Altímetro barométrico eletrônico para balões de estratosfera: 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Nossa equipe, RandomRace.ru, lança balões de hélio. Pequeno e grande, com câmeras e sem. Lançamos os pequenos para soltar pontos de verificação aleatoriamente para competições de corrida de aventura e os grandes para fazer ótimos vídeos e fotos do topo da atmosfera. Ainda não é o espaço, mas a 30 km de altitude a pressão do ar é cerca de 1% do normal. Não parece mais com a atmosfera, hein? A minha responsabilidade na equipa é a electrónica e quero partilhar um dos meus projectos implementados nessa função.

Como podemos medir a altitude do balão? Com GPS (a maioria deles não funciona acima de 18km) ou com um altímetro barométrico. Vamos fazer um de uma placa de microcontrolador (MCU)! Queremos que seja leve, barato (já que às vezes perdemos nossas sondas) e fácil de construir, fácil de usar. Ele também deve medir pressões muito baixas. O dispositivo deve registrar dados pelo menos 5 horas consecutivas. Vamos usar alguma bateria de lítio de qualquer celular antigo como fonte de alimentação. Com base nos requisitos, escolhi a placa Maple Mini, baseada em um microcontrolador ARM (STM32F103RC) com uma interface USB, 128 Kb de memória interna, o que é suficiente para o firmware MCU e os dados coletados. Infelizmente (ou felizmente?), LeafLabs não produz mais essas placas, mas seus clones podem ser encontrados em lojas online chinesas por apenas alguns dólares. Também fomos doados com uma série de sensores de pressão de ar MS5534, capazes de medir 0,01… 1,1 bar. Isso é mais ou menos o suficiente para 30 km de altitude.

O dispositivo é bastante fácil de fazer, você só precisa de algumas habilidades e ferramentas de soldagem (não há necessidade de soldar peças realmente pequenas) e conhecimentos básicos de informática. Aqui você pode encontrar um repositório github que contém o design de PCB breakout no formato Eagle e o firmware.

Etapa 1: Peças necessárias

• Clone da placa Maple Mini MCU
• 4 * 1 linha de pinos de 2,54 mm (0,1 ") (geralmente enviada com a placa MCU)
• Bateria LiPo 1S. Baterias de celulares antigos ou câmeras de ação se encaixam perfeitamente.
• Placa do carregador 1S LiPo
• Sensor barométrico MS5534
• MS5534 breakout board
• 1N5819 diodo Schottky ou similar
• Tranças JST RCY, 1 * feminino, 2 * masculino
• Lata de cerveja de alumínio vazia
• tubo termorretrátil D = 2, 5 mm (0,1 ") de qualquer cor
• tubo termorretrátil D = 20 mm (0,8 "), transparente

Em vez do MS5534, você pode usar o MS5540, mas requer outra placa auxiliar. Você pode fazer por conta própria, usando EagleCAD ou KiKad ou o que preferir. Você também pode soldar o sensor diretamente com fios, se tiver habilidade suficiente para soldar.

Ferramentas necessárias:

• Conjunto regular de ferramentas para soldagem
• Tesouras e lonas
• Opcionalmente, um ventilador de solda. Se você não tiver um, pode usar seu ferro de solda e um isqueiro.
• alguns fios fêmea-fêmea de 1 pino padrão
• alguns pinos de contato extras
• Uma placa de demonstração STM32 para ser usada como um dispositivo de flashing MCU. Eu usei NUCLEO-F303RE, mas qualquer uma das placas STM32 Nucleo64 ou Nucleo144 também pode ser usada.

Etapa 2: Sensor de solda na placa de fuga

Em primeiro lugar, precisamos soldar o sensor na placa de breakout. Use pasta de solda e ferro de solda com ventilador de solda, se houver. Caso contrário, você pode fazer isso com ferro de solda e solda comuns. Quando terminar corte uma linha de quatro pinos e dois pedaços de arame, com cerca de 4 cm cada. Solde-os no breakout como mostrado na segunda imagem - os pinos + e - devem ser conectados aos fios, e outros 4 entre eles - à linha de pinos. Os pinos devem estar na parte inferior da abertura.

