Ηλεκτρονικό βαρομετρικό υψόμετρο για μπαλόνια στρατόσφαιρας: 9 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Η ομάδα μας, RandomRace.ru, λανσάρει μπαλόνια ηλίου. Μικρά και μεγάλα, με κάμερες και χωρίς. Ξεκινάμε μικρά για να ρίχνουμε τυχαία σημεία ελέγχου για διαγωνισμούς αγώνων περιπέτειας και μεγάλα για να βγάζουμε υπέροχα βίντεο και φωτογραφίες από την κορυφή της ατμόσφαιρας. Δεν είναι ακόμα ο χώρος, αλλά στα 30 χλμ υψόμετρο η πίεση του αέρα είναι περίπου 1% της κανονικής. Δεν μοιάζει πια με την ατμόσφαιρα, ε; Η ευθύνη μου στην ομάδα είναι τα ηλεκτρονικά και θέλω να μοιραστώ ένα από τα έργα μου που υλοποιήθηκαν σε αυτό το καθήκον.

Πώς μπορούμε να μετρήσουμε το ύψος του μπαλονιού; Με GPS (τα περισσότερα δεν λειτουργούν πάνω από 18χλμ) ή με βαρομετρικό υψόμετρο. Ας φτιάξουμε ένα από μια πλακέτα μικροελεγκτή (MCU)! Θέλουμε να είναι ελαφρύ, φθηνό (αφού μερικές φορές χάνουμε τους ανιχνευτές μας) και εύκολο στην κατασκευή, εύκολο στη χρήση. Θα πρέπει επίσης να μετρά πολύ χαμηλές πιέσεις. Η συσκευή πρέπει να καταγράφει δεδομένα τουλάχιστον 5 ώρες στη σειρά. Ας χρησιμοποιήσουμε κάποια μπαταρία λιθίου από οποιοδήποτε παλιό κινητό τηλέφωνο ως πηγή ενέργειας. Με βάση τις απαιτήσεις, επέλεξα την πλακέτα Maple Mini, βασισμένο σε μικροελεγκτή ARM (STM32F103RC) με διεπαφή USB, εσωτερική μνήμη 128 Kb, η οποία είναι αρκετή τόσο για υλικολογισμικό MCU όσο και για συλλεγμένα δεδομένα. Δυστυχώς (ή ευτυχώς;), η LeafLabs δεν παράγει πλέον αυτούς τους πίνακες, αλλά οι κλώνοι τους θα μπορούσαν να βρεθούν στα κινεζικά διαδικτυακά καταστήματα μόνο για μερικά δολάρια. Επίσης, μας δόθηκε ένας αριθμός αισθητήρων πίεσης αέρα MS5534, ικανός να μετρήσει 0,01… 1,1 bar. Αυτό είναι λίγο πολύ αρκετό για υψόμετρο 30 χιλιομέτρων.

Η κατασκευή της συσκευής είναι αρκετά εύκολη, χρειάζεστε μόνο μερικές δεξιότητες και εργαλεία συγκόλλησης (δεν χρειάζεται να κολλήσετε πραγματικά μικρά μέρη) και βασικές δεξιότητες υπολογιστών. Εδώ μπορείτε να βρείτε ένα αποθετήριο github που περιέχει τόσο το σχεδιασμό PCB σε μορφή Eagle όσο και το υλικολογισμικό.

Βήμα 1: Απαιτούμενα μέρη

• Κλώνος της πλακέτας Maple Mini MCU
• Σειρά ακίδων 4*1 2,54mm (0,1 ") (συνήθως αποστέλλεται με την πλακέτα MCU)
• Μπαταρία 1S LiPo. Μπαταρίες από παλιά κινητά ή κάμερες δράσης ταιριάζουν απόλυτα.
• Πλακέτα φόρτισης 1S LiPo
• Βαρομετρικός αισθητήρας MS5534
• MS5534 ξεμπλοκαρισμένος πίνακας
• 1Ν5819 δίοδος Schottky ή παρόμοια
• Pigtails JST RCY, 1*Γυναίκα, 2*Αρσενικό
• Άδειο δοχείο μπύρας αλουμινίου
• θερμικός σωλήνας συρρίκνωσης D = 2, 5mm (0,1 ") οποιουδήποτε χρώματος
• θερμικός σωλήνας συρρίκνωσης D = 20mm (0,8 "), διαφανής

Αντί για MS5534, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το MS5540, αλλά απαιτεί μια άλλη πλακέτα ξεμπλοκαρίσματος. Μπορείτε να το φτιάξετε μόνοι σας, χρησιμοποιώντας EagleCAD ή KiKad ή ό, τι προτιμάτε. Μπορείτε επίσης να κολλήσετε τον αισθητήρα απευθείας με καλώδια εάν έχετε αρκετές ικανότητες συγκόλλησης.

