מד גובה ברומטרי אלקטרוני לבלוני סטרטוספירה: 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

הצוות שלנו, RandomRace.ru, משגר בלוני הליום. קטן וגדול, עם מצלמות ובלי. אנו משיקים קטנים כדי להוריד מחסומים אקראיים לתחרויות מרוצי הרפתקאות, וגדולים כדי ליצור סרטונים ותמונות מעולים מהחלק העליון של האווירה. זה עדיין לא החלל, אבל בגובה של 30 ק מ גובה לחץ האוויר הוא כ -1% מהנורמלי. זה כבר לא נראה כמו האווירה, הא? האחריות שלי בצוות היא אלקטרוניקה, ואני רוצה לשתף באחד הפרויקטים שלי המיושמים בחובה זו.

כיצד נוכל למדוד את גובה הבלון? עם GPS (רובם לא עובדים מעל 18 ק"מ) או עם מד גובה ברומטרי. בואו להכין אחד מלוח מיקרו -בקר (MCU)! אנחנו רוצים שזה יהיה קל, זול (מכיוון שלפעמים אנו מאבדים את הגששים), וקל לבנות, קל לשימוש. זה גם צריך למדוד לחצים נמוכים מאוד. המכשיר צריך לרשום נתונים לפחות 5 שעות ברציפות. בואו נשתמש בכמה סוללות ליתיום מכל טלפון נייד ישן כמקור כוח. בהתבסס על הדרישות, בחרתי בלוח מייפל מיני, מבוסס n ARM מיקרו -בקר (STM32F103RC) עם ממשק USB, 128 קילו -בייט של זיכרון פנימי, וזה מספיק הן לקושחת MCU והן לנתונים שנאספו. לרוע המזל (או למרבה המזל?), LeafLabs כבר לא מייצרת את הלוחות האלה, אך ניתן למצוא את השיבוטים שלהם בחנויות מקוונות בסין תמורת כמה דולרים בלבד. כמו כן נתרמנו עם מספר חיישני לחץ אוויר מסוג MS5534, המסוגלים למדוד 0.01 … 1.1 בר. זה מספיק פחות או יותר לגובה 30 ק"מ.

המכשיר די קל לייצר, צריך רק כמה כישורי הלחמה וכלים (אין צורך להלחם חלקים ממש קטנים) ומיומנויות מחשב בסיסיות. כאן תוכל למצוא מאגר github המכיל הן עיצוב PCB פורץ בפורמט Eagle והן הקושחה.

שלב 1: חלקים נדרשים

• שיבוט של לוח מייפל מיני MCU
• 4*1 2.54 מ"מ (0.1 אינצ ') שורת סיכות (נשלחת בדרך כלל עם לוח ה- MCU)
• סוללת LiPo 1S. סוללות מניידים ישנים או מצלמות פעולה מתאימות בצורה מושלמת.
• לוח מטען 1S LiPo
• חיישן ברומטרי MS5534
• לוח פריצה MS5534
• דיודת Schottky 1N5819 או דומה
• צמות JST RCY, 1*נקבה, 2*זכר
• פחית בירה מאלומיניום ריקה
• צינור כיווץ תרמי D = 2, 5 מ"מ (0.1 אינץ ') מכל צבע שהוא
• צינור כיווץ תרמי D = 20 מ"מ (0.8 אינצ '), שקוף

במקום MS5534 אתה יכול להשתמש ב- MS5540, אך הוא דורש לוח פריצה נוסף. אתה יכול להכין לבד, באמצעות EagleCAD או KiKad או מה שאתה מעדיף. אתה יכול גם להלחם את החיישן ישירות בעזרת חוטים אם יש לך מספיק כישורי הלחמה.

