Altímetro barométrico electrónico para globos estratosfera: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Nuestro equipo, RandomRace.ru, lanza globos de helio. Pequeños y grandes, con cámaras y sin ellas. Lanzamos los pequeños para dejar puestos de control al azar para las competiciones de carreras de aventuras, y los grandes para hacer excelentes videos y fotos desde lo más alto de la atmósfera. Todavía no es el espacio, pero a 30 km de altitud la presión del aire es aproximadamente el 1% de lo normal. Ya no se ve como la atmósfera, ¿eh? Mi responsabilidad en el equipo es la electrónica y quiero compartir uno de mis proyectos implementados en esa función.

¿Cómo podemos medir la altitud del globo? Con GPS (la mayoría no funcionan por encima de los 18km) o con altímetro barométrico. ¡Hagamos uno a partir de una placa de microcontrolador (MCU)! Queremos que sea liviano, barato (ya que a veces perdemos nuestras sondas) y fácil de construir, fácil de usar. También debe medir presiones muy bajas. El dispositivo debe registrar datos al menos 5 horas seguidas. Usemos una batería de litio de cualquier teléfono móvil antiguo como fuente de alimentación. Basándome en los requisitos, elegí la placa Maple Mini, basada en un microcontrolador ARM (STM32F103RC) con una interfaz USB, 128 Kb de memoria interna, que es suficiente tanto para el firmware MCU como para los datos recopilados. Desafortunadamente (¿o afortunadamente?), LeafLabs ya no produce esos tableros, pero sus clones se pueden encontrar en las tiendas en línea chinas por solo un par de dólares. También fuimos donados con varios sensores de presión de aire MS5534, capaces de medir 0.01… 1.1 bar. Eso es más o menos suficiente para 30 km de altitud.

El dispositivo es bastante fácil de hacer, solo necesita algunas habilidades y herramientas de soldadura (no es necesario soldar piezas realmente pequeñas) y habilidades informáticas básicas. Aquí puede encontrar un repositorio de github que contiene tanto el diseño de PCB de ruptura en formato Eagle como el firmware.

Paso 1: Piezas necesarias

• Clon de la placa Maple Mini MCU
• 4 * 1 fila de pines de 2,54 mm (0,1 ") (generalmente se envía con la placa MCU)
• Batería LiPo 1S. Las baterías de viejos móviles o cámaras de acción encajan perfectamente.
• Tablero del cargador 1S LiPo
• Sensor barométrico MS5534
• Placa de conexión MS5534
• Diodo Schottky 1N5819 o similar
• Coletas JST RCY, 1 * hembra, 2 * macho
• Lata de cerveza de aluminio vacía
• tubo termorretráctil D = 2,5 mm (0,1 ") de cualquier color
• tubo termorretráctil D = 20 mm (0,8 "), transparente

En lugar de MS5534, puede usar MS5540, pero requiere otra placa de conexión. Puede hacerlo por su cuenta, usando EagleCAD o KiKad o lo que prefiera. También puede soldar el sensor directamente con cables si tiene suficientes habilidades de soldadura.

Herramientas necesarias:

• Conjunto regular de herramientas para soldar.
• Tijeras y telas
• Opcionalmente un ventilador de soldadura. Si no tiene uno, puede usar su soldador y un encendedor de cigarrillos.
• algunos cables estándar hembra-hembra de 1 pin
• un par de pines de contacto adicionales
• Una placa de demostración STM32 que se utilizará como dispositivo intermitente MCU. Usé NUCLEO-F303RE, pero también se puede usar cualquiera de las placas STM32 Nucleo64 o Nucleo144.

Paso 2: Sensor de soldadura en la placa de conexión

En primer lugar, necesitamos soldar el sensor a la placa de conexión. Use pasta de soldar y soldador de ventilador de soldadura, si tiene uno. Si no es así, puede hacerlo con un soldador normal y una soldadura. Cuando esté listo, corta cuatro hileras de alfileres y dos trozos de alambre de unos 4 cm cada uno. Sueldelos a la ruptura como se muestra en la segunda imagen: los pines + y - deben estar conectados a los cables, otros 4 entre ellos, a la fila de pines. Los pines deben estar en la parte inferior de la ruptura.

