajustá-lo ao calibrar o instrumento. Ele pode ser movido em várias direções para adivinhar as leituras das medições.

Posicione o disco de plástico com a parte metálica presa na mesma direção do ponteiro horizontal do tubo de alumínio. Isso é importante para o ímã indicar a mesma direção da palheta.

Para facilitar a montagem final do anemômetro e alinhar o norte do cata-vento com a geografia do norte imprima uma rosa dos ventos e cole na tampa superior do CAP. O disco será preso no tubo de alumínio, mas primeiro, insira o tubo de alumínio no rolamento de esferas e insira o tubo de alumínio no disco. Ajuste a altura de forma que a distância entre o ímã e a borda do CAP esteja entre 1 e 1,5 cm. Isso deve ser suficiente para que o ímã conecte corretamente a chave de palheta. Cole o disco com cola instantânea e bicarbonato de cálcio o mais horizontal possível.

Monte as duas peças direcionando o norte da rosa dos ventos alinhada com a chave número 0 (representando o norte) e use uma braçadeira para uni-las. Não use cola porque terá que ajustar e calibrar muitas vezes antes de estar totalmente pronto.

Veja as fotos para ver a solução final.

Etapa 6: avaliando o anemômetro

Montagem do suporte

Pegue as 2 tampas de plástico e cole com cola instantânea. Faça 4 furos nas tampas, conforme mostrado no diagrama. Cole varinhas de madeira ou alumínio em cada buraco. Corte as 2 bolas de pingue-pongue ao meio e cole cada uma nas extremidades das hastes, todas com a parte côncava para o mesmo lado. As medidas aproximadas são mostradas no diagrama.

Faça um furo no centro do CAP 2,5 cm com o diâmetro do rolamento de esferas. Use cola instantânea para colar na tampa. Use também o bicarbonato de sódio com muito cuidado.

Insira o tubo de alumínio no rolamento de esferas a uma altura compatível (veja a foto). Se não estiver bem ajustado, coloque uma gota de cola com cuidado.

Montagem do Módulo Hall

Na borda do CAP, faça um pequeno orifício para passar a cabeça do sensor Hall.

Cole o ímã de neodímio na lateral das tampas de plástico conforme a foto.

Use os 3 fios de cores diferentes para conectar o módulo do sensor.

Insira o módulo Hall e aponte o sensor voltado para o ímã a uma distância de 2 a 4 mm. Teste se a rotação do eixo não atinge o ímã com o sensor.

Use uma bateria de 3,7 V para testar se o módulo responde à aproximação do ímã girando o led para cada contato. Se o led acender, está tudo bem. Caso contrário, mova o sensor para mais perto do ímã até que o LED acenda.

Se tudo correr bem, fixe o módulo no suporte com uma gota de cola.

Por fim, a outra ponta da haste será presa na tampa de plástico com cola instantânea e bicarbonato de sódio, ajustando a altura correta.

Identificando os fios

Identifique todos os cabos - VCC, GND e Sinal - para facilitar a conexão com o nodemcu.

Etapa 7: Juntando tudo

Agora você pode montar os dois dispositivos juntos usando a conexão "T" e um pedaço de tubo de PVC conforme mostrado na foto. Não use cola porque se houver necessidade de algum ajuste ou manutenção não será possível. Fiz pequenos furos e usei parafusos para mantê-los firmes. Passe os cabos dos 2 aparelhos pelo tubo. Como o anemômetro será instalado no telhado da casa, também fiz cabos de 3 metros para conectá-lo ao nodemcu que será instalado dentro de casa.

Etapa 8: Conectando o Nodemcu e a instalação

Os diagramas mostram a conexão correta de cada cabo. Para testar o funcionamento usei uma tela OLED de 0,96 para ler as medições e verificar se estão corretas, conecte o OLED desta forma:

D1 - SCL

D2 - SDA

VCC e GND

Para instalar no teto, o único cuidado é manter todo o dispositivo no nível correto. Para isso, use um nível de bolha e muitos parafusos grandes. E não se esqueça de direcionar o norte de seu anemômetro para o norte geográfico de sua bússola. Caso contrário, a direção do vento não corresponderá à realidade.

E isso é tudo. No próximo post, irei explicar o sketch a ser carregado no nodemcu usando o Arduino IDE.

Se você tiver alguma dúvida, não hesite em me contatar.

Cumprimentos

Grande Prêmio no Desafio IoT