Kuinka tehdä Picoballoon: 16 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Mikä on pikopallo ja miksi haluaisin rakentaa sen ?! Kuulen, että kysyt. Anna minun selittää. Tiedätte varmasti, mitä HAB (High Altitude Balloon) on. Se on joukko outoja elektroniikkatuotteita, jotka on liitetty ilmapalloon. Täällä Instructablesissa on niin paljon opetusohjelmia HAB: ista.

MUTTA, ja se on erittäin suuri MUTTA, mitä he eivät kerro sinulle useimmiten opetusohjelmassa, on täyttökaasun hinta. Nyt voit rakentaa kunnollisen HAB -seurannan alle 50 €, mutta jos se painaa 200 g (mikä on melko optimistinen arvaus paristojen, kameroiden jne. Kanssa), heliumin täyttäminen ilmapalloon voi maksaa 200 € tai enemmän, mikä on aivan liikaa monille kaltaisilleni valmistajille.

Joten, kuten arvata saattaa, picoballoonit ratkaisevat tämän ongelman vain olematta suuria ja raskaita. Picoballoon on vain sana kevyelle HAB: lle. Valo, mitä tarkoitan valolla? Yleensä picoballoonit ovat kevyempiä kuin 20 g. Kuvittele nyt, että prosessori, lähetin, piirilevy, GPS, antennit, aurinkopaneeli ja myös akku, jonka massa on sama kuin kertakäyttöinen kahvikuppi tai lusikka. Eikö se ole vain hullua?

Toinen syy (kustannusten lisäksi), miksi haluat rakentaa tämän, on sen valikoima ja kestävyys. Klassinen HAB voi lentää jopa 4 tuntia ja matkustaa jopa 200 km. Toisaalta Picoballoon voi lentää jopa pari kuukautta ja matkustaa jopa kymmeniä tuhansia kilometrejä. Eräs puolalainen kaveri sai pikapallonsa lentämään ympäri maailmaa useita kertoja. Tämä tietysti tarkoittaa myös sitä, että et koskaan näe Picoballoonia uudelleen sen käynnistämisen jälkeen. Siksi haluat lähettää kaikki tarvittavat tiedot ja tietysti pitää kustannukset mahdollisimman alhaisina.

Huomaa: Tämä projekti on yhteistyössä MatejHantabalin kanssa. Muista tarkistaa myös hänen profiilinsa

VAROITUS: Tämä on vaikeasti suoritettava edistyneen tason mutta myös erittäin hauska projekti. Kaikki PCB -suunnittelusta SMD: hen juottamiseen selitetään tässä. Se sanoi, mennään töihin

PÄIVITYS: Meidän piti poistaa GPS -moduuli viime hetkellä sen suuren virrankulutuksen vuoksi. Se voidaan todennäköisesti korjata, mutta meillä ei ollut aikaa siihen. Jätän sen ohjeeseen, mutta varo, että sitä ei ole testattu. Voit silti saada sijainnin TTN -metatiedoista, joten sinun ei tarvitse huolehtia siitä

Vaihe 1: Periaate

Joten tällaista laitetta rakennettaessa on monia muunnelmia ja valintoja, mutta jokainen seurantalaite tarvitsee lähettimen ja virtalähteen. Useimmat seurantalaitteet sisältävät todennäköisesti nämä komponentit:

- aurinkopaneeli

- akku (lipo- tai superkondensaattori)

- prosessori/mikro -ohjain

- GPS -moduuli

- anturi (lämpötila, kosteus, paine, UV, auringon säteily …)

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

Kuten huomaat, voit käyttää monia antureita ja lähettimiä. Mitä antureita käytät, on sinun tehtäväsi. Sillä ei ole väliä, mutta yleisimmät ovat lämpötila- ja paineanturit. Lähettimen valinta on kuitenkin paljon vaikeampaa. Jokaisella tekniikalla on joitain etuja ja haittoja. En katkaise sitä täällä, koska se olisi hyvin pitkä keskustelu. Tärkeintä on, että valitsin LoRaWANin ja mielestäni se on paras (koska minulla ei ollut vielä mahdollisuutta testata muita). Tiedän kuitenkin, että LoRaWANilla on luultavasti paras peitto. Olet tervetullut korjaamaan minut kommenteissa.