Paso 3: Soldar el resto del dispositivo

La placa del sensor y la barra MCU deben apilarse, y el sensor debe colocarse sobre el chip MCU

El diagrama de conexión se muestra en la primera imagen. Y aquí están todas las conexiones enumeradas:

• El pin de ruptura "+" está conectado al pin de la placa MCU "Vcc"
• El pin de ruptura "GND" está conectado al pin de la placa MCU "GND"
• Los pines de ruptura "8", "9", "10", "11" están conectados a los pines de la placa MCU de los mismos números.
• El cable JST RCY Maleblack está conectado a otro pin "GND" de la placa MCU
• El cable rojo macho JST RCY está conectado a un ánodo de diodo
• El cátodo de diodo está conectado al pin "Vin" de la placa MCU

Antes de conectar el cable flexible JST, no olvide colocar un trozo de tubo de estiramiento térmico delgado en el cable rojo.

Lo último que debe hacer: el diodo debe aislarse con un tubo termorretráctil. Simplemente póngalo sobre el diodo y luego caliéntelo con su ventilador de soldadura; la temperatura recomendada es de aproximadamente 160 ° C (320 ° F). Si no tiene el ventilador, simplemente use una vela o un encendedor de cigarrillos, pero tenga cuidado con eso.

Paso 4: batería y cargador

Hagamos una fuente de alimentación para el dispositivo y un cargador para él. La coleta hembra debe soldarse a la batería. Cable rojo a "+", negro a "-". Proteja la conexión con una gota de pegamento térmico, un parche de cinta adhesiva o una cinta aislante, según su elección.

El cable flexible macho debe soldarse a la placa del cargador: cable rojo a "B +", negro a "B-". Asegure la placa con un trozo de tubo termorretráctil. Ahora puede conectar el cargador a la batería y el cargador a cualquier fuente de alimentación USB o puerto de computadora. El LED rojo en la placa indica carga en curso, uno verde: batería completamente cargada. La placa puede calentarse durante el proceso de carga, pero no demasiado.

Paso 5: flasheo del dispositivo

Para actualizar el dispositivo, necesita instalar algún software. Para Windows, puede utilizar la aplicación nativa del sitio st.com. Desafortunadamente, debes registrarte aquí.

En Linux o Mac (bueno, en Windows también es posible), puede usar OpenOCD. Encuentre las instrucciones de instalación y uso en su sitio.

Ahora puede descargar el firmware.

Para preparar el dispositivo para flashear, necesita soldar temporalmente dos pines más a los contactos 21 y 22 de la placa MCU.

Para conectar nuestro dispositivo al intermitente:

• abra ambos puentes en el conector CN2 de la placa Nucleo (blanca). Eso permite que la placa flashee dispositivos externos.
• conecte el pin 21 de MCU al pin 2 del conector Nucleo CN4
• conecte el cable negro de la batería al pin 3 del conector Nucleo CN4
• conecte el pin 22 de MCU al pin 4 del conector Nucleo CN4
• conecte el dispositivo y la placa Nucleo a la computadora con cables USB.

• flashear el firmware (Windows)

  • Ejecute la utilidad STM32 ST-LINK
  • Seleccione Archivo -> Abrir archivo … -> abrir firmware descargado
  • Seleccione Destino -> Bytes de opción…, seleccione Protección de lectura: Desactivada. Haga clic en Aplicar
  • Seleccione Destino -> Programar y verificar, haga clic en Iniciar

• flashear el firmware (Linux y Mac)

  • Descargue e instale OpenOCD.
  • ejecutar el comando

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

¡Eso es todo!

Paso 6: Cómo utilizar el dispositivo

Si todo se hace correctamente, entonces estamos listos para ejecutar el dispositivo. El altímetro tiene tres modos:

Borrar datos

Encienda el dispositivo a través de USB o mediante un conector de batería rojo. Presione el botón (el más alejado del conector USB) y manténgalo presionado durante 2-3 segundos. El LED azul debería comenzar a parpadear muy rápidamente y seguir parpadeando de esa manera hasta que se borren todos los datos.

Registro de datos

Conecta el dispositivo a la batería con el conector rojo. El LED azul parpadeará con frecuencia durante un par de segundos y luego volverá a parpadear una vez por segundo. Cada vez que parpadea, se escribe una muestra de datos en la memoria interna del dispositivo. El dispositivo puede registrar hasta 9 horas de mediciones.

