HowTo : Anemosens - Construire un anémomètre (capteur de vent) imprimé en 3D

Pour être honnête, l'idée d'un capteur de vent imprimable en 3D ("anémomètre" dans le jargon technique) me trottait dans la tête depuis longtemps.

Au départ, j'aurais pu l'utiliser comme capteur de vent pour l'une de mes stations météo. A cette époque, j'avais une imprimante 3D FDM à disposition et aussi quelques premières idées pour un design imprimable.

J'ai ensuite imprimé le dessin illustré à gauche et je l'ai testé.

Malheureusement, cette conception n'a jamais dépassé la phase de prototype. Les limites du processus d'impression FDM étaient quelque peu problématiques ici. Surtout lors de l'impression de structures en surplomb, les tolérances étaient souvent si mauvaises que les pièces ne s'emboîtaient pas correctement.

J'ai donc remis le projet en attente. Mais quand j'ai commencé à développer la deuxième version d'un Éolienne imprimable en 3D commencé, le sujet d'un anémomètre est revenu sur mon bureau. Cette fois, je voulais construire une éolienne avec suivi électronique du vent. Cela signifie que WinDIY_2 (c'est le nom de l'éolienne) ne devrait pas avoir de girouette, qui aligne automatiquement la nacelle sur le vent. Au lieu de cela, la nacelle doit être tournée face au vent via un servomoteur. Pour que cela fonctionne, l'électronique doit bien sûr connaître la direction actuelle du vent. Bien sûr, cela ne fonctionne que si l'électronique est capable de mesurer la direction actuelle du vent. Vous savez probablement déjà où cela nous mène : C'est ainsi qu'est née l'idée de concevoir un anémomètre imprimable en 3D.

À ce stade, mon "parc de machines" avait déjà un peu augmenté. En plus de mon imprimante FDM, je pouvais désormais également utiliser une imprimante SLA. La chose pratique à ce sujet est qu'avec les imprimantes SLA, vous pouvez également très bien imprimer des structures en surplomb et généralement dans une résolution beaucoup plus élevée qu'avec les imprimantes FDM. Du côté de la production, presque tous les problèmes ont été résolus. 🙂

Pour l'intégration dans WinDIY_2, l'anémomètre doit être monté sur une petite perche sur la nacelle de l'éolienne.

L'anémomètre devait donc être aussi compact que possible, car un poids inutile doit être évité à ce stade (et parce qu'il a juste l'air plus cool. 🙂 )

Le premier brouillon ressemblait encore à celui montré sur la photo. Un peu "dodue" et toujours avec une pointe amovible.

Dans l'ensemble malheureusement encore un peu trop gros pour le design de WinDIY_2. Donc c'était de retour au bureau.

Après quelques brouillons supplémentaires, le dessin illustré à gauche est finalement sorti.

Un anémomètre très compact avec les données suivantes :

• Diamètre socle : 27mm
• Diamètre rotor : 150mm
• Hauteur (y compris la base) : ~160 mm

Cette conception se compose de quelques parties qui peuvent être imprimées sur une imprimante SLA standard.

Afin de pouvoir évaluer les valeurs mesurées pour la vitesse et la direction du vent, j'ai créé une petite carte de capteurs, qui peut être intégrée dans la base de manière à ce que les capteurs soient positionnés exactement aux bons endroits. La carte capteur peut ensuite être connectée à un ESP32 via une carte supplémentaire optionnelle (la carte Anemosens_MCU). Les données peuvent ensuite être traitées ou stockées de différentes manières.

Diverses interfaces et un emplacement pour carte SD sont disponibles sur le circuit imprimé Anemosens_MCU. De plus amples informations sur ce conseil peuvent également être trouvées sous le lien suivant.

• PCB – Construisez le PCB Anemosens_MCU

La structure générale d'Anemosens est décrite dans l'article suivant.

La galerie suivante contient également quelques photos des circuits imprimés utilisés et de la structure générale.

Vous pouvez voir plus d'informations dans la vidéo suivante.

Consignes de sécurité

Je sais que les notes suivantes sont toujours un peu ennuyeuses et semblent inutiles. Malheureusement, de nombreuses personnes qui savaient "mieux" ont perdu des yeux, des doigts ou d'autres choses à cause d'une négligence ou se sont blessées. La perte de données est presque négligeable en comparaison, mais même celles-ci peuvent être vraiment ennuyeuses. Par conséquent, veuillez prendre cinq minutes pour lire les consignes de sécurité. Parce que même le projet le plus cool ne vaut pas une blessure ou d'autres problèmes.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/

Liens d'affiliation/publicitaires

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Conditions préalables

Pour la construction, vous devez maîtriser les tâches de soudure. Les articles suivants fournissent des conseils sur la façon de procéder.

