Picoballoon Nasıl Yapılır: 16 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Pikobalon nedir ve neden onu inşa etmek isteyeyim ki?! sorduğunu duyuyorum. Açıklamama izin ver. Muhtemelen hepiniz HAB'ın (Yüksek İrtifa Balonu) ne olduğunu biliyorsunuzdur. Bir balona bağlı bir sürü tuhaf elektronik şey. Burada Instructables'ta HAB'larla ilgili çok fazla eğitim var.

AMA, ve bu çok büyük bir AMA, öğreticide çoğu zaman size söylemedikleri şey, doldurma gazının maliyetidir. Şimdi, 50€'nun altında iyi bir HAB takipçisi oluşturabilirsiniz, ancak 200g ağırlığındaysa (bu, piller, kameralar vb. ile oldukça iyimser bir tahmindir) balonu doldurmak için gereken helyum size 200€ veya daha fazlaya mal olabilir. benim gibi birçok yapımcı için çok fazla.

Yani tahmin edebileceğiniz gibi, piko balonlar bu sorunu hantal ve ağır olmayarak çözüyor. Picoballoon, hafif bir HAB için sadece bir kelimedir. Işık, ışıktan kastım ne? Genel olarak, piko balonlar 20g'den daha hafiftir. Şimdi bir işlemci, verici, PCB, GPS, antenler, güneş paneli ve aynı zamanda tek kullanımlık kahve fincanı veya kaşıkla aynı kütleye sahip bir pil hayal edin. Bu sadece delilik değil mi?

Bunu inşa etmek istemenizin (maliyet dışında) bir başka nedeni de menzili ve dayanıklılığıdır. Klasik HAB 4 saate kadar uçabilir ve 200 km'ye kadar seyahat edebilir. Öte yandan bir Picoballoon, birkaç aya kadar uçabilir ve on binlerce kilometreye kadar seyahat edebilir. Polonyalı bir adam, picoballoon'unu dünyanın çevresini birden çok kez dolaştırdı. Bu, elbette, Picoballoon'unuzu başlattıktan sonra bir daha asla görmeyeceğiniz anlamına da gelir. Bu yüzden gerekli tüm verileri iletmek ve elbette maliyetleri mümkün olduğunca düşük tutmak istiyorsunuz.

Not: Bu proje MatejHantabal ile bir işbirliğidir. Profiline de bakmayı unutmayın

UYARI: Bu, yapılması zor bir ileri seviye ama aynı zamanda çok eğlenceli bir projedir. PCB tasarımından SMD'ye ve lehimlemeye kadar her şey burada açıklanacaktır. Hadi işe başlayalım dedi

GÜNCELLEME: Büyük güç tüketimi nedeniyle GPS modülünü son anda çıkarmak zorunda kaldık. Muhtemelen düzeltilebilir ama bunun için zamanımız olmadı. Bunu talimatta bırakacağım, ancak test edilmemiş olduğuna dikkat edin. Yine de TTN meta verilerinden konum alabilirsiniz, bu yüzden endişelenmemelisiniz

Adım 1: İlke

Bu nedenle, böyle bir cihaz oluştururken birçok varyasyon ve seçenek vardır ancak her izleyicinin bir vericiye ve bir güç kaynağına ihtiyacı vardır. İzleyicilerin çoğu muhtemelen şu bileşenleri içerecektir:

- bir güneş paneli

- bir pil (lipo veya süper kapasitör)

- bir işlemci/mikrodenetleyici

- bir GPS modülü

- bir sensör/sensör (sıcaklık, nem, basınç, UV, güneş radyasyonu…)

- bir verici (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, İridyum)

Gördüğünüz gibi, kullanabileceğiniz birçok sensör ve verici var. Hangi sensörleri kullanacağınız size kalmış. Gerçekten önemli değil ama en yaygın olanı sıcaklık ve basınç sensörleridir. Yine de bir verici seçmek çok daha zordur. Her teknolojinin bazı artıları ve eksileri vardır. Burada kesmeyeceğim çünkü bu çok uzun bir tartışma olur. Önemli olan LoRaWAN'ı seçmem ve bence en iyisi bu (çünkü henüz diğerlerini test etme şansım olmadı). LoRaWAN'ın muhtemelen en iyi kapsama alanına sahip olduğunu biliyorum. Yorumlarda beni düzeltebilirsiniz.