Vaihe 2: Tarvittavat osat

Joten tarvitset näitä asioita tähän projektiin:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (emme käyttäneet tätä lopussa)

BME280 lämpötila-/kosteus-/paineanturi

2xSuperkondensaattori 4.7F 2.7V

Aurinkopaneeli, lähtö 5V

Mukautetut piirilevyt

Jos käynnistät itse, tarvitset myös tämän:

Vähintään 0,1 m3 heliumia (haku: "heliumsäiliö 15 ilmapallolle") ostettu paikallisesti

Qualatex 36 itsetiivistyvä foliopallo

Arvioidut projektikustannukset: 80 € (vain seurantalaite) / 100 € (mukaan lukien ilmapallo ja helium)

Vaihe 3: Suositellut työkalut

Nämä työkalut voivat olla hyödyllisiä:

langanpoistaja

juotin

SMD -juotosrauta

pihdit

ruuvimeisselit

liimapistooli

yleismittari

mikroskooppi

kuumailma -ase

Tarvitset myös juotospastan.

Vaihe 4: Adafruit Feather 32U4

Meillä oli vaikeuksia valita oikea mikro -ohjain ilmapallolle. Adafruit Feather osoittautui parhaaksi tehtävään. Se täyttää kaikki vaaditut kriteerit:

1) Siinä on kaikki tarvittavat nastat: SDA/SCL, RX/TX, digitaalinen, analoginen

2) Siinä on RFM95 LoRa -lähetin.

3) Se on kevyt. Sen paino on vain 5,5 g.

4) Sen virrankulutus on erittäin alhainen lepotilassa (vain 30uA).

Tämän vuoksi uskomme, että Adafruit Feather on paras mikrokontrolleri tähän työhön.

Vaihe 5: Piirilevyjen suunnittelu ja valmistus

Olen todella pahoillani siitä, mitä kerron sinulle. Meidän on tehtävä mukautettu piirilevy. Se tulee olemaan vaikeaa ja turhauttavaa, mutta se on välttämätöntä, joten aloitetaan. Myös ymmärtääksesi seuraavan tekstin oikein, sinun kannattaa lukea tämä mahtava piirilevyjen suunnitteluluokka Instructablesilta.

Joten aluksi sinun on tehtävä kaavio. Tein sekä kaavion että levyn Autodeskin EAGLE PCB -suunnitteluohjelmistossa. Se on ilmainen, joten lataa se!

Se oli ensimmäinen kerta, kun suunnittelin piirilevyä, ja voin kertoa teille, että kyse on Eagle -käyttöliittymän saamisesta kiinni. Suunnittelin ensimmäisen lautani 6 tunnissa, mutta toisella laudalla kesti alle tunnin. Tässä on tulos. Melko mukava kaavio ja taulu, sanoisin.

Kun sinulla on taulutiedosto valmiina, sinun on luotava gerber -tiedostot ja lähetettävä ne valmistajalle. Tilasin levyt jlcpcb.com -sivustolta, mutta voit valita minkä tahansa muun valmistajan. Asetin piirilevyn paksuuden 0,8 mm: iin normaalin 1,6 mm: n sijasta, koska levyn on oltava kevyt. Näet asetukset JLC PCB: lle kuvakaappauksessa.

Jos et halua ladata Eaglea, voit ladata "Ferdinand 1.0.zip" ja ladata sen JLC -piirilevylle.

Kun tilaat piirilevyjä, istu mukavasti tuolillesi ja odota kaksi viikkoa niiden saapumista. Sitten voimme jatkaa.

Huomaa: Voit huomata, että kaavio on hieman erilainen kuin varsinainen levy. Tämä johtuu siitä, että huomasin, että paljas BME280 IC on liian vaikea juottaa, joten muutin kaavion purkautumista varten

Vaihe 6: SMD -juotos

Toinen surullinen ilmoitus: SMD -juotos ei ole helppoa. Nyt on oikeasti pirun kova. Olkoon herra kanssasi. Mutta tämän opetusohjelman pitäisi auttaa. Voit juottaa joko juotosraudalla ja juotoskärjellä tai juotospastalla ja kuumailmapistoolilla. Kumpikaan näistä tavoista ei ollut tarpeeksi kätevä minulle. Mutta sinun pitäisi saada se valmiiksi tunnin sisällä.

Aseta komponentit joko piirilevyn silkkipainan tai kaavion mukaan.

