Kiwanda cha E-Shamba: Hatua 8 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Unaweza kuwa tayari unajua kuwa mimi ni mraibu wa aina yoyote ya matumizi ya kipimo cha sensorer. Siku zote nilitaka kufuatilia mabadiliko ya uwanja wa sumaku na pia nilivutiwa na kupima uwanja wa umeme ulioko wa dunia ambao unasimamiwa na michakato ya utengano wa malipo inayofanyika kati ya mawingu na uso wa dunia. Matukio kama anga safi, mvua au ngurumo zote zina athari kubwa kwenye uwanja wa umeme unaotuzunguka na matokeo mapya ya kisayansi yanatuonyesha kuwa afya yetu inategemea sana uwanja wa umeme unaozunguka.

Kwa hivyo, ndio sababu nilitaka kujifanya kifaa kinachofaa cha kupimia uwanja wa umeme tuli. Tayari kuna muundo mzuri mzuri uliopo, pia huitwa kinu cha uwanja wa umeme ambao hutumiwa sana. Kifaa hiki hutumia athari inayoitwa Uingizaji wa Umeme. Hii hufanyika kila wakati unapowasilisha nyenzo zinazoendesha kwa uwanja wa umeme. Shamba huvutia au kurudisha elektroni za bure kwenye nyenzo. Ikiwa imeunganishwa na ardhi (uwezo wa ardhi) wabebaji wa malipo wanapita ndani au nje ya nyenzo. Baada ya kukatwa kwa ardhi malipo hubaki kwenye nyenzo hata uwanja wa umeme ukitoweka. Malipo haya yanaweza kupimwa na voltmeter. Hii ni kanuni ya kupima viwango vya umeme tuli.

Miaka michache iliyopita nilijenga kinu cha shamba kulingana na mipango na skimu nilizozipata kwenye mtandao. Kimsingi ina rotor na aina fulani ya propela juu yake. Propel ni seti pacha ya sehemu za chuma ambazo zimewekwa chini. Rotor inageuka seti ya sahani za kuingizwa ambazo zimefunikwa kwa umeme na kufunuliwa na rotor. Kila wakati zinafunuliwa kuingizwa kwa umeme wa uwanja wa umeme ulioko husababisha mtiririko wa wabebaji wa malipo. Mtiririko huu hubadilishwa wakati rotor inashughulikia tena sahani za kuingizwa. Unachopata ni kubadilisha sinusoidal ya sasa zaidi au chini ambayo amplitude ni uwakilishi wa nguvu ya uwanja uliopimwa. Hii ndio kasoro ya kwanza. Haupati voltage tuli inayoonyesha nguvu ya uwanja lakini lazima uchukue ukubwa wa ishara mbadala ambayo inapaswa kurekebishwa kwanza. Suala la pili ni lenye kuchosha zaidi. Kiwanda cha shamba hufanya kazi vizuri katika mazingira yasiyosumbuliwa -leti husema upande wa giza wa mwezi wakati uko mbali na nguvu ya umeme hum na ukungu huu mwingi wa umeme ambao unapenya mazingira yetu kila mahali tulipo. Hasa laini ya nguvu ya 50Hz au 60Hz hum inaingilia moja kwa moja na ishara inayotakiwa. Ili kukabiliana na shida hii kinu cha shamba hutumia seti ya pili ya sahani za kuingiza na kipaza sauti kingine ambacho kinachukua ishara sawa na mabadiliko ya awamu ya 90 °. Katika kipaza sauti cha ziada cha kufanya kazi ishara zote mbili hutolewa kutoka kwa kila mmoja. Kwa sababu wamo nje ya awamu salio la ishara inayotakiwa na kuingiliwa, ambayo ni sawa na ishara zote mbili, kufutwa kinadharia. Jinsi nzuri hii inafanya kazi inategemea usawa wa kuingiliwa kwa mizunguko yote ya upimaji, CMRR ya kipaza sauti na kwenye swali ikiwa kipaza sauti hupitishwa kupita kiasi au la. Kinachofanya hali hiyo kuwa mbaya zaidi ni kwamba uliongezea mara mbili kiwango cha vifaa tu ili kuondoa mwingiliano.