• Électronique - Mon ami le fer à souder
• Électronique – Souder les composants THT à la main
• Électronique – Soudez des composants CMS à la main

Outil requis :

Matériel requis :

Construire la carte du capteur

Un composant important pour l'enregistrement des données de vent est la carte du capteur Anemosens. Un capteur Hall et un AS5048B (un "encodeur rotatif magnétique") y sont installés. La vitesse du vent est mesurée avec le capteur Hall. La direction du vent est mesurée avec l'AS5048B.

Vous pouvez trouver plus d'informations sur la carte du capteur dans l'article suivant.

• PCB - Construisez le PCB du capteur Anemosens

La structure du circuit imprimé est très bien visible dans la vidéo suivante à partir de la 50e seconde.

Le capteur de direction du vent

Le capteur AS5048B peut être lu via le bus I2C. Un certain nombre de degrés de 0 à 360° est émis. La résolution de l'AS5048B est de 14 bits ce qui correspond à 0.0219°. Afin d'attribuer le nombre de degrés à un point cardinal, le capteur doit bien sûr être aligné ou calibré de manière appropriée.

Plus d'informations sur l'AS5048B sont disponibles ici : https://ams.com/en/as0548b

Le capteur de vitesse du vent

La vitesse du vent est évaluée à l'aide d'un capteur à effet Hall linéaire AH49E. Celui-ci détecte le passage des trois aimants intégrés au rotor. Chaque fois que l'un des aimants passe devant le capteur, cela peut être mesuré comme un changement de la tension de sortie analogique du capteur. Pour des raisons de symétrie, trois aimants sont installés dans le rotor. Cela signifie que le nombre d'impulsions détectées doit être à nouveau divisé par trois pour pouvoir déterminer le temps d'un tour. Ce nombre de tours peut à son tour être utilisé pour déterminer la vitesse du vent. Pour des lectures exactes, vous devez calibrer la valeur mesurée avec une vitesse de vent réelle.

Fabrication de PCB

Vous pouvez trouver toutes les informations dont vous avez besoin pour fabriquer les PCB ici :

• https://www.pcbway.com/project/shareproject/Anemosens_sensor_PCB.html

Vous pouvez voir un bon aperçu de quels composants appartiennent où sur le PCB dans le paragraphe suivant. Grâce au travail de Projet OpenScope vous pouvez générer des fichiers HTML très utiles dans lesquels vous pouvez voir directement quels composants doivent être installés où sur le PCB.

Vous pouvez voir l'aperçu du circuit imprimé du capteur Anemosens ici : Circuit imprimé du capteur Anemosens

Vous pouvez également trouver le fichier actuel dans le référentiel GIT sous le lien suivant :

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/blob/main/PCB/anemosens_sensor_pcb_v1.1_bom.html

(Veuillez noter que vous devez télécharger le fichier HTML pour le visualiser. Ce n'est pas possible directement depuis le référentiel GIT.)

Rassemblez le matériel nécessaire

Avant de commencer, vous devez bien sûr rassembler toutes les pièces individuelles nécessaires.

Les fichiers STL pour l'impression 3D des pièces requises se trouvent dans le référentiel Git d'Anemosens à l'adresse :

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/tree/main/STLs

Vous aurez besoin des pièces suivantes pour le montage :

• 1x vis sans tête M2x6
• 6x vis à tête fraisée M2x6
• 3x vis sans tête M3x6
• 1x vis à tête fraisée M3x50
• Insert fileté 6x M2
• 3 inserts filetés M3
• 3x aimant cylindrique 5x2mm (diamètre : 5mm, hauteur : 2mm)
• 1x aimant cylindrique 10x5mm (diamètre : 10mm, hauteur : 5mm) diamétralement aimanté !
• 1 roulement à billes 623
• 2 roulements à billes 608
• Câble de connexion JST SR
• Les pièces imprimées en 3D

Dans ce qui suit, les pièces individuelles requises sont à nouveau affichées dans la vue de la galerie.

Dans cet exemple, les aimants 2x5mm sont déjà installés dans les poches désignées du rotor.

Placez simplement les aimants dans les poches et fermez les ouvertures avec de la colle.

Préparer le support d'aimant

Le support d'aimant maintient l'aimant cylindrique de 10 x 5 mm juste au-dessus du capteur AS5048B. Il est relié de manière rotative à la girouette via la vis M3x50mm. Dans cette étape, vous devez préparer le support d'aimant.

Vous aurez besoin des pièces indiquées à gauche.

Placez d'abord la vis M3x50 comme indiqué et vissez-la dans le support aussi loin que possible.

Si la vis est difficile à visser, vous devez recouper le trou avec un taraud M3.

Vissez ensuite la vis M3x50 jusqu'en butée.

Autre vue de la vis M3x50 vissée.

Vous pouvez maintenant coller l'aimant cylindrique 10×50 dans le support.

