Altimeter Barometrik Elektronik untuk Belon Stratosfera: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Pasukan kami, RandomRace.ru, melancarkan belon helium. Kecil dan besar, dengan kamera dan tanpa. Kami melancarkan yang kecil untuk menurunkan titik pemeriksaan secara rawak untuk pertandingan perlumbaan pengembaraan, dan yang besar untuk membuat video dan foto hebat dari atmosfer paling atas. Ini belum ruang, tetapi pada ketinggian 30 km tekanan udara adalah sekitar 1% dari normal. Tidak kelihatan seperti suasananya lagi, ya? Tanggungjawab saya dalam pasukan adalah elektronik, dan saya ingin berkongsi salah satu projek saya yang dilaksanakan pada tugas tersebut.

Bagaimana kita dapat mengukur ketinggian belon? Dengan GPS (kebanyakannya tidak berfungsi di atas 18km) atau dengan altimeter barometrik. Mari buat dari papan mikrokontroler (MCU)! Kami mahu ia ringan, murah (kerana kadang-kadang kami kehilangan probe), dan senang dibina, mudah digunakan. Ia juga harus mengukur tekanan yang sangat rendah. Peranti harus log data sekurang-kurangnya 5 jam berturut-turut. Mari gunakan sebilangan bateri Lithium dari mana-mana telefon bimbit lama sebagai sumber kuasa. Mengikut keperluan, saya telah memilih papan Maple Mini, berdasarkan mikrokontroler n ARM (STM32F103RC) dengan antara muka USB, memori dalaman 128 Kb, yang cukup untuk firmware MCU dan data yang dikumpulkan. Malangnya (atau untungnya?), LeafLabs tidak lagi menghasilkan papan tersebut, tetapi klonnya boleh didapati di kedai dalam talian Cina dengan harga beberapa dolar sahaja. Kami juga disumbangkan dengan sejumlah sensor tekanan udara MS5534, yang mampu mengukur 0,01… 1,1 bar. Cukup kurang lebih untuk ketinggian 30 km.

Peranti ini cukup senang dibuat, anda hanya memerlukan beberapa kemahiran dan alat pematerian (tidak perlu menyolder bahagian yang sangat kecil) dan kemahiran asas komputer. Di sini anda boleh menemui repositori github yang mengandungi reka bentuk PCB pelarian dalam format Eagle dan firmware.

Langkah 1: Bahagian yang Diperlukan

• Klon papan MCU Mini Maple
• Baris pin 4 * 1 2.54mm (0.1 ") (biasanya dihantar dengan papan MCU)
• Bateri LiPo 1S. Bateri dari telefon bimbit lama atau kamera tindakan sesuai dengan sempurna.
• Papan pengecas 1S LiPo
• Sensor barometrik MS5534
• Papan pelarian MS5534
• 1N5819 Schottky diod atau yang serupa
• Pigtails JST RCY, 1 * Perempuan, 2 * Lelaki
• Bir aluminium kosong boleh
• tiub pengecutan haba D = 2, 5mm (0.1 ") dari sebarang warna
• tiub pengecutan haba D = 20mm (0.8 "), telus

Daripada MS5534, anda boleh menggunakan MS5540, tetapi memerlukan papan pelarian yang lain. Anda boleh membuatnya sendiri, menggunakan EagleCAD atau KiKad atau apa sahaja yang anda mahukan. Anda juga boleh menyolder sensor secara langsung dengan wayar jika anda mempunyai kemahiran pematerian yang mencukupi.

Alat yang diperlukan:

• Set alat biasa untuk pematerian
• Gunting dan kepingan
• Pilihan kipas pematerian. Sekiranya tidak memilikinya, anda boleh menggunakan besi pematerian dan pemetik api sebagai gantinya.
• beberapa wayar wanita-wanita standard 1 pin
• beberapa pin kenalan tambahan
• Papan demo STM32 untuk digunakan sebagai peranti berkedip MCU. Saya menggunakan NUCLEO-F303RE, tetapi mana-mana papan STM32 Nucleo64 atau Nucleo144 juga boleh digunakan.

Langkah 2: Soldering Sensor Onto Breakout Board

Pertama sekali, anda perlu memasangkan sensor ke papan pelarian. Gunakan solder solder dan soldering fan solder, jika ada. Sekiranya tidak, anda boleh melakukannya dengan besi solder biasa dan solder. Setelah selesai, potong baris empat pin dan dua kepingan wayar, masing-masing sekitar 4 cm. Selesaikannya ke breakout seperti yang ditunjukkan pada gambar kedua - pin + dan - harus disambungkan ke wayar, 4 yang lain di antara mereka - ke baris pin. Pin mesti berada di bahagian bawah pelarian.