Mwaka jana nilikuwa na wazo la kushinda shida hizo na muundo wangu mwenyewe. Ni kazi kidogo zaidi kwa fundi lakini rahisi katika suala la elektroniki. Kama kawaida, hii sio hatua kamili ya hatua ya kurudia ya kifaa kamili. nitakuonyesha kanuni za kufanya kazi kwenye muundo wangu na unaweza kuibadilisha kwa njia tofauti na kuifananisha na mahitaji yako mwenyewe. Baada ya kukuonyesha jinsi ya kuijenga nitaelezea jinsi inavyofanya kazi na kukuonyesha matokeo ya vipimo vyangu vya kwanza.

Nilipopata wazo la kifaa hiki nilijivunia mifupa lakini kama unavyojua kiburi kinatangulia anguko lolote. Ndio, lilikuwa wazo langu mwenyewe. Niliiendeleza peke yangu. Lakini kama kawaida kulikuwa na mtu kabla yangu. Mgawanyo wa mashtaka kwa kuingiza na kukuza kwa kutumia athari ya capacitor ilitumika karibu kila muundo wa jenereta ya umeme wakati wa miaka 150 iliyopita. Kwa hivyo hakuna kitu maalum juu ya muundo wangu licha ya ukweli kwamba mimi ndiye wa kwanza ambaye nilifikiria juu ya kutumia dhana hizo za kupima sehemu dhaifu za umeme. Bado ninatumaini siku moja nitakuwa maarufu.

Hatua ya 1: Orodha ya Vifaa na Zana

Orodha ifuatayo inaonyesha takribani vifaa ambavyo utahitaji. Unaweza kubadilisha na kurekebisha hizo kwa kadri utakavyo.

• Karatasi za plywood ya 4mm
• mihimili ya mbao 10x10mm
• Bomba la aluminium la 8mm
• Fimbo ya aluminium 6mm
• Fimbo ya plexiglass ya 8mm
• 120x160mm upande mmoja shaba PCB iliyofunikwa
• waya wa shaba au shaba 0.2mm
• kipande cha karatasi ya shaba 0.2mm
• solder
• gundi
• Screws 3mm na karanga
• Tundu la mtihani wa 4mm
• bomba la mpira lenye kipenyo (kipenyo cha ndani cha 2mm) nilipata yangu kutoka amazon
• Sehemu za elektroniki kulingana na mpango (sehemu ya kupakua)
• Capacitor ya 68nF styroflex kama mtoza ushuru. Unaweza kubadilisha thamani hii kwa njia pana.
• Magari ya capstan kwa 6V DC. Hizi ni motors ambazo zilibuniwa haswa kwa wachezaji wa diski na kinasa sauti. Rpm yao imewekwa! Bado unaweza kuzipata kwenye Ebay.
• Ugavi wa umeme wa 6V / 1A.

Hizi ndizo zana unazohitaji

• Chuma cha kulehemu
• Mazingira ya maendeleo ya Arduino kwenye PC yako / Daftari
• Kebo ya USB-A hadi B
• faili au bora lathe
• kuchimba umeme
• buzz ndogo kuona au kuona mkono
• kibano
• mkata waya

Hatua ya 2: Kutengeneza Mitambo

Katika picha ya kwanza unaweza kuona muundo wote unategemea karatasi mbili za plywood 210mm x 140mm kwa mwelekeo. Zimewekwa juu ya kila mmoja, zimeunganishwa na vipande 4 vya mihimili ya mbao ambayo huwaweka umbali wa 50mm. Kati ya shuka zote mbili motor na wiring zilizomo. Pikipiki imewekwa na screws mbili za M3 zinazofaa kwenye mashimo mawili ya 3mm yaliyopigwa kupitia karatasi ya juu ya plywood. Karatasi ya vifaa vya PCB inafanya kazi kama ngao dhidi ya uwanja wa umeme ulioko. Imewekwa 85mm juu ya karatasi ya juu ya plywood na makali yake ya ndani yanaishia tu juu ya shimoni la gari.

