Elektronisk barometrisk højdemåler til stratosfæreballoner: 9 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Vores team, RandomRace.ru, lancerer heliumballoner. Små og store, med kameraer og uden. Vi lancerer små for tilfældigt at slippe kontrolpunkter for eventyrløbskonkurrencer og store for at lave fantastiske videoer og fotos helt fra toppen af atmosfæren. Det er ikke rummet endnu, men i 30 km højde er lufttrykket omkring 1% af det normale. Ser ikke længere ud som atmosfæren, hva '? Mit ansvar i teamet er elektronik, og jeg vil dele et af mine projekter implementeret på denne pligt.

Hvordan kan vi måle ballonhøjden? Med GPS (de fleste fungerer ikke over 18 km) eller med en barometrisk højdemåler. Lad os lave en fra et microcontroller (MCU) bord! Vi vil have det til at være let, billigt (da vi nogle gange mister vores sonder) og let at bygge, let at bruge. Det skal også måle meget lavt tryk. Enheden skal logge data mindst 5 timer i træk. Lad os bruge et litiumbatteri fra enhver gammel mobiltelefon som strømkilde. Baseret på kravene har jeg valgt Maple Mini -kort, baseret n ARM -mikrokontroller (STM32F103RC) med et USB -interface, 128 Kb intern hukommelse, hvilket er nok til både MCU -firmware og indsamlede data. Desværre (eller heldigvis?) Producerer LeafLabs ikke disse tavler længere, men deres kloner kan kun findes i kinesiske onlinebutikker for et par dollars. Vi blev også doneret med et antal MS5534 lufttrykssensorer, der er i stand til at måle 0,01 … 1,1 bar. Det er mere eller mindre nok til 30 km højde.

Enheden er ret let at lave, du behøver kun nogle loddefærdigheder og værktøjer (der er ikke behov for at lodde rigtig små dele) og grundlæggende computerfærdigheder. Her kan du finde et github -depot, der både indeholder PCB -design i Eagle -format og firmwaren.

Trin 1: Påkrævede dele

• Klon af Maple Mini MCU bord
• 4*1 2,54 mm (0,1 ") stifterække (normalt leveret med MCU -kortet)
• 1S LiPo batteri. Batterier fra gamle mobiler eller actioncams passer perfekt.
• 1S LiPo oplader bord
• MS5534 barometrisk sensor
• MS5534 breakout board
• 1N5819 Schottky -diode eller lignende
• JST RCY pigtails, 1*Hun, 2*Hann
• Tom øldåse i aluminium
• termisk krympeslange D = 2, 5 mm (0,1 ") af enhver farve
• termisk krympeslange D = 20 mm (0,8 "), gennemsigtig

I stedet for MS5534 kan du bruge MS5540, men det kræver et andet breakout board. Du kan lave det på egen hånd ved hjælp af EagleCAD eller KiKad eller hvad du nu foretrækker. Du kan også lodde sensoren direkte med ledninger, hvis du har nok af loddeevner.

Påkrævede værktøjer:

• Regelmæssigt sæt værktøjer til lodning
• Saks og lag
• Eventuelt en loddeventilator. Hvis du ikke har en, kan du bruge dit loddejern og en cigarettænder i stedet.
• nogle standard 1 pin hun-hun ledninger
• et par ekstra kontaktnåle
• Et STM32 -demo -kort, der skal bruges som en MCU -blinkende enhed. Jeg brugte NUCLEO-F303RE, men ethvert af STM32 Nucleo64 eller Nucleo144 boards kan også bruges.

Trin 2: Loddesensor til breakout board

Først og fremmest skal du lodde sensoren til breakout -kortet. Brug loddepasta og loddeventilator loddejern, hvis du har dem. Hvis ikke, kan du gøre det med almindeligt loddejern og lodde. Når det er færdigt, skæres fire stifter række og to stykker tråd, cirka 4 cm hver. Lod dem til udbruddet som vist på det andet billede - stifter + og - skal forbindes til ledninger, 4 andre mellem dem - til stifterække. Stifter skal være på undersiden af udbruddet.

