Недавно мой коллега устраивал небольшую научную выставку.
Мой учитель попросил меня представить какой-нибудь проект по электронике студентам в колледже. У меня было два дня, чтобы придумать что-то интересное и достаточно простое.





Так как погодные условия здесь достаточно переменчивы, а температура колеблется в диапазоне 30-40°С, я решил сделать домашнюю метеостанцию.

В чем заключаются функции погодной станции для дома?
Метеостанция на Ардуино с дисплеем – устройство, собирающее данные о погоде и условиях окружающей среды с помощью множества датчиков.

Обычно это следующие датчики:

  • ветра
  • влажности
  • дождя
  • температуры
  • давления
  • высоты

Моя цель – сделать портативную настольную метеостанцию своими руками.

Она должна уметь определять следующие параметры:

  • температуру
  • влажность
  • давление
  • высоту

Шаг 1: Покупаем нужные компоненты








Из оборудования вам понадобятся:

  • Паяльник
  • Плоскогубцы для носоупоров
  • Провода

Шаг 2: Датчик температуры и влажности DHT22








Для измерения температуры используются разные датчики. Популярностью пользуются DHT22, DHT11, SHT1x

Я объясню, чем они отличаются друг от друга, и почему я использовал именно DHT22.

Датчик AM2302 использует цифровой сигнал. Этот датчик работает на уникальной системе кодировки и сенсорной технологии, поэтому его данные надежны. Его сенсорный элемент соединен с 8-битным однокристальным компьютером.

Каждый сенсор этой модели термокомпенсированный и точно откалиброванный, коэффициент калибровки находится в однократно программируемой памяти (ОТР-память). При чтении показаний сенсор будет вызывать коэффициент из памяти.

Маленький размер, низкое потребление энергии, большое расстояние передачи (100 м) позволяют AM2302 подходить почти ко всем приложениям, а 4 выхода в один ряд делают монтаж очень простым.

Давайте рассмотрим плюсы и минусы трех моделей датчиков.

DHT11

Плюсы: не требует пайки, самый дешевый из трех моделей, быстрый стабильный сигнал, дальность свыше 20 м, сильная интерференция.
Минусы: Библиотека! Нет вариантов разрешения, погрешность измерений температуры +/- 2°С, погрешность измерений уровня относительной влажности +/- 5%, неадекватный диапазон измеряемых температур (0-50°С).
Области применения: садоводство, сельское хозяйство.

DHT22

Плюсы: не требует пайки, невысокая стоимость, сглаженные кривые, малые погрешности измерений, большой диапазон измерений, дальность больше 20 м, сильная интерференция.
Минусы: чувствительность могла быть выше, медленное отслеживание температурных изменений, нужна библиотека.
Области применения: изучение окружающей среды.

SHT1x

Плюсы: не требует пайки, сглаженные кривые, малые погрешности измерений, быстрое срабатывание, низкое потребление энергии, автоматический режим сна, высокая стабильность и согласованность данных.
Минусы: два цифровых интерфейса, погрешность в измерении уровня влажности, диапазон измеряемых температур 0-50°С, нужна библиотека.
Области применения: эксплуатация в суровых условиях и в долгосрочных установках. Все три датчика относительно недорогие.

Соединение

  • Vcc – 5В или 3,3В
  • Gnd – с Gnd
  • Data – на второй вывод Arduino

Шаг 3: Датчик давления BMP180




BMP180 – барометрический датчик атмосферного давления с I2C-интерфейсом.
Барометрические датчики атмосферного давления измеряют абсолютное значение окружающего воздуха. Этот показатель зависит от конкретных погодных условий и от высоты над уровнем моря.

У модуля BMP180 имелся 3,3В стабилизатор на 662кОм, который я, по собственной глупости, случайно взорвал. Пришлось делать обводку питания напрямую к чипу.

Из-за отсутствия стабилизатора, я ограничен в выборе источника питания – напряжение выше 3,3В разрушит датчик.
У других моделей может не быть стабилизатора, обязательно проверяйте его наличие.

Схема соединения датчика и шины I2C с Arduino (nano или uno)

  • SDA — A4
  • SCL — A5
  • VCC — 3.3V
  • GND – GND

Давайте немного поговорим о давлении, и его связи с температурой и высотой.

Атмосферное давление в любой точке непостоянно. Сложное взаимодействие между вращением Земли, наклоном Земной оси, приводит к появлению множества областей высокого и низкого давления, что, в свою очередь, приводит к ежедневной смене погодных условий. Наблюдая за изменением давления, вы можете сделать краткосрочный прогноз погоды.

Например, падение давления обычно означает дождливую погоду или приближение грозы (приближение области низкого давления, циклона). Поднимающееся давление обычно означает сухую ясную погоду (над вами проходит область высокого давления, антициклон).

Атмосферное давление также изменяется с высотой. Абсолютное давление в базовом лагере на Эвересте (5400 м над уровнем моря) ниже, чем абсолютное давление в Дели (216 м над уровнем моря).

Так как показатели абсолютного давления изменяются в каждой локации, мы будем обращаться к относительному давлению, или давлению на уровне моря.

Измерение высоты

Среднее давление на уровне моря 1013,25 ГПа (или миллибар). Если подняться над атмосферой, это значение упадет до нуля. Кривая этого падения вполне понятна, поэтому вы можете сами вычислить высоту над уровнем моря, используя следующее уравнение: alti=44330*[1-(p/p0)^(1/5.255)]

Если вы примите давление на уровне моря 1013,25 Гпа как р0, решением уравнения будет ваша текущая высота над уровнем моря.