Sehemu ya msingi ya kifaa hiki ni diski. Ina kipenyo cha 110mm na imetengenezwa kwa nyenzo moja ya shaba iliyofunikwa na shaba. Nilitumia kinu kukata diski ya pande zote ya PCB. Nilitumia kinu pia kukata mipako ya shaba katika sehemu nne ambazo zina maboksi ya umeme. Pia ni muhimu sana kukata pete kuzunguka katikati ya diski ambapo motor shaft itapita. Vinginevyo ingeweka umeme sehemu hizo! Kwenye lathe yangu nilikata kipande kidogo cha fimbo ya aluminium ya 6mm kwa njia ambayo inachukua shimo la 3mm chini na mashimo mawili ya mstatili 2, 5mm ambayo nyuzi za M3 zimekatwa. Mwisho mwingine nilikata kwa shimoni ndogo ya 3mm ili inafaa kwenye shimo la katikati la diski. Adapta hiyo ilikuwa imeshikamana sana chini ya diski. Mkutano wa diski unaweza kuangushwa kwenye shimoni la gari.

Kisha unaona sehemu nyingine muhimu. Sehemu ya saizi ya zile zilizo kwenye diski, iliyotengenezwa kwa karatasi ya shaba 0, 2mm Sehemu hii imewekwa kwenye karatasi mbili za plywood. Wakati diski imewekwa sehemu hii iko nyembamba sana chini ya diski inayozunguka. umbali ni karibu 1mm. Ni muhimu kuweka umbali huu mdogo iwezekanavyo!

Vitu vifuatavyo muhimu ni ndevu ya ardhi na kuchukua malipo. Zote mbili zimetengenezwa kwa bomba la alumini na fimbo zilizokatwa kwenye nyuzi ili kuziweka pamoja. Unaweza kufanya aina yoyote ya tofauti unayopenda hapa. Unahitaji tu kitu kinachoendesha juu ya uso wa diski. Kwa ndevu nilijaribu vifaa vingi. Wengi wao walikuwa wakiharibu sehemu za diski baada ya muda. Mwishowe nikapata dokezo kwenye kitabu kuhusu vifaa vya umeme. Tumia neli ya mpira inayoendesha! Sio kuharibu mipako ya shaba na kuvaa na kuvaa …

Whisker ya ardhi imewekwa kwenye eneo kwa njia ambayo inapoteza mawasiliano na sehemu ya diski wakati inapoanza kufunua sahani ya ardhi. Kuchukua malipo huwekwa kama kwamba inachukua sehemu katikati wakati iko umbali wa juu kutoka kwa sahani ya ardhini. Tazama kwamba uchukuaji wa malipo umewekwa kwenye kipande cha fimbo ya plexiglass. Hii ni muhimu kwa sababu tunahitaji insulation nzuri hapa. Vinginevyo tutakuwa na hasara ya mashtaka!

Halafu unaona kuwa tundu la jaribio la 4mm limewekwa kwenye "basement" ya mkutano. Nilitoa unganisho huu kwa sababu sikuwa na hakika ikiwa nitahitaji unganisho halisi la "ardhi" au la. Katika hali ya kawaida tunashughulika na mikondo ya chini sana hivi kwamba tuna msingi wa ndani hata hivyo. Lakini labda kutakuwa na usanidi wa jaribio hapo baadaye ambapo tunaweza kuhitaji, ni nani anayejua?

Hatua ya 3: Wiring

Sasa lazima uunganishe umeme kila kitu ili iweze kufanya kazi vizuri. Tumia waya wa shaba na solder pamoja sehemu zifuatazo.

• Programu-jalizi ya 4mm
• Whisker ya ardhi
• Ngao
• waya moja ya malipo kukusanya capacitor

Solder waya wa 2 wa capacitor kwa kuchukua malipo.

Hatua ya 4: Kutengeneza Elektroniki

Fuata mpango ili uweke vifaa vya elektroniki kwenye kipande cha ubao. Niliuza vichwa vya pini kwenye kingo za bodi ili kuiunganisha na Arduino Uno. Mzunguko umelaaniwa rahisi. Malipo yaliyokusanywa huchukuliwa kwa capacitor na kuingizwa ndani ya kipaza sauti cha juu ambacho huongeza ishara kwa 100. Ishara ni pasi ya chini iliyochujwa na kisha hupelekwa kwa pembejeo moja ya pembejeo za ubadilishaji wa analog-to-digital wa arduino. MOSFET hutumiwa kwa Arduino kuwasha / kuzima gari la diski.

