Telemetria Ambiental Con Cohete De Agua: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Hola soy Fabián Picado García y quiero mostrarles cómo elaborar un sistema de telemetría ambiental by el empleo de un cohete de agua, lo cual implica que nos enfocaremos en la construcción de dos componentes:

a) primero, un cohete y su base de lanzamiento; sì

b) luego, un sistema de recolección de datos incorporado al cohete.

De esta forma, concretaremos el principal objetivo de este proyecto, consistente en:

- Medir la concentrazione de monóxido de carbono (CO) en el aire según la altitud y lugar geográfico mediante un cohete de agua, para establecer su posible impacto tóxico en las aves.

Como ya lo habrán notado, es una meta bastante ambiciosa pero realizable. Para hacerlo debemos recolectar diferentes datos (por ejemplo las variaciones de presión y en la aceleración) y, finalmente, identificar la concentración en el airre del citado gas (CO), para así establecer sus efectos.

Una cosa si es segura, al terminar contaremos con un sistema de telemetría con un costo aproximado de sesenta mil colones y de gran interés ambiental, sea para aportar con la preservación de nuestro hogar: el planeta Tierra.

Ahora si, ¡manos a la obra!

Passaggio 1: Indispensabili

Materiali:

1. Un sensore di pressione barometrica.* Ver:

2. Un acelerómetro.* Ver:

3. Un sensore di gas di monossido di carbonio. Ver:

4. Arduino UNO. Ver:

5. Un Adafruit Featther MO.* Ver:

6. Un emettitore recettore (2 antenas de cable de cobre*). Ver:

7. Tres breadboard (con las siguientes dimensioni: verde di 1,5 x 2 cm e bianco di 83 x 54,5 cm). Ver: a) https://www.crcibernetica.com/clear-breadboard-8-3… b)

8. Lamelle MDF da 3 mm di spessore per le cortes láser.

9. Tornilli M3X25 e M2X12.

10. Una pantalla LCD. Ver:

11. Cavi Dos USB (tipo B y tipo Micro USB).

12. Le bottiglie di plastica da 3 litri (usate per rinfrescare).

13. Una bottiglia di plastica da 2,5 litri (usada para refresco).

14. La dimensione di una sfera di plastica, tonalità e diametro di 45 mm.

15. Una bolsa plastica para basura.

16. Un rollo de pabilo.

17. Una cinta adhesiva y un rollo de tape eléctrico.

18. Dos litros de agua.

19. Una tarjeta memoria Micro SD e adattatore SD.

20. Per la base di lanzamiento del cohete, ocuparemos: 2 tubi di PVC da 1/2" di 6 metri, 3 unioni tipo T da 1/2" di PVC, 3 tubi di PVC da 1/2" per la vendita di tubi, unioni di PVC da 2” (lanzatore), 8 gazas plastiche, 2 gazas metalliche, trozo de botella plastica da 2,5 litri (sobrante de l'utilizada), pegamento per PVC e valvola per aro de carro.

*Nota: estas piezas requieren de soldadura previa en sus pines.

1. Herramientas: 1. Cautín y soldadura de estaño. 2. Distorsore. 3. Alicato. 4. Tijeras. 5. Regola. 6. Llave Allen (para ajustar tornillos). 7. Taglierina o cuchilla. 8. Marcador. 9. Computadora (portatile raccomandabile). 10. Un gonfiatore per bici da 100 PSI.

