Meteorologický balón Universum

Dňa 25. 9. 2010 sme z dedinky Prusy úspešne vypustili meteorologický balón Universum, ktorý meral teploty, tlak, vlhkosť a radiáciu a spolu s GPS súradnicami ich pomocou 2 vysielačov vysielal na zem. Balón niesol so sebou aj digitálny fotoaparát, ktorý sa vzhľadom na zlyhanie GPS už nepodarilo nájsť. Balón podľa predikcie [1] dopadol v okolí Kysuckého Nového Mesta. Preletel vzdialenosť viac ako 100 km. V tomto článku vás chcem bližšie oboznámiť s týmto projektom od jeho počiatku až po vypustenie.

Celý nápad sa zrodil začiatkom tohto roka, keď kamarát uverejnil na elektrotechnickom fóre teplomer vysielajúci teplotu v morzeovke. Tento nápad sme postupne prehlbovali, až sme sa dostali ku myšlienke meteorologického balóna. Po nápade som začal uvažovať čím by všetkým mal byť balón vybavený z hľadiska merania, spracovania údajov a vysielania.

Vybavenie balóna:

Senzorika:

• Meranie externých teplôt: platinový snímač PT500 a SHT71,
• Meranie vnútornej teploty: snímač DS18S20,
• Meranie externej vlhkosti: snímač SHT71,
• Meranie tlaku: snímač MPX2202,
• Meranie radiácie: geiger-müllerov počítač.

Vysielanie a ukladanie údajov:

• Vysielanie telemetrie pomocou 2 vysielačov (144,8 MHz, 869,5 MHz), modulácia AFSK 1200 baudov, využitie systému APRS [2],
• Ukladanie nameraných hodnôt na pamäťovú kartu.

Konštrukcia:

Schému zapojenia je vidno na obr č. 1. Ku schéme nebudem písať hodnoty súčiastok, slúži len pre predstavu ako zariadenie pracuje.

Obr. 1 Schéma zapojenia

Najskôr budem venovať pozornosť napájacej časti zariadenia, ktorú vidno na schéme naľavo hore. U napájacej časti môjho 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 som na 5 V digitálnu časť použil spínaný zdroj od Texas Instruments, ktorého efektivitu som zmeral a je uvedená v nasledovnej tabuľke 1:

Tento spínaný zdroj napája Atmega16 a vysielač na frekvencii 869,5 MHz čo budú v našom prípade najväčší „žrúti“ energie.

Na analógovú teda meraciu časť som použil na napájanie LDO stabilizátor na 5 V, 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 3,3 V a stará sa o napájanie MMC pamäťovej karty. Tento stabilizátor je napájaný z 5 V spínaného zdroja, čo je priaznivé z hľadiska spotreby.

Posledný LDO stabilizátor je nízkošumový a napája napätím 10 V senzor tlaku.

Ďalšiu, dosť veľkú časť schémy tvorí senzorika. Ako som už písal, 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 [3]. Výstupný prúd určíme zo vzťahu:

Ir= Uref/R21 teda v mojom prípade Ir= 2,5 V/10 k = 250 μA. Keď bude snímačom PT500 tiecť prúd 250 μA tak výstupné napätie pri rôzných teplotách bude nasledovné:

• Toto napätie je následne zosilnené pomocou prístrojového operačného zosilňovača na také napätie, aby bol využitý plný rozsah 16bit AD prevodníka. V mojom prípade je rozsah 0 až 2,5 V.
• Pomocou AD prevodníka bola hodnota zmeraná 10x a následne sa spravil aritmetický priemer.
• Pri 16bitovom AD prevode a napätí referencie 2,5 V má jedná úroveň hodnotu 40 V, teda v ideálnom prípade dokážeme zmerať zmenu teploty o 1°C v 682,5 úrovniach. Keď pripočítame šum a chyby merania reálne rozlíšenie merania teploty by mohlo byť na úrovni 0,01°C.

