Picoballooni valmistamine: 16 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Mis on pikoballoon ja miks ma peaksin seda ehitama ?! Ma kuulen, et sa küsid. Las ma selgitan. Tõenäoliselt teate kõik, mis on HAB (High Altitude Balloon). See on hunnik imelikke elektroonika asju, mis on ühendatud õhupalliga. Siin on Instructablesis HAB -ide kohta palju õpetusi.

AGA, ja see on väga suur AGA see, mida nad teile õpetuses enamasti ei ütle, on täitmisgaasi maksumus. Nüüd saate ehitada korraliku HAB -jälgija alla 50 euro, kuid kui see kaalub 200 g (mis on patareide, kaamerate jms puhul üsna optimistlik oletus), võib õhupalli täitmiseks mõeldud heelium teile maksta 200 eurot või rohkem. paljudele minusugustele tegijatele lihtsalt liiga palju.

Niisiis, nagu võite arvata, lahendavad picoballoonid selle probleemi, kuna pole lihtsalt mahukad ja rasked. Picoballoon on lihtsalt sõna kerge HAB jaoks. Valgus, mida ma valguse all mõtlen? Üldiselt on picoballoonid kergemad kui 20 g. Kujutage nüüd ette, et protsessor, saatja, trükkplaat, GPS, antennid, päikesepaneel ja ka aku, mille mass on sama kui ühekordse kohvitassi või lusikaga. Kas see pole lihtsalt hullumeelne?

Teine põhjus (peale kulude), miks soovite seda ehitada, on selle valik ja vastupidavus. Klassikaline HAB suudab lennata kuni 4 tundi ja sõita kuni 200 km. Picoballoon võib seevastu lennata kuni paar kuud ja reisida kuni kümneid tuhandeid kilomeetreid. Üks Poola tüüp lasi oma pikoballooni mitu korda ümber maakera lennata. See muidugi tähendab ka seda, et te ei näe oma Picoballooni pärast selle käivitamist enam kunagi. Sellepärast soovite edastada kõik vajalikud andmed ja loomulikult hoida kulud võimalikult madalad.

Märkus: see projekt on koostöös ettevõttega MatejHantabal. Vaata kindlasti ka tema profiili

HOIATUS: See on raskesti teostatav kõrgtaseme, kuid ka väga lõbus projekt. Siin selgitatakse kõike alates trükkplaatide projekteerimisest kuni SMD ja jootmiseni. See tähendab, et hakkame tööle

UPDATE: pidime GPS -mooduli viimasel minutil selle suure energiatarbimise tõttu eemaldama. Tõenäoliselt saab seda parandada, kuid meil polnud selleks aega. Jätan selle juhendisse, kuid ole ettevaatlik, et see pole testitud. Asukoha saate siiski TTN -i metaandmetest, nii et te ei peaks selle pärast muretsema

1. samm: põhimõte

Niisiis, sellise seadme ehitamisel on palju variatsioone ja valikuid, kuid iga jälgija vajab saatjat ja toiteallikat. Enamik jälgijaid sisaldab tõenäoliselt järgmisi komponente:

- päikesepaneel

- aku (lipo või superkondensaator)

- protsessor/mikrokontroller

- GPS -moodul

- andur (temperatuur, niiskus, rõhk, UV, päikesekiirgus …)

- saatja (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Nagu näete, saate kasutada palju andureid ja saatjaid. Milliseid andureid kasutada, on teie otsustada. See pole tegelikult oluline, kuid kõige tavalisemad on temperatuuri- ja rõhuandurid. Saatja valimine on siiski palju keerulisem. Igal tehnoloogial on oma plussid ja miinused. Ma ei hakka seda siin lõhkuma, sest see oleks väga pikk arutelu. Oluline on see, et valisin LoRaWANi ja arvan, et see on parim (kuna mul polnud veel võimalust teisi testida). Ma tean, et LoRaWANil on ilmselt parim katvus. Olete teretulnud mind kommentaarides parandama.

