«Домашняя метеостанция»

Уважаемые слушатели, члены жюри! Я ученик 10 б класса, Тимофеев
Дмитрий. Руководитель моей работы Александрова Н.Е., учитель физики. Тема
моего проекта «Домашняя метеостанция». Выбранная тема является актуальной,
потому что домашние метеостанции позволяют получать показания о температуре
и влажности в помещении, измерять атмосферное давление, анализировать
динамику изменения атмосферного давления и измерять концентрацию
углекислого газа, т.е. домашняя метеостанция будет полезна садоводам и
огородникам, ведь их деятельность во многом зависит от погоды. Таким образом,
целью проекта было создать в домашних условиях прибор, с помощью которого
можно отслеживать температуру, влажность воздуха, давление и уровень
углекислого газа в помещении. Для достижения которой потребовалось решить
следующие задачи:
- Изучение теоретического материала по теме проекта, используя интернет-
ресурсы;
- Проектирование схемы метеостанции;
- Сборка прибора, используя микроконтроллер Atmega;
- Программирование Atmega;
- Тестирование прибора;
- Представить, созданную мною метеостанцию.
Для этого я изучил различные источники по своей теме. Я рассмотрел
основы электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение
заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут
выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому
проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости. Вещество называют
проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные
переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество
называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Сила тока — это
количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное

сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем
соответственно больше ток. Сила тока измеряется в амперах. Чтобы заставить
заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо
создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение
измеряется в вольтах и обозначается буквой U. Закон Ома гласит: сила тока в
цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна
сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в
19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали
закон Джоуля-Ленца. Он численно показывает, сколько джоулей энергии
выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени.
При последовательном соединении сила тока одинакова на всех
потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление
потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном
соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а
общее сопротивление вычисляется по формуле, которую вы видите на слайде.
Также я изучил платформы Arduino. Arduino – это инструмент для
проектирования электронных устройств, более плотно взаимодействующих с
окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры,
которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Arduino применяется
для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от
различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к
нему, и управления различными исполнительными устройствами.
Выводы платформы Arduino могут работать как входы или как выходы.
Также большинство аналоговых входов Arduino (Atmega) могут
конфигурироваться и работать так же, как и цифровые порты ввода/вывода.
Если на порт ввода не поступает сигнал, то в данном случае рекомендуется
задать порту известное состояние. Это делается добавлением подтягивающих
резисторов 10 кОм, подключающих вход либо к +5 В (подтягивающие к питанию
резисторы), либо к земле (подтягивающие к земле резисторы).

Выводы, сконфигурированные как порты вывода, находятся в
низкоимпедансном состоянии. Данные выводы могут пропускать через себя
достаточно большой ток. Выводы микросхемы Atmega могут быть источником
(положительный) или приемником (отрицательный) тока до 40 мА для других
устройств. Такого значения тока достаточно чтобы подключить светодиод
(обязателен последовательно включенный резистор), датчики, но недостаточно
для большинства реле, соленоидов и двигателей.
Микроконтроллеры Atmega, используемые в Arduino, содержат
шестиканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Таким образом, при необходимости применения дополнительных портов
ввода/вывода имеется возможность сконфигурировать неиспользуемые
аналоговые входы.
Выводы Arduino, соответствующие аналоговым входам, имеют номера от 14
до 19. Это относится только к выводам Arduino, а не к физическим номерам
выводов микроконтроллера Atmega. Аналоговые входы могут использоваться как
цифровые выводы портов ввода/вывода.
Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в
текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены
текста.
Библиотеки добавляют дополнительную функциональность скетчам,
например, при работе с аппаратной частью или при обработке данных. Одна или
несколько директив #include будут размещены в начале кода скетча с
последующей компиляцией библиотек и вместе со скетчем. Вы можете видеть это
на слайде.
Также я рассмотрел интерфейс I2C - это шина связи, использующая всего две
линии. С помощью этого интерфейса Arduino может всего по двум проводам
обмениваться данными со множеством устройств.
Рассмотрим схему подключения модуля BМЕ280 к Ардуино. У этого модуля
всего 4 контакта: Питание (VIN), земля (GND), линия тактирования (SCL) и линия
данных (SDA). Линии I2C соединим с аналоговыми пинами А5 и А4

соответственно и подтянем сигнал к линии 5 В через резисторы на 10 КОм. Схема
очень простая, вы видите ее сейчас на слайде.
Теперь рассмотрим код. Мы будем получать данные с датчика, переводить
градусы по Цельсию в градусы по фаренгейту и выводить все на экран
компьютера, код вы также видите на слайде.
Адрес датчика температуры вы можно узнать на сайте производителя. Так же
существуют модули с назначаемым адресом. В этом случае придется
самостоятельно назначить адрес. Как это сделать должно быть описано на сайте
производителя или в datasheet модуля.
В результате мне удалось спроектировать схему в программе Fritizing, вы
видите ее на слайде. В данной схеме используются следующие элементы:
1 - Плата Arduino Nano;
2 - Датчик температуры, влажности и давления BME280;
3 - Датчик углекислого MH-Z19B (CO2);
4 - Модуль часов реального времени DS3231(RTC);
5 - RGB светодиод;
6 - Резистор на 220 Ом;
7 - Сенсорная кнопка TTP223;
8 - Дисплей LCD 2004 I2C.
К аналоговым пинам A4 и A5 (шина I2C) подключается модуль часов
реального времени, LCD дисплей и датчик температуры.
Сенсорная кнопка подключается к цифровому пину D4.
Датчик углекислого газа подключаем к цифровым пинам D2 и D3.
RGB светодиод подключаем к цифровым пинам D5, D6 и D9, а общий катод
или анод к цифровому пину D7 через токоограничивающий резистор номиналом
220 Ом.
Подключаем все по схеме на слайде.
В итоге получается метеостанция без корпуса, вы видите ее на слайде.
В результате 3-х дневного написания кода получилось следующее (слайд).

Я считаю, что домашняя метеостанция понравится многим людям, так как в
ней есть все необходимые метеорологические приборы.
К преимуществам работы можно отнести то, что в ходе ее выполнения я
получил знания в области программирования и электроники. В процессе работы
над проектом я научился читать и проектировать схемы. В будущем я планирую
добавить в данную метеостанцию анемометр для измерения скорости ветра и
сенсорный дисплей для более удобного вывода информации и навигации, датчик
освещенности, чтобы ночью метеостанция не мешала, датчик дождя.