Windrichtingsmeter
Na de windsnelheidsmeter uit het oktobernummer wordt het Elektuur-weerstation nu uitgebreid met een elektronische windrichtingsmeter. Dit instrument bestaat uit een opneem- en een uitleesgedeelte, die door middel van twee draden met elkaar zijn verbonden. Het uitleesgedeelte geeft door middel van 16 LED's de windrichting aan. Verder bestaat de mogelijkheid om de uitlezing uit te breiden met een alfanumeriek display waarop de windrichting "in klare taal" wordt weergegeven.
Bij de windrichtingsmeter in "elektronische vorm" wordt de stand van een windvaan eerst vertaald in een of andere kode, die dan naar beneden kan worden gestuurd om daar de windrichting zichtbaar te maken op een uit 16 LED's opgebouwde windroos. Het grote voordeel van de hier gebruikte opzet is, dat er slechts twee draden nodig zijn voor de verbinding tussen het opneemgedeelte (bij de windvaan) en het uitleesgedeelte (met de windroos). Via deze twee draden wordt de voeding van beide delen verzorgd en tegelijkertijd wordt hierover de windrichting-informatie naar beneden gestuurd.
Het principe
Aangezien bij dit ontwerp een eenvoudige verbinding tussen de twee delen belangrijk werd gevonden, moest er een manier worden bedacht om zowel de meetsignalen als de voedingsspanning over een lijn te kunnen versturen. Dat is hier opgelost op een zeer aparte wijze, zoals we straks zullen zien. Door middel van een kodeschijf die aan de windvaan is bevestigd wordt de richting van de vaan vertaald in een vier bits kode, door middel van vier reflektiesensors onder de schijf. Deze kode moet nu in seriële vorm worden verstuurd naar de ontvanger. Daar wordt de kode weer omgezet in een vier bits informatie waarmee de uit 16 LED's opgebouwde windroos kan worden gestuurd. Het blokschema van figuur 1a geeft een grove indeling van het geheel.
Figuur 1. Een "grof" blokschema van de windrichtingsmeter (1a) en drie tekeningen (lb, c end) die de hier gebruikte "multiplextechniek" verduidelijken (zie ook de tekst).
Voordat we overgaan tot de schemabeschrijving gaan we eerst nog even kijken hoe de wind-informatie en de voeding over dezelfde lijn kunnen worden verstuurd. De opzet van de schakeling is dan veel gemakkelijker te begrijpen. Figuur 1b laat zien hoe het tweedraads verkeer gerealiseerd is. De voedingstrafo is in principe tussen het opneem- en uitleesgedeelte opgenomen. Elk deel heeft een eigen voedingsbuffer, bestaande uit een diode en een buffer-elko, terwijl voor het doorgeven van de wind-informatie gebruik wordt gemaakt van een transistor en een opto-coupler. De trafo is op de verbindingskabel aangesloten via een diode en een weerstand. Tijdens de positieve periodehelft van de netfrekwentie gebeurt nu iets anders dan in de negatieve. Figuur 1c toont het verloop bij elke positieve periodehelft. De trafospanning wordt door diode D enkelzijdig gelijkgericht, zodat de elko's in de twee delen worden geladen en de twee schakeling-helften worden voorzien van een gelijkspanning. De dioden bij de elko's zorgen ervoor dat de elko's niet kunnen ontladen tijdens de negatieve halve periode. Figuur ld laat zien wat tijdens de negatieve periodehelft gebeurt. Via transistor T kunnen de twee verbindingsdraden als het ware kortgesloten worden, door T open te sturen. Als T spert zal de stroom door de LED van de optocoupler in het uitleesgedeelte lopen, zodat de bijbehorende transistor een impuls geeft. De werking van het geheel is even slim als eenvoudig: als T wordt opengestuurd verschijnt bij de optocoupler geen impuls aan de uitgang; laten we T sperren, dan geeft de opto-coupler wel een impuls bij elke negatieve periodehelft. Op die wijze kunnen dus signalen worden doorgegeven in de tijd dat er geen "voedingsimpulsen" op de lijn staan.