Passaggio 2: Cortar El Cohete

En esta etapa construiremos los módulos, el cono y el paracaídas del cohete. Empezaremos por el compartimiento denominato módulo 2 de medicines porque aquí se almacenará el sistema de telemetría. Para su elaboración tomamos una de las dos botellas de 3 litros (preferiblemente estas botellas deben tener el cilindro con una superficie lisa) y cortamos con la cuchilla donde termina la superficie plana, en la parte inferior; es decir, aproximadamente de la boca de la botella a dicho punto se miden 31 cm (donde se marca en la imagen), cortándose en línea recta y alrededor de todo el perímetro. Lo que nos interesa conservar es el cilindro pues la parte inferior cortada se desecha. Además, para obtener la nivelación de la presión necesaria del sensor, debe abrirse en este módulo 2 una ventana que ubicaremos en la parte media de la botella, in particolare a una distanza di 13 cm de su boca. La ventana è in forma rettangolare, disegnando con marcatore il contorno con una dimensione di 4.5 cm x 7 cm e per realizzare il cuatro cortes con la cuchilla si consiglia di introdurre dentro la bottiglia una base o apoyo sólido ed encima de este una hoja blanca para que se pueda distinguir el rectángulo marcado. Después cubrimos los bordi con nastro elettrico per evitare incidenti.

Al segundo compartimiento le llamamos módulo 1 de propulsión porque es el que impulso el cohete durante el despegue. Su elaboración es muy simple porque se usa la botella en sí, sin añadirle ni hacerle ningún cambio o modificación. Eso sí, es fondamentali cerciorarse que no contenga ningún tipo de agujero o filtración porque aquí se vaciarán los 2 litros de agua antes del despegue; líquido que funcionará como combustible del cohete.

Cono del cohete: se elabora con la tercera botella de 2.5 litros, midiéndose 12 cm desde la boca de la botella hacia su base, punto en el cual se realiza un corte con la cuchilla en línea recta y alrededor de todo el diámetro (como se muestra en la imagen). Posteriormente, tomas la pieza che contiene la boca de la botella (la restante se puede utilizar en la base de lanzamiento) e tapamos la última con la mitad de la esfera de 45 mm de diámetro. La esfera se adhiere a la tapa con tape eléctrico, dándole dos vueltas para que se sujete bien.

Paracaídas: es el componente che amortigua el aterrizaje, per la costruzione usata una bolla di plastica per la base rettangolare di 45 cm x 50 cm, la quale in caso di differenza dei comuni è debido a su forma distinta in la parte inferiore (ver imagen). Sin embargo, en l'eventualidad de no conseguir de este type, la solución es Adaptar cualquier bolsa de plastic del supermercado y cuyo tamaño sea de aproximadamente 29 cm x 47 cm (incluso in l'ultima medida las agarraderas). Primero, acomodan la bolsa introduciendo los pliegues de los lados para quede con la forma rettangolare indicada (conforme viene empacada cuando todavía no ha sido usada y se aprecia en la foto). Después le cortan las asas o las agarraderas, doblan la bolsa a la mitad, unen con cinta adhesiva ambas partes por el borde inferior y la voltean de afuera hacia adentro, de manera tal que la unión realizada quede a lo interno de la bolsa y lista per ser usada. (Ver las immagini)

Luego nos ubicamos en la parte superior de la bolsa (por donde usualmente se introducen los objetos en esta) y hacemos cinco aberturas, de modo que el perímetro de la bolsa (que por cierto es mayor en ese borde que en el lower debido a las porciones dobladas no ha sido utilizada) se divide e identifica con el marcador en cinco fracciones, para obtener el espaciado entre cada abertura que realizaremos. La bolsa que empleo mide 90 cm de perímetro (longitud simile a la que presenta la bolsa Adaptada), por lo que marqué 18 cm de espaciado. Además, cada abertura se efectúa con la tijera, de modo que iniciamos el corte en el borde superior hacia el borde inferior de la bolsa, hasta alcanzar 20 cm de longitud; por lo que, una vez cortadas todas las aberturas, se generan 5 franjas en la bolsa. Después, tomamos el pábilo y cortamos un segmento de 70 cm, el cual atamos en el extremo superior de la primera franja de la bolsa, Para hacerlo enrollamos la base lower de la franja, colocamos el pábilo a una distancia de 7 cm del borde, lo pasamos alrededor del rollo, le hacemos un nudo; luego le damos una vuelta más y hacemos un secondo nudo. Seguimos este procedimiento con las cuatro franjas restantes (según la secuencia fotográfica).

Por último, juntamos los cinco segmentos de pábilo y sobre ellos montamos un sexto segmento de pábilo de 60 cm. Hacemos un nudo con todos los hilos, el cual debe quedar bien firme. El extremo final del pábilo se enrolla dos veces en la boca de la botella del módulo 2 y, luego, para unir el paracaídas con el compartimiento de medicines hacemos otro nudo (como se aprecia en las imágenes).

Fase 3: Conexiones Eléctricas (Recettore)

Leggere il momento di realizzazione delle connessioni elettriche tra la pantalla LCD e la placa de prototipo o breadboard, con la fine di ricevere il senale sobre l'inizio delle medicine.

En primer lugar, unimos los cable de la pantalla LCD con el Arduino UNO e la placa de prototipado (según el video). Al riguardo es importante hacer dos observaciones:

a) Aclarar que para las conexiones de la pantalla nos basamos en el texto: "El libro de proyectos de Arduino" (2014, p.116) y para la conexión de cada pin consultamos la hoja de datos del recettore. Ver:

b) En la conexión de la pantalla seguiremos la identificación del Arduino UNO (como se ve en la imagen adjunta); sin embargo, les recomiendo cambiar el potenciómetro por una resistencia fija con un valor de 10 k y conectamos a GND (divisor de tensión), por lo que no les aconsejo utilizar el elemento propuesto en el citado libro, cuyo ajuste es manual. Lo anterior con el fin de que el brillo de la pantalla se mantenga constante sin requerir ajustes.

En segundo orden, dado que es necesaria la protección y estabilidad de la placa de prototipado con sus conexiones, también vamos a elaborar lo que llamamos una "caja receptora", la cual tiene forma de prisma rettangolare de 150 x 80 x 80 mm. El procedimiento para construir la caja descrita es mediante los cortes en láser de las láminas MDF (de 3 mm de grosor). Descargue el siguiente archivo que contiene las forms with los cortes en láser. Debo indicar que el contorno de las caras del prisma è basado en el diseño elaborato da Thomas de Camino. Ver:

Archivio:

Cuando tenemos listos los cortes de la caja, en una de las caras de 150 x 80 mm debe empotrarse la pantalla LCD, pasándose primero los cable por una ranura rettangolare, per luego atornillar (con tornillos M3) la pantalla (ver el video). Con la placa de prototipado y sus circuitos ya terminada, procedemos a colocar el recettore y su antena. La última debemos hacerla manualmente porque si bien en la hoja de datos sí se visualizza como parte del kit de emisor y receptor, lo cierto es que no venía en el producto comprado y por ello, tenemos que construirla. Con este propósito les recomiendo enrollar un alambre de cobre en una pieza cilíndrica de 5 mm de diámetro (yo utilizo una pieza de Lego pero pueden usar un lápiz, lapicero, etc.). L'antenna es de 21 espira e se deja uno spazio di 2 cm per soldarla en el recettore y así lograr mejor manipolation y funcionamiento (ver el detalle en la secuencia fotográfica).

Para la instalación de la antena al recettore tomé como modelo la hoja de datos antes referida, pero conectando el pin de "data" en la entrada digital 8 del Arduino UNO porque en la hoja lo ubican en el pin 2, el cual ya está ocupado.

Habiendo colocado el receptor y la antena, introducimos la placa del prototipado que debe quedar al frente de los pines de las salidas de alimentación del Arduino UNO; es decir, en posición paralela a la pared donde se empotró la pantalla dentro de la caja receptora, per lo cual se engranan las restantes paredes de la caja. En la pared posterior se debe dejar la prevista para la conexión de USB en la ranura cuadrada y el rettangolare para la salida de la antena. (Ver el video).

Fase 4: Conexiones Eléctricas (A Bordo Del Cohete)

En esta etapa vamos a ensamblar el sistema de telemetría que se introdurre posteriormente en el módulo 2 del cohete.

Inizialmente empotramos el microcontrolador o el Adafruit feather M0, el sensor de presión barométrica, el sensor de gas MQ-7 e la corrispondente breadboard, sea para establecer las conexiones entre sí.

Ante lo dicho ocuparemos una struttura a la cual adherir los indicados componentes. Con este propósito diseñe una con forma cilíndrica integrada por dos discos de 115 mm de diámetro y una pieza rettangolare de 70 x 50 mm; adjuntándose el archivo para el corte láser. Archivio:

Tomamos la pieza rettangolare y con la ayuda de los tornillos M2 sujetamos cada uno de los components en su rispettivo espacio. Para ello sujetamos la pieza de MDF de forma tal que las aberturas de los dos rectángulos paralelos se posicionen en el borde superior izquierdo y seguidamente, colocamos el microcontrolador con el USB hacia abajo, agregándole cuatro espaciadores para lo cual utilice también pueden usarse tuercas o cualquier otro elemento funzionale. De esta manera se le da la separación necesaria para facilitar su posterior conexión. Después ponemos el sensor de presión y así, sucesivamente, los restantes components, todo según la imagen. Les sugiero pegar las breadboard con tape eléctrico (aunque igual puede emplearse goma, silicona o similares) y colocar la memoria antes del microcontrolador porque, de lo contrario, la tapa inferior no lo permite.

Luego tomamos una de las dos tapas circolari, específicamente la que tiene varios agujeros, y la ponemos en la parte superior, o sea por encima del Adafruit feather M0. En los agujeros de dicha tapa adherimos el acelerómetro y, posteriormente, las rispettivas breadboards con las conexiones del circuito. La breadboard blanca y la primera breadboard verde en la pieza rettangolare. La segunda breadboard verde en la tapa superior junto al acelerómetro.

En la breadboard de color blanco conectamos el pin de tierra del microcontrolador a la parte negativa de la tabla y el pin USB lo conectamos a la parte positiva. El pin SDA lo conectamos a una de las filas de la breadboard color verde; de igual manera, con el pin SCL.

Per collegare il sensore di pressione e il pin Vcc lo inseriamo nella colonna positiva. De igual manera, con el pin GND en la columna negativa. Finalmente, los pines SDA y SCL los conectamos en sus rispettivas columnas de la breadboard verde.

En cuanto al sensor de gas, el pin Vcc lo conectamos a la columna positiva y el pin GND en la negativa. Per ultimo, il pin A0 lo collega e una delle colonne rimanenti della breadboard verde e sta collegando con il pin A3 del microcontrollore.

Para el acelerómetro conectamos el pin GND en la columna negativa y el pin Vcc lo conectamos en una de las filas de alimentación de la breadboard verde, luego de aquí al pin 3.3 V de micro controlador. Después, los pines SDA e SCL se unen con la rispettiva colonna della breadboard verde.

Per altro lado, en la breadboard que colocamos en la parte superior conectamos el emisor. El pin Vcc y el pin GND se une con la columna positiva y negativa de la indicada barra de alimentación color blanco. Asimismo, el pin de data lo conectamos en la entrada 11 del microcontrolador.

En resumen, las conexiones en una de las dos breadboard verdes puede observarse en la imagen adjunta.

Después, pegamos la batería USB e la pieza rettangolare, al frente e in posizione verticale. A este momento lo único que nos resta es insertar esta estructura en el módulo 2 del cohete, lo cual se hace manualmente y en el momento en que se va a iniciar la recolección de datos. La forma de ingresarla es ubicando la parte donde está la antena de primero. Después debe alinearse con la ventana que abrimos en este compartimiento y así lograr la ventilación necesaria pues al quedar de frente a tal ventana permitirá que el sensor de presión y de gas puedan efectuar las correctas medicines de altitud y de concentración de CO en el el CO en el.