Samm: vajalikud osad

Niisiis, selle projekti jaoks vajate järgmisi asju:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (me ei kasutanud seda lõpus)

BME280 temperatuuri/niiskuse/rõhu andur

2xSuperkondensaator 4.7F 2.7V

Päikesepaneel väljundiga 5V

Kohandatud trükkplaadid

Kui käivitate ise, vajate ka seda:

Vähemalt 0,1m3 heeliumi (otsing: "heeliumipaak 15 õhupallile") ostetud kohapealt

Qualatex 36 isesulguv fooliumist õhupall

Hinnanguline projekti maksumus: 80 € (ainult jälgija) / 100 € (koos õhupalli ja heeliumiga)

Samm: soovitatud tööriistad

Need tööriistad võivad olla kasulikud:

traadi eemaldaja

jootekolb

SMD jootekolb

tangid

kruvikeerajad

liimipüstol

multimeeter

mikroskoop

kuumaõhupüstol

Teil on vaja ka jootmispastat.

4. samm: Adafruit Feather 32U4

Meil oli raske õhupalli jaoks õiget mikrokontrollerit valida. Adafruit Feather osutus selle töö jaoks parimaks. See vastab kõigile nõuetele:

1) Sellel on kõik vajalikud tihvtid: SDA/SCL, RX/TX, digitaalne, analoog

2) Sellel on RFM95 LoRa saatja.

3) See on kerge. Selle mass on ainult 5,5 g.

4) Sellel on unerežiimis väga väike energiatarve (ainult 30uA).

Seetõttu arvame, et Adafruit Feather on selle töö jaoks parim mikrokontroller.

Samm: trükkplaatide projekteerimine ja tootmine

Mul on siiralt kahju sellest, mida ma teile ütlen. Peame valmistama kohandatud trükkplaadi. See saab olema raske ja masendav, kuid see on vajalik, nii et alustame. Samuti, et järgmisest tekstist õigesti aru saada, peaksite lugema Instructables'i seda vinget PCB disainiklassi.

Niisiis, kõigepealt peate koostama skeemi. Tegin nii skeemi kui ka plaadi EAGLE PCB projekteerimistarkvaras Autodeski poolt. See on tasuta, nii et laadige see alla!

See oli minu esimene kord trükkplaadi kujundamisel ja võin teile öelda, et see kõik on seotud Eagle'i liidesega. Kavandasin oma esimese tahvli 6 tunniga, kuid teine laud võttis mul aega vähem kui tund. Siin on tulemus. Päris kena skeem ja tahvel ma ütleks.

Kui olete tahvli faili valmis, peate looma gerberi failid ja saatma need tootjale. Tellisin oma lauad saidilt jlcpcb.com, kuid saate valida mis tahes muu tootja, mis teile meeldib. Määrasin trükkplaadi paksuseks standardse 1,6 mm asemel 0,8 mm, kuna plaat peab olema kerge. Ekraanipildil näete minu seadeid JLC PCB jaoks.

Kui te ei soovi Eagle'i alla laadida, saate lihtsalt alla laadida "Ferdinand 1.0.zip" ja laadida selle üles JLC PCB -le.

Kui tellite trükkplaate, istuge mugavalt oma toolile ja oodake kaks nädalat, kuni need kohale jõuavad. Siis saame jätkata.

Märkus. Võite märgata, et skeem erineb natuke tegelikust plaadist. Seda seetõttu, et märkasin, et paljast BME280 IC -d on liiga raske jootma hakata, nii et muutsin katkestuse skeemi

6. samm: SMD jootmine

Veel üks kurb teade: SMD jootmine pole lihtne. Nüüd on see tõesti karm. Olgu isand teiega. Kuid see õpetus peaks aitama. Jootmiseks võite kasutada jootekolvi ja jootetakti või jootmispastat ja kuumaõhupüstolit. Kumbki neist meetoditest ei olnud minu jaoks piisavalt mugav. Kuid peaksite selle tunni jooksul valmis saama.

