Bauteile

• Arduino-Ethernet.
• Das DFrobot LCD Shield
• Ein einfacher, kleiner Reed-Kontakt plus passendem Mini-Magneten
• 3 Plastiklöffel / Dosierlöffel als Windschaufeln
• Etwas Holz für die Rahmenkonstruktion
• Ein Aluminium Rundstab (5mm) aus dem Baumarkt
• Ein 10kOhm Widerstand und ein 100nF Kondensator

Das LCD Shield ist prinzipiell nicht notwendig und wird später in der Wetterstation auch nicht verwendet. Für die ersten Tests, ist es aber recht hilfreich, eine Anzeige vor Ort zu haben und nicht auf serielle Debugausgaben angewiesen zu sein.

Mechanischer Aufbau

Unser Anemometer ist ein sogenanntes Schalensternanemometer, die am meisten verbreitete Bauform. Da ich nur drei gleichartige “Dosierlöffel” zur Verfügung habe, bekommt unser Windrad eben drei Arme. Mittels eines “Kreisbohrers” schneide ich mir aus einem Brett zwei Holzscheiben von ca. 4cm Durchmesser. Die eine Scheibe wird an drei Stellen im 120° Winkel ca 1cm eingesägt, so das die Stiele der Löffel in den Schlitz passen. Zu meinem Glück passt das Mittelloch der Scheiben (das entsteht zwangsläufig beim Bohren mit dem Kreisbohrer) genau und straff auf meine 5mm Alu-Welle.
Aus einer Holzleiste schneide ich 4 Stücke, ein langes, ein mittleres und zwei kurze Stück, die zu einem Träger-Rahmen verschraubt werden. Die kurzen Stücke dienen dabei als Führung für die Welle des Windrades, daher bekommen beide noch ein Loch, das etwas größer ist als der Durchmesser der Welle, damit sich diese frei drehen kann. Zu groß sollte der Unterschied aber nicht sein, da die Welle sonst zu viel Spiel hat. Auf der untersten Schiene wird kein Loch gebohrt, sondern nur eine kleine Vertiefung angebracht, damit die Welle nicht wegläuft. Die Welle selbst wird am unteren Ende rund gefeilt, damit sie sich mit wenig Reibung drehen kann.
Die zweite Holzscheibe bekommt ein kleines (nicht durchgehendes) Loch, in das ich den kleinen, runden Mageneten einsetze. Da der Magnet unten in der Scheibe sitzt, markiert ein Punkt die Stelle auf der Oberseite. In eine Nut auf der Bodenleiste wird nun der Reedkontakt geklebt. Bei jeder Umdrehung schließt nun der verbeikommende Magnet kurz den magnetischen Schalter und erzeugt somit einen Zählimpuls für unseren Mikrocontroller. Um keine stöhrenden Drähte zu haben, gehen die Anschlüsse des Reedkontakts durch zwei kleine Löcher auf die Unterseite der Bodenleiste.

Elektrischer Aufbau

Die Schaltung ist relativ simple und entspricht bis auf den Kondensator dem Einführungsbeispiel für Taster / Schalter am Arduino Board. Mittels eines Widerstandes (10kOhm) wird der digitale Eingang dauerhaft gegen Masse (GND) geschaltet. Durch diesen “Pull-Down-Widerstand” sorgen wir dafür, das ohne Schaltsignal der Eingang definitiv ein LOW Signal erhält. Erst wenn der Schalter geschlossen wird, wird der Eingang auf HIGH (+5V) geschaltet. Somit gibt es immer ein definiertes Signal.
Leider mußte ich bei meinen ersten Tests feststellen, das mein Schalter “prellt“. Das bedeutet, das der Schalter bei einem einzigen Schaltvorgang (Magnet “überfliegt” den Schalter) aufgrund der Mechanik mehrere Schaltsignale erzeugt. Durch die Art und Weise der Messung (siehe unten) kann ich das nur schwer durch die Software abfangen. Die einfachste, wenn auch nicht beste Lösung ist in diesem Fall der im Schaltbild zu sehende Kondensator. Er bildet mit dem Widerstand ein sogenanntes RC-Glied, das durch die Zeit die der Kondensator bei einem Schaltvorgang zum Laden und Entladen benötigt, die zusätzlichen Schaltsignale abfängt. Danke an die Jungs von cc-robotik.de für ihren Beitrag zum “Enprellen ohne FlipFlop”