Ni muhimu sana kuunganisha ardhi ya mkutano wa fundi na ardhi halisi ya mzunguko wa elektroniki ambayo ni mahali ambapo R1 / R2 / C1 / C2 hukutana! Hii pia ni msingi wa malipo ya kukusanya capacitor. Unaweza kuona hii kwenye picha ya mwisho katika sura hii,

Hatua ya 5: Programu

Hakuna mengi ya kusema juu ya Programu. Imeandikwa moja kwa moja. Programu inajua amri zingine za kusanidiwa vizuri. Unaweza kupata arduino ikiwa una IDE ya Arduino kwenye mfumo wako kwa sababu unahitaji madereva ya comport. Kisha ingiza kebo ya USB kwa arduino na PC yako / Daftari na utumie programu ya terminal kama HTerm kuunganisha arduino kupitia comport iliyoiga na bauds 9600, hakuna usawa na 1 stopbit na CR-LF kwenye ingizo.

• "setdate dd-mm-yy" inaweka tarehe ya moduli ya RTC iliyounganishwa na arduino
• "settime hh: mm: ss" inaweka wakati wa moduli ya RTC iliyounganishwa na arduino
• chapa "tarehe" na saa
• "setintervall 10… 3600" Inaweka vipindi vya sampuli kwa sekunde kutoka 10 hadi 1h
• "anza" huanza kikao cha vipimo baada ya kusawazisha hadi dakika kamili ijayo
• "Usawazishaji" hufanya vivyo hivyo lakini anasubiri saa kamili ijayo
• "simama" husimamisha kipindi cha upimaji

Baada ya kupokea "anza" au "usawazishaji" na kufanya mambo ya maingiliano maombi kwanza huchukua sampuli ili kuona mahali pa sifuri au upendeleo upo. Halafu huanza motor na kusubiri 8s kwa rpm ili utulivu. Kisha sampuli inachukuliwa. Kwa ujumla kuna programu ya wastani ya hesabu ambayo inaendelea wastani wa sampuli juu ya sampuli 10 za mwisho ili kuepuka glitches. Thamani ya sifuri iliyochukuliwa hapo awali sasa imetolewa kutoka kwa kipimo na matokeo yalitumwa juu ya comport pamoja na tarehe na wakati wa kipimo. Mfano wa kikao cha vipimo inaonekana kama hii:

03-10-18 11:00:08 -99

03-10-18 11:10:08 -95

03-10-18 11:20:08 -94

03-10-18 11:30:08 -102

03-10-18 11:40:08 -103

03-10-18 11:50:08 -101

03-10-18 12:00:08 -101

Kwa hivyo, vipimo vinaonyeshwa kama upungufu kutoka kwa sifuri iliyopimwa kwa nambari ambazo zinaweza kuwa chanya hasi kulingana na mwelekeo wa anga wa mtiririko wa umeme. Kwa kweli kuna sababu kwanini nimeamua kupangilia data katika safu wima za tarehe, saa na viwango vya kipimo. Huu ndio muundo kamili wa kuibua data na mpango maarufu wa "gnuplot"!

Hatua ya 6: Jinsi inavyofanya kazi

Nilikuambia tu kwamba kanuni ya kufanya kazi ya kifaa hiki ni kuingizwa kwa umeme. Kwa hivyo inafanya kazi kwa kina? Hebu fikiria kwa muda tutakuwa moja ya sehemu hizo kwenye diski. Tunazunguka kwa kasi ya mara kwa mara tukifunuliwa kwa uwanja wa umeme ulioko na kisha kujificha tena kutoka kwa mtiririko chini ya ulinzi wa ngao. Fikiria tungeweza kutoka kwenye kivuli kwenda shambani. Tungewasiliana na whisker ya kutuliza. Shamba la umeme litachukua hatua kwa elektroni zetu za bure na sema uwanja utawafukuza. Kwa sababu tumepewa msingi kutakuwa na idadi ya elektroni zinazotukimbia na kutoweka duniani.

