Elektronski barometrijski visinomjer za balone sa stratosferom: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Naš tim, RandomRace.ru, lansira balone s helijem. Mali i veliki, sa kamerama i bez njih. Pokrećemo male kako bismo nasumično ispuštali kontrolne točke za natjecanja u avanturističkim utrkama, a velike za pravljenje sjajnih video zapisa i fotografija s samog vrha atmosfere. To još nije prostor, ali na 30 km nadmorske visine zračni pritisak je oko 1% normalnog. Ne izgleda više kao atmosfera, ha? Moja odgovornost u timu je elektronika, i želim podijeliti jedan od svojih projekata provedenih na toj dužnosti.

Kako možemo izmjeriti visinu balona? S GPS -om (većina njih ne radi iznad 18 km) ili s barometrijskim visinomjerom. Napravimo jedan od ploče mikrokontrolera (MCU)! Želimo da bude lagan, jeftin (jer ponekad izgubimo sonde) i jednostavan za izgradnju, jednostavan za korištenje. Također bi trebao mjeriti vrlo niske pritiske. Uređaj bi trebao bilježiti podatke najmanje 5 sati zaredom. Upotrijebimo neku litijumsku bateriju sa bilo kojeg starog mobilnog telefona kao izvor napajanja. Na temelju zahtjeva odabrao sam Maple Mini ploču, zasnovanu na n ARM mikrokontroleru (STM32F103RC) sa USB sučeljem, 128 Kb interne memorije, što je dovoljno i za MCU firmver i za prikupljene podatke. Nažalost (ili na sreću?), LeafLabs više ne proizvodi te ploče, ali bi se njihovi klonovi mogli pronaći u kineskim internetskim trgovinama za samo nekoliko dolara. Donirani smo i brojni senzori pritiska zraka MS5534, sposobni mjeriti 0,01 … 1,1 bar. To je manje -više dovoljno za 30 km nadmorske visine.

Uređaj je prilično jednostavan za izradu, potrebno vam je samo malo vještina i alata za lemljenje (nema potrebe za lemljenjem zaista malih dijelova) i osnovne vještine rada na računaru. Ovdje možete pronaći github spremište koje sadrži i dizajn PCB -a u Eagle formatu i firmver.

Korak 1: Potrebni dijelovi

• Klon Maple Mini MCU ploče
• 4*1 red igle 2,54 mm (0,1 ") (obično se isporučuje s MCU pločom)
• 1S LiPo baterija. Baterije starih mobitela ili akcijske kamere savršeno pristaju.
• 1S LiPo ploča za punjenje
• MS5534 barometarski senzor
• MS5534 ploča za razbijanje
• 1N5819 Schottky dioda ili slično
• JST RCY pigtails, 1*ženka, 2*mužjak
• Prazna aluminijska limenka za pivo
• termoskupljajuća cijev D = 2,5 mm (0,1 ") bilo koje boje
• termoskupljajuća cijev D = 20 mm (0,8 "), prozirna

Umjesto MS5534 možete koristiti MS5540, ali za to je potrebna druga ploča. Možete to učiniti sami, koristeći EagleCAD ili KiKad ili šta god želite. Senzor možete lemiti i direktno žicama ako imate dovoljno vještina lemljenja.

Potrebni alati:

• Redovan set alata za lemljenje
• Škare i slojevi
• Po izboru ventilator za lemljenje. Ako ga nemate, umjesto njega možete koristiti lemilicu i upaljač za cigarete.
• neke standardne 1-pinske žensko-ženske žice
• nekoliko dodatnih kontaktnih igala
• Demo ploča STM32 koja će se koristiti kao MCU uređaj za bljeskanje. Koristio sam NUCLEO-F303RE, ali može se koristiti i bilo koja od STM32 Nucleo64 ili Nucleo144 ploča.

Korak 2: Senzor za lemljenje na ploču za izbijanje

Prije svega, trebate lemiti senzor na ploču za razbijanje. Koristite lemilicu za lemljenje i lemilicu za lemljenje, ako ih imate. Ako ne, to možete učiniti s običnim lemilicom i lemljenjem. Kad završi, izrežite četiri igle i dva komada žice, svaki po 4 cm. Lemite ih na prekidač kao što je prikazano na drugoj slici - pinove + i - treba spojiti na žice, a 4 druga između njih - na red pinova. Igle moraju biti na donjoj strani prekida.

