مقياس الارتفاع الإلكتروني البارومتري لبالونات الستراتوسفير: 9 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

يطلق فريقنا RandomRace.ru بالونات الهيليوم. صغير وكبير ، بكاميرات وبدون. نطلق نقاط تفتيش صغيرة لإسقاط نقاط التفتيش عشوائيًا لمسابقات سباقات المغامرات ، والأخرى الكبيرة لإنشاء مقاطع فيديو وصور رائعة من أعلى الغلاف الجوي. إنه ليس الفضاء بعد ، ولكن عند ارتفاع 30 كم ، يكون ضغط الهواء حوالي 1٪ من المعدل الطبيعي. لا يبدو الغلاف الجوي بعد الآن ، أليس كذلك؟ مسؤوليتي في الفريق هي الإلكترونيات ، وأريد مشاركة أحد مشاريعي المنفذة في هذا الواجب.

كيف يمكننا قياس ارتفاع البالون؟ باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) (لا يعمل معظمهم فوق 18 كم) أو باستخدام مقياس الارتفاع البارومتري. دعونا نصنع واحدة من لوحة متحكم (MCU)! نريد أن يكون خفيفًا ورخيصًا (لأننا نفقد في بعض الأحيان مجساتنا) ، وسهل البناء ، وسهل الاستخدام. يجب أن تقيس أيضًا ضغوطًا منخفضة جدًا. يجب أن يسجل الجهاز البيانات 5 ساعات على الأقل على التوالي. دعنا نستخدم بعض بطاريات الليثيوم من أي هاتف محمول قديم كمصدر للطاقة. بناءً على المتطلبات ، اخترت Maple Mini board ، متحكم دقيق n ARM (STM32F103RC) مع واجهة USB ، 128 كيلو بايت من الذاكرة الداخلية ، وهو ما يكفي لكل من البرامج الثابتة MCU والبيانات المجمعة. لسوء الحظ (أو لحسن الحظ؟) ، لم تعد LeafLabs تنتج تلك اللوحات بعد الآن ، ولكن يمكن العثور على نسخها في المتاجر الصينية عبر الإنترنت مقابل بضعة دولارات فقط. كما تم التبرع بنا بعدد من مجسات ضغط الهواء MS5534 قادرة على قياس 0.01 … 1.1 بار. وهذا يكفي تقريبًا لارتفاع 30 كم.

الجهاز سهل للغاية ، فأنت تحتاج فقط إلى بعض مهارات وأدوات اللحام (ليست هناك حاجة إلى لحام أجزاء صغيرة حقًا) ومهارات الكمبيوتر الأساسية. هنا يمكنك العثور على مستودع جيثب الذي يحتوي على كل من تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تنسيق Eagle والبرامج الثابتة.

الخطوة 1: الأجزاء المطلوبة

• استنساخ لوحة Maple Mini MCU
• 4 * 1 2.54 مم (0.1 بوصة) صف دبوس (عادة ما يتم شحنها مع لوحة MCU)
• بطارية 1S LiPo. بطاريات الهواتف المحمولة القديمة أو كاميرات الحركة تناسب تمامًا.
• 1S لوحة شاحن LiPo
• جهاز استشعار الضغط الجوي MS5534
• لوحة الاختراق MS5534
• 1N5819 شوتكي ديود أو ما شابه ذلك
• أسلاك التوصيل المصنوعة من JST RCY ، 1 * أنثى ، 2 * ذكر
• علبة بيرة ألمنيوم فارغة
• أنبوب الانكماش الحراري D = 2 ، 5 مم (0.1 بوصة) من أي لون
• أنبوب الانكماش الحراري D = 20 مم (0.8 بوصة) ، شفاف

بدلاً من MS5534 ، يمكنك استخدام MS5540 ، لكنه يتطلب لوحة اندلاع أخرى. يمكنك صنعه بنفسك ، باستخدام EagleCAD أو KiKad أو أيًا كان ما تفضله. يمكنك أيضًا لحام المستشعر مباشرة بالأسلاك إذا كان لديك ما يكفي من مهارات اللحام.