Op de voedingslijn staan dus positieve pulsen met een frekwentie van 50 Hz en door T "geleverde" negatieve impulsen. Het resultaat is onder in figuur 1d afgebeeld. We gebruiken nu het aantal 50 Hz-impulsen tussen twee negatieve impulsen als informatie voor het overbrengen van de windrichting. Tot zover het overseinen van de gegevens en het voeden van de twee delen.
De schakeling
Het schema van de windrichtingsmeter is logischerwijs ook in twee delen gesplitst: opnemer en uitlezing (figuur 2 en 3). We beginnen met de opnemerschakeling. Deze wordt straks bij de windvaan geplaatst, D5, C2, C3 en stabilisator IC3 verzorgen de voeding van dit gedeelte. Van de 50 Hz impulsen op punt P wordt een "fatsoenlijke" blokgolf gemaakt door N3. Het RC-netwerkje R18/C4 zorgt voor het onderdrukken van hoogfrekwente stoor-impulsen die op de lijn kunnen voorkomen. D6 dient als blokkering voor negatieve signalen op de lijn.
Figuur 2. Het schema van de opnemerschakeling. Links zit de kodeschijf met de opnemers. IC1 bepaalt aan de hand van de kode wanneer een informatie-impuls moet worden doorgegeven naar het uitleesgedeelte.
Figuur 3. De uitlees-schakeling. Hier worden de informatie-impulsen weer vertaald in een vierbits kode die een van de LED's van de windroos laat oplichten.
| IC14 | IC13 | IC12 | IC11 | Windrichting |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | 1 | NW |
| 1 | 1 | 1 | 0 | NNW |
| 1 | 0 | 1 | 0 | N |
| 1 | 0 | 1 | 1 | NNO |
| 1 | 0 | 0 | 1 | NO |
| 1 | 0 | 0 | 0 | ONO |
| 0 | 0 | 0 | 0 | O |
| 0 | 0 | 0 | 1 | OZO |
| 0 | 0 | 1 | 1 | ZO |
| 0 | 0 | 1 | 0 | ZZO |
| 0 | 1 | 1 | 0 | Z |
| 0 | 1 | 1 | 1 | ZZW |
| 0 | 1 | 0 | 1 | ZW |
| 0 | 1 | 0 | 0 | WZW |
| 1 | 1 | 0 | 0 | W |
| 1 | 1 | 0 | 1 | WNW |
De windvaan is gekoppeld aan een vier bits Gray-kode-schijf, waarmee 16 windrichtingen worden gekodeerd tot een vier bits kode. Op de schijf zitten reflekterende of lichtdoorlatende delen (zie ook figuur 5). Onder de schijf zijn vier reflektiesensoren (IC11 . . .. IC14) opgesteld die de digitale signalen leveren. Het is ook mogelijk om uit te gaan van vier LED's en vier fototransistoren, waarbij men de dioden door de schijf laat schijnen. In de onderdelenlijst is dat aangegeven met D1 ... D4 en T 1 ... T4. Men kan hiervoor vier rode LED's nemen en vier goedkope fototransistoren.
Het signaal van iedere sensor wordt versterkt door een transistortrap (T5 ... T8), zodat een logische nul aan de uitgang van zo'n trap staat als geen licht op de fototransistor valt en een logische een als wel licht op de fototransistor valt. Op de punten PO ... P3 is nu de vier bits windrichting-informatie beschikbaar. De vier bits kode gaat naar de preset-ingangen van teller IC1. Deze teller is zo geschakeld dat hij vanaf de preset-waarde omlaag telt tot nul. Bij het bereiken van de stand 0 preset de teller zichzelf via de rond N1 en N2 opgebouwde monostabiele multivibrator. Het kloksignaal voor de teller wordt geleverd door N3 (50 Hz).