Korak 3: Lemljenje ostatka uređaja

Senzorska ploča i MCU bard trebaju biti složeni, a senzor mora biti postavljen preko MCU čipa

Dijagram povezivanja prikazan je na prvoj slici. A ovdje su navedene sve veze:

• Prekidač "+" spojen je na pin MCU ploče "Vcc"
• Prekidač "GND" je povezan sa pinom MCU ploče "GND"
• Preklopni pinovi "8", "9", "10", "11" povezani su sa pinovima MCU ploče istog broja.
• JST RCY Maleblack žica je spojena na drugi "GND" pin MCU ploče
• JST RCY Muška crvena žica spojena je na diodnu anodu
• Diodna katoda spojena je na pin "Vin" MCU ploče

Prije spajanja JST pigtail -a, ne zaboravite staviti komad tanke termičke rastezljive cijevi na crvenu žicu.

Zadnja stvar koju trebate učiniti - dioda mora biti izolirana termoskupljajućom cijevi. Samo je povucite preko diode, a zatim je zagrijte ventilatorom za lemljenje - preporučena temperatura je oko 160C (320F). Ako nemate ventilator, upotrijebite svijeću ili upaljač za cigarete, ali pri tome budite oprezni.

Korak 4: Baterija i punjač

Napravimo izvor napajanja za uređaj i punjač za njega. Ženski pigtail treba zalemiti na bateriju. Crvena žica na "+", crna na "-". Zaštitite vezu kapljicom toplinskog ljepila, flasterom ili izolacijskom trakom - po vašem izboru.

Muški pigtail mora biti lemljen na ploči punjača - crvena žica na "B+", crna na "B-". Učvrstite ploču komadom termoskupljajuće cijevi. Sada možete spojiti punjač na bateriju, a punjač na bilo koje USB napajanje ili priključak za računalo. Crvena LED dioda na ploči označava punjenje, jedna zelena - potpuno napunjena baterija. Ploča se može zagrijati tokom procesa punjenja, ali ne previše.

Korak 5: Flashiranje uređaja

Da biste fleširali uređaj, morate instalirati neki softver. Za Windows možete koristiti izvornu aplikaciju sa stranice st.com. Nažalost, morate se registrirati ovdje.

Pod Linuxom ili Mac -om (pa, pod Windows -om je takođe moguće), možete koristiti OpenOCD. Upute za instalaciju i upotrebu potražite na njihovoj web stranici.

Sada možete preuzeti firmver.

Da biste pripremili uređaj za bljeskanje, morate privremeno lemiti još dva pina na kontakte 21 i 22 MCU ploče.

Za povezivanje našeg uređaja s bljeskalicom:

• otvorite oba kratkospojnika na CN2 konektoru Nucleo (bijele) ploče. To omogućuje ploči bljeskanje vanjskih uređaja.
• spojite pin MCU 21 na pin 2 priključka Nucleo CN4
• spojite žicu crne baterije na pin 3 Nucleo CN4 konektora
• spojite pin MCU 22 na pin 4 Nucleo CN4 konektora
• spojite uređaj i Nucleo ploču s računarom pomoću USB kabela.

• fleširati firmver (Windows)

  • Pokrenite STM32 ST-LINK Utility
  • Odaberite Datoteka -> Otvori datoteku… -> otvorite preuzeti firmver
  • Odaberite Target -> Option Bytes…, odaberite Read Out Protection: Disabled. Kliknite Primijeni
  • Odaberite Target -> Program & Verify, kliknite Start

• fleš firmver (Linux i Mac)

  • Preuzmite i instalirajte OpenOCD.
  • pokrenite naredbu

openocd -f interface/stlink -v2-1.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "init; reset halt; stm32f1x unlock 0; program baro_v4.hex; shutdown"

To je to!

Korak 6: Kako koristiti uređaj

Ako je sve učinjeno kako treba, spremni smo za pokretanje uređaja. Visinomer ima tri načina rada:

Izbrišite podatke

Napajajte uređaj putem USB -a ili preko crvenog konektora za bateriju. Pritisnite dugme (najudaljenije od USB konektora) i držite ga 2-3 sekunde. Plava LED dioda trebala bi početi treptati vrlo brzo i nastaviti treptati na taj način sve dok se svi podaci ne izbrišu.

Zapisivanje podataka

Povežite uređaj sa baterijom pomoću crvenog konektora. Plava LED lampica će često treptati nekoliko sekundi, a zatim će se okrenuti jednom treptajuće u sekundi. Svaki put kada treperi, uzorak podataka se zapisuje u internu memoriju uređaja. Uređaj može snimiti do 9 sati mjerenja.

