DIY регистратор молний15.06.2021 19:16

Автор: Alex Wulff (из-за глюков хабраредактора не получилось оформить как перевод)

К старту курса о разработке на С++ мы перевели статью о персональном регистраторе молний — небольшом устройстве, сообщающем об ударах молнии поблизости. Оно даже сообщает, на каком расстоянии ударила молния; при этом, по словам автора, собрать его самому обойдётся дешевле, чем купить в магазине. Ещё один очевидный плюс — вы сможете отточить свои умения в схемотехнике.

В основу устройства положен детектор молний AS3935 с ВЧ-каналом производства DFRobot. Детектор обнаруживает электромагнитное излучение молнии и с помощью специального алгоритма преобразовывает эту информацию в информацию о расстоянии до удара.

Датчик может обнаруживать удары молнии на расстоянии до 40 км (25 миль) и определять расстояние до места удара молнии с точностью до 4 км (2,5 мили). Сам датчик довольно надёжен, но может срабатывать неверно, если устройство находится на открытом воздухе. Самодельное устройство может работать не так надёжно, как коммерческий регистратор молний.

1. Разработка схемы соединений

Схема устройства проста. Информация с датчика молнии передаётся по линиям SCL и SDA, плюс к этому одно соединение предусмотрено для звукового сигнала. Устройство питается от литий-ионного полимерного аккумулятора (LiPo), поэтому я решил встроить в схему зарядное устройство для такой батареи.

Схема устройства показана на рисунке A. Обратите внимание, что аккумуляторная батарея LiPo соединяется с зарядным устройством через штекерно-гнездовые разъёмы JST и не требует пайки.

2. Сборка схемы

Для сборки устройства лучше всего применить так называемую технику свободной сборки. Детали не крепятся к подложке (например к перфорированной плате), а просто соединяются проводами (рис. Б). Так устройство собирается гораздо быстрее и получается меньше по размеру. Правда, страдает эстетика… Но сомнительную эстетику никто не увидит, если сборку закрыть напечатанным на 3D-принтере корпусом. На видео выше показано, как я собрал схему методом свободной сборки.

Подсоедините жучок к зарядному устройству

Отпаяйте зелёные клеммы от зарядного устройства LiPo. Они бесполезны, но занимают пространство. Соедините положительную (+) и отрицательную (-) клеммы зарядного устройства аккумуляторной батареи LiPo с положительной (+) и отрицательной (–) клеммами на лицевой части жучка. По этим проводам первичное напряжение батареи LiPo будет подаваться непосредственно на микроконтроллер. Технически жучку требуется 5 В, но от напряжения 4 В батареи LiPo он всё равно будет работать.

Подключение датчика молнии

Обрежьте входящий в комплект четырёхконтактный кабель так, чтобы от провода осталось примерно 5 см. Зачистите концы и подключите кабель к датчику молнии, выполнив следующие соединения:

• положительную (+) клемму на датчике молнии соедините с положительной (+) клеммой на жучке;

• отрицательную (–) клемму на датчике молнии соедините с отрицательной (-) клеммой на жучке;  

• контакт синхронизации © на датчике молнии соедините с колодкой SCL на жучке;  

• контакт данных (D) на датчике молнии соедините с колодкой SDA на жучке.

Контакт IRQ на датчике молнии также должен быть соединён с колодкой RX на жучке. Соединение должно подходить к аппаратному прерывателю на жучке; колодка RX (контакт 0) — единственный оставшийся контакт, поддерживающий прерывание.

Подключение зуммера

Подключите короткий провод зуммера к отрицательной (–) клемме на жучке (земля), а длинный провод — к контакту 11. Сигнальный вывод зуммера должен быть подключён к выводу PWM (для обеспечения максимальной гибкости), здесь идеально подходит контакт 11.

Подсоединение переключателя

Подсоедините к аккумуляторной батарее переключатель. Он будет включать и выключать устройство. Сначала припаяйте два провода к соседним клеммам переключателя. Поскольку соединения переключателя довольно хрупкие, после пайки я также закрепил их горячим клеем.

Обрежьте красный провод на аккумуляторной батарее примерно наполовину и к каждому концу припаяйте провода от выключателя. Эти соединения показаны с правой стороны на рисунке Б. Обязательно закройте открытые участки провода термоусадочной трубкой или залейте горячим клеем, так как они могут соприкоснуться с одним из заземляющих проводов и привести к короткому замыканию. После подсоединения переключателя к зарядному устройству можно подключить аккумулятор.