2. Adım: Gerekli Parçalar

Yani, bu proje için şunlara ihtiyacınız olacak:

Adafruit Tüy 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Bunu sonunda kullanmadık)

BME280 sıcaklık/nem/basınç sensörü

2xSüper kapasitör 4.7F 2.7V

5V çıkışlı güneş paneli

Özel PCB'ler

Kendiniz başlatıyorsanız, buna da ihtiyacınız var:

Yerel olarak satın alınan en az 0.1 m3 helyum (arama: "15 balon için helyum tankı")

Qualatex 36 kendinden sızdırmaz folyo balon

Tahmini proje maliyeti: 80€ (sadece takip cihazı) / 100€ (balon ve helyum dahil)

3. Adım: Önerilen Araçlar

Bu araçlar işe yarayabilir:

tel striptizci

havya

SMD havya

pense

tornavidalar

tutkal tabancası

multimetre

mikroskop

sıcak hava silahı

Ayrıca lehim pastasına da ihtiyacınız olacak.

Adım 4: Adafruit Feather 32U4

Balon için doğru mikrodenetleyiciyi seçmekte zorlandık. Adafruit Feather iş için en iyisi çıktı. Gerekli tüm kriterlere uygundur:

1) Gerekli tüm pinlere sahiptir: SDA/SCL, RX/TX, dijital, analog

2) RFM95 LoRa vericisine sahiptir.

3) Hafiftir. Kütlesi sadece 5.5g.

4) Uyku modundayken çok düşük güç tüketimine sahiptir (sadece 30uA).

Bu nedenle Adafruit Feather'ın iş için en iyi mikrodenetleyici olduğunu düşünüyoruz.

Adım 5: PCB Tasarımı ve İmalatı

Sana söyleyeceğim şey için gerçekten üzgünüm. Özel bir PCB yapmamız gerekecek. Zor ve sinir bozucu olacak, ama gerekli, o yüzden başlayalım. Ayrıca, aşağıdaki metni doğru anlamak için Instructables'ın bu harika PCB tasarım sınıfını okumalısınız.

Yani, ilk önce bir şematik yapmanız gerekecek. Hem şemayı hem de kartı Autodesk'in EAGLE PCB tasarım yazılımında yaptım. Ücretsizdir, bu yüzden indirin!

İlk defa bir PCB tasarlıyordum ve size şunu söyleyebilirim ki, hepsi Eagle arayüzüne alışmakla ilgili. İlk panomu 6 saatte tasarladım ama ikinci panom bir saatten az sürdü. İşte sonuç. Oldukça güzel bir şematik ve bir tahta söyleyebilirim.

Pano dosyası hazır olduğunda gerber dosyalarını oluşturup üreticiye göndermeniz gerekir. Panolarımı jlcpcb.com'dan sipariş ettim, ancak istediğiniz başka bir üreticiyi seçebilirsiniz. Kartın hafif olması gerektiğinden PCB kalınlığını standart 1,6 mm yerine 0,8 mm olarak ayarladım. JLC PCB ayarlarımı ekran görüntüsünde görebilirsiniz.

Eagle'ı indirmek istemiyorsanız, "Ferdinand 1.0.zip" dosyasını indirip JLC PCB'ye yükleyebilirsiniz.

PCB'leri sipariş ettiğinizde, koltuğunuza rahatça oturun ve gelmeleri için iki hafta bekleyin. Sonra devam edebiliriz.

Not: Şemanın gerçek panodan biraz farklı olduğunu fark edebilirsiniz. Bunun nedeni, çıplak BME280 IC'nin lehimlenmesinin çok zor olduğunu fark ettiğim için devre şemasını değiştirdim

Adım 6: SMD Lehimleme

Üzücü bir duyuru daha: SMD lehimleme kolay değil. Şimdi gerçekten, çok zor. rabbim seninle olsun Ancak bu eğitim yardımcı olmalıdır. Bir havya ve bir lehim fitili veya bir havya ve bir sıcak hava tabancası kullanarak lehimleyebilirsiniz. Bu yöntemlerin hiçbiri benim için yeterince uygun değildi. Ama bir saat içinde bitirmelisin.

Bileşenleri ya PCB üzerindeki serigrafiye göre ya da şemaya göre yerleştirin.

Adım 7: Lehimleme

SMD lehimleme yapıldıktan sonra, lehim işinin geri kalanı temelde bir parça kek. Hemen hemen. Muhtemelen daha önce lehimlemişsindir ve umarım tekrar lehimlemek istersin. Adafruit Feather'ı, antenleri, güneş panelini ve süper kapasitörleri lehimlemeniz yeterli. Oldukça net söyleyebilirim.

