Svetelektro.com

Svetelektro.com

Meno:
Heslo:

Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia

Kategória: HAM - Contesting | 14.08.2010 | Autor: zawin 

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 :)
 

02.10.2014

Kurz pre začínajúcich rádioamatérov

 4124   0  Hodnotenie: 0Hodnotenie: 0Hodnotenie: 0Hodnotenie: 0Hodnotenie: 0

07.10.2010

Balón Universum - Zhodnotenie

 10743   24  Hodnotenie: 4.5Hodnotenie: 4.5Hodnotenie: 4.5Hodnotenie: 4.5Hodnotenie: 4.5

11.06.2010

APRS a jeho využitie v balóne

 7064   2  Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5

Priemerné hodnotenie: 4.37
Hlasov: 8

Veľmi dobrý

Zvoľte počet hviezdičiek:
Vynikajúci
Veľmi dobrý
Dobrý
Priemerný
Zlý



Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.

Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: remusator - 14.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu) http://remus.6f.sk
Velmi pekný plošák. Páči sa mi aj to zaletovanie SMD súčiastok. Len maličká otázka, prečo je taký flakatý ? To je už zakonzervovaný alebo nejak nevyšiel.
Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: zawin - 14.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu) http://svetelektro.com
 
Ahoj! Flakaty je preto, lebo som pouzil asi tenku vrstvu kolofionie a pri tychlo horucavach sa mi nadmerne potili ruky tak sa to odzrkadlilo :(

Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: enaxy - 19.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
Zaujima aky zdroj elektr. energie bude pouzity. Nieje to tu uvedene. Aka bude odberova spicka z regulatorov? Skoda ale ten menic pri takom odbere ma dost nizku ucinnost. Najlepsie by to bolo dobre napajat zdrojom s napatim od 7V do 8V tam ma PTN78000 ucinost pri odbere 600mA az 94%.

Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: Washu - 19.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
Ako zdroj energie planujeme primarne Lithiove clanky (nedobijacie). Co sa tyka ucinnosti menica, nieje to nic moc ale stale lepsie ako linearny stabilizator. Pokusal som sa presvecit zawina na pouzitie menica zo synchronnym usmernovacom ale ten pouzijeme asi az nauduce.
Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: polo - 19.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
 
Napajat by sa to dalo s fotoclankou. Vyska sa da riadit podobne ako na vzducholodi(jednoduche na realizaciu)
Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: enaxy - 19.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
 
tak to by ste mohli teda ich dat serio paralelne podla toho akej kapacity clanky pouzijete a budete mat napatie v rozmedzi akom som pisal a vysiu ucinnost. Ten snimac tlaku sa naozaj nedal zohnat nejaky s 5V napajanim?
Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: Washu - 19.08.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
 
Snimac tlaku som nevyberal ale zawinovu volbu plne schvalujem. Vacsina tlakovych snimacov s integrovanym zosilnovacom ma pomerne velky minimalny tlak. Tento snimac ma udavane minimum 0. Do vakua sice nepojdeme ale vacsina snimacov s integrovanym zosilnovacom by uz mali problem. Takisto verim ze tato kombinacia bude mat mensi sum ako integrovane zosilnovace. Dosku ale nemam momentalne useba, ale urcite spravim meriania ked sa kumne dostane.
Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: MarekSNB - 01.09.2010
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
 
aaa zawinko naš to zbodalna 120% nato čo ja kritik Vf obvodou tento vyzera nadherneee..len tak dalej..:)

Re: Stratosfericky balón - Doska senzorov a riadenia (Hodnotenie: 1)
Od: roman65536 - 11.07.2011
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu)
Ahoj zawin, Co by mna zaujimalo, ci sa da niekde pozriet alebo stiahnut source code ??? roman
Autor stránky je Ondrej Závodský(zawin), o graficky design sa stará Ľuboš Fabo(BUFU).

TOPlist

Powered by Copyright © UNITED-NUKE CMS. All Rights Reserved.
Čas potrebný k spracovaniu stránky 0.04 sekúnd