Vaihe 7: Juotos

Kun SMD -juotos on tehty, muu juotos on pohjimmiltaan kakku. Melkein. Olet luultavasti juottanut aiemmin ja toivon, että haluat juottaa uudelleen. Sinun tarvitsee vain juottaa Adafruit Feather, antenas, aurinkopaneeli ja superkondensaattorit. Aika suoraviivaista sanoisin.

Aseta komponentit joko piirilevyn silkkipainan tai kaavion mukaan.

Vaihe 8: Suorita Tracker loppuun

Tältä koko seurantalaitteen pitäisi näyttää. Outo. Kiva. Mielenkiintoista. Nämä sanat tulevat heti mieleeni. Nyt sinun tarvitsee vain vilkuttaa koodi ja testata, toimiiko se.

Vaihe 9: TTN -asennus

Things Network on maailmanlaajuinen kaupunkikeskeinen yhteisön LoRaWAN -verkko. Yli 6887 yhdyskäytävän (vastaanottimen) kanssa käynnissä se on maailman suurin maailmanlaajuinen IoT -verkko. Se käyttää LoRa (Long Range) -viestintäprotokollaa, joka on yleensä taajuuksilla 868 (Eurooppa, Venäjä) tai 915 MHz (USA, Intia). Sitä käyttävät laajimmin IoT -laitteet, jotka lähettävät lyhytsanomia kaupungeissa. Voit lähettää vain 51 tavua, mutta saat helposti etäisyyden 2–15 km. Se on ihanteellinen yksinkertaisille antureille tai muille IoT -laitteille. Ja mikä parasta, se on ilmainen.

Nyt 2-15 ei varmasti riitä, mutta jos pääset korkeammalle tasolle, sinulla pitäisi olla parempi yhteys. Ja ilmapallomme tulee olemaan erittäin korkea. 10 km merenpinnan yläpuolella meidän pitäisi saada yhteys 100 km: n etäisyydeltä. Ystävä käynnisti HAB: n, jossa LoRa oli 31 km ilmassa, ja hän sai pingin 450 km: n päässä. Eli aika järkevää.

TTN: n asentamisen pitäisi olla helppoa. Sinun tarvitsee vain luoda tili sähköpostilla ja rekisteröidä laite. Aluksi sinun on luotava sovellus. Sovellus on koko projektin kotisivu. Täältä voit muuttaa dekooderin koodia, tarkastella saapuvia tietoja ja lisätä/poistaa laitteita. Valitse vain nimi ja olet valmis lähtemään. Kun tämä on tehty, sinun on rekisteröitävä laite sovellukseen. Sinun on syötettävä Adafruit Featherin MAC -osoite (sulka pakkauksessa). Aseta sitten aktivointimenetelmäksi ABP ja poista kehyslaskurien tarkistukset käytöstä. Laitteesi pitäisi nyt olla rekisteröity sovellukseen. Kopioi laiteosoite, verkkoistuntoavain ja sovellusistuntoavain. Tarvitset niitä seuraavassa vaiheessa.

Saat terveellisemmän selityksen tästä opetusohjelmasta.

Vaihe 10: Koodaus

Adafruit Feather 32U4 -laitteessa on ATmega32U4 AVR -prosessori. Tämä tarkoittaa, että sillä ei ole erillistä sirua USB -viestintää varten (kuten Arduino UNO), siru sisältyy prosessoriin. Tämä tarkoittaa, että lataaminen Adafruit Featheriin voi olla hieman vaikeampaa kuin tyypillinen Arduino -levy, mutta se toimii Arduino IDE: n kanssa, joten jos noudatat tätä opetusohjelmaa, sen pitäisi olla kunnossa.

Kun olet asentanut Arduino IDE: n ja lähettänyt "vilkkuva" luonnoksen, voit siirtyä varsinaiseen koodiin. Lataa "LoRa_Test.ino". Muuta laitteen osoite, verkkoistuntoavain ja sovellusistuntoavain vastaavasti. Lataa luonnos. Mennä ulos. Osoita antenni kaupungin keskustaan tai lähimmän yhdyskäytävän suuntaan. Sinun pitäisi nyt nähdä tietojen ponnahtavan TTN -konsoliin. Jos ei, kommentoi alle. En halua laittaa tähän kaikkea, mitä olisi voinut tapahtua, en tiedä, pystyisikö Instructables -palvelin käsittelemään tällaista tekstiä.