Bileşenleri ya PCB üzerindeki serigrafiye göre ya da şemaya göre yerleştirin.

8. Adım: İzleyiciyi Tamamlayın

Bu, tam izleyicinin nasıl görünmesi gerektiğidir. Tuhaf. Güzel. İlginç. Bunlar hemen aklıma gelen sözler. Şimdi sadece kodu flaş etmeniz ve çalışıp çalışmadığını test etmeniz gerekiyor.

Adım 9: TTN Kurulumu

Things Network, küresel bir şehir merkezli topluluk LoRaWAN ağıdır. 6887'den fazla ağ geçidi (alıcı) ile dünyanın en büyük küresel IoT ağıdır. Genellikle 868 (Avrupa, Rusya) veya 915MHz (ABD, Hindistan) frekanslarında olan LoRa (Uzun Menzilli) iletişim protokolünü kullanır. En yaygın olarak şehirlerde kısa mesaj gönderen IoT cihazları tarafından kullanılır. Yalnızca 51 bayta kadar gönderebilirsiniz, ancak 2 km'den 15 km'ye kadar kolayca bir menzil elde edebilirsiniz. Bu, basit sensörler veya diğer IoT cihazları için idealdir. Ve hepsinden iyisi, ücretsizdir.

Şimdi, 2-15 kesinlikle yeterli değil, ancak daha yüksek bir yere çıkarsanız, daha iyi bir bağlantınız olmalı. Ve balonumuz çok yüksek olacak. Deniz seviyesinden 10 km yükseklikte, 100 km'den bağlantı almalıyız. Bir arkadaş 31km havada LoRa ile bir HAB başlattı ve 450km uzakta bir ping aldı. Yani, bu oldukça makul.

TTN'yi ayarlamak kolay olmalıdır. Sadece e-postanızla bir hesap oluşturmanız ve ardından cihazı kaydetmeniz gerekir. İlk önce bir uygulama oluşturmanız gerekir. Bir uygulama, tüm proje ana sayfasıdır. Buradan dekoder kodunu değiştirebilir, gelen verileri görüntüleyebilir ve cihaz ekleyebilir/kaldırabilirsiniz. Sadece bir isim seçin ve gitmeye hazırsınız. Bu yapıldıktan sonra, uygulamaya bir cihaz kaydetmeniz gerekecek. Adafruit Feather'ın MAC adresini (ambalajdaki Feather ile birlikte) girmeniz gerekir. Ardından aktivasyon yöntemini ABP olarak ayarlamalı ve çerçeve sayacı kontrollerini devre dışı bırakmalısınız. Cihazınız şimdi uygulamada kayıtlı olmalıdır. Cihaz Adresini, Ağ Oturum Anahtarını ve Uygulama Oturumu anahtarını kopyalayın. Bir sonraki adımda onlara ihtiyacınız olacak.

Daha sağlıklı bir açıklama için bu öğreticiyi ziyaret edin.

Adım 10: Kodlama

Adafruit Feather 32U4, ATmega32U4 AVR işlemciye sahiptir. Yani USB iletişimi için ayrı bir çipi yok (Arduino UNO gibi), çip işlemciye dahil edilmiş. Bu, Adafruit Feather'a yüklemenin tipik bir Arduino kartına kıyasla biraz daha zor olabileceği anlamına gelir, ancak Arduino IDE ile çalışır, bu nedenle bu öğreticiyi izlerseniz sorun olmaz.

Arduino IDE'yi kurduktan ve "yanıp sönen" çizimi başarıyla yükledikten sonra gerçek koda geçebilirsiniz. "LoRa_Test.ino" dosyasını indirin. Cihaz Adresini, Ağ Oturum Anahtarını ve Uygulama Oturumu anahtarını uygun şekilde değiştirin. Krokiyi yükleyin. Dışarı çık. Anteni şehir merkezine veya en yakın ağ geçidi yönüne doğru tutun. Şimdi TTN konsolunda ortaya çıkan verileri görmelisiniz. Değilse, aşağıya yorum yapın. Olabilecek her şeyi buraya koymak istemiyorum, Instructables sunucusunun bu kadar çok metinle başa çıkıp çıkamayacağını bilmiyorum.