Messen

Auch beim Messen der Zählimpulse habe ich diesmal Neuland betreten. Bisher war das Abfragen von digitalen oder analogen Eingängen recht einfach. An irgendeiner Stelle im Programm ruft man die Funktion digitalRead(int pin) oder analogRead(int pin) auf und wertet das Ergebnis aus. Bei einem Knopf den ein User drückt ist das auch kein Problem, der User wird den Knopf schon so lange drücken, bis etwas passiert. Leider verhält sich unser Windrad nicht so kooperativ. Der Zählimpus wird im Ernstfall nur einige Millisekunden (wenn überhaupt so lange) am digitalen Eingang anliegen. Wenn das Programm den Eingang nicht genau in diesem Moment abfragt, dann haben wir den Zählimpuls verpasst. Dreht sich aber das Windrad nur sehr langsam, kann es passieren, das wir in unserer Abfrageschleife erneut an dem Programmpunkt vorbei kommen und den gleichen Zählimpuls ein zweites Mal zählen. Ein einfaches Abfragen hilft also nicht weiter.
Unser kleines Arduino Multitalent hat aber auch dafür eine clevere Lösung parat – externe Interrupts. Das ist eine Unterbrechung des Programmablaufs durch ein externes Ereignis, bei dem plötzlich ein ganz anderes Stück Programm ausgeführt wird, die sogenannte “Interrupt Service Routine”. Ist diese abgearbeitet, macht das Programm an der alten Stelle weiter. Da eine solche Unterbrechung aber einige zusätzliche Auswirkungen auf unser System hat, muß diese immer so kurz wie möglich gehalten werden. Der Arduino Uno, bzw. alle gleichartigen Arduinos haben zwei digitale Eingänge, die solche Interrupts auslösen können – Pin 2 und Pin 3. Unser Anemometer wird an Pin 3 angeschlossen, wie im Schaltplan angegeben und als digitaler Eingang definiert. Jeder Schaltvorgang am Reedkontakt löst nun im Programm einen Interrupt aus, der dann einfach den Umdrehungszähler um eins erhöht. Um Messfehler zu minimieren, messe ich 3 Sekunden lang und teile dann die gezählten Umdrehungen durch 3. Vor jeder Messung wird der Zähler wieder auf Null gesetzt. Für die Wetterstation wird die Messdauer sicher eher 10 oder 20 Sekunden betragen, aber da ich ja nach dem Messen das Display aktualisieren will, sind 3 Sekunden ein guter Kompromiss. Die Umrechung auf die eigentliche Windgeschwindigkeit erfolgt in der Annahme, das die Drehzahl proportional zur Windgeschwindigkeit ist. Das wird in unserem Fall nicht wirklich so sein, aber als Näherungswert ist das erstmal OK. Das Datenblatt zum “Kauf-Anemometer” gibt einen Umrechungsfaktor von 2.4 an. Also eine Umdrehung pro Sekunde entspricht ca. 2.4 km/h Windgeschwindigkeit. Ob das bei unserem Windrad auch so ist, kann ich nicht sagen, aber die Werte sehen erstmal halbwegs plausibel aus. Sollte ich das Teil für die Wetterstation verwenden, muss es natürlich geeicht werden.

Das Programm

Download: Anemometer_Counter
Das Programm besteht im wesentlichen aus drei Teilen.

1. der Interrupt Service Routine, die den Umdrehungszähler hoch zählt
2. das Aktivieren des Interrupts beim Start der Messung und das Deaktivieren am Ende der Messung
3. das Auswerten und Anzeigen der ermittelten Werte

Warum aktiviere ich den Interrupt nur während der Messung und warte dann mittels der Funktion “delay()” den Messzeitraum ab?
Wird der Interrupt ausgelöst, wird die 16 Bit Variable windCounter um eins erhöht. Das ist aber unter Umständen in der eigentlichen Maschinensprache des ATMEL Prozessors nicht ein einzelner Befehl, sondern mehrere. Ebenso ist das Kopieren und Umwandeln der Zählwertes aus der Variable “windCounter” bei der Auswertung eine Folge aus mehreren Befehlen. Da Interrupts immer Vorrang haben, könnte ein weiterer Zählimpuls während der Verarbeitung durch das Hauptprogramm den Wert plötzlich verändern. Um das zu vermeiden, aktiviere ich den Interrupt für Pin 3 nur direkt vor der Messung, warte dann den Messzeitraum ab und deaktiviere dann den Interupt wieder. Somit kann mir das weiterdrehende Windrad nicht mehr dazwischen funken. Das ist sicher keine schöne Lösung, da man Programme nicht blockierend schreiben sollte, zum Testen ist das aber zunächst OK.
Nach dem Messen wird dann noch die “theroretische” Windgeschwindigkeit ermittelt und das Ganze auf dem Display ausgegeben.

