Електронен барометричен висотомер за стратосферни балони: 9 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Нашият екип, RandomRace.ru, пуска балони с хелий. Малки и големи, с камери и без. Пускаме малки, за да изхвърляме на случаен принцип контролни точки за състезания за приключенски състезания, и големи, за да правим страхотни видеоклипове и снимки от самия връх на атмосферата. Все още не е мястото, но на 30 км надморска височина въздушното налягане е около 1% от нормалното. Вече не изглежда като атмосферата, а? Моята отговорност в екипа е електрониката и искам да споделя един от моите проекти, изпълнени на това задължение.

Как можем да измерим височината на балона? С GPS (повечето от тях не работят над 18 км) или с барометричен висотомер. Нека направим такъв от платка за микроконтролер (MCU)! Искаме да е лек, евтин (тъй като понякога губим сондите си) и лесен за изграждане, лесен за използване. Той също така трябва да измерва много ниско налягане. Устройството трябва да регистрира данни поне 5 часа подред. Нека използваме литиева батерия от всеки стар мобилен телефон като източник на захранване. Въз основа на изискванията избрах Maple Mini платка, базирана на n ARM микроконтролер (STM32F103RC) с USB интерфейс, 128 Kb вградена памет, което е достатъчно както за фърмуера на MCU, така и за събраните данни. За съжаление (или за щастие?), LeafLabs вече не произвежда тези дъски, но техните клонинги могат да бъдат намерени в китайските онлайн магазини само за няколко долара. Също така бяхме дарени с множество сензори за въздушно налягане MS5534, способни да измерват 0,01 … 1,1 бара. Това е горе -долу достатъчно за 30 км надморска височина.

Устройството е доста лесно за изработка, имате нужда само от някои умения и инструменти за запояване (няма нужда да запоявате наистина малки части) и основни компютърни умения. Тук можете да намерите хранилище на github, което съдържа както пробивен дизайн на печатни платки във формат Eagle, така и фърмуера.

Стъпка 1: Необходими части

• Клон на Maple Mini MCU платка
• 4*1 2,54 мм (0,1 ") щифтов ред (обикновено се доставя с MCU платката)
• 1S LiPo батерия. Батериите от стари мобилни телефони или екшън камери пасват идеално.
• 1S LiPo платка за зарядно устройство
• Барометричен сензор MS5534
• Пробивна платка MS5534
• 1N5819 диод Шотки или подобен
• Косички JST RCY, 1*женски, 2*мъжки
• Празна алуминиева бирена кутия
• термосвиваема тръба D = 2, 5 мм (0,1 ") от всеки цвят
• термосвиваема тръба D = 20 мм (0,8 "), прозрачна

Вместо MS5534 можете да използвате MS5540, но това изисква друга пробивна платка. Можете да го направите сами, като използвате EagleCAD или KiKad или каквото предпочитате. Можете също така да запоите сензора директно с проводници, ако имате достатъчно умения за запояване.

Необходими инструменти:

• Редовен набор от инструменти за запояване
• Ножици и слоеве
• По желание вентилатор за запояване. Ако нямате такъв, вместо това можете да използвате поялника и запалката.
• някои стандартни 1-пинов женско-женски проводници
• няколко допълнителни контактни щифта
• Демонстрационна платка STM32, която да се използва като мигащо устройство за MCU. Използвах NUCLEO-F303RE, но може да се използва и всяка от дъските STM32 Nucleo64 или Nucleo144.

Стъпка 2: Сензор за запояване към пробивната платка

На първо място, трябва да запояваме сензора върху пробивната платка. Използвайте запояваща паста и поялник за запояване, ако имате такива. Ако не, можете да направите това с обикновен поялник и спойка. Когато приключи, изрежете четири щифта ред и две парчета тел, около 4 см всеки. Запоявайте ги към пробива, както е показано на втората снимка - щифтове + и - трябва да бъдат свързани към проводници, други 4 между тях - към реда на щифтовете. Щифтовете трябва да са от долната страна на пробива.