Meranie tlaku pomocou MPX2202:

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

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

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 0,01°C a vlhkosť na 0,01%RH. Na meranie externej teploty sme použili teda 2 senzory, čo má svoje výhody hlavne z toho hľadiska, že budeme môcť porovnať teploty a keď teplota klesne pod –40°C, tak senzor teploty z SHT71 by už korektne nemeral teplotu a vlhkosť. Posledný senzor bude na meranie radiácie pomocou geigermüllerového počítača. Výstupom budú teda pulzy, ktoré budú hovoriť o úrovni radiácie. Tieto pulzy vhodne upravené na úroveň TTL budú privádzané k mikroprocesoru.

Na vysielanie dát boli použité dva vysielače. Jeden na frekvencii 144,8 MHz, druhý na 869,5 MHz. Vysielač na 144,8 MHz bol využitý pre APRS sieť. Vysielač na 869,5 MHz bol použitý ako záložný a zároveň s vhodnou smerovou anténou u pozemnej stanice slúžil na určenie smeru pohybu balóna.

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 bolo s tým istým štandardom a tou istou moduláciou ako u prvého vysielača. Vysielače boli zopínané postupne, teda nebudú vysielať obidva naraz.

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

Vypustenie balóna

Vypustenie balóna sa konalo na letisku Prusy dňa 25. 9. 2010. Na stanovisko sme prišli o 10:00, kde sme pripravili a odskúšali elektroniku a začali sme s plnením balóna. Odosielanie paketov prebiehalo bez problémov na obidvoch frekvenciách, fotoaparát fotil v pravidelných intervaloch, všetko bolo pripravené na štart. Balón sme plnili zhruba pol hodiny na taký vztlak, aby zdvihol 2L fľašu vody. Keď bol balón nafúkaný pripevnili sme naň padák a krabičku s elektronikou a o 12:14 sme odštartovali let balóna. Po vypustení sme rýchlo zbalili všetky veci a vyštartovali sme z Prús za balónom.

Obr. 2 Príprava na vypustenie

Po 14 km vypadol primárny APRS vysielač na frekvencii 144,8 MHz, našťastie záložný vysielač na frekvencii 869,5 MHz fungoval až po Žilinu, takže sme balón stopovali ďalej. Autom sme boli tesne pred Žilinou, keď pri výške 9 km zamrzol GPS vysielač a posielal stále identické súradnice. Tieto súradnice boli z blízkosti Žiliny. Poslednú zaznamenanú výšku odhadujem podľa tlaku a zvyšujúcej sa vlhkosti na 2 km. Po tomto prijatom packete sa aj záložný vysielač odmlčal a zmizol v šume. Pri dopade sa pravdepodobne uvoľnili batérie a tým sa ukončilo vysielanie.

Balón sme sa snažili ďalej vystopovať, tak sme sa vybrali autom smerom na Kysucké Nové Mesto, Čadcu, Turzovku a prešli sme naspäť do Bytče, kde sme hľadanie skončili. Nájdenie balóna je v súčasnosti len otázkou šťastia, na krabičku som vytlačil telefonický aj emailový kontakt.

Obr. 3 Rozmiestnenie elektroniky

Vzhľadom nato, že balón sa do tohto momentu nenašiel nemáme ani fotky z digitálneho fotoaparátu, ktorý bol na balóne umiestnený. Napriek tomu môžem prehlásiť tento projekt za úspešný. Získali sme cenné dáta o teplotách, tlaku, vlhkosti a radiácií, ktoré spracoval kamarát, ktorému veľmi pekne ďakujem. Tieto dáta spolu zo spracovanými grafmi si môžete stiahnut z adresy http://svetelektro.com/Pictures/Balon/zhodnotenie/aprs.xls

Taktiež som bohatší o nové vedomosti a skúsenosti, ktoré určite zužitkujem pri ďalšom lete.