De door N2 geleverde impuls duurt ongeveer 5 ms en deze puls wordt gebruikt voor het doorgeven van de windrichting-informatie naar "de overkant". Als N2 een impuls geeft spert T9, waardoor de LED in de optocoupler IC4 dooft en de transistor in de opto-coupler en T10 sperren. De stroom kan dan door de LED van de opto-coupler in het uitleesgedeelte lopen, zodat daar een impuls verschijnt. Zolang N2 geen puls geeft geleidt T9 kontinu en daardoor geleiden dan ook de fototransistoren in IC4 en T10. Het moment waarop N2 een impuls geeft wordt zo bepaald door de preset van de teller. Aangezien IC1 wordt geklokt door de netfrekwentie is het aantal net-impulsen tussen twee impulsen van N2 exakt gelijk aan de waarde van de binaire kode op de preset-ingangen. Stel dat de binaire kode 1001 is, (= 9), dan zal N2 om de 9 netimpulsen een "informatie-impuls" geven.
De dioden D7 en D8 beschermen tenslotte de twee transistoren (T10 en die uit IC4) tegen de positieve netimpulsen op de lijn.
Het uitleesgedeelte (figuur 3) is een soort tegenhanger van de schakeling uit figuur 2. We zien hier de trafo met de diode en de weerstand (D11 en R19) die reeds ter sprake zijn gekomen bij de blokschema's. Het voedingsgedeelte (D12, C6, C7 en IC6) en de klokpulsschakeling (R20, R21, C5, D9 en N4) zijn identiek aan de delen in het opnemer-schema.
Als N2 een informatie-impuls geeft zal de LED van opto-coupler IC7 oplichten, zodat de bijbehorende fototransistor gaat geleiden en de ingang van N5 kort naar massa trekt. Diode D10 beveiligt hier de LED tegen de positieve spanningspulsen op de lijn. Het "omzetten" van de seriële informatie naar een vier bits kode gebeurt door IC8 en IC9. IC8 is een vier bits teller die in het ritme van de klokfrekwentie vanaf 0000 omhoog telt. Steeds als de schakeling van de opnemer een informatie-impuls ontvangt wordt de teller door de rond N5 en N6 opgebouwde monostabiele MMV gereset. Vlak voordat IC8 wordt gereset wordt de tellerstand in de latch IC9 gelezen (latch-impuls van N5). De latch onthoudt deze stand totdat er een nieuwe informatieimpuls komt. Aan de uitgangen van de latch staat dus weer de vier bits informatie die aangeboden werd aan de preset-ingangen van IC 1. De vier bits kode gaat naar multiplexer IC10, die hier dienst doet als 4-naar-16-dekoder. De 16 uitgangen sturen de LED's die de windrichting aangeven. Weerstand R24 begrenst de stroom door de LED's tot een waarde van zo'n 20 mA. In het tabelletje naast het schema is aangegeven welke windrichting bij welke LED hoort.
De mechanische opzet
Alle zojuist beschreven elektronica is ondergebracht op vier printen, die zijn afgebeeld in figuur 4. De twee printen met cirkelopdruk bevatten het opnemergedeelte, terwijl de andere twee printen plaats bieden aan het uitleengedeelte. In de EPS-service worden de vier printen als een geheel geleverd. Men dient dan zelf de delen van elkaar te zagen (gewoon langs de stippellijnen zagen). De twee printen voor de uitlezing kunnen eventueel aan elkaar blijven zitten, dat hangt gewoon af van de ruimte die men beschikbaar heeft voor de uitlezing.