Siirrytään eteenpäin. Jos edellinen luonnos toimii, voit ladata "Ferdinand_1.0.ino" ja muuttaa asioita, jotka sinun piti muuttaa edellisessä luonnoksessa. Testaa nyt uudestaan.

Jos saat satunnaisia HEX -tietoja TTN -konsoliin, älä huoli, sen pitäisi tehdä se. Kaikki arvot on koodattu HEX: iin. Tarvitset toisen dekooderikoodin. Lataa "decoder.txt". Kopioi sen sisältö. Siirry nyt TTN -konsoliin. Siirry sovellukseesi/hyötykuormamuotoihin/dekooderiin. Poista nyt alkuperäinen dekooderikoodi ja liitä se omaan. Sinun pitäisi nyt nähdä kaikki lukemat siellä.

Vaihe 11: Testaus

Nyt tämän pitäisi olla hankkeen pisin osa. Testaus. Testaus kaikenlaisissa olosuhteissa. Äärimmäisessä kuumuudessa, stressissä ja voimakkaassa valossa (tai ulkona auringossa) jäljittelemään olosuhteita. Tämän pitäisi kestää vähintään viikko, jotta seurantakäyttäytymisen suhteen ei tule yllätyksiä. Mutta se on ihanteellinen maailma, eikä meillä ollut sitä aikaa, koska seurantalaite rakennettiin kilpailua varten. Teimme joitakin viime hetken muutoksia (kirjaimellisesti kuin 40 minuuttia ennen käynnistystä), joten emme tienneet mitä odottaa. Tuo ei ole hyvä. Mutta tiedätte, voitimme silti kilpailun.

Sinun on luultavasti tehtävä tämä osa ulkona, koska aurinko ei paista sisällä ja koska LoRalla ei ole parasta vastaanottoa toimistossasi.

Vaihe 12: Jotkut Funky -kaavat

Picoballoons ovat erittäin herkkiä. Et voi vain täyttää niitä heliumilla ja käynnistää ne. He eivät todellakaan pidä siitä. Anna minun selittää. Jos kelluva voima on liian pieni, pallo ei nouse (ilmeisesti). MUTTA, ja tämä on saalis, jos kelluva voima on liian suuri, ilmapallo lentää liian korkealle, ilmapalloon kohdistuvat voimat ovat liian suuret ja se pomppii ja putoaa maahan. Tämä on tärkein syy, miksi haluat todella tehdä nämä laskelmat.

Jos osaat fysiikkaa hieman, sinulla ei pitäisi olla ongelmia yllä olevien kaavojen ymmärtämisessä. Joitakin muuttujia sinun on syötettävä kaavaan. Tämä sisältää: täyttökaasun vakion, termodynaamisen lämpötilan, paineen, anturin massan ja ilmapallon massan. Jos noudatat tätä opetusohjelmaa ja käytät samaa ilmapalloa (Qualatex microfoil 36 ) ja samaa täyttökaasua (heliumia), ainoa asia, joka todella eroaa, on anturin massa.

Näiden kaavojen pitäisi antaa sinulle: ilmapallon täyttämiseen tarvittava heliumin tilavuus, pallon nousunopeus, ilmapallon korkeus ja myös vapaa nostopaino. Nämä kaikki ovat erittäin hyödyllisiä arvoja. Nousunopeus on tärkeä, jotta ilmapallo ei osu esteisiin, koska se on liian hidas ja on todella mukavaa tietää, kuinka korkealle ilmapallo lentää. Mutta tärkein niistä on luultavasti vapaa hissi. Vapaahissi on tarpeen, kun täytät ilmapallon vaiheessa 14.

Kiitos TomasTT7: lle kaavojen avusta. Tutustu hänen blogiinsa täältä.

Vaihe 13: Riskit

Joten seurantalaitteesi toimii. Se paska, jonka parissa olet työskennellyt kaksi kuukautta, todella toimii! Onnittelut.

Tarkastellaan siis, mitä riskejä koetinlapsesi voi kohdata ilmassa:

1) Aurinkopaneeliin ei tule tarpeeksi auringonvaloa. Superkondensaattorit tyhjenevät. Anturi lakkaa toimimasta.

2) Koetin menee kantaman ulkopuolelle, eikä tietoja vastaanoteta.

3) Voimakkaat tuulenpuuskat tuhoavat anturin.

4) Anturi kulkee myrskyn läpi nousun aikana ja sade oikosulkee piirin.

