PC-Funk-Wetterstation WS 300 PC
Aus ELVjournal
06/2006
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Technische Daten
| Frequenz | 868,35 MHz |
| Reichweite im Freifeld | max. 100 m |
Temperaturmessbereich
außen (KS 300) | -29,9 °C bis +79,9 °C |
| Temperaturmessbereich innen | 0 °C bis +59,9 °C |
| Auflösung | 0,1 °C |
| Messbereich rel. Luftfeuchte | 0 % bis 99 % |
| Auflösung | 1 % |
| Regenmengenanzeige | 0 bis 999 mm |
| Windgeschwindigkeit | 0 bis 200 km/h |
| Spannungsversorgung (Batterie) | 3 x LR6/AA, Mignon |
| PC-Schnittstelle | USB 1.1, Mini-B, 5-polig |
| Auswertbare Sensoren | KS 300, ASH 2200 |
| Abm. (B x H x T, mit Antenne) | 82 x 155 x 66 mm |
| Sonstiges | integrierte Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck |
Allgemeines
Für
Langzeit-Wetterbeobachtungen und umfangreiche Auswertemöglichkeiten
durch die individuelle Erstellung von Statistiken sowie eine
ansprechende Visualisierung bietet sich der Einsatz eines PCs an. Die
PC-Funk-Wetterstation WS 300 PC ist das Bindeglied zwischen den
Funk-Wettersensoren KS 300/ASH 2200 und einem PC.
Unabhängig davon, ob ein PC angeschlossen ist, speichert der interne
Datenlogger bis zu 3200 Datensätze in einen nichtflüchtigen Speicher. Im
Bereich von fünf Minuten bis 60 Minuten mit einer Auflösung von einer
Minute kann dabei das Speicherintervall individuell verändert werden.
Das Auslesen der Daten sowie die Konfiguration der WS 300 PC erfolgt
über eine integrierte USB-Schnittstelle, über die auch ein
Firmware-Update des Gerätes möglich ist. Bei kritischem Speicherstatus
erfolgt rechtzeitig eine Warnung.
Neben der Datenlogger-Funktion und der USB-Schnittstelle verfügt das
Gerät, wie bereits erwähnt, über interne Sensoren für Temperatur,
relative Luftfeuchte und Luftdruck. Somit sind bereits alle
Innenmesswerte ohne einen zusätzlichen Sensor vorhanden.
Für den Außenbereich steht der Kombi-Sensor KS 300 zur Verfügung, der
die Außentemperatur, die relative Luftfeuchte im Außenbereich, die
Windgeschwindigkeit, die Regenmenge und beginnenden Regen am
Sensor-Standort im Außenbereich erfasst. Des Weiteren können die Daten
von bis zu acht Sensoren des Typs ASH 2200 verarbeitet werden. Diese
Sensoren liefern die relative Luftfeuchte und die Temperatur am
Sensor-Standort.
Bei der WS 300 PC werden zwei ausgewählte Messwerte, die
Wettervorhersage und die Auslastung des Datenspeichers auf einem eigenen
Display angezeigt. Die Auswahl der anzuzeigenden Messwerte ist
PC-unabhängig und erfolgt über drei Tasten am Gerät.
Die zugehörige PC Software „WeatherProfessional“ liest die erfassten
Daten aus dem Datenlogger aus und unterstützt bei der grafischen
Aufbereitung der gesammelten Wetterdaten. Zur Visualisierung stehen
verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, und auch die Archivierung der
Wetterdaten ist mit dieser Software möglich.Inbetriebnahme
Zuerst
sind alle Wettersensoren entsprechend ihren jeweiligen
Bedienungsanleitungen und dann die Wetterstation WS 300 PC in Betrieb
zu nehmen. Dazu sind in die Wetterstation drei Mignon-Batterien LR6/AA
entsprechend den Markierungen im Batteriefach polrichtig einzulegen.
Daraufhin führt die WS 300 PC einen Segmenttest durch, bei dem alle
verfügbaren Segmente des LC-Displays für eine Sekunde dargestellt
werden. Es folgt kurz die Anzeige der Firmware-Version des
Displaycontrollers in der oberen Displayzeile und die Anzeige der
Firmware-Version des Hauptcontrollers in der unteren Displayzeile.
Nach der Anzeige erfolgt automatisch eine zehn Minuten lange
Synchronisationsphase, in der die WS 300 PC alle empfangbaren Sensoren
automatisch sucht. Während dieser Zeit zeigt das Display „Sync“ sowie
die verbleibende Restzeit bis zum Ende der Synchronisationsphase an.