Das Anemometer in Aktion

In Ermangelnung eines kräftigen Windhauchs, mußte zunächst unser Fön als Testwerkzeug herhalten. Die Stimme im Hintergrund, die da so lauthals nach Futter verlangt, ist meine Frau, da mein Versuchsaufbau den eigentlich fürs Abendbrot gedachte Küchentisch bevölkerte. Aber auch wenn ich Essen grundsätzlich für die wichtigste Malzeit des Tages halte , hat nerdiges Spielzeug IMMER Vorrang. Vor allem wenn es selbst gebaut ist und im Grunde sogar funktioniert.

Bauteile

• Arduino-Board. In meinem Fall ein Arduino-Ethernet, es geht aber auch das “normale” Arduino uno, bzw. jedes PIN-kompatible Board.
• Das DFrobot LCD Shield
• Der DHT11 One-Wire Sensor.

DFrobot LCD Shield

Das LCD-Shield ist eine sehr praktische Geschichte, da es direkt auf das Arduino-Board aufgesteckt werden kann. Da ich ein Arduini-Ethernet verwende, war allerdings noch Satz “Stackable Header” notwendig, damit die Shield-Platine nicht auf den RJ45 Gehause aufsetzt. Bei einem “normalen” Arduino Board sollte das nicht notwendig sein. Das Display auf dem LCD-Shield stellt 2×16 Zeichen zur Verfügung, die mit weißen Zeichen auf blauem Hintergrund dargestellt werden. Zusätzlich sind 5 Taster und einen Reset-Taster auf dem Board verbaut. Für die Steuerung des Displays werden die digitalen Pins 4 bis 10 und der analoge Eingang A0 verwendet.
Pin 4 bis 7 dienen als 4bit Datenbus, Pin 8 als Steuerleitung und Pin 9 als “Enable Pin” zum aktivieren / deaktivieren des Displays. Über Pin 10 wird die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung geregelt, dazu später mehr.
Sehr clever ist die Schaltung der 5 Taster gelöst, diese sind alle über den analogen Eingang A0 angeschlossen. Jeder Schalter über einen anderen Widerstand. Somit lassen sich über die Funktion analogRead() unterschiedliche Werte, je nach gedrücktem Taster auslesen. Es wird also nur ein Pin für alle 5 Taster benötigt. Nachteil dieser Methode ist allerdings, das man immer nur einen gedrückten Taster erkennen kann. Für unser Projekt reicht das aber völlig aus.

DHT11 Sensor

Dieser Sensor liefert Werte für Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit im Bereich 0 – 50 °C und 20% – 90% RH, was für unseren Zweck ausreichend ist. Auch die +/- 2°C Messgenauigkeit sind für unser kleines Projekt akzeptabel. Mit knapp 4 bis 5 Euro ist er gegenüber anderen Sensoren recht preiswert. Der große Bruder (DHT22) für ca. 13 Euro kann dann von -40 bis 80 °C bei 0,5°C Genauigkeit und 0-100% Luftfeuchte schon deutlich mehr.
Für die Kommunikation mit dem Sensor wird lediglich ein digitaler Pin benötigt. Leider ist der DHT11 kein “echter” One-Wire Sensor, da er ein eigenes, proprietäres Protokoll verwendet. Da wir nur einen Sensor anschliessen und es rechte gute Beispiele und Bibliotheken für diesen Sensor gibt, stört auch das nicht weiter.
Geliefert wird der Sensor mit einem dreipoligen Pfostenstecker, der perfekt auf die Anschlussleiste des LCD-Shields passt. Sogar die Pin-Zuordnung (5V, Masse, Datenleitung) stimmt. Wir brauchen also keine extra Verdrahtung vornehmen.