כלים נדרשים:

• סט כלים קבוע להלחמה
• מספריים ושכבות
• אופציונלי מאוורר הלחמה. אם אין ברשותך, תוכל להשתמש במגהץ ובמצת הסיגריות במקום זאת.
• כמה חוטים סטנדרטיים נקבה אחת נקבה
• כמה סיכות מגע נוספות
• לוח הדגמה STM32 שישמש כמכשיר מהבהב MCU. השתמשתי ב- NUCLEO-F303RE, אך ניתן להשתמש גם בכל לוחות STM32 Nucleo64 או Nucleo144.

שלב 2: חיישן הלחמה ללוח הפריצה

קודם כל, אתה צריך להלחם את החיישן ללוח הפריצה. השתמש במשחת הלחמה ובברזל הלחמה במאוורר הלחמה, אם יש לך כאלה. אם לא, אתה יכול לעשות זאת בעזרת מלחם רגיל והלחמה. בסיום חותכים ארבע סיכות שורה ושתי חתיכות חוט, כ -4 ס מ כל אחת. הלחם אותם עד לפריצה כפי שמוצג בתמונה השנייה - סיכות + ו - צריכות להיות מחוברות לחוטים, 4 אחרות ביניהן - לשורת הסיכות. סיכות צריכות להיות בצד התחתון של הפריצה.

שלב 3: הלחמת שאר המכשיר

יש לערום את לוח החיישנים ואת לוח ה- MCU, ולהניח את החיישן מעל שבב MCU

תרשים החיבור מוצג בתמונה הראשונה. והנה כל החיבורים המפורטים:

• סיכת פריצה "+" מחוברת לסיכת לוח MCU "Vcc"
• סיכת פריצה "GND" מחוברת לסיכת לוח MCU "GND"
• סיכות פריצה "8", "9", "10", "11" מחוברות לסיכות לוח MCU בעלות אותם מספרים.
• חוט JST RCY Maleblack מחובר לסיכת "GND" נוספת של לוח ה- MCU
• חוט אדום JST RCY מחובר לאנודה של דיודה
• קתודת דיודה מחוברת לסיכת "וין" של לוח MCU

לפני חיבור צמה JST, אל תשכח לשים חתיכת צינור מתיחה תרמי דק על החוט האדום.

הדבר האחרון לעשות - יש לבודד את הדיודה בעזרת צינור כיווץ תרמי. פשוט משוך אותו מעל הדיודה ולאחר מכן חמם אותו עם מאוורר ההלחמה שלך - הטמפרטורה המומלצת היא בערך 160C (320F). אם אין לך את המאוורר, פשוט השתמש בנר או מצית, אך היזהר עם זה.

שלב 4: סוללה ומטען

בואו ליצור מקור חשמל למכשיר ומטען עבורו. צריך לנקות את הזנב הנקבה לסוללה. חוט אדום ל- "+", שחור ל "-". הגן על החיבור בעזרת טיפת דבק תרמי, תיקון סרט דביק או סרט בידוד - לפי בחירתך.

הזנב הזכר חייב להיות מולחם ללוח המטען - חוט אדום ל- "B+", שחור ל- "B-". אבטח את הלוח בעזרת חתיכת צינור כיווץ תרמי. כעת תוכל לחבר את המטען לסוללה, ואת המטען לכל ספק כוח USB או יציאת מחשב. LED אדום על הלוח מציין טעינה שוטפת, ירוקה אחת - טעונה במלואה. הלוח עשוי להתחמם במהלך תהליך הטעינה, אך לא יותר מדי.

שלב 5: מהבהב המכשיר

כדי להבהב את המכשיר, עליך להתקין כמה תוכנות. עבור Windows, תוכל להשתמש ביישום מקורי מאתר st.com. למרבה הצער, עליך להירשם כאן.

תחת Linux או Mac (ובכן, גם ב- Windows זה אפשרי), אתה יכול להשתמש ב- OpenOCD. אנא מצא את הוראות ההתקנה והשימוש באתר שלהן.

עכשיו אתה יכול להוריד את הקושחה.

כדי להכין את המכשיר להבהב, עליך להלחים זמנית שני סיכות נוספות לאנשי הקשר 21 ו -22 של לוח ה- MCU.