Απαιτούμενα εργαλεία:

• Τακτικό σύνολο εργαλείων για συγκόλληση
• Scαλίδι και πίτες
• Προαιρετικά ένας ανεμιστήρας συγκόλλησης. Εάν δεν έχετε ένα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το κολλητήρι σας και έναν αναπτήρα τσιγάρων αντ 'αυτού.
• μερικά τυπικά καλώδια θηλυκού θηλυκού 1 ακίδων
• μερικές επιπλέον καρφίτσες επαφής
• Ένας πίνακας επίδειξης STM32 που θα χρησιμοποιηθεί ως συσκευή αναλαμπής MCU. Χρησιμοποίησα το NUCLEO-F303RE, αλλά οποιαδήποτε από τις σανίδες STM32 Nucleo64 ή Nucleo144 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί.

Βήμα 2: Αισθητήρας συγκόλλησης Onto Breakout Board

Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να συγκολλήσουμε τον αισθητήρα στον πίνακα διαρροής. Χρησιμοποιήστε κόλλα συγκόλλησης και κολλητήρι, αν έχετε. Εάν όχι, μπορείτε να το κάνετε με κανονικό συγκολλητικό σίδερο και συγκόλληση. Όταν τελειώσει κόψτε τέσσερις σειρές καρφίτσες και δύο κομμάτια σύρμα, περίπου 4 εκατοστά το καθένα. Συγκολλήστε τα στο ξεμπλοκάρισμα όπως φαίνεται στη δεύτερη εικόνα - οι καρφίτσες + και - πρέπει να συνδεθούν με καλώδια, 4 άλλα μεταξύ τους - στη σειρά καρφιτσών. Οι καρφίτσες πρέπει να βρίσκονται στην κάτω πλευρά του ξεμπλοκαρίσματος.

Βήμα 3: Συγκόλληση της υπόλοιπης συσκευής

Ο πίνακας αισθητήρων και η μπάρδα MCU πρέπει να στοιβάζονται και ο αισθητήρας πρέπει να τοποθετηθεί πάνω από το τσιπ MCU

Το διάγραμμα σύνδεσης εμφανίζεται στην 1η εικόνα. Και εδώ είναι όλες οι συνδέσεις που αναφέρονται:

• Ο πείρος "+" είναι συνδεδεμένος με τον πείρο της πλακέτας MCU "Vcc"
• Ο πείρος "GND" είναι συνδεδεμένος με τον πείρο της πλακέτας MCU "GND"
• Οι ακίδες ξεμπλοκαρίσματος "8", "9", "10", "11" συνδέονται με καρφίτσες πλακέτας MCU με τους ίδιους αριθμούς.
• Το καλώδιο JST RCY Maleblack συνδέεται με έναν άλλο πείρο "GND" της πλακέτας MCU
• JST RCY Το αρσενικό κόκκινο καλώδιο είναι συνδεδεμένο σε μια άνοδο διόδου
• Η κάθοδος διόδου συνδέεται με τον πείρο MCU "Vin"

Πριν συνδέσετε την πλεξίδα JST, μην ξεχάσετε να βάλετε ένα κομμάτι λεπτού θερμικού σωλήνα τεντώματος στο κόκκινο σύρμα.

Τελευταίο πράγμα που πρέπει να κάνετε - η δίοδος πρέπει να είναι μονωμένη με σωλήνα θερμικής συρρίκνωσης. Απλώς τραβήξτε το πάνω από τη δίοδο και, στη συνέχεια, ζεστάνετέ το με τον ανεμιστήρα συγκόλλησης - η συνιστώμενη θερμοκρασία είναι περίπου 160C (320F). Εάν δεν έχετε ανεμιστήρα, χρησιμοποιήστε ένα κερί ή έναν αναπτήρα, αλλά να είστε προσεκτικοί με αυτό.