أدوات المطلوبة:

• مجموعة أدوات منتظمة للحام
• مقص وطبقات
• اختياريا مروحة لحام. إذا لم يكن لديك واحدة ، يمكنك استخدام مكواة اللحام وولاعة السجائر بدلاً من ذلك.
• بعض الأسلاك القياسية 1 دبوس أنثى-أنثى
• زوجان من دبابيس الاتصال الإضافية
• لوحة تجريبية STM32 لاستخدامها كجهاز وامض MCU. لقد استخدمت NUCLEO-F303RE ، ولكن يمكن أيضًا استخدام أي من لوحات STM32 Nucleo64 أو Nucleo144.

الخطوة 2: مستشعر اللحام على لوحة الاختراق

بادئ ذي بدء ، نحن بحاجة إلى لحام المستشعر بلوحة الاختراق. استخدم معجون اللحام ومكواة اللحام بمروحة اللحام ، إذا كان لديك منها. إذا لم يكن كذلك ، يمكنك القيام بذلك باستخدام مكواة لحام عادية ولحام. عند الانتهاء من ذلك ، قم بقطع أربعة صفوف من الدبابيس وقطعتين من الأسلاك ، حوالي 4 سم لكل منهما. قم بتوصيلهم بالكسر كما هو موضح في الصورة الثانية - دبابيس + و - يجب توصيلها بالأسلاك ، 4 أخرى بينها - بصف الدبوس. يجب أن تكون الدبابيس على الجانب السفلي من الاختراق.

الخطوة 3: لحام باقي الجهاز

يجب تكديس لوحة المستشعر وشريط MCU ، ويجب وضع المستشعر فوق شريحة MCU

يظهر مخطط الاتصال في الصورة الأولى. وإليك جميع الاتصالات المدرجة:

• تم توصيل دبوس الاختراق "+" بدبوس لوحة MCU "Vcc"
• دبوس الاختراق "GND" متصل بمسمار لوحة MCU "GND"
• دبابيس القطع "8" ، "9" ، "10" ، "11" متصلة بدبابيس لوحة MCU من نفس الأرقام.
• سلك JST RCY Maleblack متصل بدبوس "GND" آخر بلوحة MCU
• السلك الأحمر ذكر JST RCY متصل بمصعد ديود
• يتم توصيل كاثود الصمام الثنائي بمسمار لوحة MCU "Vin"

قبل توصيل ضفيرة JST ، لا تنس وضع قطعة من أنبوب التمدد الحراري الرفيع على السلك الأحمر.

آخر شيء يجب القيام به - يجب عزل الصمام الثنائي بأنبوب الانكماش الحراري. فقط اسحبه فوق الصمام الثنائي ، ثم قم بتسخينه بمروحة اللحام - درجة الحرارة الموصى بها هي حوالي 160 درجة مئوية (320 درجة فهرنهايت). إذا لم يكن لديك مروحة ، فقط استخدم شمعة أو ولاعة سجائر ، لكن كن حذرًا في ذلك.

الخطوة 4: البطارية والشاحن

لنصنع مصدر طاقة للجهاز وشاحن له يجب أن تكون ضفيرة الأنثى ملحومة بالبطارية. السلك الأحمر إلى "+" والأسود إلى "-". قم بحماية الوصلة بقطرة من الغراء الحراري ، أو قطعة من الشريط اللاصق ، أو شريط عازل - حسب اختيارك.

يجب أن يكون جديلة الذكر ملحومة بلوحة الشاحن - السلك الأحمر بـ "B +" والأسود إلى "B-". قم بتأمين اللوحة بقطعة من أنبوب الانكماش الحراري. يمكنك الآن توصيل الشاحن بالبطارية والشاحن بأي مصدر طاقة USB أو منفذ كمبيوتر. يشير المصباح الأحمر الموجود على اللوحة إلى استمرار الشحن ، بينما يشير اللون الأخضر إلى بطارية مشحونة بالكامل. قد ترتفع درجة حرارة اللوحة أثناء عملية الشحن ، ولكن ليس كثيرًا.

الخطوة 5: تفليش الجهاز

لتفليش الجهاز ، تحتاج إلى تثبيت بعض البرامج. بالنسبة لنظام التشغيل Windows ، يمكنك استخدام التطبيق الأصلي من موقع st.com. لسوء الحظ ، تحتاج إلى التسجيل هنا.

ضمن Linux أو Mac (حسنًا ، من الممكن أيضًا تحت Windows) ، يمكنك استخدام OpenOCD. يرجى العثور على تعليمات التثبيت والاستخدام على موقعهم.

الآن يمكنك تنزيل البرنامج الثابت.

