Stazione Meteo via Radio

Progetto per la trasmissione radio della temperatura ambientale
a cura di Giuliano Gilmozzi IN3KLQ

Tempo fa', durante un incontro tra colleghi OM, in un ghiacciato giorno di Gennaio, qualcuno lanciò l'idea di dotare il nostro Ripetitore di un sistema di rilevamento della temperatura in quota, in modo da conoscere la situazione ambientale a quella altitudine (2350 Metri s.l.m) e di fornirla, mediante un'annuncio vocale, a chiunque si fosse sintonizzato sulla nostra frequenza. Il progetto doveva in primo luogo consumare poco, il ripetitore trae energia da un sistema di batterie al piombo, ricaricate da un panello solare, essere affidabile anche in condizioni estreme, da scartare quindi l'impiego di Personal Computer. Troppo suscettibili ai transienti veloci durante i numerosi temporali estivi, inoltre l'inverno, non di rado la temperatura scende a valori di -20 C° e nel box.. i gradi sono poco di più! Dopo diverse ricerche di progetti e realizzazioni è stato scelto l'uso della logica discreta, molto più affidabile ed anche, per permettere, ai meno esperti di costruirla ed effettuare facilmente la manutenzione senza l'uso di una particolare strumentazione. Questo sistema è in funzione da diversi anni in località Monte Agnello M.t 2350, senza MAI avere il minimo problema,anche per questo motivo è stato deciso di pubblicarne il progetto.

Caratteristiche della stazione di rilevamento vocale della temperatura:

• Campo di rilevamento: da -31 a + 32 Gradi C

• Precisione: 1° centigrado

• Alimentazione: +5volt (vedi testo)

• Consumo: 70mA a riposo, ~200mA durante l'annuncio.

Lo schema elettrico è suddiviso in tre distinte sezioni. La prima descrive lo stadio logico di rilevazione della temperatura con annesse le varie temporizzazioni, il circuito convertitore A/D e il circuito di interfaccia ad un eventuale ripetitore radioamatoriale. La seconda parte invece è descritto il circuito DAST, ovvero il sistema di generazione vocale per l'annuncio della temperatura rilevata ed infine la terza parte, totalmente opzionale, descrive un semplice temporizzatore da 30 minuti adatto per  attivare in modo automatico la rilevazione ogni lasso di questo tempo.
Cosi si presenta l'annuncio della nostra stazione meteo in formato .WAV
clicca qui! (WAV-75Kbyte)
Se credi quindi ti possa interessare ti invitiamo a proseguire nella lettura di questo articolo.

Come avete ascoltato il messaggio è composto da 3 parti. La prima consiste nell'annuncio della località, la seconda del segno ( più o meno) e la terza, il valore della temperatura. Da questo presupposto possiamo passare alla descrizione del primo segmento di schema, quello relativo alle temporizzazioni, al circuito sonda e alla conversione A/D del valore della temperatura da misurare.
A questo link potete prelevare lo schema del circuito in formato PDF.

Iniziamo dal circuito temporizzazioni, senza dubbio la parte più ostica da comprendere, comunque ci aiuteremo con un piccolo diagramma. Gli integrati che adempiono a questo scopo sono il Timer 555, il CMOS 4017 come divisore decadico e IC1 un CMOS tipo 4001 come logica di comando. In presenza di un impulso all'ingresso on, proveniente esempio da un pulsante, il Flip-Flop IC1a-Ic1b cambia di stato e tramite TR1 (BC547) abilita il funzionamento del Timer NE555, della linea PTT, per la trasmissione del messaggio e abilita tramite la linea CS il convertitore A/D e il circuito di sintesi vocale (DAST). Il Timer NE555 è montato come multivibratore astabile. L'impulso in uscita (CL) comanda il divisore CD4017 il quale effettua il conteggio decadico partendo da 0, grazie all'impulso di RESET applicato al pin15. Il cambiamento di stato avviene ad ogni fronte alto dell'impulso di clock, di conseguenza si possono scambiare le linee dati per selezionare i vari messaggi contenuti nella DAST. Dopo 4 impulsi di clock, all'uscita del CD4017 pin10 appare un'impulso il quale resetta (linea RES)il Flip-Flop IC1a-IC1b terminando tutto il processo del messaggio. Vedi Tabella 1