Asetage komponendid trükkplaadile siiditrüki või skeemi järgi.

7. samm: jootmine

Pärast SMD jootmist on ülejäänud jootetöö põhimõtteliselt kook. Peaaegu. Tõenäoliselt olete juba jootnud ja loodan, et soovite uuesti jootma hakata. Peate lihtsalt jootma Adafruit Feather, antenas, päikesepaneeli ja superkondensaatorid. Üsna otsekohene ma ütleks.

Asetage komponendid trükkplaadile siiditrüki või skeemi järgi.

8. samm: täitke jälgija

Nii peaks kogu jälgija välja nägema. Imelik. Tore. Huvitav. Need on sõnad, mis mulle kohe pähe tulevad. Nüüd peate lihtsalt koodi vilkuma ja testima, kas see töötab.

9. samm: TTN -i seadistamine

Asjade võrgustik on ülemaailmne linnakeskne kogukonna LoRaWAN -võrk. Enam kui 6887 lüüsiga (vastuvõtjaga) on see suurim ülemaailmne Interneti -võrk maailmas. See kasutab LoRa (Long Range) sideprotokolli, mis on tavaliselt sagedustel 868 (Euroopa, Venemaa) või 915 MHz (USA, India). Seda kasutavad kõige laialdasemalt IoT -seadmed, mis saadavad linnades lühisõnumeid. Saate saata ainult kuni 51 baiti, kuid saate hõlpsalt vahemiku 2–15 km. See sobib ideaalselt lihtsate andurite või muude IoT -seadmete jaoks. Ja mis kõige parem, see on tasuta.

Nüüd pole 2-15 kindlasti piisav, kuid kui jõuate kõrgemale, peaks teil olema parem ühendus. Ja meie õhupall on väga kõrge. 10 km kõrgusel merepinnast peaksime saama ühenduse 100 km kauguselt. Sõber käivitas HAB -i, mille LoRa oli 31 km õhus ja ta sai ping 450 km kaugusel. Niisiis, see on üsna mõistlik.

TTN -i seadistamine peaks olema lihtne. Peate lihtsalt oma e -postiga konto looma ja seejärel seadme registreerima. Kõigepealt peate looma rakenduse. Rakendus on kogu projekti koduleht. Siit saate muuta dekoodri koodi, vaadata sissetulevaid andmeid ja lisada/eemaldada seadmeid. Valige lihtsalt nimi ja olete valmis minema. Pärast seda peate seadme rakenduses registreerima. Peate sisestama Adafruit Featheri MAC -aadressi (sulg pakendis). Seejärel peaksite aktiveerimismeetodiks määrama ABP ja keelama kaadrite loenduri kontrollimise. Teie seade peaks nüüd olema rakenduses registreeritud. Kopeerige seadme aadress, võrguseansi võti ja rakendusseansi võti. Te vajate neid järgmises etapis.

Tervislikuma selgituse saamiseks külastage seda õpetust.

Samm: kodeerimine

Adafruit Feather 32U4 -l on ATmega32U4 AVR -protsessor. See tähendab, et sellel pole USB -side jaoks eraldi kiipi (nagu Arduino UNO), kiip on protsessoris kaasas. See tähendab, et Adafruit Featherisse üleslaadimine võib olla tavalise Arduino plaadiga võrreldes pisut raskem, kuid see töötab Arduino IDE -ga, nii et kui järgite seda õpetust, peaks see olema hea.

Pärast Arduino IDE seadistamist ja "vilkumise" visandi edukat üleslaadimist saate liikuda tegeliku koodi juurde. Laadige alla "LoRa_Test.ino". Muutke vastavalt seadme aadressi, võrguseansi võtit ja rakendusseansi võtit. Laadige visand üles. Mine välja. Suunake antenn kesklinna või lähima värava suunas. Nüüd peaksite TTN -i konsoolil nägema andmeid. Kui ei, siis kommenteerige allpool. Ma ei taha siia panna kõike, mis oleks võinud juhtuda, ma ei tea, kas Instructables server suudab sellise tekstihulgaga hakkama saada.