Langkah 3: Memateri Selebihnya Peranti

Papan sensor dan bard MCU harus ditumpuk, dan sensor mesti diletakkan di atas cip MCU

Gambar rajah sambungan ditunjukkan pada gambar pertama. Dan inilah semua sambungan yang disenaraikan:

• Pin pelarian "+" disambungkan ke pin papan MCU "Vcc"
• Pin pelarian "GND" disambungkan ke pin papan MCU "GND"
• Pin pelarian "8", "9", "10", "11" disambungkan ke pin papan MCU dengan nombor yang sama.
• Kawat JST RCY Maleblack disambungkan ke pin "GND" lain dari papan MCU
• JST RCY Kawat merah lelaki disambungkan ke anod diod
• Katod diod disambungkan ke pin "Vin" papan MCU

Sebelum menyambung pigtail JST, jangan lupa meletakkan sekeping tiub regangan termal nipis pada wayar merah.

Perkara terakhir yang perlu dilakukan - diod mesti dilindungi dengan tiub pengecutan terma. Cukup tarik ke atas diod, dan kemudian panaskan dengan kipas pematerian anda - suhu yang disyorkan ialah sekitar 160C (320F). Sekiranya anda tidak mempunyai kipas angin, cukup gunakan lilin atau pemetik api, tetapi berhati-hatilah dengan itu.

Langkah 4: Bateri dan Pengecas

Mari buat sumber kuasa untuk peranti dan pengecas untuknya. Kuncir betina harus disolder ke bateri. Kawat merah ke "+", hitam ke "-". Lindungi sambungan dengan setitik gam termal, tampalan pita saluran, atau pita penebat - mengikut pilihan anda.

Pigtail lelaki mesti disolder ke papan pengecas - wayar merah ke "B +", hitam ke "B-". Pasang papan dengan sekeping tiub pengecutan termal. Sekarang anda boleh menyambungkan pengecas ke bateri, dan pengecas ke sebarang bekalan kuasa USB atau port komputer. Lampu merah di papan menunjukkan pengecasan berterusan, hijau - bateri dicas sepenuhnya. Papan mungkin panas semasa proses pengisian, tetapi tidak terlalu banyak.

Langkah 5: Memusingkan Peranti

Untuk menyalakan peranti, anda perlu memasang beberapa perisian. Untuk Windows, anda boleh menggunakan aplikasi asli dari laman st.com. Malangnya, anda perlu mendaftar di sini.

Di Linux atau Mac (baik, di bawah Windows juga mungkin), anda boleh menggunakan OpenOCD. Sila dapatkan arahan pemasangan dan penggunaan di laman web mereka.

Sekarang anda boleh memuat turun firmware.

Untuk menyiapkan peranti untuk berkelip, anda perlu memateri sementara dua pin lagi ke kenalan 21 dan 22 papan MCU.

Untuk menyambungkan peranti kami ke flasher:

• buka kedua jumper pada penyambung CN2 papan Nucleo (putih). Itu membolehkan papan untuk memancarkan peranti luaran.
• sambungkan pin MCU 21 ke pin 2 penyambung Nucleo CN4
• sambungkan wayar bateri hitam ke pin 3 penyambung Nucleo CN4
• sambungkan pin MCU 22 ke pin 4 penyambung Nucleo CN4
• sambungkan kedua-dua peranti dan papan Nucleo ke komputer dengan kabel USB.

• flash perisian api (Windows)

  • Jalankan Utiliti STM32 ST-LINK
  • Pilih Fail -> Buka fail… -> buka firmware yang dimuat turun
  • Pilih Target -> Bytes Pilihan…, pilih Perlindungan Baca Keluar: Dinonaktifkan. Klik Guna
  • Pilih Sasaran -> Program & Sahkan, klik Mula

• flash firmware (Linux & Mac)

  • Muat turun dan pasang OpenOCD.
  • jalankan arahan

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

Itu sahaja!

Langkah 6: Cara Menggunakan Peranti

Sekiranya semuanya dilakukan dengan betul, maka kami bersedia untuk menjalankan peranti tersebut. Altimeter mempunyai tiga mod:

Padamkan data

Kuasa peranti melalui USB atau melalui penyambung bateri merah. Tekan butang (paling jauh dari penyambung USB) dan tahan selama 2-3 saat. LED biru harus mula berkelip dengan cepat dan terus berkedip sehingga semua data terhapus.

Data pembalakan

Sambungkan peranti ke bateri dengan penyambung merah. LED biru akan berkelip kerap selama beberapa saat dan kemudian bertukar menjadi berkedip sesaat. Setiap kali berkelip, sampel data ditulis ke memori peranti dalaman. Peranti boleh merakam pengukuran hingga 9 jam.