Trin 3: Lodning af resten af enheden

Sensorkort og MCU -bard bør stables, og sensoren skal placeres over MCU -chip

Tilslutningsdiagram er vist på det første billede. Og her er alle forbindelserne angivet:

• Breakout pin "+" er forbundet til MCU board pin "Vcc"
• Breakout pin "GND" er forbundet til MCU board pin "GND"
• Breakout pins "8", "9", "10", "11" er forbundet til MCU board pins med de samme numre.
• JST RCY Maleblack wire er forbundet til en anden "GND" pin på MCU -kortet
• JST RCY Rød mandlig ledning er forbundet til en diode -anode
• Diodekatoden er forbundet til MCU -kortet "Vin" -stift

Inden du tilslutter JST -grisehale, skal du ikke glemme at lægge et stykke tyndt termisk strækrør på den røde ledning.

Sidste ting at gøre - dioden skal isoleres med termisk krympeslange. Bare træk den over dioden, og varm den derefter med din loddeventilator - anbefalet temperatur er omkring 160C (320F). Hvis du ikke har blæseren, skal du bare bruge et lys eller en cigarettænder, men vær forsigtig med det.

Trin 4: Batteri og oplader

Lad os lave en strømkilde til enheden og en oplader til den. Den kvindelige pigtail skal loddes til batteriet. Rød ledning til "+", sort til "-". Beskyt forbindelsen med en dråbe termisk lim, et stykke tape eller et isoleringstape - efter eget valg.

Hanehale skal loddes til opladerkortet - rød ledning til "B+", sort til "B-". Fastgør kortet med et stykke termisk krympeslange. Nu kan du slutte opladeren til batteriet og opladeren til enhver USB -strømforsyning eller computerport. Rød LED på tavlen angiver igangværende opladning, grønt et - fuldt opladet batteri. Tavlen kan varme op under opladningsprocessen, men ikke for meget.

Trin 5: Blinker enheden

For at blinke enheden skal du installere noget software. For Windows kan du bruge native -applikation fra st.com -webstedet. Desværre skal du registrere dig her.

Under Linux eller Mac (godt, under Windows er det også muligt), kan du bruge OpenOCD. Find installations- og brugsanvisninger på deres websted.

Nu kan du downloade firmwaren.

For at forberede enheden til at blinke skal du midlertidigt lodde yderligere to stifter til kontakterne 21 og 22 på MCU -kortet.

For at tilslutte vores enhed til blinkeren:

• åbn begge jumpere på CN2 -stikket på Nucleo (hvidt) bord. Det gør det muligt for kortet at blinke eksterne enheder.
• tilslut MCU -pin 21 til pin 2 på Nucleo CN4 -stik
• tilslut den sorte batterikabel til pin 3 på Nucleo CN4 -stikket
• tilslut MCU -pin 22 til pin 4 på Nucleo CN4 -stik
• tilslut både enhed og Nucleo -kort til computeren med USB -kabler.

• flash fiirmware (Windows)

  • Kør STM32 ST-LINK Utility
  • Vælg Fil -> Åbn fil … -> Åbn downloadet firmware
  • Vælg Target -> Option Bytes …, vælg Udlæsningsbeskyttelse: Deaktiveret. Klik på Anvend
  • Vælg Mål -> Programmér og verificer, klik på Start

• flash firmwaren (Linux og Mac)

  • Download og installer OpenOCD.
  • kør kommandoen

openocd -f interface/stlink -v2-1.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "init; nulstil stop; stm32f1x oplåsning 0; program baro_v4.hex; nedlukning"

Det er det!

Trin 6: Sådan bruges enheden

Hvis alt er udført korrekt, er vi klar til at køre enheden. Højdemåleren har tre tilstande:

Slet data

Tænd enheden via USB eller via et rødt batteristik. Tryk på knappen (mest langt fra USB-stikket), og hold den nede i 2-3 sekunder. Blå LED skulle begynde at blinke meget hurtigt og blive ved med at blinke på den måde, indtil alle data er slettet.

Logning af data

Tilslut enheden til batteriet med det røde stik. Den blå LED blinker ofte i et par sekunder og går derefter til at blinke en gang i sekundet. Hver gang det blinker, skrives der en dataprøve til den interne enheds hukommelse. Enheden kan registrere op til 9 timers målinger.