Figuur 4. De vier printjes voor de wind-richtingsmeter. Deze moeten van elkaar worden gezaagd. De twee printjes voor het uitleesgedeelte kan men ook aan elkaar laten zitten, dat hangt af van de beschikbare ruimte voor de uitlezing.
| R1 | 1k5 1/8 W (zie tekst) |
| R2-R9 | 100 k 1/8W |
| R10-R13 | 10 k 1/8W |
| R14,R23 | 56 k |
| R15 | 22k |
| R16,R19 | 1 k |
| R17,R21,R22 | 10 k |
| R18,R20 | 6k8 |
| R24 | 270 Ω |
| C1,C4,C5 | 100 n |
| C2,C7 | 4µ7/16 V |
| C3,C6 | 1000 µ/25 V |
| C8 | 10 n |
| D1-D4 | zie tekst |
| D5,D11,D12 | 1N4001 |
| D6-D10 | 1N4148 |
| D13-D28 | LED rood |
| T1-T4 | zie tekst |
| T5-T10 | BC 557 |
| IC1 | 4526 |
| IC2,IC5 | 4093 |
| IC3,IC6 | 7808 |
| IC4,IC7 | 4N25, TIL 111 |
| IC8 | 4029 |
| IC9 | 4042 |
| IC10 | 4067 |
| IC11-IC14 | MCA7, OPB706, OPB710 |
| Tr1 | trafo sekundair 12 V/1 A |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| F1 | zekering 500 mA, met zekeringhouder |
| EPS 84001 |
De mechanische konstruktie van het opnemer-gedeelte met de windvaan is niet direkt eenvoudig te noemen, maar een elektronicus die een beetje met zaag en vijl overweg kan zal er weinig moeite mee hebben. Er zijn verschillende mogelijkheden. Ten eerste kan men kiezen tussen het toepassen van losse LED's en fototransistoren bij de kodeschijf of het gebruiken van "echte" reflektiesensoren. Dat laatste bevelen we sterk aan, hoewel dat iets duurder is. De kodeschijf is afgebeeld in figuur 5. De schijf is ook nog eens afgebeeld op de printlayout-pagina's, zodat men deze kan uitknippen en op een stuk printplaat kan plakken. Afhankelijk van het toegepaste type sensoren wordt dan een gedeelte uitgezaagd, zodat we iets over houden dat er uit ziet als in figuur 5a of 5b. Het model van 5a is nodig voor reflektiesensoren, dat van 5b voor losse LED's en fototransistoren (de LED's komen dan boven de kodeschijf en de transistoren op de print). De twee opnemer-printen worden in een ronde vorm gezaagd en kunnen vervolgens van onderdelen worden voorzien. Denk er aan dat kondensator C3 aan de koperzijde van de print komt te zitten. Tussen deze elko en de print kan men een stukje schuimrubber klemmen, zodat de elko goed op zijn plaats blijft zitten en ook niet tegen de print komt.
Figuur 5. De kodeschijf. Het zwarte gedeelte moet niet-lichtdoorlatend zijn. Het gemakkelijkste kan men zo'n schijf maken uit een stuk printplaat dat met een figuurzaag in de gewenste vorm wordt gezaagd. Figuur 5a is voor reflektiesensoren, figuur 5b voor LED's boven de schijf en fototransistoren onder de schijf.
(Voor ware grootte zie print-layout-pagina's)
Figuur 6. Deze tekening geeft een indruk van de opbouw van een windvaan met behuizing en opnemerschakeling. Het elektronische deel is waterdicht ondergebracht in een jampot; tussen windvaan en kodeschijf is een magnetische koppeling toegepast.
De twee printen worden door middel van een stukje flatcable of een stel draadjes met elkaar verbonden. Dat zijn zes punten: P0, P1, P2, P3, +8 V en 1. De twee printjes kunnen vervolgens door middel van afstandbusjes en enkele moertjes op een stuk draadstang van 5 mm 0 worden vastgezet. De tekening van figuur 6 laat zien hoe het geheel in elkaar moet worden gezet. Boven op de draadstang komt de kodeschijf die is vastgelijmd op een vrij draaiend afstand-busje. De opstelling moet zo zijn dat de kodeschijf vlak boven de reflektiesensoren hangt, maar deze niet raakt (afstand ca. 1 mm). Op het afstandbusje komt ook nog een kunststof strip waarop aan de uiteinden twee sterke magneetjes worden gelijmd. De draadstang kan vervolgens worden vastgeschroefd in het deksel van een brede jampot of een pindakaas-pot. De hele konstruktie moet dan zo in de jampot passen dat de strip met magneetjes helemaal boven in de (omgekeerde) pot kan ronddraaien zonder daar iets te raken. De verbindingskabel (dun tweelingsnoer of enkele afgeschermde kabel) wordt door het deksel naar binnen gevoerd en aan de onderste print gesoldeerd. Lijm de invoer-opening vervolgens helemaal dicht. De bedoeling van deze konstruktie zal nu wel duidelijk zijn. We schroeven het geheel in de jampot en het elektronische gedeelte is dan waterdicht afgesloten van de buitenlucht. De jampot moet tenslotte nog zwart worden geverfd of helemaal worden afgeplakt met zwarte isolatieband, want er mag geen licht naar binnen vallen.