Nach Abschluss der Synchronisation erscheinen automatisch die
eingestellten Messwerte (Werkseinstellung: Innentemperatur und
Luftdruck) und ein Wettersymbol auf dem Display.Bedienung
Zur
Bedienung am Gerät stehen drei Tasten („Menü“, „+“ und „Enter“) zur
Verfügung. Die Zuordnung eines Messwertes zur oberen Displayzeile ist
durch einmaliges Drücken der Taste „Menü“ möglich, wobei die Taste
zweimal zu betätigen ist, wenn eine Zuordnung in der unteren
Displayzeile erfolgen soll. Eine dritte Betätigung führt dann wieder zur
ursprünglichen Anzeige zurück.
Nach Aufruf der gewünschten Displayzeile mit der Taste „Menü“ ist der
gewünschte Sensortyp durch ein- oder mehrmaliges Drücken der Taste „+“
auszuwählen. Die Bestätigung der Auswahl erfolgt mit der Taste „Enter“.Bei
Temperatur und Luftfeuchtigkeit als Sensortyp ist danach durch ein-
oder mehrmaliges Drücken der Taste „+“ der gewünschte Sensor
entsprechend auszuwählen und mit „Enter“ zu bestätigen (Tabelle 1).
Die Anzeige der Gesamtregenmenge kann durch gleichzeitiges Drücken der
Tasten „Menü“ und „Enter“ im entsprechenden Anzeigemodus gelöscht
werden.
Mit Hilfe der zum Lieferumfang gehörenden Software ist auch ein
Firmware- Update über die USB-Schnittstelle möglich. Schaltung
In
Abbildung 1 ist das Hauptschaltbild der PC-Wetterstation WS 300 PC zu
sehen, während Abbildung 2 die USB-Schnittstelle sowie die
Stromversorgung des Gerätes zeigt.
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| Bild 1: Hauptschaltbild der WS 300 PC |
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| Bild 2: Schaltbild der USB-Schnittstelle |
Betrachten
wir zuerst das Hauptschaltbild, wo zwei Mikrocontroller alle
wesentlichen Aufgaben übernehmen. Der externe Schaltungsaufwand hält
sich dadurch in Grenzen und besteht im Wesentlichen aus dem
Empfangsmodul und den in der WS 300 PC integrierten Sensoren. Die
Hauptaufgabe des Mikrocontrollers IC 1 ist die Ansteuerung des
LC-Displays. Über vier COM- und 32 Segmentleitungen ist das LC-Display
(LCD 1) direkt am Controller angeschlossen.
Der Displaycontroller verfügt über zwei integrierte Taktoszillatoren,
die für das interne Zeitmanagement zuständig sind. Während der schnelle
Oszillator an Pin 11 und Pin 12 nur mit einem Widerstand (R 5)
beschaltet ist, benötigt der Oszillator an Pin 14 und Pin 15 einen
Uhrenquarz von 32,768 kHz und die Kondensatoren C 1 und C 2. Neben dem
Display steuert IC 1 über Port 1.7 den akustischen Signalgeber
(Sound-Transducer), der im Kollektorkreis des Treibertransistors T 1
liegt. Die auf dem Display darzustellenden Informationen erhält IC 1 an
Port 1.5 vom Hauptmikrocontroller IC 5.
Der Kondensator C 3 am Reset-Anschluss (Pin 16) sorgt beim Anlegen der
Betriebsspannung für einen definierten Power-on-Reset. Im unteren
Bereich des Hauptschaltbildes ist der Haupt-Mikrocontroller IC 5 zu
sehen. Hier sind alle in der WS 300 integrierten Sensoren angeschlossen,
und auch die vom HF-Empfänger erfassten, externen Sensordaten werden
diesem Controller zugefügt.
Der Temperatur-/Feuchtesensor (FS 1) gibt die Messwerte direkt in
digitaler Form aus, wobei die Taktleitung an Port PB 1 und die
Datenleitung an PB 0 angeschlossen ist.
Ebenfalls kommuniziert der Drucksensor DS 1 über einen digitalen
Zweidraht-Bus direkt mit dem Haupt-Mikrocontroller (Port PC 4 und Port
PC 5). Der Drucksensor erhält über den Treiber IC 4 A ein zusätzliches
Taktsignal vom Displaycontroller IC 1.