Čitanje podataka

Odspojite bateriju i povežite uređaj sa računarom pomoću USB kabla. Nakon nekoliko sekundi učestalog treptanja pretvara se u treptanje dvaput u sekundi. Ovo je način čitanja podataka. Uređaj je prepoznat kao fleš disk pod imenom BARO_ELMOT. Na pogon se ne može pisati, s njega možete samo čitati podatke. U upravitelju datoteka možete pronaći dvije datoteke na uređaju - prva se zove LEFT_123. MIN. Ovo je lažna datoteka, ne sadrži nikakve podatke, ali to "123" znači da ima još prostora za 123 minute evidentiranja podataka. Druga datoteka, BARO. TXT, sadrži stvarne prikupljene podatke, tj. Tekst odvojen tabulatorima - zaglavlje, a zatim linije podataka. Ovaj format se može lako uvesti u MS Excel ili u bilo koju drugu aplikaciju za proračunske tablice, uključujući Google tablice. Svaki redak sadrži serijski broj (S), broj uzorka (N) (= proteklo vrijeme u sekundama), temperaturu (T) u Celzijusa, Atmosferski pritisak (P) u mbarima, i gruba vrijednost nadmorske visine (A), u metrima nadmorske visine. Bilješka! Vrijednosti "A" su stvarno grube, nadmorsku visinu možete sami izračunati iz podataka o tlaku. Pogledajte dalje korake.

Korak 7: Testiranje uređaja

1. Priključite bateriju na uređaj. LED bi trebao početi treptati.
2. Pritisnite i držite korisničko dugme. Nakon 2-3 sekunde LED će se brzo pokrenuti. Otpustite dugme. Čuvajte na hladnom, nemojte odvajati bateriju. Podaci se brišu.
3. Nakon nekog vremena LED dioda počinje treperiti jednom u sekundi.
4. Držite uređaj uključen najmanje 30 sekundi.
5. Odvojite bateriju
6. Povežite uređaj sa računarom pomoću USB kabla.
7. Uređaj će se pojaviti kao mali flash disk od samo 3 MB. Tamo otvorite BARO. TXT datoteku s bilo kojim uređivačem teksta.
8. Provjerite sadrže li stupci T i P razumne podatke - obično oko 20-30 za T, oko 1000 za P. Ako ste u hladnjaku ili na vrhu Everesta, brojke će se, naravno, drastično razlikovati.

Korak 8: Zaštita od sunčeve svjetlosti i skupljajuća cijev

Nakon prethodnog koraka, sigurni smo da sve radi u redu, sada bismo trebali otpakovati bljeskajuće pinove jer nam više ne trebaju. Također je bolje precizno odrezati rep pinova koji povezuju senzor i MCU ploču, jer u protivnom mogu probiti vanjski plastični poklopac uređaja.

Senzor koji se koristi u projektu ne smije biti izložen direktnoj sunčevoj svjetlosti. Napravit ćemo zaštitni štit od aluminijske limenke za pivo. Definitivno, ako ste već toliko napredovali, zaslužili ste sadržaj te jadne limenke. Izrežite makazama komad aluminija veličine oko 12*12 mm (0,5 "*0,5"). Zatim savijte dvije njegove suprotne strane kliještima kako biste napravili mali "pladanj" 7*12*2,5 mm (0,28 "*0,5"*0,1 "). Nakon savijanja izrežite pruge od 1,5 mm sa tih savijenih strana, kako bi ladica postala nešto niže, visine oko 1 mm.

Stavite ladicu na vrh senzora. Napomena - ne smije dodirivati nikakve kontakte! Zatim stavite uređaj s ladicom u komad termoskupljajuće cijevi (nešto duže od ploče) i dobro ga zagrijte, ali pažljivo ventilatorom za lemljenje (ili upaljačem za cigarete). Provjerite ponovo da li aluminijski poklopac dodiruje kontakte senzora.

Korak 9: Nauka

Sada imamo uređaj spreman za rad. Mjeri temperaturu i tlak zraka. Također grubo procjenjuje nadmorsku visinu. Nažalost, pritisak ovisi o nadmorskoj visini vrlo netrivijalno, o tome možete pročitati na wikipediji. Kako preciznije izračunati visinu balona Jedan od načina je korištenje standardnog kalkulatora atmosfere iz 1976. godine. Vaš uređaj sadrži iste podatke o modelu, ali ne baš precizne zbog ograničenja memorije uređaja. Pomoću podataka barometra i kalkulatora možete izračunati visinu mnogo bolje nego što kocka sama radi. Uzimajući u obzir i vremenske uslove na vašem mjestu za lansiranje balona (očigledno, to se bilježi na istom visinomjeru na samom početku), kao i na visinu vašeg mjesta lansiranja, možete pronaći pomak temperature i korekciju pritiska zraka i. Zatim pomoću istog kalkulatora možete sve izračunati još bolje. Uz neke vještine proračunskih tablica, možete napraviti i grafikone podataka o pokretanju.

Drugoplasirani u svemirskom izazovu