Analizziamo adesso il circuito sonda e la conversione della tensione prodotta dal sensore LM335, in funzione della temperatura rilevata, da analogica a digitale . Quando si applica a questo trasduttore una tensione Vcc con corrente costante di 1mA, a 25C° fornisce una tensione di 2,98V e per ogni grado di differenza, in più o meno, essa varia costantemente di 10mV. Ad esempio a 0 gradi sarà di 2,73V, ecc..Questa tensione è quindi applicata all'ingresso Vin (pin6) del convertitore A/D tipo ADC0804, il quale la converte, dopo un breve periodo di tempo, nel corrispondente numero digitale codificato in codice binario. L'avvio della conversione viene dato applicando un livello L (basso) all'ingresso WR (pin3). La cadenza dei passi con i quali si realizza il processo di conversione è scandita da un segnale di clock realizzato tramite R12-C12. All'ingresso Vin- (pin7) si regola il limite inferiore di rilevamento della temperatura. Ci siamo prefissati come minima temperatura misurabile > -31 c°, speriamo accada poche volte.., questa convertita in tensione dal LM335 sarà di circa 2,42V, Detto questo stabiliamo che a -31 C° l'uscita binaria del nostro convertitore A/D sia con livello logico (esadecimale 00h), incrementeremo di un bit ogni grado C° fino a raggiungere il valore di "3Fh" alla massima temperatura  misurabile di +32 C°. IMPORTANTE è quindi tarare il trimmer RV1 in modo da misurare al TP2 la tensione di 2,42V!! Per quanto riguarda invece il trimmer RV2 collegato all'ingresso Vref/2, serve per regolare il fattore di scala del convertitore, cioè l'intervallo fra una cifra e l'altra. Sapendo che ogni aumento di 1 C° della temperatura ambiente, determina ai capi del sensore un aumento di 10mV, il peso del bit meno significativo LSB dovrà essere di 0.010V. Moltiplicando il peso del bit per due, si ottiene il peso del bit 7, che risulta quindi di 0,02; proseguendo con lo stesso sistema si può calcolare il peso del bit più significativo MSB che è pari a 1,28V. Anche in questo caso diventa IMPORTANTE la misura della tensione al TP1 e regolare il trimmer RV2 fino che lo strumento indichi 1,28V!! Se si ha pazienza di costruire una tabella di conversione della temperatura nel suo corrispondente codice binario, noteremo che a 0C° il valore del bit sarà di "1Fh" e diventa quindi "20h" a +1 C°, per annunciare quindi il cambiamento da temperatura da negativa a positiva, basterà testare il valore del bit 5.
Questo ci risparmierà molti grattacapi sul circuito logica di comando della sintesi vocale (DAST) che descriveremo con lo schema elettrico prelevabile a questo link in formato PDF.

Il blocco Sintesi Vocale provvede ad emettere i messaggi preregistrati secondo la sequenza prima stabilita, tramite il segnale di BF. L'integrato utilizzato, prodotto dalla ISD è il tipo ISD2590P, grazie alla sua memoria EEPROM interna, provvede a mantenere per più di dieci anni i messaggi registrati anche in assenza di alimentazione. La massima capacità di memoria prevede fino ad un massimo di 90 secondi registrabili e  indirizzabili mediante tramite il bus dati A0-A9 (pin 1-10). Di conseguenza sono possibili ben 600 ripartizioni da 0.15sec ognuna. Nel nostro caso sono state usate le 6 linee più significative da A4-A9 e quindi la massima durata di registrazione di ogni singolo messaggio sarà = 0,15 sec x 16h = 2,4 secondi, con  un numero massimo di messaggi pari a 37.

Vedi TABELLA 2 a Lato-->.

Sicuramente si può risparmiare sul numero di locazioni, magari effettuando una combinazione tra i vari annunci. Ad esempio per il messaggio ventidue si potrebbe prima annunciare il venti seguito dal due. Ci sarebbe di sicuro un notevole risparmio delle locazioni della EEPROM, ma poi valutando la complessità del circuito per la combinazione dei suoni e la "cattiva"  emissione di determinati numeri.. si pensi ad esempio il numero quindici che diverrebbe --> diecicinque.?! si è preferito registrare tutti i numeri da zero a trentadue.

      TABELLA 2

Per un corretto funzionamento della DAST, occorre porre sul bus dati A4-A9 l'indirizzo dove inizia il messaggio che si desidera riprodurre, sul fronte basso del segnale CE inizia la riproduzione che termina con la segnalazione all'uscita EOM (end of message). Lo stesso impulso resetta il timer 555 che conseguentemente tramite il contattore CD4017 selezionerà un'altro messaggio da riprodurre. Vedi TABELLA 1 per il diagramma dei tempi. La EPROM tipo 27C16 ha lo scopo di transcodifica del gruppo di 6 bit fornito dal convertitore A/D e di portarlo alla parola di 6 bit per selezionare il corretto messaggio in base alla rilevazione della sonda. Esempio: come è stato prima esposto, alla temperatura di 0 C° il convertitore fornisce una parola esadecimale di "1Fh", la eprom converte questo byte in "04h" per selezionare il messaggio "zero" nella sintesi vocale DAST. Inoltre se il bit A5 risulta uguale a "1" logico, significando temperature positive, al secondo impulso di clock viene selezionato il messaggio "più". Per agevolare comunque chi intendesse costruire questo progetto, posso fornire la tabella di programmazione della eprom, oppure la eprom 27c16 già programmata, pronta all'uso. L'uscita audio della DAST ISD2590 è amplificata, volendo si può inserire un'autoparlante direttamente ai pin n.14 e n.15. Per ottenere il corrispondente segnale di BF viene isolata la componente continua con C4 e attenuato il livello audio dal trimmer RV1 per adattarlo con qualsiasi trasmettitore. Per programmare opportunamente il repertorio dei messaggi nella DAST vi consiglio la costruzione di questo semplicissimo programmatore; successivamente, l'integrato sarà montato sulla scheda definitiva della sintesi meteo vocale. Tutto il sistema è funzionante con una tensione di + 5Volt, per adattarlo alla più comune tensione di 12 volt basta inserire un solito circuito riduttore di tensione formato con il classico stabilizzatore tipo 7805, non riporto lo schema di tale circuito in quanto, credo che chiunque possa reperirlo. Ringrazio per l'attenzione prestata nel leggere questo articolo, rimanendo a disposizione per eventuali altre delucidazioni.