Články / HAM - Contesting

Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia

---

Čas dozrel a ja som dokončil za pomoci kamaráta Washu „mozog“ celého balóna ,ktorý sa bude starať o zber dát zo senzoriky, spracovanie a následne vyslanie pomocou 2 vysielačov a záznam na MMC kartu. V tomto článku sa teda budem venovať schéme zapojenia, popíšem a vysvetlím jednotlivé časti a ich funkciu. Ďalej sa budem venovať DPS a osadeniu súčiastok, kde som prvý krát použil technológiu SMD.

Schéma zapojenia:

Napájanie

Na obrázku vidno schému zapojenia tohto zariadenia. Najskôr budem venovať pozornosť napájacej časti zariadenia, ktorú vidno na schéme naľavo hore. U napájacej časti u nášho zariadenia som bral najväčší ohľad na spotrebu a stabilitu. Spotreba je dôležitá preto, aby sme efektívne využili energiu z batérii a zbytočne ju nepremieňali na teplo, keď to nie je potrebné. Preto sme na 5V digitálnu časť použili spínaný zdroj od Texas Instruments, ktorého efektivitu som zmeral a je uvedená v nasledovnej tabuľke:

Odoberaný prúd 12V [mA]	50	90	110	140	180	260
Odoberaný prúd 5V [mA]	82	152	210	260	350	500
Pin [mW]	600	1080	1320	1680	2160	3120
Pout [mW]	410	760	1050	1300	1750	2500
Účinnosť [%]	68,33	70,37	79,54	77,38	81,02	80,12

Tento spínaný zdroj napája Atmega16 a vysielač na frekvencii 869Mhz čo budú v našom prípade najväčší „žrúti“ energie.

Na analógovú teda meraciu časť som použil na napájanie LDO stabilizátor na 5V, kde je spotreba zanedbateľná ale stabilita a nízky šum napájacej vetvy je veľmi dôležitý. Tento stabilizátor napája operačné zosilňovače, 16bit AD prevodník a napäťovú referenciu.
Ďalší LDO stabilizátor je na 3,3V a stará sa o napájanie MMC pamäťovej karty. Tento stabilizátor je napájaný z 5V spínaného zdroja, čo je priaznivé z hľadiska spotreby.
Posledný LDO stabilizátor je nízkošumový a napája napätím 10V senzor tlaku.

Sponzorom projektu Stratosferického balónu je firma Farnell. Dakujeme

Senzorika

Ďalšiu, dosť veľkú časť schémy tvorí senzorika. Ako som už písal v predošlom článku chceme merať vonkajšiu a vnútornú teplotu, tlak, vlhkosť a radiáciu. Senzoriku som sa snažil riešiť tak, aby bola poväčšine s digitálnym výstupom a tak interná teplota je meraná cez DS18S20 a vonkajšia teplota a vlhkosť pomocou SHT71. Z analógovým výstupom teda ostali senzory na merania tlaku – MPX2202 a vonkajšej teploty - PT500.

Meranie teploty pomocou PT500:
- Operačné zosilňovače IC3 a IC4 tvoria precízny prúdový zdroj, kde výstupná stabilita závisí len na stabilite odporu a napäťovej referencie. Výstupný prúd určíme zo vzťahu: Ir = Uref/R21 teda Ir = 2,5V/10k = 250uA
- Keď bude snímačom PT500 tiecť prúd 250uA tak výstupné napätie pri rôznych teplotách bude nasledovné:

Teplota [C]	-100	-80	-60	-40	-20	0	20	40	60	80	100
Napätie na snímači [mV]	76,25	86	95,75	105,5	115,25	125	134,75	144,5	154,25	164	173,75
Napätie po zosilnení[mV]	1067,5	1204	1340,5	1477	1613,5	1750	1886,5	2023	2159,5	2296	2432,5

- Toto napätie je následné zosilnené pomocou prístrojového operačného zosilňovača na také napätie, aby bol využitý plný rozsah 16bit AD prevodníka. V našom prípade je rozsah 0-2,5V.
- Pri 16bitovom AD prevode a napätí referencie 2,5V má jedná úroveň hodnotu 40uV, teda v ideálnom prípade dokážeme zmerať zmenu teploty o 1C v 682,5 úrovniach. Keď pripočítame šum a chyby merania reálne rozlíšenie merania teploty by mohlo byť na úrovni 0,01C.