Βήμα 4: Μπαταρία και φορτιστής

Ας κάνουμε μια πηγή ενέργειας για τη συσκευή και έναν φορτιστή για αυτήν. Η θηλυκή πλεξίδα πρέπει να κολληθεί στην μπαταρία. Κόκκινο σύρμα σε "+", μαύρο σε "-". Προστατέψτε τη σύνδεση με μια σταγόνα θερμικής κόλλας, ένα κομμάτι κολλητικής ταινίας ή μια μονωτική ταινία - κατά την επιλογή σας.

Το αρσενικό κοτσιδάκι πρέπει να κολληθεί στη σανίδα φόρτισης - κόκκινο σύρμα στο "B+", το μαύρο στο "B-". Ασφαλίστε τον πίνακα με ένα κομμάτι θερμικού σωλήνα συρρίκνωσης. Τώρα μπορείτε να συνδέσετε το φορτιστή στην μπαταρία και τον φορτιστή σε οποιαδήποτε τροφοδοσία USB ή θύρα υπολογιστή. Το κόκκινο led στον πίνακα δείχνει τη φόρτιση σε εξέλιξη, πράσινη μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία. Ο πίνακας μπορεί να ζεσταθεί κατά τη διαδικασία φόρτισης, αλλά όχι πολύ.

Βήμα 5: Αναβοσβήνει η συσκευή

Για να αναβοσβήνει η συσκευή, πρέπει να εγκαταστήσετε κάποιο λογισμικό. Για Windows, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εγγενή εφαρμογή από τον ιστότοπο st.com. Δυστυχώς, πρέπει να εγγραφείτε εδώ.

Στο Linux ή Mac (καλά, στα Windows είναι επίσης δυνατό), μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το OpenOCD. Βρείτε οδηγίες εγκατάστασης και χρήσης στον ιστότοπό τους.

Τώρα μπορείτε να κατεβάσετε το υλικολογισμικό.

Για να προετοιμάσετε τη συσκευή για να αναβοσβήνει, πρέπει να κολλήσετε προσωρινά δύο ακόμη καρφίτσες στις επαφές 21 και 22 της πλακέτας MCU.

Για να συνδέσετε τη συσκευή μας στο φλας:

• ανοίξτε και τους δύο βραχυκυκλωτήρες στον σύνδεσμο CN2 του πίνακα Nucleo (λευκό). Αυτό επιτρέπει στον πίνακα να αναβοσβήνει εξωτερικές συσκευές.
• συνδέστε τον πείρο MCU 21 στον πείρο 2 του συνδετήρα Nucleo CN4
• συνδέστε το μαύρο καλώδιο μπαταρίας στον πείρο 3 του συνδετήρα Nucleo CN4
• συνδέστε τον πείρο MCU 22 στον πείρο 4 του συνδετήρα Nucleo CN4
• συνδέστε τη συσκευή και την πλακέτα Nucleo στον υπολογιστή με καλώδια USB.

• αναβοσβήνει το υλικολογισμικό (Windows)

  • Εκτελέστε το βοηθητικό πρόγραμμα STM32 ST-LINK
  • Επιλέξτε Αρχείο -> Άνοιγμα αρχείου… -> άνοιγμα υλικολογισμικού που έχει ληφθεί
  • Επιλέξτε Target -> Option Bytes…, επιλέξτε Read Out Protection: Disabled. Κάντε κλικ στην επιλογή Εφαρμογή
  • Επιλέξτε Στόχος -> Πρόγραμμα & Επαλήθευση, κάντε κλικ στο κουμπί Έναρξη

• αναβοσβήνει το υλικολογισμικό (Linux & Mac)

  • Κατεβάστε και εγκαταστήστε το OpenOCD.
  • εκτελέστε την εντολή

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

Αυτό είναι!

Βήμα 6: Πώς να χρησιμοποιήσετε τη συσκευή

Εάν όλα γίνονται σωστά, τότε είμαστε έτοιμοι να τρέξουμε τη συσκευή. Το υψόμετρο έχει τρεις λειτουργίες:

Διαγραφή δεδομένων

Τροφοδοτήστε τη συσκευή μέσω USB ή μέσω μιας κόκκινης υποδοχής μπαταρίας. Πατήστε το κουμπί (πιο μακριά από τη σύνδεση USB) και κρατήστε το για 2-3 δευτερόλεπτα. Το μπλε LED θα πρέπει να αρχίσει να αναβοσβήνει πολύ γρήγορα και να αναβοσβήνει με αυτόν τον τρόπο μέχρι να διαγραφούν όλα τα δεδομένα.