5) Aurinkopaneeliin muodostuu jääpinnoite. Superkondensaattorit tyhjenevät. Anturi lakkaa toimimasta.

6) Osa anturista rikkoutuu mekaanisen rasituksen alaisena.

7) Osa anturista rikkoutuu äärimmäisissä kuumuus- ja paineolosuhteissa.

8) Ilmapallon ja ilman väliin muodostuu sähköstaattinen varaus, joka muodostaa kipinän, mikä vahingoittaa anturia.

9) Salama iskee anturin.

10) Lentokone osuu anturiin.

11) Lintu osuu anturiin.

12) Ulkomaalaiset kaappaavat anturin. Voi tapahtua erityisesti, jos ilmapallo on alueen 51 yläpuolella.

Vaihe 14: Käynnistä

Joten se siitä. Nyt on D-päivä ja laukaisette rakkaan pikapallon. Maasto ja kaikki mahdolliset esteet on aina hyvä tietää. Sinun on myös seurattava jatkuvasti säätä (lähinnä tuulen nopeutta ja suuntaa). Näin minimoit mahdollisuutesi, että 100 €: n varusteesi ja 2 kuukautta aikaa osuvat puuhun tai seinään. Se olisi surullista.

Aseta putki ilmapalloon. Sido ilmapallo johonkin raskaaseen nailonilla. Laita raskas asia asteikolle. Nollaa asteikko. Kiinnitä putken toinen pää heliumsäiliöön. Aloita venttiilin avaaminen hitaasti. Sinun pitäisi nyt nähdä negatiiviset luvut asteikolla. Nyt on aika käyttää vaiheessa 12 laskemaasi vapaahissiarvoa. Sulje venttiili, kun negatiivinen luku saavuttaa ilmapallon + vapaahissin massan. Minun tapauksessani se oli 15 g + 2,4 g, joten suljin venttiilin tarkasti -17,4 g asteikolla. Irrota putki. Ilmapallo tiivistyy itsestään, sen pitäisi sulkeutua automaattisesti. Irrota raskas esine ja korvaa se anturilla. Olet nyt valmis käynnistämään.

Katso videolta kaikki yksityiskohdat.

Vaihe 15: Tietojen vastaanottaminen

Muistan, millainen tunne meillä oli lanseerauksen jälkeen. Stressi, turhautuminen, paljon hormoneja. Toimiiko se? Onko työmme arvotonta? Käytimme vain niin paljon rahaa johonkin, joka ei toimi? Tällaisia kysymyksiä kysyimme itseltämme käynnistyksen jälkeen.

Onneksi anturi vastasi noin 20 minuuttia laukaisun jälkeen. Ja sitten saimme paketin 10 minuutin välein. Menetimme yhteyden anturiin kello 17:51:09 GMT. Se olisi voinut olla parempi, mutta se on silti hyvä.

Vaihe 16: Muut suunnitelmat

Tämä oli yksi vaikeimmista hankkeistamme tähän mennessä. Kaikki ei ollut täydellistä, mutta se on ok, se on aina niin. Se oli edelleen erittäin onnistunut. Seuranta toimi moitteettomasti. Se olisi voinut tehdä sen paljon pidempään, mutta sillä ei ole väliä. Ja päädyimme toiseksi Picoballoon -kilpailussa. Nyt saatat sanoa, että toiseksi jääminen kilpailussa, jossa on 17 henkilöä, ei ole niin onnistunut, MUISTA kuitenkin pitää mielessä, että tämä on aikuisten suunnittelukilpailu. Olemme 14 -vuotiaita. Kilpailimme aikuisten kanssa, joilla oli insinööri- ja mahdollisesti jopa ilmailu- ja avaruusalan tausta ja paljon enemmän kokemusta. Joten kyllä, kaiken kaikkiaan sanoisin, että se oli suuri menestys. Saimme 200 €, mikä oli noin kaksinkertainen menoihimme.

Aion varmasti rakentaa version 2.0. Se tulee olemaan paljon parempi pienemmillä komponenteilla (barebone -prosessori, RFM95) ja se on luotettavampi, joten pysy kuulolla seuraavaa opastettavaa varten.

Päätavoitteemme on nyt voittaa Epilog X -kilpailu. Hyvät päättäjät, jos piditte tästä ohjeesta, harkitse äänestämistä sen puolesta. Se todella auttaisi meitä. Kiitos tosi paljon!

Toinen sija Epilog X -kilpailussa