Altimetru barometric electronic pentru baloane de stratosferă: 9 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Echipa noastră, RandomRace.ru, lansează baloane cu heliu. Mici și mari, cu camere și fără. Lansăm mici pentru a renunța la punctele de control aleatorii pentru competițiile de curse de aventură, iar cele mari pentru a face videoclipuri și fotografii grozave chiar din partea de sus a atmosferei. Nu este încă spațiul, dar la 30 km altitudine presiunea aerului este de aproximativ 1% din normal. Nu mai arată ca atmosfera, nu? Responsabilitatea mea în echipă este electronică și vreau să împărtășesc unul dintre proiectele mele implementate cu această datorie.

Cum putem măsura altitudinea balonului? Cu GPS (majoritatea nu funcționează peste 18 km) sau cu altimetru barometric. Să facem una dintr-o placă de microcontroler (MCU)! Vrem să fie ușor, ieftin (deoarece uneori ne pierdem sondele) și ușor de construit, ușor de utilizat. De asemenea, ar trebui să măsoare presiuni foarte mici. Dispozitivul ar trebui să înregistreze datele cel puțin 5 ore la rând. Să folosim niște baterii litiu de pe orice telefon mobil vechi ca sursă de alimentare. Bazându-mă pe cerințe, am ales placa Maple Mini, bazată pe microcontroler ARM (STM32F103RC) cu o interfață USB, 128 Kb de memorie internă, care este suficientă atât pentru firmware-ul MCU, cât și pentru datele colectate. Din păcate (sau din fericire?), LeafLabs nu mai produce aceste plăci, dar clonele lor ar putea fi găsite în magazinele online chinezești doar pentru câțiva dolari. De asemenea, am fost donați cu un număr de senzori de presiune a aerului MS5534, capabili să măsoare 0,01 … 1,1 bari. Asta este mai mult sau mai puțin suficient pentru 30 km altitudine.

Dispozitivul este destul de ușor de realizat, aveți nevoie doar de niște abilități și instrumente de lipit (nu este nevoie să lipiți piese cu adevărat mici) și cunoștințe de bază de calculator. Aici puteți găsi un depozit github care conține atât designul PCB în format Eagle, cât și firmware-ul.

Pasul 1: Piese necesare

• Clona plăcii Maple Mini MCU
• 4 * 1 rând de pini de 2,54 mm (0,1 ") (livrat de obicei cu placa MCU)
• 1S baterie LiPo. Bateriile de pe telefoanele vechi sau camele de acțiune se potrivesc perfect.
• Placă de încărcare 1S LiPo
• Senzor barometric MS5534
• MS5534 board breakout
• 1N5819 Diodă Schottky sau similar
• JST RCY pigtails, 1 * Femelă, 2 * Mascul
• Cutie de bere din aluminiu goală
• tub termocontractibil D = 2, 5mm (0.1 ") de orice culoare
• tub termocontractibil D = 20mm (0,8 "), transparent

În loc de MS5534 puteți utiliza MS5540, dar necesită o altă placă. O puteți face pe cont propriu, utilizând EagleCAD sau KiKad sau orice preferați. De asemenea, puteți lipi senzorul direct cu fire dacă aveți suficiente abilități de lipire.

Instrumente necesare:

• Set regulat de instrumente pentru lipit
• Foarfece și straturi
• Opțional, un ventilator de lipit. Dacă nu aveți unul, puteți folosi în schimb fierul de lipit și bricheta.
• unele fire standard cu 1 pin femelă-femeie
• câteva perne de contact suplimentare
• O placă demo STM32 pentru a fi utilizată ca dispozitiv intermitent MCU. Am folosit NUCLEO-F303RE, dar poate fi utilizată oricare dintre plăcile STM32 Nucleo64 sau Nucleo144.

Pasul 2: senzor de lipit pe placa de spargere

În primul rând, trebuie să lipiți senzorul pe placa de rupere. Folosiți pastă de lipit și ventilator de lipit, dacă aveți. Dacă nu, puteți face acest lucru cu lipitorul și lipitul obișnuit. Când ați terminat, tăiați patru șiruri de știfturi și două bucăți de sârmă, de aproximativ 4 cm fiecare. Lipiți-le la rupere așa cum se arată în a doua imagine - pinii + și - ar trebui să fie conectați la fire, alte 4 între ele - la rândul de pini. Știfturile trebuie să fie în partea de jos a breakout-ului.