Læsning af data

Afbryd batteriet, og tilslut enheden til din computer med USB -kabel. Efter et par sekunder med hyppigt blink blinker det til at blinke to gange i sekundet. Dette er datalæsningstilstand. Enheden genkendes som et flashdrev med navnet BARO_ELMOT. Drevet er ikke skrivbart, du kan kun læse data fra det. I en filhåndtering kan du finde to filer på enheden - den første hedder LEFT_123. MIN. Dette er en falsk fil, den indeholder ingen data, men at "123" betyder, at der stadig er plads til 123 minutters datalogning. En anden fil, BARO. TXT, indeholder faktiske indsamlede data, dvs. fane adskilt tekst - et overskrift og derefter datalinjer. Dette format kan let importeres til MS Excel eller til enhver anden regnearksapplikation, herunder Google Sheets. Hver linje indeholder et serienummer (S), et prøvetal (N) (= forløbet tid i sekunder), Temperatur (T) i Celsius, atmosfæretryk (P) i mbar og grov højdeværdi (A) i meter over havets overflade. Bemærk! "A" -værdier er virkelig grove, du kan beregne højden ud fra trykdata på egen hånd. Se yderligere trin.

Trin 7: Test af enheden

1. Tilslut batteriet til enheden. LED skal begynde at blinke.
2. Tryk på og hold brugerknappen nede. Efter 2-3 sekunder starter LED hurtigt. Slip knappen. Hold kølig, afbryd ikke batteriet. Data slettes.
3. Efter et stykke tid begynder LED'en at blinke en gang i sekundet.
4. Hold enheden tændt i mindst 30 sekunder.
5. Afbryd batteriet
6. Tilslut din enhed til en computer med et USB -kabel.
7. Enheden vises som et lille flashdrev på kun 3 MB. Åbn BARO. TXT -filen der med enhver tekstredigerer.
8. Kontroller, om kolonne T og P indeholder rimelige data - normalt omkring 20-30 for T, omkring 1000 for P. Hvis du er i et køleskab eller på toppen af Everest, vil tallene naturligvis være drastisk forskellige.

Trin 8: Sollysbeskytter og krympeslange

Efter det foregående trin er vi sikre på, at alt fungerer ok, nu skal vi aflaste blinkende stifter, fordi vi ikke har brug for dem længere. Det er også bedre at præcist klippe haler af stifter, der forbinder sensoren og MCU -kortet, ellers kan de punktere enhedens ydre plastdæksel.

Sensoren, der bruges i projektet, bør ikke udsættes for direkte sollys. Vi vil lave et beskyttelsesskjold fra en ølbeholder i aluminium. Absolut, hvis du allerede er kommet så langt, har du fortjent indholdet i den fattige dåse. Klip et stykke aluminium af en størrelse på ca. 12*12 mm med en saks. Bøj derefter to modsatte sider af den med en tang for at lave en lille "bakke" 7*12*2,5 mm (0,28 "*0,5"*0,1 "). Efter bøjning skæres 1,5 mm striber fra de bøjede sider for at gøre bakken til en lidt lavere, cirka 1 mm høj.

Sæt bakken oven på sensoren. Bemærk - den bør ikke røre ved nogen kontakter! Læg derefter enheden med bakken i et stykke termisk krympeslange (lidt længere end brættet) og varm det godt op, men forsigtigt med loddeventilatoren (eller cigarettænderen). Kontroller igen, om aluminiumsdækslet ikke berører sensorens kontakter.

Trin 9: Videnskab

Nu har vi enheden klar til at køre. Det måler temperatur og lufttryk. Og også groft anslår højden. Desværre afhænger trykket af højden meget ikke-triviel måde, du kan læse om det i wikipedia. Hvordan beregner vi en ballonhøjde mere præcis måde? En af måderne er at bruge 1976 Standard Atmosphere Calculator. Din enhed indeholder de samme modeldata, men ikke særlig præcis på grund af enhedshukommelsesbegrænsninger. Ved hjælp af barometerdata og lommeregner kan du beregne højden meget bedre end deice gør på egen hånd. Under hensyntagen til vejrforholdene på din ballonudsendelsesplads (naturligvis registreres den på samme højdemåler i begyndelsen), og din startpunktshøjde kan du finde temperaturforskydning og lufttrykkorrektion og. Ved derefter at bruge den samme lommeregner kan du beregne alt endnu bedre. Med nogle regnearkfærdigheder kan du også lave datakort over en lancering.

Runner Up i Space Challenge