Nu is ook te zien waarom we de voorkeur geven aan reflektiesensoren. Bij toepassing van LED's en fototransistoren wordt de konstruktie veel moeilijker. Men moet dan bijvoorbeeld gaan werken met een holle as om de LED's van spanning te kunnen voorzien en bovendien moeten de LED's ook op een vaststaand plateau of iets dergelijks worden gemonteerd.
De konstruktie van het windvaan-gedeelte hangt sterk af van het materiaal dat beschikbaar is. Men kan bijvoorbeeld uitgaan van een stuk dikke PVC-buis met bijpassende afsluitingen. Deze "pot", waarin de jampot moet passen, wordt dan voorzien van lagers voor de as van de windvaan. Een lager kan bijvoorbeeld in de "deksel" van de buis worden gemonteerd en een lager op een steun in de buis. Op de as van de vaan moet een kapje komen om te vermijden dat regenwater in de lagers loopt. Onder in de bus wordt een gat gemaakt voor het afvoeren van kondenswater.
Onder aan de as van de vaan monteren we weer een kunststof strip met twee sterke magneetjes. De magneetjes moeten vlak boven de jampot kunnen draaien, zodat ze de magneetjes in de jampot meenemen. Een magnetische koppeling dus. Kontroleer goed of alles naar behoren werkt als de hele konstruktie klaar is. Het kan nodig zijn te experimenteren met de waarde van R1. Bij reflektiesensoren is de gevoeligheid vaak zo groot dat de stroom door de LED's best iets kleiner mag zijn om "valse" reflekties uit te sluiten. Bij gebruik van gewone LED's kan men de LED-stroom eventueel iets groter kiezen. Gewoon proberen en kijken of de schakeling alle windrichtingen goed aangeeft. Het opbouwen van de uitlezing is heel eenvoudig. Afhankelijk van de afmetingen van de kast voor de uitlezing kan men de twee printdelen aan elkaar laten zitten of los zagen. In het laatste geval moeten de punten A0 ... A3, +8 V en 1 op de beide printen met elkaar worden doorverbonden. Als men de uitlezing zo klein mogelijk wil houden kunnen de twee printjes onderelkaar worden gemonteerd.
De trafo wordt aangesloten op het uitlees-gedeelte, maar als men de trafo op een andere plaats (wel in de buurt van de kabel) wil zetten is dat ook mogelijk. D11 en R19 worden dan niet op de print gemonteerd, maar komen bij de trafo te zitten. Het geheel wordt op de verbindingskabel aangesloten zoals in figuur 7 is getekend.
Figuur 7. De trafo hoeft niet per se bij de uitlezing te worden geplaatst. Hij kan ook ergens anders op de verbindingskabel worden aangesloten. D11 en R19 worden dan niet op de print gemonteerd, maar komen bij de trafo te zitten.
Tenslotte moet de windmeter nog "gekalibreerd" worden. Met behulp van een kompas wordt de windvaan naar het noorden gericht, waarna men de hele "pot" zo draait dat de uitlezing "noord" aanwijst. Als het opnemergedeelte al is vastgezet op het dak zal de strip met magneetjes aan de windvaan zodanig moeten worden verdraaid dat de "noord"-LED oplicht.
R. Bakx.