Pasul 3: lipirea restului dispozitivului

Placa senzorului și bardul MCU ar trebui să fie stivuite, iar senzorul să fie plasat peste cipul MCU

Diagrama de conexiune este prezentată în prima imagine. Iată toate conexiunile enumerate:

• Pinul de separare "+" este conectat la pinul VU "MCU"
• Pinul de separare „GND” este conectat la pinul „GND” al plăcii MCU
• Pinii de separare "8", "9", "10", "11" sunt conectați la pinii plăcii MCU cu aceleași numere.
• Sârmă Maleblack JST RCY este conectată la un alt pin „GND” al plăcii MCU
• JST RCY Sârmă roșie tată este conectată la un anod diodă
• Catodul diodic este conectat la pinul "Vin" al plăcii MCU

Înainte de a conecta coada JST, nu uitați să puneți o bucată de tub subțire întins termic pe firul roșu.

Ultimul lucru de făcut - dioda trebuie izolată cu tub termocontractabil. Trageți-l peste diodă, apoi încălziți-l cu ventilatorul de lipit - temperatura recomandată este de aproximativ 160C (320F). Dacă nu aveți ventilator, folosiți doar o lumânare sau o brichetă, dar aveți grijă cu asta.

Pasul 4: Baterie și încărcător

Să facem o sursă de alimentare pentru dispozitiv și un încărcător pentru acesta. Coada femelă trebuie lipită la baterie. Fir roșu la „+”, negru la „-”. Protejați conexiunea cu o picătură de adeziv termic, un plasture de bandă adezivă sau o bandă izolatoare - la alegere.

Coada masculină trebuie lipită pe placa încărcătorului - fir roșu la „B +”, negru la „B-”. Asigurați placa cu o bucată de tub termocontractibil. Acum puteți conecta încărcătorul la baterie, iar încărcătorul la orice sursă de alimentare USB sau port computer. Ledul roșu de pe placă indică încărcarea în curs, verde - bateria complet încărcată. Placa se poate încălzi în timpul procesului de încărcare, dar nu prea mult.

Pasul 5: intermitentul dispozitivului

Pentru a bloca dispozitivul, trebuie să instalați un software. Pentru Windows, puteți utiliza aplicația nativă de pe site-ul st.com. Din păcate, trebuie să vă înregistrați aici.

Sub Linux sau Mac (bine, și sub Windows este posibil), puteți utiliza OpenOCD. Vă rugăm să găsiți instrucțiunile de instalare și utilizare pe site-ul lor.

Acum puteți descărca firmware-ul.

Pentru a pregăti dispozitivul pentru intermitent, trebuie să lipiți temporar încă doi pini la contactele 21 și 22 ale plăcii MCU.

Pentru a conecta dispozitivul nostru la intermitent:

• deschideți ambele jumperi pe conectorul CN2 al plăcii Nucleo (alb). Aceasta permite plăcii să clipească dispozitive externe.
• conectați pinul MCU 21 la pinul 2 al conectorului Nucleo CN4
• conectați firul negru al bateriei la pinul 3 al conectorului Nucleo CN4
• conectați pinul 22 MCU la pinul 4 al conectorului Nucleo CN4
• conectați dispozitivul și placa Nucleo la computer cu cabluri USB.

• flash-ul fiirmware-ului (Windows)

  • Rulați utilitarul STM32 ST-LINK
  • Selectați Fișier -> Deschidere fișier … -> deschideți firmware-ul descărcat
  • Selectați Țintă -> Opțiuni octeți …, selectați Protecție citire: Dezactivat. Faceți clic pe Aplicați
  • Selectați Target -> Program & Verify, faceți clic pe Start

• flash firmware-ul (Linux și Mac)

  • Descărcați și instalați OpenOCD.
  • rulați comanda

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

Asta e!

Pasul 6: Cum se utilizează dispozitivul

Dacă totul este făcut corect, atunci suntem gata să rulăm dispozitivul. Altimetrul are trei moduri:

Ștergeți datele

Alimentați dispozitivul prin USB sau printr-un conector roșu al bateriei. Apăsați butonul (cel mai departe de conectorul USB) și țineți-l apăsat timp de 2-3 secunde. LED-ul albastru ar trebui să înceapă să clipească foarte repede și să continue să clipească astfel până când toate datele sunt șterse.

Date de înregistrare

Conectați dispozitivul la baterie cu conectorul roșu. LED-ul albastru va clipi frecvent timp de câteva secunde și apoi se va aprinde intermitent o dată pe secundă. De fiecare dată când clipește, un eșantion de date este scris în memoria internă a dispozitivului. Dispozitivul poate înregistra până la 9 ore de măsurători.