لتحضير الجهاز للوميض ، تحتاج إلى لحام مؤقت بدبوسين إضافيين لجهات الاتصال 21 و 22 من لوحة MCU.

لتوصيل أجهزتنا بالمتعري:

• افتح كلا القافزين على موصل CN2 للوحة Nucleo (البيضاء). يمكّن ذلك اللوحة من وميض الأجهزة الخارجية.
• قم بتوصيل MCU pin 21 بالدبوس 2 من موصل Nucleo CN4
• قم بتوصيل سلك البطارية الأسود بالدبوس 3 من موصل Nucleo CN4
• قم بتوصيل MCU pin 22 بالدبوس 4 من موصل Nucleo CN4
• قم بتوصيل كل من الجهاز ولوحة Nucleo بالكمبيوتر باستخدام كبلات USB.

• فلاش البرامج الثابتة (Windows)

  • قم بتشغيل الأداة المساعدة STM32 ST-LINK
  • حدد ملف -> فتح ملف… -> افتح البرامج الثابتة التي تم تنزيلها
  • حدد الهدف -> خيار بايت … ، حدد حماية القراءة: معطل. انقر فوق تطبيق
  • حدد الهدف -> البرنامج والتحقق ، انقر فوق ابدأ

• فلاش البرامج الثابتة (Linux و Mac)

  • قم بتنزيل OpenOCD وتثبيته.
  • قم بتشغيل الأمر

openocd -f interface / stlink-v2-1.cfg -f target / stm32f1x.cfg -c "init؛ توقف إعادة التعيين؛ stm32f1x unlock 0؛ program baro_v4.hex؛ shutdown"

هذا كل شيء!

الخطوة 6: كيفية استخدام الجهاز

إذا تم كل شيء بشكل صحيح ، فنحن على استعداد لتشغيل الجهاز. يحتوي مقياس الارتفاع على ثلاثة أوضاع:

محو البيانات

قم بتشغيل الجهاز من خلال USB أو من خلال موصل بطارية أحمر. اضغط على الزر (بعيدًا عن موصل USB) واستمر في الضغط عليه لمدة 2-3 ثوانٍ. يجب أن يبدأ مؤشر LED الأزرق في الوميض بسرعة كبيرة ويستمر في الوميض بهذه الطريقة حتى يتم مسح جميع البيانات.

بيانات التسجيل

قم بتوصيل الجهاز بالبطارية بالموصل الأحمر. سيومض مؤشر LED الأزرق بشكل متكرر لبضع ثوان ثم يتحول إلى الوميض مرة واحدة في الثانية. في كل مرة يومض فيها ، تتم كتابة عينة بيانات في ذاكرة الجهاز الداخلية. يمكن للجهاز تسجيل ما يصل إلى 9 ساعات من القياسات.

قراءة البيانات

افصل البطارية وقم بتوصيل الجهاز بالكمبيوتر باستخدام كابل USB. بعد بضع ثوانٍ من الوميض المتكرر ، يتحول إلى وميض مرتين في الثانية. هذا هو وضع قراءة البيانات. يتم التعرف على الجهاز كمحرك أقراص محمول يسمى BARO_ELMOT. محرك الأقراص غير قابل للكتابة ، يمكنك فقط قراءة البيانات منه. في مدير الملفات ، يمكنك العثور على ملفين على الجهاز - أولهما يحمل اسم LEFT_123. MIN. هذا ملف مزيف ، ولا يحتوي على أي بيانات ، ولكن "123" يعني أنه لا يزال هناك متسع لـ 123 دقيقة من تسجيل البيانات. يحتوي ملف آخر ، BARO. TXT ، على بيانات مجمعة فعلية ، أي نص مفصول بعلامات جدولة - رأس ثم خطوط بيانات. يمكن استيراد هذا التنسيق بسهولة إلى MS Excel ، أو إلى أي تطبيق جداول بيانات آخر ، بما في ذلك Google Sheets. يحتوي كل سطر على رقم سلسلة (S) ، رقم عينة (N) (= الوقت المنقضي بالثواني) ، درجة الحرارة (T) في مئوية ، وضغط الغلاف الجوي (P) بالمليمتر ، وقيمة الارتفاع التقريبي (A) ، بالأمتار فوق مستوى سطح البحر. ملحوظة! قيم "A" تقريبية حقًا ، يمكنك حساب الارتفاع من بيانات الضغط بنفسك. انظر المزيد من الخطوات.

