Самодельный барометр на микроконтроллере. Метро обозначит границы: когда столичный транспорт введет оплату по зонам

Помню, когда совсем маленьким был, то мой дед никогда не слушал по радио прогноз погоды, он всегда смотрел на свой старенький стрелочный барометр, стрелок у него было как минимум две (точно не помню, ведь столько лет прошло), и никогда не ошибался!

Вот и я давно хотел у себя в хозяйстве иметь барометр, да все никак, то дорого, то не попадался, то еще какие-то препятствия. Но вот начал заниматься микроконтроллерами и стало возможным сделать барометр самому.
Поднакопил я в заначке от любимой жены деньжат и приобрел датчики, MPX4115AP(датчик давления) и HIH-4000-004(датчик влажности), почему именно эти? Да просто, потому что в интернете именно по ним есть много информации, да и в продаже они были, хотя и дорогие. Львиная доля стоимости всего устройства пришлась именно на них.
Оба датчика аналоговые, а это значит, что барометр должен представлять из себя двухвходовый вольтметр, с корректировкой показаний АЦП в мм.рт.ст. (миллиметры ртутного столба), и % (проценты влажности воздуха). Сам пересчет показаний АЦП в мм.рт.ст. , и % я добросовестно взял из статьи «Небольшая метеостанция своими руками» - http://www.avispro.com.ua/doc.php?id=1172

Но представленная в статье конструкция показалась мне избыточной, а мне хотелось сделать проще и обязательно на светодиодных индикаторах, так как они светятся и имеют большой размер, а значит, их будет хорошо видно издалека, и при любом освещении, да и ток потребляют они гораздо меньше чем подсветка ЖКИ.
Я применил индикатор ВА56-12SRWA(светодиодный семисегментный, 3 разряда ОА ), 2 штуки. Они сверхяркие, т.е. можно дополнительно снизить потребляемый ток.

О том, как использовать значения атмосферного давления и влажности воздуха в предсказании погоды можно прочитать, например, здесь - http://www.meteopost.com/info/Pressure/

Вот такая в результате получилась схема:

Разводка платы такая:

На печатной плате общая шина - цифровая и аналоговая разделены.
Питание тоже разделено на аналоговое и цифровое, и подается через дроссели 25мкгн. на аналоговые цепи, а проводник в ферритовой трубочке на цифровые.

На входе АЦП конденсаторы по 0,33мкф на аналоговую землю, и резистор 750ом к датчикам. Это фильтры для снижения всевозможных помех на входы.

Выводы микроконтроллера AVCC и AREF зашунтированы керамическими конденсаторами по 0,1мкф, и еще по 10,0мкф танталовые (желтенькие со старых материнских плат).

Для того чтобы показания влажности воздуха были корректными, его необходимо вынести за пределы помещения (на улицу), и соединить с платой кабелем (лучше экранированным), и конечно защитить от прямого попадания осадков, ведь кристалл датчика совсем открытый. Датчик давления выносить за пределы платы совсем необязательно.

Эта программа, конечно не эталон, но как вариант для начинающих вполне сгодится
Безусловно, можно добавить гашение незначащего нуля в индикаторе влажности, это несложно, можно покопаться и что-то еще поправить, ведь совершенству нет предела.
Я предоставляю читателям полную свободу действий по улучшению кода.

Статья рассчитана на людей, которые любят что-то создавать своими руками, именно для души, и морального удовлетворения.

Замечание: Коммерческое использование материалов данной статьи запрещено!

Код написан в CodeWizardAVR V2.04.4a
Плата разведена в Sprint-Layout 5.0
Схема нарисована в Splan7.0.0.8_portable_rus

Данная конструкция была разработана по просьбе моего друга - любителя автомобильных путешествий и offroad. Им (другу и сотоварищам) в походах уж очень хочется знать в какую сторону и с какой скоростью меняется атмосферное давление, дабы попытаться понять, что будет с погодой. Он выбрал недорогой индикатор ME-GLCD128x64 представленный на фото:

Устройство собрано на двусторонней ПП, изготовленной методом ЛУТ:

Микроконтроллер был выбран ATMega32 в дип корпусе по причинам: он у меня был, найти другое применение такому большому корпусу (DIP40) я не смог, т.к. в последнее время делаю практически все на SMD.

Датчик давления фирмы HopeRF - HP03M, общающийся с МК по протоколу TWI. Датчики температуры DS18S20 фирмы Maxim.

Часы реального времени были выбраны на микросхеме M41T81 по причинам: наличие коррекции времени и наличие Timekeeper - позволяющего читать текущее время без потерь тактов основного счетчика.