Стъпка 3: Запояване на останалата част от устройството

Сензорната платка и MCU бардът трябва да бъдат подредени, а сензорът трябва да бъде поставен върху чипа MCU

Схемата на свързване е показана на първата снимка. И тук са изброени всички връзки:

• Прекъсващ щифт "+" е свързан към щифт на MCU платка "Vcc"
• Прекъсващ щифт "GND" е свързан към щифт на MCU платка "GND"
• Прекъсващите щифтове "8", "9", "10", "11" са свързани към щифтове на MCU платка със същите номера.
• JST RCY Maleblack проводник е свързан към друг "GND" щифт на MCU платката
• JST RCY Мъжки червен проводник е свързан към диоден анод
• Диодният катод е свързан към щифт "Vin" на MCU платка

Преди да свържете JST косичка, не забравяйте да поставите парче тънка термична тръба за разтягане върху червения проводник.

Последното нещо, което трябва да направите - диодът трябва да бъде изолиран с термосвиваема тръба. Просто го издърпайте върху диода и след това го затоплете с вентилатора за запояване - препоръчителната температура е около 160C (320F). Ако нямате вентилатор, просто използвайте свещ или запалка, но внимавайте с това.

Стъпка 4: Батерия и зарядно устройство

Нека направим източник на захранване за устройството и зарядно за него. Женската коса трябва да бъде запоена към батерията. Червен проводник към "+", черен към "-". Защитете връзката с капка термично лепило, лепенка или изолационна лента - по ваш избор.

Мъжката косичка трябва да бъде запоена към платката на зарядното устройство - червен проводник към "B+", черен към "B-". Закрепете платката с парче термосвиваема тръба. Сега можете да свържете зарядното устройство към батерията, а зарядното устройство към всяко USB захранване или компютърния порт. Червеният светодиод на платката показва зареждане, един зелен - напълно заредена батерия. Платката може да се затопли по време на процеса на зареждане, но не прекалено много.

Стъпка 5: Мига на устройството

За да мигате устройството, трябва да инсталирате софтуер. За Windows можете да използвате родно приложение от сайта st.com. За съжаление, трябва да се регистрирате тук.

Под Linux или Mac (добре, под Windows също е възможно) можете да използвате OpenOCD. Моля, намерете инструкциите за инсталиране и използване на техния сайт.

Сега можете да изтеглите фърмуера.

За да подготвите устройството за мигане, трябва временно да запоите още два щифта към контакти 21 и 22 на платката MCU.

За да свържете нашето устройство към мигача:

• отворете двата джъмпера на конектора CN2 на платката Nucleo (бяла). Това позволява на платката да мига външни устройства.
• свържете MCU щифт 21 към щифт 2 на конектора Nucleo CN4
• свържете черен проводник на батерията към щифт 3 на конектора Nucleo CN4
• свържете MCU щифт 22 към щифт 4 на конектора Nucleo CN4
• свържете устройството и Nucleo борда към компютъра с USB кабели.

• флаш фърмуера (Windows)

  • Стартирайте помощната програма STM32 ST-LINK
  • Изберете Файл -> Отваряне на файл … -> отворете изтегления фърмуер
  • Изберете Target -> Option Bytes…, изберете Read Out Protection: Disabled. Щракнете върху Приложи
  • Изберете Target -> Program & Verify, щракнете върху Старт

• флаш фърмуера (Linux и Mac)

  • Изтеглете и инсталирайте OpenOCD.
  • изпълнете командата

openocd -f interface/stlink -v2-1.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "init; нулиране на спиране; stm32f1x отключване 0; програма baro_v4.hex; изключване"

Това е!

Стъпка 6: Как да използвате устройството

Ако всичко е направено правилно, значи сме готови да пуснем устройството. Висотомерът има три режима:

Изтриване на данни

Захранвайте устройството чрез USB или чрез червен конектор за батерията. Натиснете бутона (най-далеч от USB конектора) и го задръжте за 2-3 секунди. Синият светодиод трябва да започне да мига много бързо и да продължи да мига така, докато всички данни бъдат изтрити.

Регистриране на данни

Свържете устройството към батерията с червения конектор. Синият светодиод ще мига често за няколко секунди и след това ще премине веднъж в секунда. Всеки път, когато мига, извадка от данни се записва във вътрешната памет на устройството. Устройството може да записва до 9 часа измервания.