Hareketli. Bir önceki çizim çalışıyorsa, "Ferdinand_1.0.ino" dosyasını indirebilir ve bir önceki çizimde değiştirmeniz gereken şeyleri değiştirebilirsiniz. Şimdi tekrar test edin.

TTN konsolunda bazı rastgele HEX verileri alıyorsanız, endişelenmeyin, bunu yapması gerekiyor. Tüm değerler HEX'te kodlanmıştır. Farklı bir kod çözücü koduna ihtiyacınız olacak. "decoder.txt" dosyasını indirin. İçeriğini kopyalayın. Şimdi TTN konsoluna gidin. Uygulamanıza/yük biçimlerinize/kod çözücünüze gidin. Şimdi orijinal kod çözücü kodunu kaldırın ve kendinize yapıştırın. Şimdi oradaki tüm okumaları görmelisiniz.

Adım 11: Test Etme

Şimdi bu projenin en uzun kısmı olmalı. Test yapmak. Her türlü koşulda test. Aşırı sıcakta, streste ve oradaki koşulları taklit etmek için güçlü bir ışıkla (veya dışarıda güneşte). Bu en az bir hafta sürmelidir, böylece izleyici davranışı açısından hiçbir sürpriz olmayacaktır. Ama bu ideal bir dünya ve o zamanımız yoktu çünkü izleyici bir yarışma için yapıldı. Bazı son dakika değişiklikleri yaptık (kelimenin tam anlamıyla lansmandan 40 dakika önce) bu yüzden ne bekleyeceğimizi bilemedik. Bu hiç iyi değil. Ama biliyorsun, yine de yarışmayı kazandık.

Güneş içeride parlamadığından ve LoRa ofisinizde en iyi resepsiyonu almayacağından muhtemelen bu kısmı dışarıda yapmanız gerekecek.

Adım 12: Bazı Funky Formüller

Picoballoons çok hassastır. Onları helyumla doldurup fırlatamazsınız. Bundan gerçekten hoşlanmıyorlar. Açıklamama izin ver. Kaldırma kuvveti çok düşükse balon yükselmez (belli ki). AMA, ve yakalama budur, eğer kaldırma kuvveti çok yüksekse, balon çok yükseğe uçacak, balona binen kuvvetler çok büyük olacak ve patlayıp yere düşecek. Bu hesaplamaları gerçekten yapmak istemenizin ana nedeni budur.

Biraz fizik biliyorsanız yukarıdaki formülleri anlamakta sorun yaşamazsınız. Formüle girmeniz gereken bazı değişkenler var. Bu şunları içerir: doldurma gazı sabiti, termodinamik sıcaklık, basınç, probun kütlesi ve balonun kütlesi. Bu öğreticiyi izler ve aynı balonu (Qualatex mikro folyo 36 ) ve aynı doldurma gazını (helyum) kullanırsanız, gerçekte farklılık gösterecek tek şey probun kütlesidir.

Bu formüller daha sonra size şunları vermelidir: balonu doldurmak için gereken helyum hacmi, balonun yükselme hızı, balonun uçtuğu irtifa ve ayrıca serbest kaldırma ağırlığı. Bunların hepsi çok faydalı değerlerdir. Yükselen hız önemlidir, bu nedenle balon engellere çarpmaz çünkü çok yavaştır ve balonun ne kadar yükseğe uçacağını bilmek gerçekten güzel. Ancak bunlardan en önemlisi muhtemelen serbest kaldırmadır. 14. adımda balonu doldururken ücretsiz kaldırma gereklidir.

Formüllerle ilgili yardım için TomasTT7'ye teşekkürler. Bloguna buradan göz atın.

Adım 13: Riskler

Yani izleyiciniz çalışıyor. İki aydır üzerinde çalıştığın o bok parçası gerçekten işe yarıyor! Tebrikler.

Öyleyse, sonda çocuğunuzun havada karşılaşabileceği riskleri gözden geçirelim:

1) Güneş paneline yeterince güneş ışığı vurmayacaktır. Süper kapasitörler boşalacak. Prob çalışmayı durduracaktır.

2) Prob menzil dışına çıkacak ve hiçbir veri alınmayacaktır.

3) Kuvvetli rüzgar rüzgarları sondayı yok edecektir.

4) Prob, çıkış sırasında bir fırtınadan geçecek ve yağmur devreyi kısa devre yapacaktır.