Citirea datelor

Deconectați bateria și conectați dispozitivul la computer cu ajutorul unui cablu USB. După câteva secunde de clipire frecventă, se transformă în clipire de două ori pe secundă. Acesta este modul de citire a datelor. Dispozitivul este recunoscut ca o unitate flash numită BARO_ELMOT. Unitatea nu poate fi scrisă, puteți citi doar date de pe ea. Într-un manager de fișiere puteți găsi două fișiere pe dispozitiv - primul este numit LEFT_123. MIN. Acesta este un fișier fals, nu conține date, dar „123” înseamnă că există încă loc pentru 123 de minute de înregistrare a datelor. Un alt fișier, BARO. TXT, conține date colectate, adică text separat de tab - un antet și apoi linii de date. Acest format poate fi ușor importat în MS Excel sau în orice altă aplicație de foaie de calcul, inclusiv Foi de calcul Google. Fiecare linie conține un număr de serie (S), un număr de eșantion (N) (= timpul scurs în secunde), Temperatura (T) în Celsius, presiunea atmosferică (P) în mbar și valoarea altitudinii aspre (A), în metri deasupra nivelului mării. Notă! Valorile „A” sunt cu adevărat aspre, puteți calcula altitudinea din datele de presiune pe cont propriu. Vedeți pașii suplimentari.

Pasul 7: Testarea dispozitivului

1. Conectați bateria la dispozitiv. LED-ul ar trebui să înceapă să clipească.
2. Țineți apăsat butonul utilizator. După 2-3 secunde LED-ul va porni rapid. Eliberați butonul. Păstrați-vă la rece, nu deconectați bateria. Datele sunt șterse.
3. După un timp, LED-ul începe să clipească o dată pe secundă.
4. Păstrați dispozitivul pornit cel puțin 30 de secunde.
5. Deconectați bateria
6. Conectați dispozitivul la un computer cu cablu USB.
7. Dispozitivul va apărea ca o unitate flash mică, de numai 3 MB. Deschideți fișierul BARO. TXT acolo cu orice editor de text.
8. Verificați dacă coloanele T și P conțin date rezonabile - de obicei aproximativ 20-30 pentru T, aproximativ 1000 pentru P. Dacă vă aflați într-un frigider sau pe vârful Everestului, numerele vor fi drastic diferite, desigur.

Pasul 8: Protecția împotriva luminii solare și tubul retractabil

După pasul anterior suntem siguri că totul funcționează bine, acum ar trebui să nevindem știfturi intermitente, pentru că nu mai avem nevoie de ele. De asemenea, este mai bine să tăiați cu precizie cozile de pini care conectează senzorul și placa MCU, altfel pot străpunge capacul exterior din plastic al dispozitivului.

Senzorul utilizat în proiect nu trebuie expus la lumina directă a soarelui. Vom face un scut de protecție împotriva unei cutii de bere din aluminiu. Cu siguranță, dacă ați avansat deja până acum, ați meritat conținutul acelei cutii sărace. Tăiați cu foarfecele o bucată de aluminiu de o dimensiune de aproximativ 12 * 12 mm (0,5 "* 0,5"). Apoi îndoiți două părți opuse ale acestuia cu clești pentru a face o mică "tavă" de 7 * 12 * 2,5 mm (0,28 "* 0,5" * 0,1 "). După îndoire, tăiați dungi de 1,5 mm din acele părți îndoite, pentru a face tava puțin mai jos, aproximativ 1 mm înălțime.

Puneți tava deasupra senzorului. Notă - nu trebuie să atingă niciun contact! Apoi puneți dispozitivul cu tava într-o bucată de tub termocontractibil (puțin mai lung decât placa) și încălziți-l bine, dar cu atenție cu ventilatorul de lipit (sau bricheta). Verificați din nou dacă capacul din aluminiu nu atinge contactele senzorului.

Pasul 9: Știință

Acum avem dispozitivul gata să ruleze. Măsoară temperatura și presiunea aerului. Și, de asemenea, estimează aproximativ altitudinea. Din păcate, presiunea depinde de altitudine într-un mod foarte banal, puteți citi despre asta în Wikipedia. Cum calculăm altitudinea balonului într-un mod mai precis? Unul dintre moduri este de a folosi calculatorul de atmosferă standard din 1976. Dispozitivul dvs. conține aceleași date de model, dar nu foarte precise din cauza limitărilor memoriei dispozitivului. Folosind datele barometrului și calculatorul, puteți calcula altitudinea mult mai bine decât o face deice pe cont propriu. De asemenea, ținând cont de condițiile meteorologice de la locul de lansare a balonului (evident, acesta este înregistrat la același altimetru chiar de la început) și de altitudinea locului de lansare puteți găsi schimbarea temperaturii și corectarea presiunii aerului și. Apoi, folosind același calculator, puteți calcula totul și mai bine. Cu unele abilități de calcul tabelar, puteți crea și diagrame de date ale unei lansări.

Runner Up în Space Challenge