Elektroniczny wysokościomierz barometryczny do balonów stratosfery: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Nasz zespół RandomRace.ru wypuszcza balony z helem. Mały i duży, z aparatami i bez. Uruchamiamy małe, aby losowo zrzucać punkty kontrolne do zawodów wyścigów przygodowych, a duże, aby tworzyć świetne filmy i zdjęcia z samej atmosfery. To jeszcze nie ta przestrzeń, ale na 30 km wysokości ciśnienie powietrza wynosi około 1% normy. Nie wygląda już na atmosferę, co? W zespole odpowiadam za elektronikę i chcę podzielić się jednym z moich projektów realizowanych na tym dyżurze.

Jak możemy zmierzyć wysokość balonu? Z GPS (większość z nich nie działa powyżej 18km) lub z wysokościomierzem barometrycznym. Zróbmy jeden z płyty mikrokontrolera (MCU)! Chcemy, aby był lekki, tani (ponieważ czasami tracimy sondy) i łatwy w budowie, łatwy w obsłudze. Powinien również mierzyć bardzo niskie ciśnienia. Urządzenie powinno rejestrować dane co najmniej 5 godzin z rzędu. Użyjmy baterii litowej z dowolnego starego telefonu komórkowego jako źródła zasilania. Bazując na wymaganiach wybrałem płytkę Maple Mini, opartą na mikrokontrolerze n ARM (STM32F103RC) z interfejsem USB, 128 Kb pamięci wewnętrznej, która wystarcza zarówno na firmware MCU, jak i gromadzone dane. Niestety (lub na szczęście?) LeafLabs nie produkuje już tych płyt, ale ich klony można było znaleźć w chińskich sklepach internetowych za jedyne kilka dolarów. Otrzymaliśmy również szereg czujników ciśnienia powietrza MS5534, zdolnych do pomiaru 0,01…1,1 bara. To mniej więcej wystarcza na 30 km wysokości.

Urządzenie jest dość proste w wykonaniu, wystarczy trochę umiejętności lutowania i narzędzi (nie ma potrzeby lutowania naprawdę małych części) oraz podstaw obsługi komputera. Tutaj można znaleźć repozytorium github, które zawiera zarówno projekt PCB breakout w formacie Eagle, jak i oprogramowanie układowe.

Krok 1: Wymagane części

• Klon płyty Maple Mini MCU
• 4 * 1 rząd pinów 2,54 mm (0,1") (zwykle dostarczany z płytą MCU)
• Akumulator 1S LiPo. Baterie ze starych telefonów komórkowych lub kamer sportowych pasują idealnie.
• Płytka ładowarki 1S LiPo
• Czujnik barometryczny MS5534
• Tablica zaciskowa MS5534
• 1N5819 Dioda Schottky'ego lub podobna
• Warkocze JST RCY, 1 * kobieta, 2 * mężczyzna
• Pusta aluminiowa puszka po piwie
• rurka termokurczliwa D=2,5mm (0,1") w dowolnym kolorze
• rurka termokurczliwa D=20mm(0.8"), przezroczysta

Zamiast MS5534 możesz użyć MS5540, ale wymaga to innej płytki zaciskowej. Możesz zrobić to sam, używając EagleCAD lub KiKad lub cokolwiek wolisz. Możesz również przylutować czujnik bezpośrednio za pomocą przewodów, jeśli masz wystarczająco dużo umiejętności lutowania.

Wymagane narzędzia:

• Regularny zestaw narzędzi do lutowania
• Nożyczki i warstwy
• Opcjonalnie wentylator lutowniczy. Jeśli go nie masz, możesz zamiast niego użyć lutownicy i zapalniczki.
• niektóre standardowe 1-pinowe przewody żeńsko-żeńskie
• kilka dodatkowych pinów kontaktowych
• Płytka demonstracyjna STM32 do użycia jako urządzenie do flashowania MCU. Użyłem NUCLEO-F303RE, ale można również użyć dowolnej z płyt STM32 Nucleo64 lub Nucleo144.

Krok 2: Przylutowanie czujnika do płytki zaciskowej

Przede wszystkim musimy przylutować czujnik do płytki zaciskowej. Użyj pasty lutowniczej i lutownicy wentylatorowej, jeśli takie posiadasz. Jeśli nie, możesz to zrobić za pomocą zwykłej lutownicy i lutownicy. Po zakończeniu odetnij cztery szpilki w rzędzie i dwa kawałki drutu po około 4 cm każdy. Przylutuj je do zacisku jak na drugim rysunku - piny + i - należy podłączyć do przewodów, 4 pozostałe między nimi - do rzędu pinów. Kołki muszą znajdować się na dolnej stronie wybicia.

