Výškomer pre RC modely lietadiel
Peter Čamaj, UREL, FEEC, VUT Brno
xcamaj00
feec.vutbr.cz
Obsah:
- Úvod
- Realizácia
- Záver
- Literatúra
Meranie výšky v RC modely lietadla môže nájsť v dnešnej dobe široké uplatnenie predovšetkým pre súťažné lietanie, kde sa výškomery využívajú tak,
že po dosiahnutí určitej výšky dôjde k odstaveniu funkcie motora a tým je zabezpečená rovnaká východisková výška pre let pre všetkých súťažiacich.
Taktiež môže výškomer pomôcť zistiť modelárovi stúpavosť modelu pre zvolenú zostavu elektromotora a vrtule a pomôže mu nájsť najoptimálnejšie pásmo účinnosti motora
vzhľadom na stúpavosť modelu. Ďalšie využitie je pri termickom lietaní, kde zmena výšky smerom nahor znamená nájdenie termickej bubliny.
V dnešnej dobe je na trhu dostupné široké spektrum výškomerov, ktorých cena ale prekračuje 50€. Cieľom práce bolo navrhnúť výškomer pre použitie vo vlastných
modeloch a dosiahnuť čo najnižšiu výrobnú cenu a zároveň dosiahnuť čo najmenšie rozmery a váhu. Zároveň poskytnúť návod, aby si tento výškomer mohol vyrobiť aj
stredne zručný elektrotechnik sám v domácich podmienkach.
Základom výškomeru je mikroprocesor (MCU) ATmega328 s nahratým bootladerom z Arduina (ale tak isto je možné použiť lacnejšiu ATmegu168). Arduino je open-source
platforma založená na MCU ATmega od firmy Atmel. Pre Arduino je napísané vývojové prostredie, ktoré vychádza s prostredia Wiring. Jazyk v ktorom je možné Arduino
programovať má veľmi blízko k jazykom C a C++ (triedy). Pre Arduino existuje IDE , ktoré si je možné stiahnuť s webu arduino.cc .
IDE obsahuje všetko potrebné k napísaniu kódu, jeho skompilovaniu a odoslaniu binárky do mikročipu.
Vývoj zariadenia začal v prepojkovom poli s použitím súčiastok v DIP puzdrách. Pre meranie výšky je použitý senzor absolútneho typu, ktorý s vysokou presnosťou
dokáže zmerať výšku modelu nad zemou vzhľadom na bod štartu. Výška modelu sa bude dať určiť na základe zmeny atmosférického tlaku, ktorú je možné reprezentovať v metroch.
Jedná sa o digitálny senzor BMP085, ktorý okrem barometra obsahuje aj teplomer, preto bude v kóde zohľadnená aj teplotná kompenzácia. Senzor sa vyrába v puzdre, ktoré
je nevhodné na ručné letovanie, preto bol senzor zakúpený už na hotovej doske, ktorá okrem samotného senzora obsahuje aj stabilizátor na 3,3 V a tiež pull up rezistory
potrebné pre správnu funkciu I2C rozhrania. Keďže má senzor vlastný stabilizátor je možné mikrokontrolér a pamäť napájať priamo z prijímača 5V bez nutnosti pridania
ďalšieho stabilizátora.
Vzorkovací kmitočet s akým bude ukladaná výška bol zvolený na 1 sekundu, ale dal by sa jednoducho upraviť aj na 0,5 sek. Počas tejto sekundy musí MCU previesť čo
najviac meraní, aby mohol výslednú hodnotu výšky určiť čo najpresnejšie. Výsledná hodnota výšky, ktorá je počítaná počas jednej sekundy je následne uložená do sériovej
EEPROM pamäti od Microchipu s označením 24LC256. Poskytuje dostatočnú pamäť 256 Kb a keďže je výsledná hodnota ukladaná ako float (4 bajty) vystačí pamäť na viac ako 2
hodiny záznamu čo je pre účely výškomera viac ako postačujúce.
Pre samotné programovanie a spojenie MCU s PC je použití prevodník USB UART. Tento prevodník obsahuje integrovaný obvod CP2102, ktorý nám zabezpečí prenos nameraných dát do PC.
Z prevodníku je potrebné vyviesť signál s názvom DTR, ktorý nám zabezpečí automatický reset MCU napr. pri nahrávaní binárky a prenose dát do Excelu.
Po odladení zariadenia v prepojkovom poli pokračoval vývoj tvorbou dosiek plošného spoja. Keďže má byť výsledné zariadenia čo najmenšie bolo nevyhnutné použiť SMD puzdra
súčiastok. Všetky rezistory a kapacitory sú v prevedení 1206. Výškomer sa ovláda jedným SMD tlačidlom a ako signalizácia slúži SMD 1206 LED dióda. Prevodník USB UART je
možné pripojiť cez 5pinový konektor. Layout sa podarilo realizovať ako jednostranný s tým, že zo strany súčiastok sa nachádza len senzor BMP085 a 16MHz kryštál.
Namerané dáta je samozrejme potrebné preniesť do PC, kde sa dajú kvalitne spracovať a graficky reprezentovať . Pre prenos dát priamo do programu Excelu je použitý program
PLX-DAQ. Pre čo najjednoduchšie ovládanie bola pripravená šablóna, ktorá vie automaticky s prijatých dát vykresliť graf.
Dáta do PC dostaneme takto:
1.Pripojíme výškomer k prevodníku USB UART (máme nainštalovaný driver).
2.Otvoríme pripravenú šablonu v MS Excel
(testovaná na Office 2010 ).
3. Zvolíme Com Port, na ktorom máme náš prevodník a klikneme na tlačidlo Connect (dôjde k automatickému zmazaniu grafu).
4.LED dióda na výškomery by mala teraz svietiť. Podržíme tlačidlo tak dlho, až dôjde k zhasnutiu LED diódy.
5.Data sa automaticky načítajú a zobrazí sa graf.
Výsledný graf letu môže vyzerať takto:
Vyhotovenie výškomera strana súčiastok:
Vyhotovenie výškomera strana spojov:
Cieľom projektu bolo vytvoriť jednoduchý výškomer, ktorý má mať predovšetkým využitie na zmeranie stúpavosti a výšky modelu. Váha výškomera je 6g,
ale dala by sa značne znížiť profi výrobou DPS a použitím menších puzdier súčiastok.
Zariadenie je plne funkčné a je používané takmer pri každom lete. Kód výškomera by sa mohol ľubovoľné modifikovať podľa požiadaviek pilota a
taktiež by bolo možné pridať ďalšie senzory. Ďalší vývoj bude smerovať k vývoju softwaru pre grafický I2C OLED s rozlíšením 128*64 pixlov.
Tento OLED dokáže zobraziť graf letu priamo po pristaní bez nutnosti PC.
Ďalšia verzia výškomera s výstupom na grafický LCD:
Verzia článku, ktorá bola publikovaná so zameraním na vlastnú výrobu je možné najsť tu: časť 1, časť 2
Dokumentáciu (zdrojový kod, eagle súbory, obrázky...) je možné stiahnuť TU.
Aktualizovaná verzia je tiež TU.
[1] BOSCH. BMP085 [online datasheet]. Posledná revízia 18.10.2009 [cit. 21-04-2013]. Dostupné na WWW: < http://www.sparkfun.com/datasheets/Components/General/BST-BMP085-DS000-05.pdf >.
[2] MICROCHIP. 24LC256 [online datasheet]. Posledná revízia 28.05.2004 [cit. 21-04-2013]. Dostupné na WWW: < http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21203m.pdf >.