Etapa 3: Soldar o resto do dispositivo

A placa do sensor e a placa MCU devem ser empilhadas, e o sensor deve ser colocado sobre o chip MCU

O diagrama de conexão é mostrado na 1ª foto. E aqui estão todas as conexões listadas:

• O pino de ruptura "+" está conectado ao pino "Vcc" da placa MCU
• O pino de ruptura "GND" está conectado ao pino "GND" da placa MCU
• Os pinos de quebra "8", "9", "10", "11" são conectados aos pinos da placa MCU com os mesmos números.
• O fio JST RCY Maleblack está conectado a outro pino "GND" da placa MCU
• O fio vermelho macho JST RCY está conectado a um ânodo de diodo
• O cátodo do diodo é conectado ao pino "Vin" da placa MCU

Antes de conectar o pigtail JST, não se esqueça de colocar um pedaço de tubo elástico térmico fino no fio vermelho.

Última coisa a fazer - o diodo deve ser isolado com tubo termorretrátil. Basta puxá-lo sobre o diodo e aquecê-lo com sua ventoinha de solda - a temperatura recomendada é de cerca de 160C (320F). Se você não tiver ventilador, use apenas uma vela ou um isqueiro, mas tome cuidado com isso.

Etapa 4: bateria e carregador

Vamos fazer uma fonte de alimentação para o dispositivo e um carregador para ele. O pigtail fêmea deve ser soldado à bateria. Fio vermelho para "+", preto para "-". Proteja a conexão com uma gota de cola térmica, um remendo de fita adesiva ou uma fita isolante - à sua escolha.

O pigtail macho deve ser soldado à placa do carregador - fio vermelho para "B +", preto para "B-". Prenda a placa com um pedaço de tubo termorretrátil. Agora você pode conectar o carregador à bateria e o carregador a qualquer fonte de alimentação USB ou porta de computador. LED vermelho na placa indica carga em andamento, verde - bateria totalmente carregada. A placa pode aquecer durante o processo de carregamento, mas não muito.

Etapa 5: atualizando o dispositivo

Para fazer o flash do dispositivo, você precisa instalar algum software. Para Windows, você pode usar o aplicativo nativo do site st.com. Infelizmente, você precisa se registrar aqui.

No Linux ou Mac (bem, no Windows também é possível), você pode usar o OpenOCD. Encontre as instruções de instalação e uso em seu site.

Agora você pode baixar o firmware.

Para preparar o dispositivo para piscar, você precisa soldar temporariamente mais dois pinos nos contatos 21 e 22 da placa MCU.

Para conectar nosso dispositivo ao pisca-pisca:

• abra ambos os jumpers no conector CN2 da placa Nucleo (branca). Isso permite que a placa faça flash de dispositivos externos.
• conecte o pino 21 do MCU ao pino 2 do conector Nucleo CN4
• conecte o fio preto da bateria ao pino 3 do conector Nucleo CN4
• conecte MCU pino 22 ao pino 4 do conector Nucleo CN4
• conecte o dispositivo e a placa Nucleo ao computador com cabos USB.

• flash do fiirmware (Windows)

  • Execute o utilitário STM32 ST-LINK
  • Selecione Arquivo -> Abrir arquivo … -> abrir firmware baixado
  • Selecione Target -> Option Bytes…, selecione Read Out Protection: Disabled. Clique em Aplicar
  • Selecione Alvo -> Programar e verificar, clique em Iniciar

• atualize o firmware (Linux e Mac)

  • Baixe e instale o OpenOCD.
  • execute o comando

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

É isso!

Etapa 6: Como usar o dispositivo

Se tudo for feito corretamente, estamos prontos para executar o dispositivo. O altímetro possui três modos:

Apagar dados

Ligue o dispositivo por USB ou por um conector de bateria vermelho. Pressione o botão (mais longe do conector USB) e segure-o por 2 a 3 segundos. O LED azul deve começar a piscar muito rapidamente e continuar piscando até que todos os dados sejam apagados.

Dados de registro

Conecte o dispositivo à bateria com o conector vermelho. O LED azul piscará freqüentemente por alguns segundos e, em seguida, piscará uma vez por segundo. Cada vez que pisca, uma amostra de dados é gravada na memória interna do dispositivo. O dispositivo pode registrar até 9 horas de medições.