Aufbau

Der Aufbau ist super einfach. Das LCD-Shield wird auf das Arduino-Board gesteckt und der Sensor an die auf dem LCD-Shield herausgeführten Analog-Pins angeschlossen (Foto). Mehr brauch wir hardwareseitig nicht zu machen. Die meiste Arbeit steckt in der Software.

Das Programm

Nochmal zur Erinnerung, wir möchten die folgenden Funktionen umsetzen:

• Anzeige von Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Speichern von minmal und maximal Werten für Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Anzeige der min- und max-Werte auf Knopfdruck
• Ändern der Display-Helligkeit auf Knopfdruck

Programm Download: display_dht11

Da Programmierer meistens recht faul sind, besorge ich mir die einzelnen Teile unseres Programms zunächst aus den einzelnen Beispielprogrammen. Das Vorgehen ist einfach.

1. Beispielprogramm laden
2. Programm auf das Board überspielen
3. Testen und anpassen, bis die gewünschte Funktion umgesetzt ist
4. Erstellen einer C-Funktion mit der gewünschten Funktionalität (copy / paste) im eigenen Programm

Der Vorteil dieser schrittweisen Vorgehensweise ist, dass man sein Hauptprogramm schrittweise entwickelt und erst neue Funktionalitäten einbaut, wenn alles andere funktioniert.
Das erleichtert ungemein die Fehlersuche, wenn etwas nicht wie erwartet klappt, und das ist relativ häufig der Fall.

Abfragen des Sensors

Eine gute Einführung und die auch in unserem Beispiel verwendete Lib gibt es auf der Arduino-Seite. Dort findet sich auch die Anleitung, wie man die Lib in seine Entwicklungsumgebung bekommt. Meine Abfrage-Funktion basiert im wesentlichen auf dem Beispielprogramm. Beim Testen ist mir aufgefallen, das der Sensor viele Fehler bei der Datenübertragung produziert, wenn man ihn zu häufig abfragt. Damit aber nicht das ganze Programm ausgebremst wird, sorgen wir dafür, das wir den Sensor nur einmal pro Sekunde nach neuen Werten fragen. Dieser Wert ist ausreichend und scheint auch für unseren gemütlichen Sensor OK zu sein. Die Funktion “read_dht11()” erledigt das Abfragen in unserem Programm. Dabei werden gleich die aktuelle Temperatur und Luftfeuchtigkeit gespeichert. In jedem Durchlauf vergleicht unser Programm ausserdem ob die maximal oder minimal Werte aktualisiert werden müssen.
Wichtig für unser Programm ist die Zeile “#define DHT11PIN A5″ ziemlich am Anfang. Damit sagen wir der Lib, das der Sensor am Analog-Pin 5 angeschlossen ist.

Helligkeit des Displays

Das oben schon erwähnte digital Pin 10 wird zum Steuern des Helligkeit des Displays verwendet. Pin 10 ist eines der Pins, die in einem “PWM” (Pulse-Width-Modulation) Modus betrieben werden können. In diesem Modus wechselt der Zustand des Pins ca 500 Mal pro Sekunde zwischen HIGH (5V) und LOW (0V) hin und her. Dabei legt ein Wert zwischen 0 und 255 fest, wie lang der jeweilige HIGH Impuls gegenüber dem LOW Impuls ist. Damit kann man sehr einfach z.B. eine LED dimmen, oder eben das Backlight des LCD Displays. Eine einfache Funktion “set_backlight()” ist dafür in unserem Programm zuständig. Dieser Funktion kann man entweder einen absoluten Wert für die Helligkeit mitgeben (direktes Setzen) oder einen relativen Wert, der auch negativ sein kann. Damit kann man den aktuellen Wert der Helligkeit um den übergebenen Wert ändern.

Abfragen der Tasten

Dieser Teil ist recht einfach gehalten. Ich habe die “read_LCD_buttons()” Funktion aus dem Beispielprogramm übernommen, da hier bereits die korrekten Werte zum Erkennen der einzelnen Tasten hinterlegt sind. Für unser Projekt sollen die “UP / DOWN” Tasten zum steuern der Displayhelligkeit und die “LEFT / RIGHT” Tasten zum Anzeigen der min / max Werte verwendet werden. Das verzweigen in die einzelnen Funktionalitäten geschieht dabei über ein einfaches switch-Statement. Die Anpassung der Helligkeit wird direkt über die Funktion “set_backlight()” erledigt. Wird die Taste “UP” erkannt, erhöht sich die Helligkeit um den Wert 30, bei der Taste “DOWN” wird die Helligkeit um 30 verringert (set_backlight(-30)).
Die Steuerung der Anzeige erfolgt mit Hilfe der Variablen “show”. Diese hat normalerweise den Wert “showNORM” (wird vor dem switch-Statement gesetzt), nur wenn die Tasten “LEFT” oder “RIGHT” erkannt werden, wird “show” auf “showMIN” bzw. “showMAX” gesetzt.
Die Taste “SELECT” verwenden wir in unserem Programm nicht.