Kupoteza ardhi

Sasa, wakati zamu ya diski inaendelea wakati fulani tutapoteza mawasiliano na whisker ya ardhi. Sasa hakuna malipo zaidi yanayoweza kutukimbia lakini njia ya kurudi kwa mashtaka ambayo tayari yamekwenda pia imefungwa. Kwa hivyo tumebaki nyuma na ukosefu wa elektroni. Ikiwa tunapenda au la, tunatozwa sasa! Na malipo yetu ni sawa na nguvu ya mtiririko wa umeme.

Je! Tuna malipo ngapi?

Wakati tulipokuwa wazi kwenye uwanja wa umeme tulipoteza elektroni kadhaa. Tumepoteza kiasi gani? Kweli, na kila elektroni tulipoteza, malipo yetu yalipanda. Malipo haya hutengeneza uwanja unaoibuka wa umeme kati yake na ardhi. Shamba hili ni kinyume na ile iliyoko ambayo ilizalisha ushawishi. Kwa hivyo upotezaji wa elektroni unaendelea hadi mahali ambapo uwanja wote ni sawa na kughairiana! Baada ya kupoteza mawasiliano na ardhi bado tuna uwanja wetu wa umeme dhidi ya sahani iliyo na msingi ambayo ina uwezo wa ardhi. Unajua jinsi tunavyoita sahani mbili zinazoendesha na uwanja wa umeme katikati? Hii ni capacitor! Sisi ni sehemu ya capacitor iliyoshtakiwa.

Sisi ni capacitor sasa!

Unajua uhusiano kati ya malipo na voltage kwenye capacitor? Wacha nikuambie, ni U = Q / C ambapo U ni voltage, Q ni malipo na C uwezo. Uwezo wa capacitor ni sawa na umbali wa sahani zake! Hiyo inamaanisha upana zaidi umbali unapunguza uwezo. Sasa inakuwaje wakati tunaendelea kuwasha gurudumu bila mawasiliano ya chini? Tunaongeza umbali wa bamba la ardhi. Wakati tunafanya hivi uwezo wetu huanguka sana. Sasa angalia tena U = Q / C. Ikiwa Q ni ya kawaida na C inapungua, ni nini kinatokea? Ndio, voltage inaongezeka! Hii ni njia nzuri sana ya kukuza voltage kwa kutumia njia za kiufundi tu. Huna haja ya amplifier ya kufanya kazi, uchujaji wa kelele na kompyuta ya takwimu hapa. Ni fizikia wajanja tu na wazi ambayo huongeza ishara yetu hadi kiwango ambapo usindikaji wa ishara na vifaa vya elektroniki inakuwa kazi ya kuchosha. Ujanja wote wa kifaa hiki hutegemea uingizaji wa umeme na athari ya capacitor!

Inamaanisha nini?

Lakini ni nini hasa tulichoongeza kwa njia hii? Je! Tuna elektroni zaidi sasa? Hapana! Je! Tuna malipo zaidi hata hivyo? Hapana! Tulichoongeza ni NISHATI ya elektroni na hii ndio inatuwezesha kutumia nyaya rahisi za elektroniki na uchujaji mdogo. Sasa tulifikia aphel ya trajectory yetu na mwishowe uchukuaji wa malipo huchukua elektroni zetu zenye nguvu na kuzikusanya kwenye mtoza ushuru.

Kinga dhidi ya kuingiliwa

Unapoangalia video utaona kuwa licha ya usumbufu wa kawaida nyumbani kwangu ishara ya pato la kifaa ni thabiti na haina kelele. Je! Hii inawezekanaje? Vizuri nadhani ni kwa sababu ishara na kuingiliwa hazitatembea kwa njia ya kipaza sauti kama kwenye kinu cha uwanja wa kawaida. Katika muundo wangu kuingiliwa kunaathiri malipo yaliyokusanywa kutoka wakati wa unganisho kwa ardhi limepotea. Hiyo inamaanisha kila sampuli imeathiriwa kwa njia fulani na kuingiliwa. Lakini kwa sababu usumbufu huu hauna sehemu ya DC kwa muda mrefu kama ulinganifu, matokeo ya kuingiliwa mara kwa mara hutolewa kwa mkusanyaji wa ushuru wa malipo. Baada ya zamu ya kutosha ya diski na sampuli zilizolishwa kwa mtoza ushuru wastani wa kuingiliwa ni sifuri. Nadhani huo ndio ujanja!