Pour ce faire, mettez une petite goutte de colle dans le support puis enfoncez l'aimant dans le support.

Attention : Notez que cet aimant doit être un aimant aimanté diamétralement. Sinon, l'AS5048B ne peut pas détecter la rotation.

L'aimant du cylindre doit alors s'encastrer dans le support.

Insérer des roulements à billes dans les composants

Avant de pouvoir continuer à assembler le reste des composants, vous devez d'abord les préparer. Dans cette étape, les roulements à billes sont insérés dans les pièces imprimées en 3D.

Avant de faire cela, cependant, vous devez d'abord débarrasser tous les roulements à billes de leur graisse de roulement et les remplacer par de l'huile de machine à fonctionnement doux. Les fabricants fournissent souvent des roulements à billes enduits de graisse pour roulements. Ceci est en fait utile pour protéger les pièces du roulement de la corrosion et pour assurer leur bon fonctionnement. Malheureusement, cela augmente également le couple initial et la résistance à la rotation.

Afin de maintenir cela aussi bas que possible, vous devez retirer la graisse de roulement lente. Pour que le roulement soit encore protégé de la corrosion par la suite, il faut alors conserver le roulement avec de l'huile de machine (comme cela est connu des machines à coudre, par exemple).

Vous pouvez ensuite utiliser les roulements ainsi préparés pour assembler le roulement.

Pour ce faire, insérez le premier des 608 roulements à billes dans le rotor.

Le camp devrait alors...

... asseyez-vous au ras. Vous n'avez pas besoin de le fixer davantage à ce stade.

Vous pouvez ensuite insérer l'autre roulement à billes 608 dans le support de la girouette.

Ce n'est qu'un test pour voir si tout s'emboîte correctement. Vous devez ensuite retirer à nouveau le roulement du support dans la girouette.

Mettez donc le roulement bien droit sur le support...

...et le pousse jusqu'à ce qu'il...

... s'encastre dans le support.

À ce stade, vous pouvez déjà fixer le roulement avec la vis sans tête M2x6.

Si nécessaire, vous devez d'abord recouper le filetage avec un taraud M2.

Une autre vue.

Vous pouvez ensuite simplement fixer le roulement à billes 623 restant sur la vis à tête fraisée M3x50 du support d'aimant.

Une autre vue.

Assembler les pièces préparées

Vous pouvez ensuite assembler les pièces préparées à l'étape précédente.

Vous aurez besoin des pièces indiquées pour cela.

Placez d'abord le rotor avec le roulement à billes sur l'axe de la base...

... jusqu'à ce que le rotor repose sur l'axe comme indiqué.

Ensuite, placez la bague d'espacement indiquée sur l'essieu.

À ce stade au plus tard, vous devez retirer le roulement 608 du support dans la girouette.

Placez ensuite ce roulement sur l'axe de la base comme indiqué.

Puis boulonnez les roulements avec le contre-écrou illustré.

Important : Ne travaillez pas ici avec trop de force/couple ! Si nécessaire (absolument recommandé en fonction de la qualité d'impression), vous devez recouper le filetage externe et interne M8 avec un taraud !

Dévissez ensuite le contre-écrou jusqu'à ce que les roulements à billes soient bien en place sur l'essieu principal.

Vous pouvez maintenant remettre la girouette sur le roulement à billes 608 précédemment fixé...

... et avec la vis sans tête M2x6...

... réparer.

Dans la dernière étape, le support d'aimant est connecté à la girouette.

Pour cela, vous devez (uniquement) le sommet de la vis à tête fraisée M3x50 avec un peu de vernis frein de vis.

Ici, il est important qu'un peu de vernis de blocage de vis arrive dans le filetage de la girouette. Si nécessaire, vous pouvez également retirer à nouveau la girouette et faire couler la peinture de verrouillage directement dans le trou fileté. Dans tous les cas, assurez-vous qu'aucune peinture de blocage ne pénètre dans les roulements à billes.

Vue de l'ouverture dans laquelle le porte-aimant doit être inséré.

Placez ensuite le support d'aimant de manière à ce que le roulement à billes 623 attaché glisse dans la poche prévue. Tenez ensuite le support d'aimant et tournez la girouette en même temps jusqu'à ce que la vis M3x50 saisisse le filetage de la girouette et soit vissée à fond.

Vous pouvez également voir l'ensemble du processus dans cette vidéo à partir de la seconde 95.

Complètement vissé, le support d'aimant entièrement assemblé doit reposer dans la base comme indiqué.

Insérez la carte du capteur dans la prise

Maintenant que vous avez construit la majeure partie du boîtier du capteur, vous pouvez commencer à construire la base.

Pour cela, vous aurez besoin des éléments indiqués à gauche.

Les inserts filetés M2 et M3 sont déjà utilisés dans cette douille.