כדי לחבר את המכשיר שלנו לפלאשן:

• פתח את שני המגשרים במחבר CN2 של הלוח Nucleo (לבן). זה מאפשר ללוח להבהב התקנים חיצוניים.
• חבר סיכה MCU 21 לסיכה 2 של מחבר Nucleo CN4
• חבר את חוט הסוללה השחור לפין 3 של מחבר ה- Nucleo CN4
• חבר את פין MCU 22 לסיכה 4 של מחבר Nucleo CN4
• חבר את המכשיר ואת לוח Nucleo למחשב באמצעות כבלי USB.

• הבזק את תוכנת הקושחה (Windows)

  • הפעל את כלי השירות ST-LINK STM32
  • בחר קובץ -> פתח קובץ … -> פתח את הקושחה שהורדת
  • בחר יעד -> אפשרות בתים …, בחר הגנת קריאה: מושבת. לחץ על החל
  • בחר יעד -> תכנית ואמת, לחץ על התחל

• הבזק את הקושחה (Linux ו- Mac)

  • הורד והתקן את OpenOCD.
  • הפעל את הפקודה

openocd -f interface/stlink -v2-1.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "init; איפוס עצירה; stm32f1x ביטול נעילה 0; תוכנית baro_v4.hex; כיבוי"

זהו זה!

שלב 6: אופן השימוש במכשיר

אם הכל נעשה כראוי, אנו מוכנים להפעיל את המכשיר. מד הגובה כולל שלושה מצבים:

מחק נתונים

הפעל את המכשיר באמצעות USB או באמצעות מחבר סוללה אדום. לחץ על הכפתור (הכי רחוק ממחבר ה- USB) והחזק אותו למשך 2-3 שניות. LED כחול אמור להתחיל להבהב מהר מאוד ולהמשיך להבהב כך עד שכל הנתונים יימחקו.

נתוני רישום

חבר את המכשיר לסוללה באמצעות המחבר האדום. נורית כחולה מהבהבת לעתים תכופות למשך מספר שניות ולאחר מכן הופכת למצמץ פעם בשנייה. בכל פעם שהוא מהבהב, נכתבת דגימת נתונים לזיכרון המכשיר הפנימי. המכשיר יכול להקליט עד 9 שעות מדידות.

קריאת הנתונים

נתק את הסוללה וחבר את המכשיר למחשב באמצעות כבל USB. לאחר כמה שניות של מצמוץ תכוף הוא הופך למצמוץ פעמיים בשנייה. זהו מצב קריאת נתונים. המכשיר מזוהה ככונן הבזק בשם BARO_ELMOT. הכונן אינו ניתן לכתיבה, ניתן לקרוא ממנו רק נתונים. במנהל קבצים אתה יכול למצוא שני קבצים במכשיר - הראשון נקרא כמו LEFT_123. MIN. זהו קובץ מזויף, הוא אינו מכיל נתונים, אך זה "123" פירושו שעדיין יש מקום ל 123 דקות של רישום נתונים. קובץ אחר, BARO. TXT, מכיל נתונים שנאספו בפועל, כלומר טקסט מופרד בכרטיסיה - כותרת ולאחר מכן שורות נתונים. ניתן לייבא פורמט זה בקלות ל- MS Excel, או לכל יישום גיליון אלקטרוני אחר, כולל Google Sheets. כל שורה מכילה מספר סדרה (S), מספר דוגמה (N) (= זמן שחלף בשניות), טמפרטורה (T) ב- צלזיוס, לחץ האטמוספירה (P) במארס, וערך גובה גס (A), במטרים מעל פני הים. הערה! ערכי "A" הם ממש גסים, אתה יכול לחשב את הגובה מנתוני לחץ בעצמך. ראה שלבים נוספים.