Lendo os dados

Desconecte a bateria e conecte o dispositivo ao computador com o cabo USB. Após alguns segundos de intermitência frequente, passa a piscar duas vezes por segundo. Este é o modo de leitura de dados. O dispositivo é reconhecido como uma unidade flash chamada BARO_ELMOT. A unidade não é gravável, você só pode ler seus dados. Em um gerenciador de arquivos, você pode encontrar dois arquivos no dispositivo - o primeiro é nomeado como LEFT_123. MIN. Este é um arquivo falso, não contém nenhum dado, mas "123" significa que ainda há espaço para 123 minutos de registro de dados. Outro arquivo, BARO. TXT, contém dados reais coletados, ou seja, texto separado por tabulação - um cabeçalho e, em seguida, linhas de dados. Este formato pode ser facilmente importado para o MS Excel ou para qualquer outro aplicativo de planilha, incluindo o Planilhas Google. Cada linha contém um número de série (S), um número de amostra (N) (= tempo decorrido em segundos), Temperatura (T) em Celsius, pressão atmosférica (P) em mbars e valor aproximado da altitude (A), em metros acima do nível do mar. Observação! Os valores "A" são realmente aproximados, você pode calcular a altitude a partir dos dados de pressão por conta própria. Veja as próximas etapas.

Etapa 7: Testar o dispositivo

1. Conecte a bateria ao dispositivo. O LED deve começar a piscar.
2. Pressione e segure o botão do usuário. Após 2-3 segundos, o LED começará a funcionar rapidamente. Solte o botão. Mantenha a calma, não desconecte a bateria. Os dados estão sendo apagados.
3. Depois de um tempo, o LED começa a piscar uma vez por segundo.
4. Mantenha o dispositivo ligado por pelo menos 30 segundos.
5. Desconecte a bateria
6. Conecte seu dispositivo a um computador com um cabo USB.
7. O dispositivo aparecerá como uma pequena unidade flash de 3 MB. Abra o arquivo BARO. TXT com qualquer editor de texto.
8. Verifique se as colunas T e P contêm dados razoáveis - geralmente cerca de 20-30 para T, cerca de 1000 para P. Se você estiver em uma geladeira ou no topo do Everest, os números serão drasticamente diferentes, é claro.

Etapa 8: protetor de luz solar e tubo retrátil

Depois da etapa anterior temos certeza de que tudo está funcionando bem, agora devemos desoldar os pinos intermitentes, pois não precisamos mais deles. Além disso, é melhor cortar com precisão as pontas dos pinos que conectam o sensor e a placa MCU, caso contrário, eles podem perfurar a tampa de plástico externa do dispositivo.

O sensor usado no projeto não deve ser exposto à luz solar direta. Faremos um escudo de proteção de uma lata de cerveja de alumínio. Definitivamente, se você já avançou tão longe, você mereceu o conteúdo daquela pobre lata. Corte com uma tesoura um pedaço de alumínio de tamanho aproximado de 12 * 12 mm (0,5 "* 0,5"). Em seguida, dobre dois lados opostos com um alicate para fazer uma pequena "bandeja" 7 * 12 * 2,5 mm (0,28 "* 0,5" * 0,1 "). Depois de dobrar, corte tiras de 1,5 mm dos lados dobrados, para fazer a bandeja um um pouco mais baixo, com cerca de 1 mm de altura.

Coloque a bandeja em cima do sensor. Nota - não deve tocar em nenhum contato! Em seguida, coloque o dispositivo com a bandeja em um pedaço de tubo termoencolhível (um pouco mais longo que a placa) e aqueça bem, mas com cuidado com a ventoinha de solda (ou o acendedor de cigarros). Verifique novamente se a tampa de alumínio não toca os contatos do sensor.

Etapa 9: Ciência

Agora temos o dispositivo pronto para funcionar. Ele mede a temperatura e a pressão do ar. E também estima aproximadamente a altitude. Infelizmente, a pressão depende da altitude de forma nada trivial, você pode ler sobre isso na wikipedia. Como calculamos a altitude de um balão de maneira mais precisa? Uma das maneiras é usar a Calculadora de atmosfera padrão de 1976. Seu dispositivo contém os mesmos dados do modelo, mas não muito precisos devido às limitações de memória do dispositivo. Usando os dados do barômetro e a calculadora, você pode calcular a altitude muito melhor do que o dispositio sozinho. Também levando em consideração as condições climáticas no local de lançamento do balão (obviamente, isso é registrado no mesmo altímetro no início) e a altitude do local de lançamento, você pode encontrar a mudança de temperatura e correção de pressão do ar e. Então, usando a mesma calculadora, você pode calcular tudo ainda melhor. Com algumas habilidades de planilha, você também pode fazer gráficos de dados de um lançamento.

Vice-campeão no desafio espacial