5) Güneş panelinde buz tabakası oluşacaktır. Süper kapasitörler boşalacak. Prob çalışmayı durduracaktır.

6) Probun bir kısmı mekanik baskı altında kırılacaktır.

7) Sondanın bir kısmı aşırı ısı ve basınç koşullarında kırılacaktır.

8) Balon ile hava arasında bir kıvılcım oluşturan elektrostatik bir yük oluşacak ve bu da proba zarar verecektir.

9) Sonda yıldırım çarpacaktır.

10) Sondaya bir uçak çarpacaktır.

11) Sondaya bir kuş çarpacaktır.

12) Uzaylılar sondanızı ele geçirecek. Özellikle balon 51. alanın üzerinde olacaksa gerçekleşebilir.

Adım 14: Başlatın

İşte bu kadar. Bugün D-günü ve sevgili piko balonunuzu fırlatacaksınız. Araziyi ve olası tüm engelleri bilmek her zaman iyidir. Ayrıca hava durumunu (esas olarak rüzgar hızı ve yönü) sürekli olarak izlemelisiniz. Bu şekilde, 100€ değerindeki ekipmanınızın ve 2 aylık zamanınızın bir ağaca veya duvara çarpma olasılığını en aza indirirsiniz. Bu üzücü olurdu.

Balonun içine bir boru yerleştirin. Balonu naylonla ağır bir şeye bağlayın. Ağır olanı bir teraziye koyun. Ölçeği sıfırlayın. Borunun diğer ucunu helyum tankınızın üzerine sabitleyin. Vanayı yavaşça açmaya başlayın. Şimdi ölçekte negatif sayılar görmelisiniz. Şimdi 12. adımda hesapladığınız serbest kaldırma değerini kullanma zamanı. Negatif sayı balonun kütlesi + serbest kaldırma değerine ulaştığında valfi kapatın. Benim durumumda 15g + 2.4g idi, bu yüzden valfi ölçekte tam olarak -17,4g'de kapattım. Boruyu çıkarın. Balon kendiliğinden kapanıyor, otomatik olarak kapanmalıdır. Ağır nesneyi çözün ve probla değiştirin. Artık fırlatmaya hazırsınız.

Tüm detaylar için videoyu izlemeniz yeterli.

Adım 15: Verileri Alma

Ohh, lansmandan sonra hissettiğimiz duyguyu hatırlıyorum. Stres, hayal kırıklığı, bir sürü hormon. Çalışacak mı? Emeklerimiz boşa mı gidecek? İşe yaramayan bir şeye bu kadar çok mu para harcadık? Bunlar lansmandan sonra kendimize sorduğumuz türden sorulardı.

Neyse ki, sonda fırlatmadan yaklaşık 20 dakika sonra yanıt verdi. Sonra her 10 dakikada bir paket aldık. Saat 17:51:09 GMT'de sondayla teması kaybettik. Daha iyi olabilirdi, ama yine de iyi.

Adım 16: İleri Planlar

Bu, bugüne kadarki en zor projelerimizden biriydi. Her şey mükemmel değildi ama sorun değil, her zaman böyle. Yine çok başarılıydı. İzleyici sorunsuz çalıştı. Bunu çok daha uzun süre yapabilirdi ama önemli değil. Ve Picoballoon yarışmasında ikinci olduk. Şimdi 17 kişilik bir yarışmada ikinci olmanın o kadar da başarılı olmadığını söyleyebilirsiniz AMA bunun yetişkin bir mühendislik/inşaat yarışması olduğunu unutmayın. 14 yaşındayız. Rekabet ettiğimiz kişiler, mühendislik ve hatta muhtemelen havacılık geçmişi olan ve çok daha fazla deneyime sahip yetişkinlerdi. Yani evet, genel olarak, bunun büyük bir başarı olduğunu söyleyebilirim. Yaklaşık olarak giderlerimizin iki katı olan 200€ aldık.

Kesinlikle bir sürüm 2.0 inşa edeceğim. Daha küçük bileşenlerle (barebone işlemci, RFM95) çok daha iyi olacak ve daha güvenilir olacak, bu nedenle bir sonraki talimat için bizi izlemeye devam edin.

Şimdi asıl hedefimiz Epilog X yarışmasını kazanmak. Diğer yapımcılar, bu talimatı beğendiyseniz, lütfen buna oy vermeyi düşünün. Bize gerçekten yardımcı olurdu. çok teşekkür ederim!

Epilog X Yarışmasında İkincilik