В качестве источника питания решено использовать автомобильный адаптер USB - он выдает 5В при токе до 0.5А. В связи с тем, что при старте двигателя "провалы" в бортовой сети авто довольно большие, то была необходима схема аварийной записи текущих значений в eeprom. Для этого используется развязка питания МК и остальной схемы. Питание МК поддерживается конденсатором 1000 мкф, которого, как показали испытания, достаточно (более чем в два раза) для того, что-бы МК успел записать 6 байт текущих значений датчиков в eeprom. Контроль наличия питания и цепь сброса МК обеспечивают два супервизора питания. Первый следит за напряжением на входе схемы и при пропадании питания выдает лог.0 на int0, тем самым запуская процедуру сохранения. Второй обеспечивает "жесткий" сброс самого МК при понижении его питания - для исключения повреждения eeprom.

В обычном режиме данные записываются в eeprom каждые полчаса. Всего хранятся значения за 2-е суток. Текущее время, полученное с m41t81 преобразуется в кол-во секунд от 2000 года, и на основе этого значения вычисляется текущий адрес для записи (один из 96). После несложных вычислений можно увидеть, что ресурс eeprom выработается приблизительно за 540 лет (каждая ячейка перезаписывается раз в 2-е суток) или при ежеминутном выключении питания за 18 лет. Получасовые данные - это средние значения давления, температуры по каждому датчику, время в секундах (кратное 96) и контрольная сумма CRC16. При старте данные читаются из eeprom и проверяется контрольная сумма каждого блока, если сумма не верна - данные игнорируются. Так-же данные игнорируются если дата их записи превышает 2-е суток (нам такие старые данные не нужны). Аналогично считается и контрольная сумма основных настроек, и если она не верна - считаем, что это первый запуск программы и выставляем все значения по дефолту.

В верхнем левом углу текущее давление в мм.рт.ст и после стрелочки - изменение давления за последние 3 часа. Ниже показания двух датчиков температуры и max/min значения за прошедшие 24 часа. Совсем внизу график изменения давления. (провал в графике - специально на эти полчаса устройство было выключено - следовательно данных нет и показывать нечего)

Меню настроек:

Возможны установки: даты и времени, "поправки" хода часов, поправки давления (для приведения его к текущей высоте), регулировка максимальной и минимальной яркости, время, через которое яркость переключится с максимума на минимум.

Все настройки выполняются тремя кнопками Enter,+,- Для входа в меню настроек необходимо удерживать + и - более секунды.

В основном режиме кнопки + и - не работают и потому сделаны скрытыми. Кнопка Enter переключает яркость экрана с макс. на мин. и наоборот. При длительном удержании подсветка экрана полностью отключается.

Собственно схема устройства:

В архиве: Прошивка, схема, плата, плата в diptrace. Плюс набор различных цифр и символов с сишными кодами.

PS: проект будет развиваться, т.к. впереди еще зимние испытания на морозоустойчивость:)

Файлы:
Бонус: много цифирок с "C"шными массивами
Прошивка, исходники, схема, плата

Кто выиграл тендер

Победителем тендера стал разработчик программного обеспечения «Программный продукт». Цена контракта составила 670 млн руб. Срок исполнения — 910 календарных дней с даты заключения контракта.

«Вопрос зонирования — это вопрос тарифов. Тарифы и правила пересадок определяются структурами дептранса Москвы, наша задача в рамках контракта — поддержать эти правила технологически», — рассказал РБК Дмитрий Чурсин, исполнительный директор «Программного продукта».

Чурсин не пояснил, как именно может контролироваться пересечение пассажирами определенных зон. «В перспективе трех лет в этой системе могут появиться новые виды билетных носителей и устройств пассажирской автоматики для бесконтактных способов валидации билетов», — сказал он.

Как рассказала РБК Татьяна Семенова, гендиректор ООО «МСП» (совместное предприятие производителя микроэлектроники «Микрон» и Московского метрополитена, отвечает за развитие транспортных проектов), одна из задач в рамках развития инфраструктуры «умного» города — оптимизация транспортных расходов пассажиров в зависимости от продолжительности, регулярности и времени поездок, а также обеспечение возможности использования проездных билетов в соседних регионах.

С 2013 года «Микрон» является производителем и поставщиком пластиковых бесконтактных смарт-карт для оплаты проезда «Тройка». По словам Семеновой, ООО «МСП» готово выпустить новый микроконтроллер (находится внутри билета), который сможет обеспечить функции новой билетной системы. «Первая модификация нового чипа с поддержкой открытых мировых протоколов будет завершена через год. Следующий шаг — разработка второй модификации, которая будет поддерживать криптографию по отечественному ГОСТу», — отметила она, добавив, что российских моделей такого чипа на данный момент нет.