Окончательная компоновка

Последний шаг — избавляемся от беспорядочного скопления проводов и компонентов и приводим устройство в более презентабельный вид (рис. В). Это нужно делать аккуратно, чтобы не переломить провода. Приклейте горячим клеем зарядное устройство LiPo к верхней части батареи LiPo, затем сверху приклейте жучок. И последнее действие: приклейте к самому верху датчик молнии. Зуммер я вывел на сторону, как показано на рисунке В. В результате получилось несколько скреплённых между собой плат с торчащими из них проводами. Выводы переключателя я также оставил свободными, чтобы позже вставить их в корпус, распечатанный на 3D-принтере.

3. Программирование микроконтроллера

Запустите на компьютере Arduino IDE и убедитесь, что в меню Tools→Board (Инструменты→Плата) выбрано значение Leonardo. Загрузите и установите библиотеку для датчика молнии. Затем скачайте код проекта и загрузите его на жучок. Программа предельно проста и очень легко настраивается.

Обнаружив молнию, устройство сначала подаст несколько звуковых сигналов, чтобы предупредить об ударе молнии поблизости, а затем подаст определённое количество звуковых сигналов, соответствующее расстоянию до молнии в километрах. Если молния находится на расстоянии менее 10 км (6,2 мили), детектор подаст один длинный звуковой сигнал. Если расстояние превышает 10 км (6,2 мили), расстояние будет поделено на 10, округлено, и устройство подаст соответствующее полученному числу количество сигналов. Например, если молния ударит на расстоянии 26 км (16 миль), то сигнала будет три.

Программное обеспечение запускается прерываниями от датчика молнии. Когда он обнаружит электромагнитное излучение от удара, на контакт IRQ подаётся высокое напряжение, оно вызывает прерывание в микроконтроллере. Датчик также может посылать прерывания для событий, не связанных с ударом молнии, например при превышении порогового уровня помех/шума. 

В этом случае нужно отойти с детектором подальше от электронных устройств. Исходящее от таких устройств излучение может «забить» сравнительно слабое излучение удалённого удара молнии.

4. Распечатка корпуса на 3D-принтере (не обязательно)

Корпус для устройства разработал я сам. Файлы для 3D-печати можно загрузить здесь. (рис. Г, Д). Верхняя часть корпуса прищёлкивается к нижней, никакого специального оборудования не требуется. Корпус достаточно просторный, чтобы в нём могло поместиться и ваше устройство, если вы будете собирать его по-другому (рис. Д). В любом случае вам ничего не мешает спроектировать аналогичный корпус самому:

• определите габариты устройства;

• спроектируйте устройство в программе CAD (мне нравится Fusion 360 — студенты могут получить её бесплатно);  

• создайте корпус, перетащив профиль из модели устройства. Допуска в 2 мм будет вполне достаточно.

Обнаружение ударов молнии

Поздравляем, теперь у вас есть работающий регистратор молний! Как проверить, работает ли устройство? Ответ очевиден — дождитесь грозы. Не знаю, насколько надёжен датчик, но мой сработал с первого раза.

Заряжать устройство очень просто — достаточно подключить microUSB-кабель к зарядному устройству LiPo и дождаться, когда индикатор зарядки загорится зелёным цветом. Во время зарядки устройство должно быть включено, иначе энергия не будет поступать в аккумулятор!

Внесение изменений

Регистратор молнии можно сделать более полезным и удобным в использовании, если внести в программное обеспечение определённые изменения:

• другие звуковые сигналы: чтобы устройство звучало приятнее, используйте библиотеку звуков Tone.h;

• спящий режим: микроконтроллер ATmega32u4 (чип, на основе которого работает жучок) поддерживает аппаратные прерывания в спящем режиме. Устройство можно перевести в спящий режим, и любое поступившее от датчика молнии, событие заставит датчик реагировать. Спящий режим может значительно продлить срок службы батареи.

Этот материал показывает, что умение разрабатывать программы на С++, работа с электроникой, даёт широкие возможности и может быть полезна в самых разных сферах: представьте, например, что вы часто бываете на природе — тогда о грозе лучше знать заранее и даже за километры, но не нужно дорогого оборудования. Если вам нравится чувствовать, как вы управляете железом, идущим по микросхемам током, то вы можете присмотреться к нашему курсу о разработке на С++, где студенты готовятся к началу карьеры разработчика ПО на этом сложном и мощном языке.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля: