Altimetro barometrico elettronico per palloni stratosferici: 9 passaggi (con immagini)

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

Il nostro team, RandomRace.ru, lancia palloncini di elio. Piccoli e grandi, con e senza telecamere. Lanciamo quelli piccoli per far cadere in modo casuale i checkpoint per le gare di corse avventurose e quelli grandi per realizzare fantastici video e foto dall'alto dell'atmosfera. Non è ancora lo spazio, ma a 30 km di altitudine la pressione atmosferica è circa l'1% del normale. Non sembra più l'atmosfera, eh? La mia responsabilità nel team è l'elettronica e voglio condividere uno dei miei progetti implementati per questo compito.

Come possiamo misurare l'altitudine del pallone? Con GPS (la maggior parte non funziona oltre i 18 km) o con altimetro barometrico. Facciamone uno da una scheda microcontrollore (MCU)! Vogliamo che sia leggero, economico (dato che a volte perdiamo le nostre sonde) e facile da costruire, facile da usare. Dovrebbe anche misurare pressioni molto basse. Il dispositivo dovrebbe registrare i dati per almeno 5 ore consecutive. Usiamo una batteria al litio da qualsiasi vecchio telefono cellulare come fonte di alimentazione. In base ai requisiti, ho scelto la scheda Maple Mini, basata su un microcontrollore ARM (STM32F103RC) con interfaccia USB, 128 Kb di memoria interna, sufficiente sia per il firmware MCU che per i dati raccolti. Sfortunatamente (o fortunatamente?), LeafLabs non produce più quelle schede, ma i loro cloni potrebbero essere trovati nei negozi online cinesi per solo un paio di dollari. Inoltre ci è stato donato un numero di sensori di pressione dell'aria MS5534, in grado di misurare 0,01…1,1 bar. Questo è più o meno sufficiente per 30 km di altitudine.

Il dispositivo è abbastanza facile da realizzare, hai solo bisogno di alcune abilità e strumenti di saldatura (non è necessario saldare parti davvero piccole) e competenze informatiche di base. Qui puoi trovare un repository github che contiene sia il design PCB breakout in formato Eagle che il firmware.

Passaggio 1: parti richieste

• Clone di Maple Mini MCU board
• Fila di pin 4*1 da 2,54 mm (0,1") (solitamente fornita con la scheda MCU)
• Batteria LiPo 1S. Le batterie di vecchi cellulari o action cam si adattano perfettamente.
• Scheda caricabatterie LiPo 1S
• Sensore barometrico MS5534
• Scheda breakout MS5534
• 1N5819 Diodo Schottky o simile
• Codini JST RCY, 1 * femmina, 2 * maschio
• Lattina di birra vuota in alluminio
• tubo termoretraibile D=2, 5mm(0.1") di qualsiasi colore
• tubo termoretraibile D=20mm(0.8"), trasparente

Invece di MS5534 puoi usare MS5540, ma richiede un'altra scheda breakout. Puoi farlo da solo, usando EagleCAD o KiKad o quello che preferisci. Puoi anche saldare il sensore direttamente con i fili se hai abbastanza capacità di saldatura.

Strumenti richiesti:

• Set regolare di strumenti per la saldatura
• Forbici e veli
• Facoltativamente una ventola di saldatura. Se non ne hai uno, puoi usare il saldatore e un accendisigari.
• alcuni cavi femmina-femmina standard a 1 pin
• un paio di pin di contatto extra
• Una scheda demo STM32 da utilizzare come dispositivo flash MCU. Ho usato NUCLEO-F303RE, ma è possibile utilizzare anche una qualsiasi delle schede STM32 Nucleo64 o Nucleo144.

Passaggio 2: sensore di saldatura sulla scheda breakout

Prima di tutto, dobbiamo saldare il sensore sulla breakout board. Usa pasta saldante e saldatore a ventola, se ne hai. In caso contrario, puoi farlo con un normale saldatore e saldatura. Quando è fatto tagliare quattro file di spilli e due pezzi di filo, di circa 4 cm ciascuno. Saldarli al breakout come mostrato nella seconda immagine - i pin + e - dovrebbero essere collegati ai fili, altri 4 tra di loro - alla fila di pin. I pin devono essere sul lato inferiore del breakout.

Passaggio 3: saldatura del resto del dispositivo

La scheda del sensore e la barra MCU devono essere impilate e il sensore deve essere posizionato sul chip MCU

Lo schema di collegamento è mostrato nella prima immagine. Ed ecco tutti i collegamenti elencati:

• Il pin di breakout "+" è collegato al pin "Vcc" della scheda MCU
• Il pin di breakout "GND" è collegato al pin "GND" della scheda MCU
• I pin di breakout "8", "9", "10", "11" sono collegati ai pin della scheda MCU con gli stessi numeri.
• Il cavo JST RCY Maleblack è collegato a un altro pin "GND" della scheda MCU
• JST RCY Il filo rosso maschio è collegato a un diodo anodo
• Il catodo del diodo è collegato al pin "Vin" della scheda MCU

Prima di collegare il codino JST, non dimenticare di mettere un pezzo di tubo elastico termico sottile sul filo rosso.

Ultima cosa da fare: il diodo deve essere isolato con un tubo termoretraibile. Basta tirarlo sopra il diodo, quindi riscaldarlo con la ventola di saldatura: la temperatura consigliata è di circa 160 ° C (320 ° F). Se non hai il ventilatore, usa solo una candela o un accendisigari, ma fai attenzione.

Passaggio 4: batteria e caricabatterie

Creiamo una fonte di alimentazione per il dispositivo e un caricabatterie per esso. Il codino femmina dovrebbe essere saldato alla batteria. Filo rosso su "+", nero su "-". Proteggi la connessione con una goccia di colla termica, una pezza di nastro adesivo o un nastro isolante, a tua scelta.

Il codino maschio deve essere saldato alla scheda del caricatore - filo rosso su "B+", nero su "B-". Fissa la scheda con un pezzo di tubo termoretraibile. Ora puoi collegare il caricabatterie alla batteria e il caricabatterie a qualsiasi alimentatore USB o porta del computer. Il led rosso sulla scheda indica la carica in corso, quella verde la batteria completamente carica. La scheda potrebbe surriscaldarsi durante il processo di ricarica, ma non troppo.

Passaggio 5: lampeggiare il dispositivo

Per eseguire il flashing del dispositivo, è necessario installare del software. Per Windows, è possibile utilizzare l'applicazione nativa dal sito st.com. Purtroppo è necessario registrarsi qui.

Sotto Linux o Mac (beh, anche sotto Windows è possibile), puoi usare OpenOCD. Si prega di trovare le istruzioni di installazione e utilizzo sul loro sito.

Ora puoi scaricare il firmware.

Per preparare il dispositivo per il lampeggio, è necessario saldare temporaneamente altri due pin ai contatti 21 e 22 della scheda MCU.

Per collegare il nostro dispositivo al lampeggiatore:

• aprire entrambi i jumper sul connettore CN2 della scheda Nucleo(bianca). Ciò consente alla scheda di eseguire il flashing di dispositivi esterni.
• collegare il pin 21 dell'MCU al pin 2 del connettore Nucleo CN4
• collegare il filo nero della batteria al pin 3 del connettore Nucleo CN4
• collegare il pin 22 dell'MCU al pin 4 del connettore Nucleo CN4
• collegare sia il dispositivo che la scheda Nucleo al computer con cavi USB.

• flashare il firmware (Windows)

  • Esegui l'utility STM32 ST-LINK
  • Seleziona File -> Apri file… -> apri firmware scaricato
  • Selezionare Destinazione -> Byte opzione…, selezionare Protezione lettura: disabilitata. Fare clic su Applica
  • Seleziona Target -> Programma e verifica, fai clic su Start

• flashare il firmware (Linux e Mac)

  • Scarica e installa OpenOCD.
  • eseguire il comando

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

Questo è tutto!

Passaggio 6: come utilizzare il dispositivo

Se tutto è stato eseguito correttamente, siamo pronti per eseguire il dispositivo. L'altimetro ha tre modalità:

Cancella i dati

Alimenta il dispositivo tramite USB o tramite un connettore della batteria rosso. Premi il pulsante (più lontano dal connettore USB) e tienilo premuto per 2-3 secondi. Il LED blu dovrebbe iniziare a lampeggiare molto rapidamente e continuare a lampeggiare in questo modo finché tutti i dati non vengono cancellati.

Dati di registrazione

Collegare il dispositivo alla batteria con il connettore rosso. Il LED blu lampeggerà frequentemente per un paio di secondi e poi tornerà a lampeggiare una volta al secondo. Ogni volta che lampeggia, viene scritto un campione di dati nella memoria interna del dispositivo. Il dispositivo può registrare fino a 9 ore di misurazioni.

Leggere i dati

Scollega la batteria e collega il dispositivo al computer con il cavo USB. Dopo un paio di secondi di lampeggi frequenti, inizia a lampeggiare due volte al secondo. Questa è la modalità di lettura dei dati. Il dispositivo viene riconosciuto come un'unità flash denominata BARO_ELMOT. L'unità non è scrivibile, puoi solo leggere i dati da essa. In un file manager puoi trovare due file sul dispositivo: il primo si chiama LEFT_123. MIN. Questo è un file falso, non contiene dati, ma quel "123" significa che c'è ancora spazio per 123 minuti di registrazione dei dati. Un altro file, BARO. TXT, contiene i dati raccolti effettivi, ovvero testo separato da tabulazioni - un'intestazione e quindi righe di dati. Questo formato può essere facilmente importato in MS Excel o in qualsiasi altra applicazione per fogli di calcolo, inclusi Fogli Google. Ogni riga contiene un numero di serie (S), un numero di esempio (N) (= tempo trascorso in secondi), Temperatura (T) in Celsius, pressione atmosferica (P) in mbar e valore approssimativo dell'altitudine (A), in metri sul livello del mare. Nota! I valori "A" sono davvero approssimativi, puoi calcolare l'altitudine dai dati della pressione da solo. Vedi ulteriori passaggi.

Passaggio 7: test del dispositivo

1. Collegare la batteria al dispositivo. Il LED dovrebbe iniziare a lampeggiare.
2. Tenere premuto il pulsante utente. Dopo 2-3 secondi il LED si avvierà rapidamente. Rilascia il pulsante. Conservare al fresco, non scollegare la batteria. È in corso la cancellazione dei dati.
3. Dopo un po' il LED inizia a lampeggiare una volta al secondo.
4. Tieni il dispositivo acceso per almeno 30 secondi.
5. Scollegare la batteria
6. Collega il tuo dispositivo a un computer con un cavo USB.
7. Il dispositivo apparirà come una piccola unità flash di soli 3 Mb. Apri il file BARO. TXT lì con qualsiasi editor di testo.
8. Controlla se le colonne T e P contengono dati ragionevoli - di solito circa 20-30 per T, circa 1000 per P. Se sei in un frigorifero o in cima all'Everest, i numeri saranno drasticamente diversi, ovviamente.

Passaggio 8: protezione dalla luce solare e tubo termoretraibile

Dopo il passaggio precedente siamo sicuri che tutto funzioni bene, ora dovremmo dissaldare i pin lampeggianti, perché non ci servono più. Inoltre è meglio tagliare con precisione le code dei pin che collegano il sensore e la scheda MCU, altrimenti possono perforare la copertura di plastica esterna del dispositivo.

Il sensore utilizzato nel progetto non deve essere esposto alla luce solare diretta. Faremo uno scudo protettivo da una lattina di birra in alluminio. Sicuramente, se sei già arrivato così lontano, ti sei meritato il contenuto di quel povero barattolo. Tagliare con le forbici un pezzo di alluminio di una dimensione di circa 12*12 mm (0,5"*0,5"). Quindi piegare due lati opposti con una pinza per creare un piccolo "vassoio" 7*12*2,5 mm (0,28"*0,5"*0,1"). Dopo la piegatura, tagliare strisce di 1,5 mm dai lati piegati, per rendere il vassoio un po 'più basso, circa 1 mm di altezza.

Metti il vassoio sopra il sensore. Nota: non dovrebbe toccare alcun contatto! Quindi metti il dispositivo con il vassoio in un pezzo di tubo termoretraibile (un po' più lungo della scheda) e scaldalo bene, ma con attenzione con la ventola del saldatore (o l'accendisigari). Ricontrollare se la copertura in alluminio non tocca i contatti del sensore.

Fase 9: Scienza

Ora abbiamo il dispositivo pronto per l'esecuzione. Misura la temperatura e la pressione dell'aria. E stima anche approssimativamente l'altitudine. Sfortunatamente, la pressione dipende dall'altitudine in modo molto non banale, puoi leggerlo su wikipedia. Come si calcola l'altitudine di un pallone in modo più preciso? Uno dei modi è utilizzare il Calcolatore dell'atmosfera standard del 1976. Il tuo dispositivo contiene gli stessi dati del modello, ma non molto precisi a causa delle limitazioni di memoria del dispositivo. Usando i dati del barometro e la calcolatrice, puoi calcolare l'altitudine molto meglio di quanto faccia il dispositivo da solo. Tenendo conto anche delle condizioni meteorologiche nel punto di lancio del pallone (ovviamente, che è registrato sullo stesso altimetro all'inizio) e dell'altitudine del punto di lancio, è possibile trovare lo spostamento della temperatura e la correzione della pressione dell'aria e. Quindi, usando la stessa calcolatrice, puoi calcolare tutto ancora meglio. Con alcune abilità relative ai fogli di calcolo, puoi anche creare grafici di dati di un lancio.

Secondo classificato nella sfida spaziale