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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Naš tim, RandomRace.ru, lansira balone s helijem. Mali i veliki, s kamerama i bez. Pokrećemo male kako bismo nasumično ispuštali kontrolne točke za natjecanja u avanturističkim utrkama, a velike za snimanje izvrsnih videa i fotografija s samog vrha atmosfere. To još nije prostor, ali na 30 km nadmorske visine tlak zraka 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 (budući da ponekad gubimo sonde) i jednostavan za izgradnju, jednostavan za korištenje. Također bi trebao mjeriti vrlo niske tlakove. Uređaj bi trebao bilježiti podatke najmanje 5 sati zaredom. Upotrijebimo litijevu bateriju sa bilo kojeg starog mobilnog telefona kao izvor napajanja. Na temelju zahtjeva odabrao sam Maple Mini ploču, temeljenu na n ARM mikrokontroleru (STM32F103RC) s 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. Također smo dobili i brojne senzore tlaka zraka MS5534 koji mogu mjeriti 0,01 … 1,1 bar. To je manje -više dovoljno za 30 km nadmorske visine.

Uređaj je prilično jednostavan za izradu, trebate samo neke vještine i alate za lemljenje (nema potrebe za lemljenjem doista malih dijelova) i osnovne vještine rada na računalu. 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 s iglama 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 Schottkyjeva dioda ili slično
• JST RCY pigtails, 1*ženski, 2*muški
• 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 ga napraviti sami, koristeći EagleCAD ili KiKad ili što god želite. Senzor također možete lemiti izravno žicama ako imate dovoljno vještina lemljenja.

Potrebni alati:

• Redovit set alata za lemljenje
• Škare i slojevi
• Po želji ventilator za lemljenje. Ako ga nemate, umjesto njega možete koristiti svoje lemilicu i upaljač za cigarete.
• neke standardne 1-pinske žice-žene
• par dodatnih kontaktnih igala
• Demo ploča STM32 koja će se koristiti kao MCU uređaj za bljeskanje. Koristio sam NUCLEO-F303RE, ali se može 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 pastu za lemljenje i lemilicu za lemljenje ventilatora, ako ih imate. Ako ne, to možete učiniti s običnim lemilicom i lemljenjem. Kad je gotovo, izrežite četiri igle i dva komada žice, svaki po 4 cm. Lemite ih na prekid kao što je prikazano na drugoj slici - pinovi + i - trebaju biti spojeni na žice, a 4 druga između njih - u red pinova. Igle moraju biti na donjoj strani prekida.

Korak 3: Lemljenje ostatka uređaja

Pločica senzora i MCU bard trebaju biti složeni, a senzor mora biti postavljen preko MCU čipa

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

• Prekidač "+" spojen je na pin MCU ploče "Vcc"
• Prekidač "GND" spojen je na pin MCU ploče "GND"
• Prekidači "8", "9", "10", "11" spojeni su na pinove MCU ploče istog broja.
• Žica JST RCY Maleblack spojena je na drugi "GND" pin MCU ploče
• JST RCY Muška crvena žica spojena je na diodnu anodu
• Diodna katoda spojena je na "Vin" pin MCU ploče

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

Posljednje što 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 spoj 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. Crveno LED svjetlo na ploči označava punjenje u tijeku, jedno zeleno potpuno napunjenu bateriju. Ploča bi se mogla zagrijati tijekom procesa punjenja, ali ne previše.

Korak 5: Bljeskanje 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 Macom (pa, pod Windowsima je također moguće), možete koristiti OpenOCD. Upute za instalaciju i uporabu 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 ploče MCU.

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 crnu baterijsku žicu na pin 3 priključka Nucleo CN4
• spojite pin MCU 22 na pin 4 priključka Nucleo CN4
• spojite uređaj i Nucleo ploču s računalom pomoću USB kabela.

• bljesak firmware -a (Windows)

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

• flash firmver (Linux i Mac)

  • Preuzmite i instalirajte OpenOCD.
  • pokrenite naredbu

openocd -f sučelje/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 priključka za bateriju. Pritisnite gumb (najudaljeniji od USB priključka) 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

Spojite uređaj na bateriju s crvenim priključkom. Plava LED lampica će često treptati nekoliko sekundi, a zatim će se okrenuti jednom u sekundi. Svaki put kad trepće, uzorak podataka se zapisuje u internu memoriju uređaja. Uređaj može snimiti do 9 sati mjerenja.

Čitanje podataka

Odspojite bateriju i spojite uređaj s računalom putem USB kabela. Nakon nekoliko sekundi učestalog treptanja pretvara se u treptanje dvaput u sekundi. Ovo je način čitanja podataka. Uređaj je prepoznat kao flash pogon 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 još ima mjesta za 123 minute bilježenja podataka. Druga datoteka, BARO. TXT, sadrži stvarne prikupljene podatke, tj. Tekst odvojen tabulatorima - zaglavlje, a zatim podatkovne retke. Ovaj se format 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 Celzij, Atmosferski tlak (P) u mbarima, i gruba vrijednost nadmorske visine (A), u metrima iznad razine mora. Bilješka! Vrijednosti "A" su stvarno grube, možete sami izračunati visinu prema podacima o tlaku. Pogledajte daljnje korake.

Korak 7: Testiranje uređaja

1. Spojite bateriju na uređaj. LED bi trebao početi treptati.
2. Pritisnite i držite korisničku tipku. Nakon 2-3 sekunde LED će se brzo pokrenuti. Otpustite gumb. Čuvajte na hladnom, nemojte odvajati bateriju. Podaci se brišu.
3. Nakon nekog vremena LED dioda počne treperiti jednom u sekundi.
4. Držite uređaj uključen najmanje 30 sekundi.
5. Odvojite bateriju
6. Povežite svoj uređaj s računalom putem USB kabela.
7. Uređaj će se pojaviti kao mali, samo 3 MB, flash pogon. Tamo otvorite datoteku BARO. TXT 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 točno izrezati repove igala 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 izravnoj sunčevoj svjetlosti. Napravit ćemo zaštitni štit od aluminijske limenke za pivo. Definitivno, ako ste već toliko napredovali, zaslužili ste sadržaj te jadne limenke. Izrežite škarama 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 s 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). Ponovno provjerite ne dodiruje li aluminijski poklopac kontakte senzora.

Korak 9: Znanost

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 uvjete na vašem mjestu za lansiranje balona (očito, to se bilježi na istom visinomjeru na samom početku), kao i na visinu vašeg mjesta lansiranja, možete pronaći pomak temperature i korekciju tlaka zraka i. Pomoću istog kalkulatora možete sve izračunati još bolje. S nekim vještinama proračunskih tablica možete napraviti i grafikone podataka o pokretanju.

Drugoplasirani u svemirskom izazovu