שלב 7: בדיקת המכשיר

1. חבר את הסוללה למכשיר. נורית LED צריכה להתחיל להבהב.
2. לחץ והחזק את כפתור המשתמש. לאחר 2-3 שניות LED יתחיל במהירות. שחרר את הכפתור. שמור על קור רוח, אל תנתק את הסוללה. הנתונים נמחקים.
3. לאחר זמן מה הנורית מתחילה להבהב פעם בשנייה.
4. שמור את המכשיר דולק למשך 30 שניות לפחות.
5. נתק את הסוללה
6. חבר את המכשיר למחשב באמצעות כבל USB.
7. המכשיר יופיע ככונן הבזק קטן בגודל 3Mb בלבד. פתח שם קובץ BARO. TXT עם כל עורך טקסט.
8. בדוק אם העמודות T ו- P מכילות נתונים סבירים - בדרך כלל בערך 20-30 עבור T, כ -1000 עבור P. אם אתה במקרר או בחלק העליון של האוורסט, המספרים יהיו שונים באופן דרסטי, כמובן.

שלב 8: מגן מפני קרינת השמש וצינור כיווץ

לאחר השלב הקודם אנו בטוחים שהכל פועל כשורה, כעת עלינו להסיר סיכות מהבהבות, כי איננו זקוקים להן יותר. כמו כן עדיף לחתוך במדויק זנבות של סיכות המחברות בין החיישן ללוח ה- MCU, אחרת הן יכולות לנקב את מכסה הפלסטיק החיצוני של המכשיר.

החיישן המשמש בפרויקט לא צריך להיות חשוף לאור שמש ישיר. נכין מגן הגנה מפחית בירה מאלומיניום. בהחלט, אם התקדמתם עד כדי כך כבר, מגיע לכם התוכן של אותה פחית ענייה. חותכים במספריים חתיכת אלומיניום בגודל של כ 12*12 מ"מ (0.5 "*0.5"). לאחר מכן כופפו אותו שני צדדים מנוגדים בעזרת צבת ליצירת "מגש" קטן 7*12*2.5 מ"מ (0.28 "*0.5"*0.1 "). לאחר הכיפוף, חותכים פסים של 1.5 מ"מ מהצדדים המכופפים, כדי להפוך את המגש ל קצת נמוך יותר, גובהו כ- 1 מ"מ.

שים את המגש על גבי החיישן. שימו לב - זה לא אמור לגעת באנשי קשר! לאחר מכן הכניסו את המכשיר עם המגש לחתיכת צינור כיווץ תרמי (קצת יותר מהלוח) וחממו אותו היטב, אך בזהירות בעזרת מאוורר הלחמה (או מצית הסיגריות). בדוק שוב אם מכסה האלומיניום אינו נוגע במגעי החיישן.

שלב 9: מדע

עכשיו יש לנו את המכשיר מוכן להפעלה. הוא מודד טמפרטורה ולחץ אוויר. וגם מעריך בערך את הגובה. למרבה הצער, הלחץ תלוי בגובה בצורה מאוד לא טריוויאלית, אתה יכול לקרוא על כך בויקיפדיה. כיצד אנו מחשבים גובה בלון בצורה מדויקת יותר? אחת הדרכים היא שימוש במחשבון האטמוספירה הסטנדרטית משנת 1976. המכשיר שלך מכיל את אותם נתוני הדגם, אך אינו מדויק במיוחד בשל מגבלות זיכרון ההתקן. באמצעות נתוני הברומטר והמחשבון, אתה יכול לחשב את הגובה הרבה יותר טוב מאשר הקוביות לבד. גם בהתחשב בתנאי מזג האוויר בנקודת ההשקה של הבלון שלך (ברור שזה נרשם לאותו מד גובה ממש בהתחלה), וגובה נקודת ההשקה שלך תוכל למצוא שינוי טמפרטורה ותיקון לחץ אוויר ו. לאחר מכן באמצעות אותו מחשבון, תוכל לחשב הכל אפילו טוב יותר. עם כמה מיומנויות גיליון אלקטרוני, אתה יכול גם ליצור תרשימי נתונים של השקה.

סגנית האתגר בחלל