Edasi liikumine. Kui eelmine visand töötab, saate alla laadida "Ferdinand_1.0.ino" ja muuta asju, mida pidite eelmises visandis muutma. Nüüd proovige uuesti.

Kui saate TTN -i konsoolile juhuslikke HEX -andmeid, ärge muretsege, see peaks seda tegema. Kõik väärtused on kodeeritud HEX -is. Teil on vaja erinevat dekoodri koodi. Laadige alla fail "decoder.txt". Kopeerige selle sisu. Nüüd minge TTN -i konsooli. Minge oma rakendusse/kasulikku koormusvormingut/dekoodrit. Nüüd eemaldage algne dekoodri kood ja kleepige see enda omale. Nüüd peaksite nägema kõiki seal näidud.

11. samm: testimine

Nüüd peaks see olema projekti pikim osa. Testimine. Testimine igasugustes tingimustes. Äärmusliku kuumuse, stressi ja tugeva valgusega (või väljas päikese käes), et matkida sealseid olusid. See peaks kestma vähemalt nädal, nii et jälgija käitumises pole üllatusi. Kuid see on ideaalne maailm ja meil ei olnud seda aega, sest jälgija ehitati võistlusteks. Tegime mõned viimase hetke muudatused (sõna otseses mõttes nagu 40 minutit enne käivitamist), nii et me ei teadnud, mida oodata. See pole ju hea. Aga teate, me siiski võitsime konkursi.

Tõenäoliselt peate selle osa tegema väljaspool, sest päike ei paista ja LoRa ei saa teie kontoris parimat vastuvõttu.

12. samm: mõned keerulised valemid

Picoballoonid on väga tundlikud. Sa ei saa neid lihtsalt heeliumiga täita ja käivitada. See neile tõesti ei meeldi. Las ma selgitan. Kui ujuv jõud on liiga madal, ei tõuse õhupall üles (ilmselgelt). AGA, ja see on saak, kui ujuv jõud on liiga suur, lendab õhupall liiga kõrgele, õhupalli jõud on liiga suured ning see paiskab ja kukub maapinnale. See on peamine põhjus, miks soovite neid arvutusi teha.

Kui teate natuke füüsikat, ei tohiks ülaltoodud valemite mõistmisega probleeme tekkida. Valemisse peate sisestama mõned muutujad. Siia kuuluvad: gaasitäitmise konstant, termodünaamiline temperatuur, rõhk, sondi mass ja õhupalli mass. Kui järgite seda õpetust ja kasutate sama õhupalli (Qualatex microfoil 36 ) ja sama täitmisgaasi (heelium), siis ainus asi, mis tegelikult erineb, on sondi mass.

Need valemid peaksid teile seejärel andma: õhupalli täitmiseks vajaliku heeliumi mahu, õhupalli tõusu kiiruse, õhupalli lendamise kõrguse ja ka vaba tõstekaalu. Need kõik on väga kasulikud väärtused. Tõusukiirus on oluline, et õhupall ei lööks takistusi, sest see on liiga aeglane ja on tõesti tore teada, kui kõrgele õhupall lendab. Kuid kõige olulisem neist on ilmselt tasuta lift. Tasuta tõstmine on vajalik, kui täidate ballooni punktis 14.

Täname TomasTT7 abi eest valemitega. Tutvu tema ajaveebiga siin.

13. samm: riskid

Niisiis, teie jälgija töötab. See pask, mille kallal olete kaks kuud töötanud, tegelikult toimib! Palju õnne.

Nii et vaatame üle, milliseid riske teie sondlaps õhus võib kohata:

1) Päikesepaneeli ei põle piisavalt päikesevalgust. Superkondensaatorid tühjenevad. Sond lakkab töötamast.

2) Sond läheb levialast välja ja andmeid ei võeta vastu.

3) Tugevad tuuleiilid hävitavad sondi.