الخطوة 7: اختبار الجهاز

1. قم بتوصيل البطارية بالجهاز. يجب أن يبدأ مؤشر LED في الوميض.
2. اضغط مع الاستمرار على زر المستخدم. بعد 2-3 ثوانٍ ، سيبدأ مؤشر LED بسرعة. الافراج عن زر. حافظ على البرودة ، لا تفصل البطارية. يتم مسح البيانات.
3. بعد فترة ، يبدأ مؤشر LED في الوميض مرة واحدة في الثانية.
4. احتفظ بالجهاز لمدة 30 ثانية على الأقل.
5. افصل البطارية
6. قم بتوصيل جهازك بجهاز كمبيوتر باستخدام كابل USB.
7. سيظهر الجهاز كمحرك أقراص فلاش صغير 3 ميغا بايت فقط. افتح ملف BARO. TXT هناك باستخدام أي محرر نصوص.
8. تحقق مما إذا كان العمودين T و P يحتويان على بيانات معقولة - عادةً حوالي 20-30 لـ T ، وحوالي 1000 لـ P. إذا كنت في الثلاجة أو على قمة إيفرست ، فستكون الأرقام مختلفة تمامًا بالطبع.

الخطوة 8: واقي من أشعة الشمس وأنبوب يتقلص

بعد الخطوة السابقة ، نحن على يقين من أن كل شيء يعمل بشكل جيد ، والآن يجب علينا إلغاء تثبيت الدبابيس الوامضة ، لأننا لم نعد بحاجة إليها. من الأفضل أيضًا قص ذيول المسامير التي تربط المستشعر ولوحة MCU بدقة ، وإلا فإنها يمكن أن تثقب الغطاء البلاستيكي الخارجي للجهاز.

يجب ألا يتعرض المستشعر المستخدم في المشروع لأشعة الشمس المباشرة. سنصنع درع حماية من علبة بيرة ألومنيوم. بالتأكيد ، إذا تقدمت إلى هذا الحد بالفعل ، فأنت تستحق محتوى ذلك المسكين. تقطع بالمقص قطعة من الألمنيوم بحجم حوالي 12 * 12 مم (0.5 "* 0.5"). ثم ثني جانبين متقابلين من الزردية لعمل "صينية" صغيرة مقاس 7 * 12 * 2.5 مم (0.28 "* 0.5" * 0.1 "). أقل قليلاً ، ارتفاع حوالي 1 مم.

ضع الدرج أعلى المستشعر. ملاحظة - لا ينبغي أن تلمس أي جهات اتصال! ثم ضع الجهاز مع الدرج في قطعة من أنبوب الانكماش الحراري (أطول قليلاً من اللوح) وقم بتسخينه جيدًا ، ولكن بعناية باستخدام مروحة اللحام (أو ولاعة السجائر). تحقق مرة أخرى إذا كان غطاء الألومنيوم لا يلمس نقاط تلامس المستشعر.

الخطوة 9: العلم

الآن لدينا الجهاز جاهز للتشغيل. يقيس درجة الحرارة وضغط الهواء. وأيضًا تقديرات الارتفاع تقريبًا. لسوء الحظ ، فإن الضغط يعتمد على الارتفاع بطريقة غير تافهة للغاية ، يمكنك أن تقرأ عن ذلك في ويكيبيديا. كيف نحسب ارتفاع البالون بطريقة أكثر دقة؟ إحدى الطرق هي استخدام حاسبة الغلاف الجوي القياسية لعام 1976. يحتوي جهازك على نفس بيانات الطراز ، ولكنها ليست دقيقة للغاية بسبب قيود ذاكرة الجهاز. باستخدام بيانات البارومتر والآلة الحاسبة ، يمكنك حساب الارتفاع بشكل أفضل مما يفعله الألواح بمفرده. مع الأخذ في الاعتبار أيضًا ظروف الطقس في مكان إطلاق البالون الخاص بك (من الواضح أنه تم تسجيله على نفس مقياس الارتفاع في البداية) ، والارتفاع في نقطة الإطلاق ، يمكنك العثور على تغيير درجة الحرارة وتصحيح ضغط الهواء و. ثم باستخدام نفس الآلة الحاسبة ، يمكنك حساب كل شيء بشكل أفضل. باستخدام بعض مهارات جداول البيانات ، يمكنك أيضًا إنشاء مخططات بيانات لعملية الإطلاق.

الوصيف في تحدي الفضاء