Krok 3: Lutowanie reszty urządzenia

Płytka czujnika i pasek MCU powinny być ułożone w stos, a czujnik musi być umieszczony nad chipem MCU

Schemat podłączenia pokazano na pierwszym rysunku. A oto wszystkie wymienione połączenia:

• Pin breakout „+” jest podłączony do pinu płyty MCU „Vcc”
• Pin breakout "GND" jest podłączony do pinu płyty MCU "GND"
• Piny breakout „8”, „9”, „10”, „11” są podłączone do pinów płyty MCU o tych samych numerach.
• Przewód JST RCY Maleblack jest podłączony do innego pinu „GND” na płycie MCU
• JST RCY męski czerwony przewód jest podłączony do anody diodowej;
• Katoda diodowa jest podłączona do pinu "Vin" płyty MCU

Przed podłączeniem pigtaila JST nie zapomnij założyć kawałka cienkiej rurki termorozciągliwej na czerwony przewód.

Ostatnia rzecz do zrobienia - dioda musi być zaizolowana rurką termokurczliwą. Wystarczy przeciągnąć ją przez diodę, a następnie ogrzać wentylatorem lutownicy - zalecana temperatura to około 160C(320F). Jeśli nie masz wentylatora, po prostu użyj świecy lub zapalniczki, ale uważaj na to.

Krok 4: Bateria i ładowarka

Zróbmy źródło zasilania dla urządzenia i ładowarkę do niego. Pigtail żeński należy przylutować do akumulatora. Czerwony przewód do „+”, czarny do „-”. Zabezpiecz połączenie kroplą kleju termicznego, kawałkiem taśmy izolacyjnej lub taśmą izolacyjną - do wyboru.

Pigtail męski należy przylutować do płytki ładowarki – przewód czerwony do „B+”, czarny do „B-”. Zabezpiecz płytkę kawałkiem termokurczliwej rurki. Teraz możesz podłączyć ładowarkę do akumulatora, a ładowarkę do dowolnego zasilacza USB lub portu komputera. Czerwona dioda na tablicy sygnalizuje trwające ładowanie, zielona - akumulator w pełni naładowany. Płyta może się nagrzewać podczas ładowania, ale nie za bardzo.

Krok 5: Flashowanie urządzenia

Aby sflashować urządzenie, musisz zainstalować oprogramowanie. W systemie Windows można użyć natywnej aplikacji ze strony st.com. Niestety tutaj musisz się zarejestrować.

Pod Linuksem lub Macem (cóż, pod Windowsem też jest to możliwe) możesz użyć OpenOCD. Proszę znaleźć instrukcje instalacji i użytkowania na ich stronie.

Teraz możesz pobrać oprogramowanie.

Aby przygotować urządzenie do flashowania, należy tymczasowo przylutować jeszcze dwa piny do styków 21 i 22 płytki MCU.

Aby podłączyć nasze urządzenie do flashera:

• otwórz obie zworki na złączu CN2 płytki Nucleo(białej). Dzięki temu płyta może flashować urządzenia zewnętrzne.
• podłącz pin 21 MCU do pinu 2 złącza Nucleo CN4
• podłącz czarny przewód akumulatora do styku 3 złącza Nucleo CN4
• podłącz pin 22 MCU do pinu 4 złącza Nucleo CN4
• podłącz zarówno urządzenie, jak i płytkę Nucleo do komputera za pomocą kabli USB.

• flashowanie oprogramowania układowego (Windows)

  • Uruchom narzędzie STM32 ST-LINK
  • Wybierz Plik -> Otwórz plik… -> otwórz pobrane oprogramowanie
  • Wybierz Cel -> Bajty opcji…, wybierz Ochrona odczytu: Wyłączone. Kliknij Zastosuj
  • Wybierz Cel -> Programuj i weryfikuj, kliknij Start

• flashowanie oprogramowania (Linux i Mac)

  • Pobierz i zainstaluj OpenOCD.
  • uruchom polecenie

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

Otóż to!

Krok 6: Jak korzystać z urządzenia

Jeśli wszystko jest zrobione poprawnie, jesteśmy gotowi do uruchomienia urządzenia. Wysokościomierz ma trzy tryby:

Kasowanie danych

Zasilaj urządzenie przez USB lub przez czerwone złącze baterii. Naciśnij przycisk (najdalej od złącza USB) i przytrzymaj go przez 2-3 sekundy. Niebieska dioda LED powinna zacząć migać bardzo szybko i migać w ten sposób, aż wszystkie dane zostaną usunięte.

Rejestrowanie danych

Podłącz urządzenie do baterii za pomocą czerwonego złącza. Niebieska dioda LED będzie często migać przez kilka sekund, a następnie zacznie migać raz na sekundę. Za każdym razem, gdy miga, próbka danych jest zapisywana w wewnętrznej pamięci urządzenia. Urządzenie może zarejestrować do 9 godzin pomiarów.