Καταγραφή δεδομένων

Συνδέστε τη συσκευή στην μπαταρία με το κόκκινο βύσμα. Το μπλε LED θα αναβοσβήνει συχνά για μερικά δευτερόλεπτα και στη συνέχεια θα γυρίσει να αναβοσβήνει μία φορά το δευτερόλεπτο. Κάθε φορά που αναβοσβήνει, ένα δείγμα δεδομένων εγγράφεται στην εσωτερική μνήμη της συσκευής. Η συσκευή μπορεί να καταγράψει έως και 9 ώρες μετρήσεων.

Διαβάζοντας τα δεδομένα

Αποσυνδέστε την μπαταρία και συνδέστε τη συσκευή στον υπολογιστή σας με καλώδιο USB. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα συχνής αναλαμπής, μετατρέπεται σε βλεφαρίσματα δύο φορές το δευτερόλεπτο. Αυτή είναι η λειτουργία ανάγνωσης δεδομένων. Η συσκευή αναγνωρίζεται ως μονάδα flash με το όνομα BARO_ELMOT. Η μονάδα δίσκου δεν είναι εγγράψιμη, μπορείτε μόνο να διαβάσετε δεδομένα από αυτήν. Σε έναν διαχειριστή αρχείων μπορείτε να βρείτε δύο αρχεία στη συσκευή - το πρώτο ονομάζεται LEFT_123. MIN. Αυτό είναι ψεύτικο αρχείο, δεν περιέχει δεδομένα, αλλά ότι "123" σημαίνει ότι υπάρχει ακόμα χώρος για 123 λεπτά καταγραφής δεδομένων. Ένα άλλο αρχείο, το BARO. TXT, περιέχει πραγματικά συλλεγμένα δεδομένα, δηλαδή κείμενο διαχωρισμένο με καρτέλα - μια κεφαλίδα και στη συνέχεια γραμμές δεδομένων. Αυτή η μορφή μπορεί εύκολα να εισαχθεί στο MS Excel ή σε οποιαδήποτε άλλη εφαρμογή υπολογιστικών φύλλων, συμπεριλαμβανομένων των Υπολογιστικών φύλλων Google. Κάθε γραμμή περιέχει έναν αριθμό σειράς (S), έναν αριθμό δείγματος (N) (= χρόνο που έχει παρέλθει σε δευτερόλεπτα), Θερμοκρασία (T) σε Κελσίου, Πίεση ατμόσφαιρας (P) σε mbars, και ανώμαλη τιμή υψομέτρου (A), σε μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Σημείωση! Οι τιμές "Α" είναι πραγματικά αδρές, μπορείτε να υπολογίσετε μόνοι σας το υψόμετρο από τα δεδομένα πίεσης. Δείτε περαιτέρω βήματα.

Βήμα 7: Δοκιμή της συσκευής

1. Συνδέστε τη μπαταρία στη συσκευή. Η λυχνία LED θα πρέπει να αρχίσει να αναβοσβήνει.
2. Πατήστε παρατεταμένα το κουμπί χρήστη. Μετά από 2-3 δευτερόλεπτα το LED θα ξεκινήσει γρήγορα. Αφήστε το κουμπί. Κρατήστε δροσερό, μην αποσυνδέετε την μπαταρία. Τα δεδομένα διαγράφονται.
3. Μετά από λίγο το LED αρχίζει να αναβοσβήνει μία φορά το δευτερόλεπτο.
4. Κρατήστε τη συσκευή ενεργοποιημένη για τουλάχιστον 30 δευτερόλεπτα.
5. Αποσυνδέστε την μπαταρία
6. Συνδέστε τη συσκευή σας σε υπολογιστή με καλώδιο USB.
7. Η συσκευή θα εμφανίζεται ως μια μικρή μονάδα flash, μόνο 3Mb. Ανοίξτε το αρχείο BARO. TXT εκεί με οποιοδήποτε πρόγραμμα επεξεργασίας κειμένου.
8. Ελέγξτε αν οι στήλες Τ και Ρ περιέχουν εύλογα δεδομένα - συνήθως περίπου 20-30 για Τ, περίπου 1000 για Π. Εάν βρίσκεστε στο ψυγείο ή στην κορυφή του Έβερεστ, οι αριθμοί θα είναι δραστικά διαφορετικοί, φυσικά.