Display Anzeige

Das Erzeugen der Displayausgabe wurde auch in eine eigene Funktion ausgelagert. Somit bleibt das eigentliche Programm (loop()) übersichtlicher. Der Funktion “show_values()” wird die Variable “show” übergeben, anhand derer die Funktion entscheiden kann ob die aktuellen, die minimalen oder die maximalen Werte dargestellt werden müssen.

Fazit

Der größte Aufwand bei diesem Projekt steckt in der Programmierung. Das Programm ist sicher noch an vielen Stellen optimierbar. Außerdem könnten noch 4 weitere Sensoren angeschlossen werden (A1 – A4) die man z.B. mittels der “SELECT” Taste umschalten könnte.
Da wir ein Arduino-Ethernet verwenden, bietet sich an, das wir die gemessenen Daten regelmäßig an ein externes Programm oder einen Webserver übertragen der dann Temperatur-Kurven o.ä. daraus erstellen könnte.
Das hebe ich mir aber für ein weiteres Projekt auf.

[Zeige als Diashow]

[Mit PicLens anzeigen]

einige Zeit später

….

das “ich-kann-temperaturen-und-licht-messen-und-leuchte-wenn-ich-daten-verschicke-webserver-dingsi”
Als echter Webserver erzeuge ich natürlich auch eine Webseite und weil das mit dem vorhandenen Libraries und Beispielen so einfach ist, besorgen wir uns noch per NTP die richtige Zeit.
Im Browser sieht das Ganze dann wiefolgt aus:
Die Uhrzeit ist übrigens korrekt, das Bild wurde tatsächlich um 03:14 Uhr aufgenommen. Manchmal müssen auch Admins früh aufstehen
Das nächste Paket ist heute Nachmittag angekommen, mal sehen was ich mit den neuen Teilen so alles anstellen kann.

• getrennte / verschiedene Mediatheken – das geht beim iPhoto zwar auch, aber nur recht umständlich
• getrennte Speicherorte für Originale und Arbeitskopien – sehr nützlich wenn man z.B. mit einem Mac und einem MacBook arbeitet.
• automatische Backups beim Importieren der Originale
• selektives Retuschieren – sehr umfangreiche Anpassungsmöglichkeiten der Bilder, z.B. über Pinsel mit denen man Anpassungen (wie aufhellen, abdunkeln) nur auf bestimmte Teile des Bildes anwendet und nicht nur auf das komplette Bild
• Speicherfreundliche Arbeitskopien – iPhoto erzeugt immer eine komplette Kopie eines Fotos, Aperture merkt sich nur, das es eine Arbeitskopie gibt, welche Änderungen darauf angewendet wurden und vollzieht sie bei Bedarf vom Original nach. Das spart bei tausenden Fotos sehr viel Speicherplatz.

Apple hat eine recht gute Übersicht der vielen Vorteile online gestellt: http://www.apple.com/de/aperture/iphoto-to-aperture/

Für mich ist aktuell das Killerfeature die Möglichkeit sehr einfach und schnell schicke Dia-Shows zu erzeugen und auch als Video zu exportieren. Ich habe mir mal einen Nachmittag Zeit genommen und damit ein wenig gespielt:

Sehr praktisch ist, das Video gleich im passenden Format für das Apple-TV, iPad oder iPhone exportieren und in die iTunes Mediathek übernehmen zu können. Das Bereitstellen der Fotos über iTunes geht natürlich auch mit Aperture wie man es vom iPhoto gewohnt ist.

Vorläufig? Ja, vorläufig. Denn ganz fertig bin ich noch nicht. Das DVD-Laufwerk muss noch in den Deckel gepresst werden und am Lüfter müssen wir auch noch was drehen
Wenn ich damit weiter mache, gibt es hier wieder ein Update und den vollen Text auf www.mobicroco.de