Как изменится билетная система Москвы

В ноябре 2018 года пресс-служба Московского метрополитена о разработке новой билетной системы. В сообщении отмечалось, что карту «Тройка» персонализируют, а также будет проведена интеграция с билетными системами других регионов. Новая билетная система сможет обрабатывать более 6 млрд транзакций в год. Однако о введении зоновой оплаты проезда в сообщении не упоминалось.

Согласно техническому заданию метрополитена, новая билетная система должна объединить перевозчиков и городские сервисы, действующие на территории Москвы и Новой Москвы. На ее базе должны быть организованы единая эмиссия билетов и управление единым городским транспортом через приложение «Тройка», через интеграцию с другими операторами перевозок. К этой системе также будет подключена возможность оплаты популярных городских сервисов (каршеринг, велопрокат), билетов в кино, театр, выставочные залы. Предполагается динамическое многоступенчатое определение стоимости проезда, которая будет зависеть, например, от времени суток, зональности, количества пересадок и используемых видов транспорта.

Кроме того, система позволит управлять пассажиропотоками, предлагая новые продукты, программы лояльности. В нее будет заложена возможность тиражирования предложенных решений в других регионах. По оценкам, данным в техническом задании метрополитена, средний ежедневный пассажиропоток, обрабатываемый новой билетной системой, должен составить не менее 16 млн пассажиров в день. В среднесрочной перспективе он может увеличиться до 24 млн.​

Когда возникла идея оплаты по зонам

О необходимости внедрения зоновой оплаты проезда представители Московского метрополитена заявляли несколько лет назад. В частности, в 2009 году экс-глава столичной подземки Дмитрий Гаев говорил, что тарифные зоны — это будущее метрополитена. По его словам, внедрение такой системы оплаты будет возможно только после завершения строительства третьего пересадочного контура, когда у пассажиров появятся варианты альтернативных маршрутов. По действующему плану оно должно завершиться в 2020 году.

Зональная тарификация в метро применяется во многих мегаполисах, например в Париже, Барселоне, Лондоне. Чем дальше станция располагается от центра, тем дороже проезд. К примеру, в Шанхае стоимость зависит от дальности поездки: за первые 6 км пассажир платит 3 юаня (около 29 руб.), а за каждые следующие 10 км — по 1 юаню (9,7 руб.). При этом на одной из веток, которая идет в развивающийся район города, проезд стоит 2 юаня (19,46 руб.).

Фото: Евгений Разумный / Ведомости / ТАСС

Что это даст метрополитену

По мнению гендиректора «INFOLine Аналитики» Михаила Бурмистрова, необходимость разделения Московского метрополитена на тарифные зоны назрела. «Метро активно расширяется, уходя все дальше в область и Новую Москву. В планах — продление веток до аэропортов. В этих условиях перераспределение тарифной нагрузки на пассажиров вполне логично», — сказал аналитик.

По данным СПАРК, в 2017 году (последний доступный период) убыток Московского метрополитена составил 2,9 млрд руб., а выручка от продаж — 108,27 млрд руб. Тарифное зонирование позволит подземке увеличить доход за счет роста платы за проезд для жителей удаленных станций, отметил Бурмистров. Однако оценить, насколько может увеличиться доход, пока не определены тарифная политика и принципы зонирования, невозможно.

Бурмистров отметил, что на внедрение новой тарифной системы потребуется несколько лет. «Скорее всего, начнут с тестовых зон. Не исключаю, что в будущем эту же систему применят в метрополитене Санкт-Петербурга. В других российских городах подземка не столь разветвленная и смысла в тарифных зонах просто нет», — заключил Бурмистров.

По словам заместителя директора Аналитического кредитного рейтингового агентства (АКРА) Александра Гущина, зоновая система оплаты может повысить выручку перевозчика за счет перераспределения тарифной нагрузки на пассажиров. «Повышение стоимости проездных билетов — это всегда очень чувствительная тема для населения. Но когда у перевозчика есть механизм точечной настройки тарифов, это повышение будет не так заметно. Поэтому, если систему зонирования все-таки внедрят и она приживется, то при правильной настройке тарифов это способно позитивно отразиться на доходах метрополитена. Конечно, эффект будет виден не сразу», — заключил аналитик.

Что будет со старыми способами оплаты​

В пресс-службе Московского метрополитена​ заявили, что проведенный тендер предполагает создание системы с поддержкой оплаты и контроля проезда на общественном транспорте Москвы, а также персонификацию карты «Тройка». «Поскольку система рассчитана на использование на разных видах общественного транспорта, то в техническом задании предусмотрены разные виды контроля билетов — как на входе, так и на выходе», — говорится в ответе пресс-службы на запрос РБК. В метрополитене отметили, что в Москве уже применяются зональные тарифы. В столице действуют две тарифные зоны для наземного городского пассажирского транспорта: зона А (Москва в пределах МКАД и Новомосковский административный округ) и зона Б (Троицкий административный округ).