Meranie tlaku pomocou MPX2202:
- Pri 200kPa tlaku je na výstupe snímača napätie 40mV. Rozlíšenie je teda 0,2mV na 1kPa.
- Pomocou prístrojového operačného zosilňovača je nastavené zosilnenie tak, aby bol využitý plný rozsah AD prevodníka. Využívame rozsah tlakov len do hodnoty 120kPa, keďže väčší atmosférický tlak nedosiahneme. Výstupné napätia v závislosti od tlaku vidno v nasledovnej tabuľke:

Tlak [kPa]	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
Napätie na snímači [mV]	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24
Napätie po zosilnení [mV]	0	190	380	570	760	950	1140	1330	1520	1710	1900	2090	2280

- Po zosilnení teda získavame približne zmenu 19mV na 1kPa. Reálne teda môžeme dosiahnuť rozlíšenie 0,01kPa.

Meranie napätia a prúdu sme vyriešili tak, že sme zapojili dvojicu napäťových deličov na AD prevodník mikroprocesora, kde napätie na prvom deliči bude použité na meranie napätia a rozdiel napätí medzi prvým a druhým deličom bude slúžiť na meranie prúdu odoberaného z batérie.

Ostatné senzory majú digitálny výstup takže sú pripojené priamo ku pinom na mikroprocesore. Senzor SHT71 bude určený na meranie externej teploty a vlhkosti. Datasheet udáva, že teplotu dokáže merať na 0,01C a vlhkosť na 0,01%RH. Na meranie externej teploty budeme mať teda 2 senzory, čo má svoje výhody hlavne z toho hľadiska, že budeme môcť porovnať teploty a keď teplota klesne pod -40C tak senzor teploty s SHT71 už nebude korektne merať teplotu a vlhkosť. Posledný senzor bude na meranie radiácie pomocou geiger-mullerového čítača. Výstupom budú teda pulzy, ktoré budú hovoriť o úrovni radiácie. Tieto pulzy vhodne upravené na úroveň TTL budú privádzane k mikroprocesoru.

Vysielanie a záznam dát

Na vysielanie dát budú použité dva vysielače. Jeden na frekvencii 144,8MHz, druhý na 869MHz. Vysielač na 144,8MHz bude využitý pre APRS sieť ktorej výhody som popísal v predchádzajúcom článku. Vysielač na 869MHz bude ako záložný a zároveň s vhodnou smerovou anténou u pozemnej stanice bude slúžiť na určenie smeru pohybu balóna vtedy, keď GPS dosiahne svoj výškový limit a prestane odosielať GPS súradnice.
Na schéme teda piny I2C PLL slúžia na naladenie prvého vysielača na správnu frekvenciu, piny DATA + EN slúžia na zopínanie vysielača a vysielanie packetov.
Druhý vysielač je vo forme modulu a je priamo umiestnený na DPS. Vysielanie pomocou tohto vysielača bude s tým istým štandardom a tou istou moduláciou ako u prvého vysielača. Vysielače budú zopínané postupne, teda nebudú vysielať obidva naraz.

Dáta budú ukladané aj na MMC pamätovú kartu v krátkych niekoľko-sekundových intervaloch, aby sme po pristáti mohli tieto údaje spracovať a zostrojiť tabuľky.

DPS a osadenie

Pri návrhu DPS bolo treba dbať hlavne na vhodné rozmiestnenie súčiastok, filtrovanie a k tomu zachovať aj čo najmenší rozmer DPS. Tento plošný spoj bol môj premiérový čo sa týka použitia SMD technológie. Z hľadiska odolnosti voči šumu a stabilite som sa rozhodol, že zostrojím obojstrannú DPS, kde vrchná strana slúži ako zem a je pomocou prekovov vhodne poprepájaná k SMD súčiastkam.

TOP:


BOTTOM:


Plošný spoj som letoval za pomoci mikropájky a horkovzdušnej stanice. Výsledok môžete vidieť na obrázkoch:




Plošný spoj je teda osadený aj odskúšaný, ostáva teda ešte naprogramovať mikroprocesor a môžeme letieť do vesmiru :)