Passaggio 5: Scarica i programmi

Ora debemos scaricare i programmi e i microcontrollori per poter utilizzare le funzioni. Con este propósito ingrese en la siguiente página y descargue los archivos denominados: a) emisión de datis, b) recepción de datis yc) las librerías necesarias (I2Cdev.zip, MPU6050.zip, Adafruit_BMP280_Library-Sensor_master.zip). Archivio:

Dentro de cada programa se incorporan, a manera de comentario, las interactientes explicaciones sobre el funcionamiento general de cada uno de ellos.

Para descargar el programa en el microcontrolador se realizan los siguientes pasos:

-Arduino UNO: collega il cavo USB del ricevitore a uno dei porti USB del computer. En el software Arduino IDE desde la pestaña de Herramientas selectionamos el puerto COM donde el Arduino UNO se conectó (la computadora le indicará dicho puerto). Igual, dentro de la pestaña Herramientas, entramos a Placa y seleccionamos Arduino/Genuino UNO (ver captura de pantalla). Finalmente, damos click en subir y se realiza la descarga.

-Adafruit feather M0: collega il cavo USB del sistema di telemetria a uno dei porti USB del computer. Ingresiamo al software Arduino IDE e desde la pestaña de Herramientas seleccionamos el puerto COM, donde el Adafruit Feather M0 se conectó. Nos mantenemos en Herramientas, ahí nos dirigimos a Placa y seleccionamos Adafruit piuma M0 (ver captura de pantalla). Per finire, damos click en subir.

Después, para comprobar el trabajo realizado desde el software ingresamos al monitor series para cada uno de los instrumentos construidos y verificamos los datas en pantalla.

Passaggio 6: Ensamblar El Cohete e La Base Del Lanzamiento

Una de las partes más fáciles y emocionantes del proyecto es cuando unimos todas las piezas del cohete para luego dar inicio a la medical de los datos requeridos.

Comenzamos con el empaque del paracaídas, para lo cual doblamos la bolsa a la mitad y luego dividimos la franja que se nos forma en tres porciones. La primera se dobla hacia donde están amarrados los pábilos, luego se dobla la segunda parte en la misma dirección. Después, se toman todos los pábilos unidos with las manos y se rodea la última fracción del paracaídas hasta que los pábilos la rodeen por complete y ya no queda más pábilo por enrollar. El paquete formado se coloca tapando la boca de la botella del módulo 2, al cual antes habíamos atado el paracaídas. Encima se pone el cono presionado la pieza hacia el módulo 2 (como se observa en las imágenes).

Posteriormente, corrispondente ensamblar el módulo 1 pero aquí en forma provvisoria pues, de manera definitiva, se realizará cuando ya se va a efectuar el despegue y hayamos cargado el líquido que funciona como "combustible" (como se explica en el siguiente paso). Para realizar este ensamble la parte inferior de la botella se present a presión, sea quede sujeta por sí misma; dentro del módulo 2. Finalmente, deberá reforzarse con tape eléctrico pero está acción -como se ha dicho- se realizará como último paso, sea poco antes de iniciar el vuelo.

Con el cohete ya concluido solo nos falta construir la base de lanzamiento. para cuyo procedimiento pueden visitar las siguientes páginas:

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Además, en la imagen adjunta en el siguiente paso se detallan las partes y medidas que deben tomarse en cuenta para la construcción de una base similar a la que aquí utilizada.

Finalizada la base de lanzamiento, ajustamos el inflador con la válvula.

Fase 7: Recolección De Datos (Despegue Del Cohete)

Antes de colocar el cohete en la base de lanzamiento llenamos con dos litros de agua, como combustible (según se observa en la imagen), el módulo 1 de propulsión. Luego se introduce la boca de la botella del módulo 1 en la base de lanzamiento. Después se ensambla el módulo 2 de medicines, colocándose encima del módulo 1 y assegurándolo con tape eléctrico en l'unione di ambos compartimientos (con, al menos, dos vueltas de tape). Finalmente, se enrolla el paracaídas en la forma ya explicada, este se coloca en la boca de la botella del módulo 2 y se tapar con el rispettivo cono. Cabe aclarar que el cono únicamente se coloca encima sin ningún tipo de seguro o unión para que el viento fácilmente lo pueda desprender cuando inicie la etapa de regreso a tierra.