Leer los datos

Desconecte la batería y conecte el dispositivo a su computadora con un cable USB. Después de un par de segundos de parpadeo frecuente, se convierte en parpadear dos veces por segundo. Este es el modo de lectura de datos. El dispositivo se reconoce como una unidad flash denominada BARO_ELMOT. La unidad no se puede escribir, solo puede leer datos de ella. En un administrador de archivos, puede encontrar dos archivos en el dispositivo; el primero se llama LEFT_123. MIN. Este es un archivo falso, no contiene ningún dato, pero "123" significa que todavía hay espacio para 123 minutos de registro de datos. Otro archivo, BARO. TXT, contiene datos reales recopilados, es decir, texto separado por tabulaciones: un encabezado y luego líneas de datos. Este formato se puede importar fácilmente a MS Excel oa cualquier otra aplicación de hoja de cálculo, incluidas Google Sheets. Cada línea contiene un número de serie (S), un número de muestra (N) (= tiempo transcurrido en segundos), Temperatura (T) en Celsius, presión atmosférica (P) en mbar y valor de altitud aproximada (A), en metros sobre el nivel del mar. ¡Nota! Los valores "A" son realmente aproximados, puede calcular la altitud a partir de los datos de presión por su cuenta. Consulte los pasos adicionales.

Paso 7: prueba del dispositivo

1. Conecte la batería al dispositivo. El LED debería empezar a parpadear.
2. Mantenga pulsado el botón de usuario. Después de 2-3 segundos, el LED se encenderá rápidamente. Suelta el botón. Manténgase fresco, no desconecte la batería. Se están borrando datos.
3. Después de un tiempo, el LED comienza a parpadear una vez por segundo.
4. Mantenga el dispositivo encendido durante al menos 30 segundos.
5. Desconecta la batería
6. Conecte su dispositivo a una computadora con un cable USB.
7. El dispositivo aparecerá como una unidad flash pequeña de solo 3 Mb. Abra el archivo BARO. TXT allí con cualquier editor de texto.
8. Verifique si las columnas T y P contienen datos razonables, generalmente alrededor de 20-30 para T, alrededor de 1000 para P. Si está en un refrigerador o en la cima del Everest, los números serán drásticamente diferentes, por supuesto.

Paso 8: Protector de luz solar y tubo retráctil

Después del paso anterior estamos seguros de que todo funciona bien, ahora debemos desoldar los pines parpadeantes, porque ya no los necesitamos. También es mejor cortar con precisión las colas de los pines que conectan el sensor y la placa MCU, de lo contrario, pueden perforar la cubierta de plástico exterior del dispositivo.

El sensor utilizado en el proyecto no debe exponerse a la luz solar directa. Haremos un escudo de protección a partir de una lata de cerveza de aluminio. Definitivamente, si ya has avanzado tanto, te has merecido el contenido de esa pobre lata. Corta con tijeras un trozo de aluminio de un tamaño aproximado de 12 * 12 mm (0,5 "* 0,5"). A continuación, doble dos lados opuestos con unos alicates para hacer una pequeña "bandeja" de 7 * 12 * 2,5 mm (0,28 "* 0,5" * 0,1 "). Después de doblar, corte rayas de 1,5 mm de los lados doblados, para hacer la bandeja un un poco más bajo, alrededor de 1 mm de alto.

Coloque la bandeja encima del sensor. Nota: ¡no debe tocar ningún contacto! Luego coloque el dispositivo con la bandeja en un trozo de tubo termorretráctil (un poco más largo que la placa) y caliéntelo bien, pero con cuidado con el ventilador de soldadura (o el encendedor de cigarrillos). Verifique nuevamente si la cubierta de aluminio no toca los contactos del sensor.

Paso 9: ciencia

Ahora tenemos el dispositivo listo para funcionar. Mide la temperatura y la presión del aire. Y también estima aproximadamente la altitud. Desafortunadamente, la presión depende de la altitud de una manera muy no trivial, puede leer sobre eso en wikipedia. ¿Cómo calculamos la altitud de un globo de forma más precisa? Una de las formas es utilizar la Calculadora de atmósfera estándar de 1976. Su dispositivo contiene los mismos datos de modelo, pero no muy precisos debido a las limitaciones de memoria del dispositivo. Con los datos del barómetro y la calculadora, puede calcular la altitud mucho mejor que el dispositivo por sí solo. También teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas en el lugar de lanzamiento de su globo (obviamente, eso está registrado en el mismo altímetro al principio), y la altitud de su lugar de lanzamiento, puede encontrar el cambio de temperatura y la corrección de la presión del aire y. Luego, usando la misma calculadora, puede calcular todo aún mejor. Con algunas habilidades de hoja de cálculo, también puede crear gráficos de datos de un lanzamiento.

Finalista en el desafío espacial