Меры предосторожности

Не забывайте, что датчику BMP180 нужен доступ к окружающей атмосфере, чтобы иметь возможность считывать давление воздуха, не помещайте датчик в закрытый корпус. Небольшого вентиляционного отверстия будет вполне достаточно. Но и слишком открытым его не оставляйте – ветер будет сбивать показания давления и высоты. Продумайте защиту от ветра.

Защитите от нагревания. Для измерения давления необходимы точные температурные показания. Постарайтесь защитить датчик от перепадов температуры и не оставляйте его вблизи источников высоких температур.

Защитите от влаги. Датчик BMP180 чувствителен к уровню влажности, постарайтесь предотвратить возможное попадание воды на датчик.

Не ослепите датчик. Неожиданностью стала чувствительность силикона в датчике к свету, который может попасть на него через отверстие в крышке чипа. Для максимально точных измерений постарайтесь защитить датчик от окружающего света.

Шаг 4: Собираем прибор








Устанавливаем однорядные разъемы для Arduino Nano. Вообще, мы обрезали их до нужного размера и немного зашкурили, так что они смотрятся, словно такими и были. Потом припаиваем их. После, устанавливаем однорядные разъемы для датчика DHT22.

Устанавливаем 10кОМ резистор от вывода данных к земле (Gnd). Все паяем.
Потом точно также устанавливаем однорядный разъем для датчика BMP180, питание делаем 3,3В. Соединяем все с шиной I2C.

В последнюю очередь подключаем LCD-дисплей, на ту же I2C шину, что и датчик BMP180.
(в четвертый разъем я планирую позже подключить RTC-модуль (часы реального времени), чтобы прибор еще и время показывал).

Шаг 5: Кодирование





Загрузите библиотеки

Для BMP180
для DHT22

Чтобы установить библиотеки на Arduino, перейдите по ссылке

#include 
#include 
#include 

#include "DHT.h"
#include 
SFE_BMP180 pressure;
#define ALTITUDE 20.56
 
#define I2C_ADDR 0x27 // <<- Add your address here.
#define Rs_pin 0
#define Rw_pin 1
#define En_pin 2
#define BACKLIGHT_PIN 3
#define D4_pin 4
#define D5_pin 5
#define D6_pin 6
#define D7_pin 7
#define DHTPIN 2     // what digital pin we're connected to
// Uncomment whatever type you're using!
//#define DHTTYPE DHT11   // DHT 11
#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
LiquidCrystal_I2C lcd(I2C_ADDR,En_pin,Rw_pin,Rs_pin,D4_pin,D5_pin,D6_pin,D7_pin);
float t1,t2; 
  
void setup()
{
 Serial.begin(9600);
 lcd.begin (16,2); // <<-- our LCD is a 20x4, change for your LCD if needed
// LCD Backlight ON
lcd.setBacklightPin(BACKLIGHT_PIN,POSITIVE);
lcd.setBacklight(HIGH);
 
lcd.home (); // go home on LCD
lcd.print("Weather Station");
delay(5000);
dht.begin();
  pressure.begin();
    
}
 
void loop()
{
 char status;
  double T,P,p0,a;
   status = pressure.startTemperature();
  if (status != 0)
  {
    
    delay(status);
    status = pressure.getTemperature(T);
    if (status != 0)
    {
      Serial.print("1");
      lcd.clear();
      lcd.setCursor(0,0);
      lcd.print("Baro Temperature: ");
      lcd.setCursor(0,1);
      lcd.print(T,2);
      lcd.print(" deg C ");
      t1=T;
      delay(3000);
      status = pressure.startPressure(3);
      if (status != 0)
      {
        // Wait for the measurement to complete:
        delay(status);
        status = pressure.getPressure(P,T);
        if (status != 0)
        {lcd.clear();
          lcd.setCursor(0,0);
          lcd.print("abslt pressure: ");
          lcd.setCursor(0,1);
          lcd.print(P,2);
          lcd.print(" mb ");
          delay(3000);
          p0 = pressure.sealevel(P,ALTITUDE); // we're at 1655 meters (Boulder, CO)
          a = pressure.altitude(P,p0);
          lcd.clear();
          lcd.setCursor(0,0);
          lcd.print("Altitude: ");
          lcd.setCursor(0,1);
          lcd.print(a,0);
          lcd.print(" meters");
          delay(3000);
        }
        
      }
      
    }
    
  }
 
  
 
float h = dht.readHumidity();
  // Read temperature as Celsius (the default)
  float t = dht.readTemperature();
  t2=t;
 lcd.clear();
 lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line
 lcd.print("Humidity: ");
  lcd.setCursor(0,1);lcd.print(h);
  lcd.print(" %");
  delay(3000);
  lcd.clear();
 lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line
  lcd.print("DHT Tempurature: ");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(t);
  lcd.print(" deg C  ");
 
 delay(3000);
 lcd.clear();
 lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line
  lcd.print("Mean Tempurature: ");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print((t1+t2)/2);
  lcd.print(" deg C  ");
  delay(3000);
}

Я использовал версию Arduino 1.6.5, код точно к ней подходит, к более поздним так же может подойти. Если код по каким-либо причинам не подходит, используйте версию 1.6.5 как базовую.

Файлы