Βήμα 8: Sunlight Protector και Shrink Tube

Μετά το προηγούμενο βήμα είμαστε σίγουροι ότι όλα λειτουργούν εντάξει, τώρα πρέπει να ξεκολλήσουμε τις καρφίτσες που αναβοσβήνουν, γιατί δεν τις χρειαζόμαστε πια. Επίσης, είναι καλύτερο να κόψετε με ακρίβεια τις ουρές των ακίδων που συνδέουν τον αισθητήρα και την πλακέτα MCU, διαφορετικά μπορούν να τρυπήσουν το εξωτερικό πλαστικό κάλυμμα της συσκευής.

Ο αισθητήρας που χρησιμοποιείται στο έργο δεν πρέπει να εκτίθεται σε άμεσο ηλιακό φως. Θα φτιάξουμε ασπίδα προστασίας από κουτάκι αλουμινίου μπύρας. Σίγουρα, αν προχωρήσατε τόσο μακριά, αξίζετε το περιεχόμενο αυτού του φτωχού κουτιού. Κόψτε με ψαλίδι ένα κομμάτι αλουμινίου μεγέθους περίπου 12*12mm (0,5 "*0,5"). Στη συνέχεια, λυγίστε δύο αντίθετες πλευρές του με πένσα για να φτιάξετε ένα μικρό "δίσκο" 7*12*2,5mm (0,28 "*0,5"*0,1 "). Μετά την κάμψη, κόψτε τις λωρίδες 1,5 mm από αυτές τις λυγισμένες πλευρές, για να κάνετε το δίσκο α λίγο χαμηλότερο, περίπου 1 mm ύψος.

Τοποθετήστε το δίσκο πάνω από τον αισθητήρα. Σημείωση - δεν πρέπει να αγγίζει καμία επαφή! Στη συνέχεια, βάλτε τη συσκευή με το δίσκο σε ένα κομμάτι θερμικού σωλήνα συρρίκνωσης (λίγο μακρύτερο από τον πίνακα) και θερμάνετε καλά, αλλά προσεκτικά με τον ανεμιστήρα συγκόλλησης (ή τον αναπτήρα). Ελέγξτε ξανά εάν το κάλυμμα αλουμινίου δεν αγγίζει τις επαφές του αισθητήρα.

Βήμα 9: Επιστήμη

Τώρα έχουμε τη συσκευή έτοιμη για λειτουργία. Μετρά τη θερμοκρασία και την πίεση του αέρα. Και επίσης εκτιμά χοντρικά το υψόμετρο. Δυστυχώς, η πίεση εξαρτάται από το υψόμετρο με πολύ ασήμαντο τρόπο, μπορείτε να διαβάσετε σχετικά στη wikipedia. Πώς υπολογίζουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια το υψόμετρο ενός μπαλονιού; Ένας από τους τρόπους είναι η χρήση της τυπικής αριθμομηχανής ατμόσφαιρας του 1976. Η συσκευή σας περιέχει τα ίδια δεδομένα μοντέλου, αλλά όχι πολύ ακριβή λόγω περιορισμών στη μνήμη της συσκευής. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του βαρομέτρου και την αριθμομηχανή, μπορείτε να υπολογίσετε το υψόμετρο πολύ καλύτερα από ό, τι κάνει ο ίδιος. Λαμβάνοντας επίσης υπόψη τις καιρικές συνθήκες στο σημείο εκτόξευσης του μπαλονιού σας (προφανώς, αυτό καταγράφεται στο ίδιο υψόμετρο στην αρχή), και το υψόμετρο του σημείου εκτόξευσής σας μπορείτε να βρείτε μετατόπιση θερμοκρασίας και διόρθωση πίεσης αέρα και. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την ίδια αριθμομηχανή, μπορείτε να υπολογίσετε τα πάντα ακόμα καλύτερα. Με ορισμένες δεξιότητες υπολογιστικών φύλλων, μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε γραφήματα δεδομένων μιας εκκίνησης.

Δρομέας στην πρόκληση του διαστήματος