Pour ce faire, les M2 ont été fondus dans le support par le haut et dans la rangée supérieure par l'extérieur.

Les inserts filetés M3 sont fondus dans la rangée inférieure des trous accessibles de l'extérieur.

Une autre vue des inserts filetés fondus.

Dans la rangée du haut, les inserts M2 sont fondus.

dans la rangée du bas, les inserts M3.

Vous pouvez maintenant brancher le câble de connexion JST SR dans la prise du boîtier du capteur.

Poussez ensuite le câble de la carte capteur préparée à travers le trou de la base...

... et vissez le circuit imprimé à la base avec les vis à tête fraisée M2x6 comme indiqué.

Assembler le boîtier avec la base

Dans la dernière étape, il vous suffit de connecter la prise au reste du boîtier.

Pour ce faire, faites glisser la douille dans la base du capteur comme illustré.

Alignez ensuite les trous de la base avec les trous/inserts filetés de la base.

Une autre vue.

et visser la base à la base à l'aide des trois vis à tête fraisée M2x6.

Si vous le souhaitez, vous pouvez également insérer un tube de 10 mm (diamètre extérieur) dans la base à ce stade...

...et avec les vis sans tête M3x6...

... fixer dans la base.

Vos anemosens devraient maintenant ressembler à ceci une fois assemblés. 🙂

Ce qui manque encore, c'est la connexion à un MCU approprié, qui doit ensuite évaluer et traiter les signaux des capteurs.

Facultatif : Construire la carte Anemosens_MCU

La carte électronique Anemosens MCU n'est pas absolument nécessaire au fonctionnement d'Anemosens. Vous pouvez également évaluer les capteurs sur la carte des capteurs avec votre propre matériel.

À l'aide de la carte de circuit imprimé Anemosens MCU, vous avez la possibilité de lire les données du capteur et de les envoyer via la connexion USB-C, Modbus, Wifi ou Bluetooth. En option, les données peuvent également être stockées sur une carte µSD insérée dans la fente pour carte µSD. Les données peuvent ensuite être enregistrées avec un horodatage via l'horloge en temps réel intégrée et sauvegardée par batterie. La carte peut également être équipée d'un BME280 pour une surveillance plus poussée des données environnementales. La température, l'humidité et la pression atmosphérique peuvent également être enregistrées.

Vous pouvez trouver plus d'informations sur la carte Anemosens_MCU dans l'article

• PCB – Construisez le PCB Anemosens_MCU

Fabrication de PCB: Vous trouverez ici toutes les informations nécessaires à la fabrication des PCB :

• https://www.pcbway.com/project/shareproject/Anemosens_MCU.html

Un moyen simple d'avoir une bonne vue d'ensemble des composants placés sur le circuit imprimé est illustré dans le paragraphe suivant. Grâce au travail de Projet OpenScope vous pouvez générer des fichiers HTML très utiles dans lesquels vous pouvez voir directement quels composants doivent être installés où sur le PCB.

Vous pouvez voir l'aperçu du circuit imprimé du capteur Anemosens ici : Circuit imprimé Anemosens_MCU

Vous pouvez également trouver le fichier actuel dans le référentiel GIT sous le lien suivant :

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/blob/main/PCB/anemosens_mcu_v1.3_bom.html

(Veuillez noter que vous devez télécharger le fichier HTML pour le visualiser. Ce n'est pas possible directement depuis le référentiel GIT.)

Le firmware Anemosens_MCU

Une première version d'un logiciel compatible Arduino pour évaluer les données du capteur peut être trouvée sous le lien suivant.

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/tree/main/software/anemosens_mcu

Ce logiciel est conçu pour être utilisé avec le matériel Anemosens_MCU. De cette façon, les données peuvent être mesurées, traitées et stockées. Ils sont également mis à disposition (si souhaité) via l'interface série (via USB), via l'interface Modbus, via WiFi ou via Bluetooth.

Le firmware est compatible avec l'IDE Arduino et peut être transféré sur le microcontrôleur utilisé avec celui-ci.

Vous pouvez trouver des conseils sur la façon de programmer un microcontrôleur avec l'IDE Arduino dans l'article

• ArduinoIDE - Trucs et astuces

Amusez-vous avec le projet

J'espère que tout a fonctionné comme décrit. Si ce n'est pas le cas ou si vous avez des questions ou des suggestions, faites-le moi savoir dans les commentaires. Je les ajouterai à l'article si nécessaire.
Les idées de nouveaux projets sont toujours les bienvenues. 🙂

PS Beaucoup de ces projets - en particulier les projets matériels - coûtent beaucoup de temps et d'argent. Bien sûr, je le fais parce que j'aime ça, mais si vous pensez que c'est cool que je partage l'information avec vous, je serais heureux d'un petit don au fonds du café. 🙂