Preparare il coete e la base de lanzamiento (cuyas medidas y componenti se observan en l'imagen anexa), esperamos la señal enviada por el sistema de telemetría que nos indicará cuando todo esté listo para el despegue; esto con el fin de asegurarnos que el equipo funcione correttamente para poder recolectar los datos deseados.

Conectamos la caja receptora a la computadora e ingresamos al software Arduino IDE, selectionamos la tarjeta Arduino/Genuino UNO, el puerto COM corrispondente e entramos al monitor series. Tanto en la computadora como en la pantalla LCD de la caja receptora se nos señalará que il sistema è preparato per l'ottenimento di informazioni e automaticamente comenzará la recolección de datos desde tierra.

Con el cohete colocado en la parte superior de la base de lanzamiento (como se visualiza en el video) se pedalea el inflador hasta alcanzar 30 PSI, se acciona el lanzador bajando la pieza de PVC (donde lo indica la flecha) y se produce el despegue (ver video).

Desde el cohete en vuelo, el sistema simultáneamente comienza a almacenar los datos recolectados en la memoria SD interna como a enviarlos a la computadora. Dichos datos serán process en la computadora en un libro de Excel tomando come referencia la information guardada en la memoria.

Fase 8: Analisi di Los Datos Recolectados

Terminado el vuelo del cohete, podemos realizar varias tareas, entre otras:

- Utilizar las variaciones de presión para determinar la altitud alcanzada por el cohete.

- Identificare la concentrazione di monossido di carbonio nell'aria.

Con esta finalidad, concluido el aterrizaje del cohete se introdurre la memoria del sistema di telemetria en la computadora. Ahí encontraremos un archivio “datalogger.txt” del cual copiamos los datos. Dicha información la pegamos en la hoja de Excel llamada “Análisis de datis”. Después de haber pegado los datos en la pestaña de Inicio buscamos la función de Reemplazar, cambiamos el punto por la coma y damos click en l'opzione Reemplazar todos.

Una vez descargada la hoja, hallaremos dos tablas, una denominada “Mediciones sin procesar”, donde se pega la información recogida y la otra llamada “Mediciones procesadas”, en la cual se registra la concentración de monóxido de carbono (CO) en partes por millón (ppm), la aceleración en cada uno de los ejes (g), la altitud (msnm) y el ángulo con rispetto a los ejes “x” y “y”. Además, más abajo, en el mismo documento, se despliegan dos gráficos, una sobre la concentrazione di CO in funzione dell'altura e un'altra dell'altura in funzione del tempo. En la siguiente página descargue el archivo de Excel ("Análisis de datos").

Con el procesamiento de tales datos, finalmente, podemos definir el posible impacto tóxico para el ambiente. Esto porque el monóxido de carbono es un gas incoloro, inoloro e insípido, lo cual refleja su dificultad para ser detectado, por lo que -con la ayuda de estas mediciones-podemos identificator lugares donde su concentración es mayor.

Per maggiori informazioni sul tema, puoi visitare le seguenti pagine:

- Reglamento sobre la calidad del aire en Costa Rica

www.digeca.go.cr/sites/default/files/reglam…

- Altre informazioni complementari:

www.estadonacion.or.cr/files/biblioteca_vir…

www.ministeriodesalud.go.cr/index.php/noti…

Es conocido que este compuesto químico afecta tanto a los seres humanos como a la flora y fauna y si bien es cierto también es más común de localizar en la superficie de la tierra, su detección es poco frecuente en altre altitudini, donde podría ser mayor su incidencia en animales que usualmente ocupan estos espacios, como ocurre –por ejemplo- con las aves. Además, la telemetria nos permitirá valorar si las concentraciones de CO son costanti, independientemente de la altitud; o si, por el contrario, se presentan variaciones conforme a la altura alcanzada y a la trayectoria del cohete.