«Поэтапное внедрение новой билетной системы начнется с 2020 года. Она будет поддерживать все имеющиеся сейчас технические решения в системах оплаты и контроля проезда, поэтому ее внедрение произойдет практически незаметно для пассажиров. Такая логика «бесшовного» перехода на новую систему заложена в качестве одного из ключевых требований», — сообщили в Московском метрополитене. Перед реализацией проекта анализировался в том числе опыт Токио, Сингапура, Лондона, Нью-Йорка и других мегаполисов с развитыми транспортными системами, отметили в пресс-службе столичной подземки.​

Очередной проект продвинутого показометра, включающий в себя измерение температуры, атмосферного давления, влажности воздуха и отсчет времени с календарем. В общем в него включены все мои наработки по работе с датчиками за все время увлечения микроконтроллерами, да и все накупленное добро нужно куда-то применить:) В итоге должен получится усовершенствованный логгер температуры , первую версию которого я забросил. Ну это позже, а сейчас приведу описание этой платы и тестовый код для проверки работоспособности напичканных туда датчиков и микросхем.

Сердцем схемы служит микроконтроллер ATMega64 фирмы Atmel, работающий от внешнего кварца на 16 МГц. Отсчитыванием времени занимается микросхема часов реального времени DS1307 , я уже имел с ней дело и поэтому пошел по проверенному пути.

Для измерения температруы и влажности применен датчик DHT11 , хоть и китай чистейшей воды, но показания выдает вполне удовлетворительные. У меня в заначке лежит еще SHT21 , но тогда повторяемость схемы сильно упадет, потому как достaть его сложней и по стоимости он выйдет как вся схема в сборе.

Все элементы (за исключением двух резисторов) находятся на верхнем слое, на нижнем разведены дороги которые не уместились на верху. Интересного там мало поэтому фото не привожу.

Чтобы иметь возможность напрямую подключать утсройство к компьютеру (к примеру, для того чтобы скинуть накопленные данные) на плате установлен преобразователь USB-UART на микросхеме FT232RL . Так же через этот преобразователь можно загружать в микроконтроллер прошивку, если предварительно зашить в микроконтроллер загрузчик (Bootloader). Как это сделать я писал ранее .

Для подключения внешних датчиков, навсякий случай предусмотрены выводы с портов PA0-PA3. А также выведены контакты SPI-интерфейса, на случай если захочется подключить

Схема барометра для измерения атмосферного давления построена с использованием датчика давления MPXHG6115. Сам датчик обеспечивает на его выходе напряжение, пропорциональное давлению воздуха. Рабочий диапазон перекрывает атмосферное давление (90 - 110 кПа) на уровне моря. Минимальное рабочее давление воздуха датчика 15 кПа, что позволяет использовать его даже в горной области. Для этого, правда, нужно пересчитать резисторы на его плате. Для атмосферного давления в районе недалеко от уровня моря диапазон выходных напряжений датчика составляет 3.625 - 4.55 вольт. В аналоговой части схемы (затененная на схеме) на выходе формируется линейное напряжение диапазона 0 - 5 В, которое находится в нормальном диапазоне микроконтроллерного АЦП. Сопоставление выполняется с помощью двух ОУ. Левая (на схеме) обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки для датчика (51 кОм) и инвертирует опорноео напряжение около 2.5 В. Опорное напряжение получается с помощью делителя напряжения, состоящего из двух резисторов 11.5 к (точность 1%). Правая ОУ обеспечивает необходимое масштабирование напряжения и начальную установку в 0. Рекомендуем использовать сдвоенный OPA2374.

Технические характеристики

• Диапазон измерений: 700 - 800 мм Рт.ст
• Напряжение питания: 5 вольт
• Ток потребления: 40 мА

Датчик масштабирования и аналоговый усилитель собран на небольшой печатной плате. Он подключается к основной плате с помощью 3-х проводов. Тест схема состоит из микроконтроллера и ЖК-модуль с интерфейсом, смонтированный на ее задней стороне. Интерфейсная карта устанавливает все связи с PIC, используя только два провода и его программное обеспечение реализует упрощенную версию стандартного интерфейса I2C. Программа контроллера PIC16F84 присваивает ее ввод пин-RC3 на вход АЦП. Он просто вычисляет давление в зависимости от входного напряжения в соответствии с формулой, преобразует его в двоично-десятичный код и выдает на экран.