Czytanie danych

Odłącz baterię i podłącz urządzenie do komputera kablem USB. Po kilku sekundach częstego mrugania zmienia się w miganie dwa razy na sekundę. To jest tryb odczytu danych. Urządzenie jest rozpoznawane jako pendrive o nazwie BARO_ELMOT. Dysk nie jest zapisywalny, można z niego tylko odczytywać dane. W menedżerze plików możesz znaleźć dwa pliki na urządzeniu - pierwszy o nazwie LEFT_123. MIN. Jest to fałszywy plik, nie zawiera żadnych danych, ale „123” oznacza, że wciąż jest miejsce na 123 minuty rejestrowania danych. Kolejny plik, BARO. TXT, zawiera faktycznie zebrane dane, czyli tekst oddzielony tabulatorami - nagłówek, a następnie wiersze danych. Ten format można łatwo zaimportować do MS Excel lub dowolnej innej aplikacji do obsługi arkuszy kalkulacyjnych, w tym Arkuszy Google. Każdy wiersz zawiera numer serii (S), numer próbki (N) (=upływający czas w sekundach), temperaturę (T) w Celsjusza, ciśnienie atmosferyczne (P) w mbarach i przybliżona wartość wysokości (A) w metrach nad poziomem morza. Notatka! Wartości „A” są bardzo przybliżone, możesz samodzielnie obliczyć wysokość na podstawie danych o ciśnieniu. Zobacz dalsze kroki.

Krok 7: Testowanie urządzenia

1. Podłącz baterię do urządzenia. Dioda powinna zacząć migać.
2. Naciśnij i przytrzymaj przycisk użytkownika. Po 2-3 sekundach dioda zapali się szybko. Zwolnij przycisk. Zachowaj spokój, nie odłączaj akumulatora. Dane są usuwane.
3. Po chwili dioda zacznie migać raz na sekundę.
4. Pozostaw urządzenie włączone przez co najmniej 30 sekund.
5. Odłącz baterię
6. Podłącz urządzenie do komputera za pomocą kabla USB.
7. Urządzenie pojawi się jako mały, tylko 3Mb dysk flash. Otwórz tam plik BARO. TXT dowolnym edytorem tekstu.
8. Sprawdź, czy kolumny T i P zawierają rozsądne dane - zwykle około 20-30 dla T, około 1000 dla P. Jeśli jesteś w lodówce lub na szczycie Everestu, liczby będą się oczywiście drastycznie różnić.

Krok 8: Osłona przeciwsłoneczna i rurka termokurczliwa

Po poprzednim kroku mamy pewność, że wszystko działa dobrze, teraz powinniśmy odlutować migające piny, bo już ich nie potrzebujemy. Lepiej też dokładnie wyciąć ogonki pinów łączących czujnik z płytką MCU, w przeciwnym razie mogą przebić zewnętrzną plastikową osłonę urządzenia.

Czujnik użyty w projekcie nie powinien być narażony na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Z aluminiowej puszki po piwie wykonamy osłonę ochronną. Zdecydowanie, jeśli już zaszedłeś tak daleko, zasłużyłeś na zawartość tej biednej puszki. Wytnij nożyczkami kawałek aluminium o wymiarach około 12*12mm (0.5"*0.5"). Następnie wygnij dwa przeciwległe boki szczypcami, aby zrobić małą „tacę” 7*12*2,5mm (0,28"*0,5"*0,1"). nieco niższy, o wysokości około 1 mm.

Umieść tackę na górze czujnika. Uwaga - nie powinien dotykać żadnych kontaktów! Następnie włóż urządzenie z tacką do kawałka rurki termokurczliwej (nieco dłuższej niż płytka) i dobrze podgrzej, ale ostrożnie wentylatorem lutownicy (lub zapalniczką). Sprawdź ponownie, czy aluminiowa osłona nie dotyka styków czujnika.

Krok 9: Nauka

Teraz mamy urządzenie gotowe do uruchomienia. Mierzy temperaturę i ciśnienie powietrza. A także z grubsza szacuje wysokość. Niestety ciśnienie zależy od wysokości w bardzo nietrywialny sposób, o czym można przeczytać w wikipedii. Jak dokładniej obliczyć wysokość balonu? Jednym ze sposobów jest użycie standardowego kalkulatora atmosfery z 1976 roku. Twoje urządzenie zawiera te same dane modelu, ale niezbyt dokładne ze względu na ograniczenia pamięci urządzenia. Korzystając z danych barometru i kalkulatora, możesz obliczyć wysokość znacznie lepiej niż samo urządzenie. Biorąc również pod uwagę warunki pogodowe w miejscu startu balonu (oczywiście na samym początku jest to zapisane na tym samym wysokościomierzu) i wysokość miejsca startu, można znaleźć zmianę temperatury i poprawkę ciśnienia powietrza. Korzystając z tego samego kalkulatora, możesz wszystko jeszcze lepiej obliczyć. Mając pewne umiejętności związane z arkuszami kalkulacyjnymi, możesz również tworzyć wykresy danych o premierze.

Drugie miejsce w wyzwaniu kosmicznym