4) Sond läbib tõusu ajal tormi ja vihm lühendab vooluringi.

5) Päikesepaneelile tekib jääkate. Superkondensaatorid tühjenevad. Sond lakkab töötamast.

6) Osa sondist puruneb mehaanilise koormuse mõjul.

7) Osa sondist puruneb äärmise kuumuse ja rõhu tingimustes.

8) Ballooni ja õhu vahele tekib elektrostaatiline laeng, mis moodustab sädeme, mis kahjustab sondi.

9) Sond saab välku.

10) Sond saab lennukilt löögi.

11) Sond saab linnult löögi.

12) Välismaalased kaaperdavad teie sondi. See võib juhtuda eriti siis, kui õhupall asub ala 51 kohal.

14. samm: käivitage

Niisiis, see on kõik. See on D-päev ja te lasete oma armastatud picoballooni käiku. Alati on hea teada maastikku ja kõiki võimalikke takistusi. Samuti peate pidevalt jälgima ilma (peamiselt tuule kiirust ja suunda). Nii minimeerite 100 euro väärtuses varustuse ja kahe kuu aega puusse või seina löömise tõenäosust. See oleks kurb.

Sisestage toru ballooni. Siduge õhupall nailoniga millegi raske külge. Pange raske asi kaalule. Lähtestage skaala. Kinnitage toru teine ots oma heeliumimahuti külge. Alustage klapi aeglast avamist. Nüüd peaksite skaalal nägema negatiivseid numbreid. Nüüd on aeg kasutada 12. etapis arvutatud vabatõste väärtust. Sulgege klapp, kui negatiivne arv jõuab õhupalli + vabatõste massini. Minu puhul oli see 15g + 2,4g, nii et sulgesin klapi skaalal täpselt -17,4 g juures. Eemaldage toru. Balloon on isesulguv, see peaks automaatselt tihenduma. Vabastage raske ese ja asendage see anduriga. Nüüd olete käivitamiseks valmis.

Vaadake lihtsalt videost kõiki üksikasju.

15. samm: andmete vastuvõtmine

Ohh, ma mäletan seda tunnet, mis meil pärast käivitamist oli. Stress, pettumus, palju hormoone. Kas see töötab? Kas meie töö on väärtusetu? Kas me lihtsalt kulutasime nii palju raha millelegi, mis ei tööta? Selliseid küsimusi esitasime endale pärast käivitamist.

Õnneks reageeris sond umbes 20 minutit pärast käivitamist. Ja siis saime paki iga 10 minuti tagant. Kaotasime kontakti sondiga kell 17:51:09 GMT. Oleks võinud paremini minna, aga ikka on hästi.

16. samm: edasised plaanid

See oli üks meie seni raskemaid projekte. Kõik ei olnud täiuslik, kuid see on OK, see on alati nii. See oli ikka väga edukas. Jälgija töötas laitmatult. Seda oleks võinud teha palju kauem, kuid see pole oluline. Ja lõpuks saime Picoballooni võistlusel teiseks. Nüüd võite öelda, et 17 inimesega võistlusel teiseks jäämine pole nii edukas, AGA pidage meeles, et see on täiskasvanute inseneri-/ehitusvõistlus. Oleme 14 -aastased. Need, kellega võistlesime, olid inseneri- ja võib -olla isegi kosmosetööstuse taustaga ning palju suurema kogemusega täiskasvanud. Nii et jah, üldiselt ütleksin, et see oli suur edu. Saime 200 €, mis oli ligikaudu kahekordne meie kuludest.

Kindlasti kavatsen ehitada versiooni 2.0. See saab olema palju parem, väiksemate komponentidega (barebone protsessor, RFM95) ja see on usaldusväärsem, nii et jääge järgmise juhendi juurde.

Meie peamine eesmärk on nüüd võita Epilog X võistlus. Kolleegid tegijad, kui teile see juhendamine meeldis, kaaluge selle poolt hääletamist. See aitaks meid tõesti. Suur aitäh teile!

Epilog X võistluse teine koht