Hatua ya 7: Upimaji

Baada ya upimaji, utatuaji na uboreshaji nilisakinisha kinu cha shamba pamoja na daftari langu la zamani la kushinda-xp kwenye dari yangu na nikafanya mtihani kwa takriban siku moja. Matokeo yalionyeshwa na gnuplot. Tazama faili ya data iliyoambatishwa "e-field-data.dat" na faili ya usanidi wa gnuplot "e-field.gp". Ili kuona matokeo anza tu gnuplot kwenye mfumo wako wa kulenga na andika kwa haraka> shehena "e-field.gp"

Tazama picha inayoonyesha matokeo. Ni ajabu sana. Nilianza kipimo mnamo 2018-10-03 wakati tulikuwa na hali ya hewa nzuri na anga ya bluu. Angalia kwamba uwanja wa umeme ulikuwa mzuri na hasi, wakati tunapaswa kutunza kwa sababu ni nini "hasi" na nini "chanya" kwa sasa sio busara iliyoainishwa. Tungehitaji usawazishaji wa kifaa chetu ili kujipanga na fizikia halisi. Lakini hata hivyo, unaweza kuona kwamba juu ya mizunguko ya kipimo nguvu ya shamba ilipungua pamoja na hali ya hewa kuanza kuzorota na kuwa na mawingu na mvua. Nilishangaa kwa namna fulani juu ya matokeo hayo lakini bado lazima niangalie ikiwa haya yanahusiana na fizikia.

Sasa ni zamu yako. Endelea na utengeneze kinu chako cha uwanja wa umeme na uchunguze siri za sayari yetu kwa hamu yako mwenyewe! Furahiya!

Hatua ya 8: Kukusanya na Kufasiri Takwimu

Sasa kwa kuwa kila kitu (kwa matumaini) kinafanya kazi vizuri unapaswa kukusanya data. Ninapendekeza kutumia mahali pa kudumu kwa kinu cha shamba. Vinginevyo data itakuwa ngumu kulinganisha. Vigezo vya uwanja wa mitaa vinaweza kutofautiana sana kutoka mahali hadi mahali. Nilisanidi kinu kwamba ilichukua thamani moja ya kipimo kila saa. Ninaacha kinu kiendeshe kwa muda wa miezi 3. Ukiangalia grafu zinazowasilisha data iliyokusanywa ya mwezi Novemba 2018, Desemba 2018 na Januari 2019, unaona matokeo mazuri.

Kwanza unaweza kuona kwamba nguvu ya uwanja mnamo Novemba ilikuwa nzuri tu kugeuka kuwa hasi mwishoni mwa mwezi. Kwa hivyo jambo la jumla lazima libadilike, labda kulingana na hali ya hewa. Labda kulikuwa na kushuka kwa joto kwa busara. Kisha ishara ya wastani ilikaa hasi hadi mwisho wa mzunguko wa kipimo. Jambo la pili ni kwamba kuna spikes kadhaa kwenye grafu ya ishara inayoonyesha mabadiliko ya uwanja wa haraka unaodumu kwa dakika kadhaa. Sidhani kama mabadiliko katika anga yanahusika na hilo. Hata hali ya hewa ya ndani inajumuisha umati mkubwa wa gesi na ions zilizoingizwa. Pia mawingu na mvua au theluji kawaida hazibadilika ndani ya dakika. Kwa hivyo nadhani ushawishi uliotengenezwa na wanadamu unaweza kuwa umesababisha mabadiliko hayo ya ghafla. Lakini hii pia ni ngumu kuelezea. Vyanzo vyote vya laini ya umeme hutoa tu ac-voltage. Hiyo haihesabu mabadiliko ya dc niliyoona. Ninashuku kunaweza kuwa na michakato ya malipo ya umeme na magari yanayopita kwenye lami ya barabara mbele ya gorofa yangu. Inafikiriwa pia kuwa michakato ya malipo inayosababishwa kuwa vumbi lililobebwa na upepo na kuwasiliana na uso wa nyumba yangu.