Membaca data

Putuskan sambungan bateri dan sambungkan peranti ke komputer anda dengan kabel USB. Setelah sekelip mata berkedip bertukar menjadi berkelip dua kali sesaat. Ini adalah mod membaca data. Peranti dikenali sebagai pemacu kilat bernama BARO_ELMOT. Pemacu tidak boleh ditulis, anda hanya dapat membaca data daripadanya. Dalam pengurus fail, anda boleh menemui dua fail pada peranti - yang pertama dinamakan seperti LEFT_123. MIN. Ini adalah fail palsu, tidak berisi data apa pun, tetapi "123" bermaksud masih ada ruang untuk log data selama 123 minit. Fail lain, BARO. TXT, mengandungi data yang dikumpulkan sebenarnya, iaitu teks yang dipisahkan tab - tajuk dan kemudian baris data. Format ini dapat diimport dengan mudah ke MS Excel, atau ke aplikasi spreadsheet lain, termasuk Google Spreadsheet. Setiap baris mengandungi nombor siri (S), nombor sampel (N) (= masa berlalu dalam beberapa saat), Suhu (T) dalam Celsius, Tekanan atmosfer (P) dalam mbar, dan nilai ketinggian kasar (A), dalam meter di atas permukaan laut. Catatan! Nilai "A" benar-benar kasar, anda boleh mengira ketinggian dari tekanan data anda sendiri. Lihat langkah selanjutnya.

Langkah 7: Menguji Peranti

1. Sambungkan bateri ke peranti. LED harus mula berkelip.
2. Tekan dan tahan butang pengguna. Selepas 2-3 saat LED akan bermula dengan cepat. Lepaskan butang. Tetap sejuk, jangan putuskan bateri. Data sedang dipadamkan.
3. Selepas beberapa ketika, LED mula berkelip sekejap.
4. Pastikan peranti hidup sekurang-kurangnya 30 saat.
5. Putuskan bateri
6. Sambungkan peranti anda ke komputer dengan kabel USB.
7. Peranti akan muncul sebagai pemacu kilat kecil hanya 3Mb. Buka fail BARO. TXT di sana dengan mana-mana penyunting teks.
8. Periksa sama ada lajur T dan P mengandungi data yang munasabah - biasanya kira-kira 20-30 untuk T, kira-kira 1000 untuk P. Jika anda berada di dalam peti sejuk atau di bahagian atas Everest, tentu nombornya akan sangat berbeza.

Langkah 8: Pelindung Matahari dan Tiub Kecilkan

Selepas langkah sebelumnya, kami yakin semuanya berfungsi dengan baik, sekarang kami harus menyelesaikan pin kilat yang tidak dapat diselesaikan, kerana kami tidak memerlukannya lagi. Lebih baik memotong ekor pin dengan tepat yang menghubungkan sensor dan papan MCU, jika tidak, mereka boleh menebuk penutup plastik luar peranti.

Sensor yang digunakan dalam projek tidak boleh terkena sinar matahari langsung. Kami akan membuat pelindung dari tin bir aluminium. Pasti, jika anda sudah maju sejauh ini, anda layak mendapat isi dari kaleng malang itu. Potong dengan gunting sekeping aluminium dengan ukuran sekitar 12 * 12mm (0.5 "* 0.5"). Kemudian bengkokkan dua sisi yang berlawanan dengan tang untuk membuat "dulang" kecil 7 * 12 * 2.5mm (0.28 "* 0.5" * 0.1 "). Setelah membongkok, potong jalur 1.5mm dari sisi bengkok itu, untuk menjadikan dulang itu sedikit lebih rendah, kira-kira 1 mm tinggi.

Letakkan dulang di atas sensor. Catatan - ia tidak boleh menyentuh kenalan! Kemudian masukkan alat dengan dulang ke dalam sekeping tiub pengecutan termal (sedikit lebih lama daripada papan) dan panaskan dengan baik, tetapi berhati-hati dengan kipas pemateri (atau pemetik api). Periksa semula jika penutup aluminium tidak menyentuh kenalan sensor.

Langkah 9: Sains

Sekarang kami mempunyai peranti yang siap untuk dijalankan. Ia mengukur suhu dan tekanan udara. Dan juga kira-kira mengira ketinggian. Malangnya, tekanannya bergantung pada ketinggian dengan cara yang tidak remeh, anda mungkin akan membacanya di wikipedia. Bagaimana kita mengira ketinggian belon dengan cara yang lebih tepat? Salah satu caranya adalah dengan menggunakan Kalkulator Suasana Piawai 1976. Peranti anda mengandungi data model yang sama, tetapi tidak begitu tepat kerana keterbatasan memori peranti. Dengan menggunakan data barometer dan kalkulator, anda dapat mengira ketinggian jauh lebih baik daripada yang dilakukan oleh alat itu sendiri. Juga dengan mengambil kira keadaan cuaca di tempat pelancaran belon anda (jelas, ia direkodkan ke ketinggian yang sama pada awalnya), dan ketinggian tempat pelancaran anda dapat menemui peralihan suhu dan pembetulan tekanan udara dan. Kemudian menggunakan kalkulator yang sama, anda mungkin mengira semuanya dengan lebih baik. Dengan beberapa kemahiran spreadsheet, anda juga dapat membuat carta data pelancaran.

Naib Johan dalam Cabaran Angkasa