Четене на данните

Изключете батерията и свържете устройството към компютъра с USB кабел. След няколко секунди често мигане се превръща в мигане два пъти в секунда. Това е режим на четене на данни. Устройството се разпознава като флаш устройство с име BARO_ELMOT. Устройството не може да се записва, можете да четете само данни от него. Във файловия мениджър можете да намерите два файла на устройството - първият е наречен като LEFT_123. MIN. Това е фалшив файл, не съдържа никакви данни, но това „123“означава, че все още има място за 123 минути записване на данни. Друг файл, BARO. TXT, съдържа действително събрани данни, т.е. разделен с раздели текст - заглавка и след това редове с данни. Този формат може лесно да се импортира в MS Excel или в всяко друго приложение за електронни таблици, включително Google Sheets. Всеки ред съдържа сериен номер (S), номер на извадка (N) (= изминало време в секунди), температура (T) в Целзий, атмосферно налягане (P) в mbars и груба надморска височина (A), в метри над морското равнище. Забележка! Стойностите на "А" са наистина груби, можете сами да изчислите надморската височина от данните за налягането. Вижте допълнителни стъпки.

Стъпка 7: Тестване на устройството

1. Свържете батерията към устройството. LED трябва да започне да мига.
2. Натиснете и задръжте потребителския бутон. След 2-3 секунди светодиодът ще стартира бързо. Освободете бутона. Дръжте на хладно, не изключвайте батерията. Данните се изтриват.
3. След известно време светодиодът започва да мига веднъж в секунда.
4. Дръжте устройството включено поне 30 секунди.
5. Изключете батерията
6. Свържете устройството си към компютър с USB кабел.
7. Устройството ще се появи като малко, само 3Mb, флаш устройство. Отворете файла BARO. TXT там с всеки текстов редактор.
8. Проверете дали колоните T и P съдържат разумни данни - обикновено около 20-30 за T, около 1000 за P. Ако сте в хладилник или на върха на Еверест, цифрите ще бъдат драстично различни, разбира се.

Стъпка 8: Протектор за слънчева светлина и свиваща тръба

След предишната стъпка сме сигурни, че всичко работи добре, сега трябва да разпаяваме мигащи щифтове, защото вече не се нуждаем от тях. Също така е по -добре да отрежете опашки от щифтове, които свързват сензора и MCU платката, в противен случай те могат да пробият външния пластмасов капак на устройството.

Сензорът, използван в проекта, не трябва да се излага на пряка слънчева светлина. Ще направим защитен щит от алуминиева кутия за бира. Определено, ако вече сте стигнали дотам, значи сте заслужили съдържанието на тази бедна кутия. Изрежете с ножица парче алуминий с размер около 12*12 мм (0,5 "*0,5"). След това огънете двете му противоположни страни с клещи, за да направите малка "тава" 7*12*2,5 мм (0,28 "*0,5"*0,1 "). След огъване изрежете 1,5 мм ивици от тези огънати страни, за да направите тавата една малко по -ниско, около 1 мм високо.

Поставете тавата върху сензора. Забележка - не трябва да докосва никакви контакти! След това поставете устройството с тавата в парче термосвиваема тръба (малко по -дълга от дъската) и го загрейте добре, но внимателно с вентилатора за запояване (или запалката). Проверете отново дали алуминиевият капак не докосва контактите на сензора.

Стъпка 9: Наука

Сега устройството е готово за работа. Той измерва температурата и въздушното налягане. И приблизително изчислява надморската височина. За съжаление, налягането зависи от надморската височина по много нетривиален начин, можете да прочетете за това в wikipedia. Как да изчислим по -точен начин височината на балона? Един от начините е да използваме стандартен атмосферен калкулатор от 1976 г. Вашето устройство съдържа същите данни за модела, но не много точни поради ограниченията в паметта на устройството. Използвайки данните от барометъра и калкулатора, можете да изчислите надморската височина много по -добре, отколкото самият деис прави. Като се вземат предвид и метеорологичните условия на мястото за изстрелване на балона (очевидно това се записва на същия висотомер в самото начало), както и на височината на мястото на изстрелване, можете да намерите температурно изместване и корекция на въздушното налягане и. След това, използвайки същия калкулатор, можете да изчислите всичко още по -добре. С някои умения за електронни таблици можете също да правите диаграми с данни за стартиране.

Вицешампион в космическото предизвикателство