Über Port PD 4 und den Transistor T 2 wird der HF-Empfänger HFE 1 im
„Zeitschlitz-Verfahren“ gesteuert. Nur wenn die WS 300 PC Daten eines
Wettersensors erwartet, wird die Betriebsspannung am Empfänger angelegt.
Die empfangenen Daten werden direkt Port PD 3 des Mikrocontrollers
zugeführt.
An PC 1 bis PC 3 sind die Bedientaster des Gerätes angeschlossen. Da die
Controllerports über interne Pull-up-Widerstände verfügen, ist hier
keine weitere Beschaltung erforderlich.
Der an PB 2 bis PB 5 angeschlossene Speicherbaustein (IC 2) kann, wie
bereits erwähnt, bis zu 3200 Datensätze speichern. An Pin 7 und Pin 8
ist der integrierte Takt-oszillator extern zugänglich und mit dem
8-MHz-Resonatorbaustein Q 2 beschaltet.
Der Reset-Baustein IC 3 sorgt für einen definierten Reset des Systems,
sobald die Betriebsspannung unter 2,3 V absinkt oder entsprechende
Spannungseinbrüche auftreten.
Über die Anschlüsse ST 1 bis ST 6 ist die Basisplatine mit der
USB-Platine verbunden, wo neben der USB-Schnittstelle auch die
Spannungsversorgung zu finden ist. Gegenüber Schaltungsmasse stehen an
ST 3 stabilisiert 3 V zur Verfügung. An ST 1 liegt die Batteriespannung
an, die zur Low-Bat-Erkennung über den Spannungsteiler R 16, R 17 auf
den Analog-Eingang (Port ADC 7) des in IC 5 integrierten
Analog-Digital-Wandlers gegeben wird. Die Kommunikation des
Mikrocontrollers mit der USB-Einheit erfolgt über
ST 4 (RXD) und ST 5 (TXD). Im unteren Bereich von Abbildung 2
(USB-Einheit) ist die Spannungsversorgung des gesamten Gerätes zu sehen.
Die Betriebsspannung wird üblicherweise durch drei Mignon-Batterien
(Bat 1 bis Bat 3) beschaltet. Alternativ besteht aber auch die
Möglichkeit, das Gerät über den USB-Port des PCs mit Spannung zu
versorgen. Über die Sicherung SI 1 und die Drosselspule L 1 (oben links
im Schaltbild) gelangt die USB-Spannung über D 2 auf den Eingang des
Spannungsreglers IC 2, während die Batteriespannung über SI 2 D 1
zugeführt wird. D 1 und D 2 dienen dabei zur gegenseitigen Entkopplung.
Nach der ersten Pufferung mit C 10 und der Stabilisierung mit IC 2 steht
eine stabilisierte Betriebsspannung von 3 V zur Verfügung.
C 11 bis C 13 dienen im Bereich des Spannungsreglers zur
Schwingneigungs- und Störunterdrückung.
Die USB-Schnittstelle basiert auf einem in vielen ELV-Anwendungen
eingesetzten Baustein und ist das Bindeglied zwischen dem PC und der WS
300 PC. Die Spannungsversorgung erfolgt grundsätzlich über SI 1, L 1 aus
dem USB-Port des PCs.
Nach dem Verbinden mit dem PC meldet sich der Baustein, wie bei
USB-Geräten üblich, als WS 300 an.
Beim FT232BM (IC 3) handelt es sich um einen Schnittstellenwandler, der
die gesamte Konvertierung der Datensignale nach RS232 vornimmt. Zum
Hauptmikrocontroller sind daher nur die beiden seriellen Datenleitungen
TXD (Pin 25) und RXD (Pin 24) erforderlich, die über D 3 auf ST 5 und
über D 4 auf ST 4 geführt werden.
Über die zur Anpassung dienenden Widerstände R 1 und R 2 sind die
Datenleitungen des Wandlers (IC 3) mit dem USB-Port des PCs verbunden.
Trotz der komplexen Abläufe innerhalb des Wandlers ist die externe
Beschaltung sehr gering.
Das Taktsignal wird mittels des Resonatorbausteins Q 1 generiert. Der
hier erzeugte 6-MHz-Takt wird IC-intern durch entsprechende
Vervielfacher auf bis zu 48 MHz hochgetaktet.
Im EEPROM (IC 1) sind die Erkennungsdaten des Gerätes abgelegt. Mit
diesen Daten kann das Gerät vom angeschlossenen PC-System eindeutig
identifiziert werden.
Die Kommunikation zwischen dem USB-Controllerbaustein IC 3 und dem
EEPROM (IC 1) erfolgt über eine so genannte Microwire-Verbindung. Drei
„Verbindungsleitungen“ sind hierfür notwendig: „CS“ = Chip select, „SK“ =
Clock und „D in“, „D out“ = Datenein- und -ausgang.
Mit den wenigen beschriebenen Bauteilen ist der Wandler schon voll
funktionsfähig. Die weiteren Kondensatoren im Schaltbild dienen zur
hochfrequenten Störunterdrückung. Nachbau
Da
es sich bei der WS 300 PC um einen „Almost ready to run“-Bausatz
handelt, ist der praktische Aufbau einfach. Alle Leiterplatten werden
fertig bestückt geliefert. Da auch kein Abgleich erforderlich ist,
bleiben nur noch wenige Schritte bis zum fertig aufgebauten,
funktionsfähigen Gerät. In den nachfolgenden Abbildungen sind die
einzelnen Schritte ausführlich beschrieben.Zuerst
sind sechs Anschlussleitungen entsprechend der Abbildung vorzubereiten.
Die Leitungsenden werden jeweils an beiden Seiten auf 3 mm Länge
abisoliert, verdrillt und vorverzinnt. Basisplatine
von der Komponentenseite (links) und von der Displayseite (rechts). Von
Hand zu bestücken ist hier nur noch der Sound-Transducer
(Komponentenseite unten rechts). Des Weiteren sind die sechs bereits
vorbereiteten Verbindungsleitungen zur USB-Platine anzulöten. Im
nächsten Arbeitsschritt sind von der Displayseite die Tasterkontakte
(Knackfrösche) zu bestücken. Damit die Kontakte nicht wieder
herausfallen können, sind die Pins wie abgebildet umzubiegen (nicht
verlöten!). Das
HF-Empfangsmodul ist bereits werkseitig komplett bestückt und für den
Einbau vorbereitet. Das Modul wird erst nach der Montage der
Basisplatine in das Gehäuse aufgelötet. Fertig bestückte USB-Platine von der Komponentenseite (links) und von der Platinenunterseite (rechts). Wie
abgebildet, ist die USB-Platine mit zwei Schrauben für Kunststoff auf
dem Batteriekasten zu befestigen. Die sechs Batteriekontakte sind bis
zum Anschlag in die dafür vorgesehenen Führungen des Batteriekastens zu
schieben und an der Komponentenseite der USB-Platine sorgfältig zu
verlöten. Damit die Kontakte einwandfrei ausgerichtet sind und nicht
wieder herausfallen können, empfiehlt es sich, beim Löten einfach eine
Batterie einzusetzen. (Vorsicht: Beim Löten keinen Kurzschluss
verursachen!) Dadurch werden die Kontakte automatisch in die richtige
Position gedrückt. Nun
wird das Display zusammen mit dem zugehörigen Halterahmen entsprechend
dem Foto in die Gehäuse-Frontseite eingesetzt und vom Display wird die
Schutzfolie entfernt. Es folgt das Einsetzen der beiden
Leitgummistreifen in den Displayrahmen. Die drei Bedientaster sind, wie
abgebildet, in die zugehörigen Gehäuseöffnungen einzulegen. Im
nächsten Montageschritt ist die Basisplatine einzusetzen und mit acht
Schrauben für Kunststoff fest zu verschrauben.
Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist das HF-Empfangsmodul auf die
zugehörigen Lötstifte aufzusetzen und danach sorgfältig zu verlöten. Die Antenne der Wetterstation ist an die Leitung des HF-Empfangsmoduls anzulöten. Die sechs von der Basisplatine kommenden Anschlussleitungen sind wie abgebildet an die USB-Platine anzulöten. Danach ist der Batteriekasten mit montierter USB-Platine im unteren Teil der Gehäuserückwand einzurasten. Bleibt
nur noch das Zusammenschrauben der beiden Gehäusehälften mit den
zugehörigen Gehäuseschrauben und das Aufkleben des
Display-Design-Rahmens an der Frontseite des Gerätes. Im nächsten
„ELVjournal“ 1/07 folgt die Beschreibung der PC-Wetterstation-Software
„WeatherProfessional“. Fachbeitrag online und als PDF-Download herunterladen
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