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Wetterballon 2014

Vorgeschichte

Seit 2009 veranstaltet Finger von Fingers-welt.de ein jährliches Treffen an wechselnden Orten. 2012 startete ein erster Wetterballon mit weniger nützlicher Nutzlast.

Ein wirrer Aufbau welcher jedoch erstaunlich gut funktioniert hat. Die gesamelten Daten (Temperatur, Batteriespannung) wurden von einem ATMega in Sprache umgewandelt und zum Boden gefunkt. Als besonders markant hat sich dabei der Anfangssatz der Übertragung herausgestellt. "Hier spricht der Ballon. Der Ballon ist intakt. Die Außentemperatur beträgt..."

2013 habe ich mich dann zusammen mit dem Ludwig aus Fingers Forum in das Projekt eingeklingt und eine 2. Version entwickelt. Geplant war viel: RTTY-Funkfernschreiben, Sprechfunk, GPS, Barometrische Höhenmessung, Temperaturmessung... und am Ende hat nix funktioniert. Die Software ist nicht fertig geworden, der Sender ist nach 30s Flug ausgefallen. Totaler Fehlschlag.

2014 wird alles besser

2014 darf das Desaster aus 2013 nicht wiederholt werden, daher haben wir frühzeitig mit der Planung angefangen. Zuerst haben wir die geplanten Funktionen etwas zusammengestrichen. Geblieben ist dann diese Liste:

  • Sprachausgabe über CB- oder AFU-Funk
  • RTTY-Funkfernschreiben
  • GPS-Positionsbestimmung
  • Temperaturmessung mittels PT1000

Die Hardware

Bereits im Dezember habe ich mit den Schaltplänen angefangen. Schließlich habe ich die Schaltpläne oben in eine Platine gefasst. Dank Bauteilen in 0603 und hoher Packungsdichte passt alles auf 38x50mm - das Löten des Ganzen ging erstaunlich gut.


Auf den Fotos sieht die HAL-Oberfläche aus wie eine Mondlandschaft - in Echt sind die Pads ausreichend eben.

Leider war ich am Schluss etwas in Hast da ich die Platinen unbedingt noch vor meiner ersten Prüfungsphase in den Händen halten wollte, daher haben sich einige Fehler eingeschlichen. T1 wird niemals sperren, die Bibliothek für den LM358 OpAmp hat verdrehte Versorgungsspannungspins und die Differenzverstärker haben zu allem Überfluss auch noch verdrehte Eingänge. Alles fluchen hilft nicht, nur Fädeldraht kann das jetzt noch vernünftig retten. Der ist jedoch natürlich gerade aus, daher muss Litze herhalten. Die Platine habe ich übrigens für $2 aufpreis in nur 0,8mm dicke fertigen lassen.

Die Abwesenheit von 20k-Widerständen sowie eines passenden 100k Digitalpotentiometer machte leider zum weiter Entwickeln einige ekelige Hacks nötig.

Hardware-Hacks:

Wie bereits oben gesagt, steckt diese Hardware-Version leider voll einigen Bugs. Für Nachbauer sind die nötigen Änderungen hier einmal genauer Dokumentiert:

Auf dem Top-Layer ist zum Glück nicht so viel zu ändern, nur eine Leiterbahn am OpAmp muss durchgekratzt werden. (Blau markiert).

 

 

Auf dem Bottom-Layer ist jedoch deutlich mehr zu ändern. Ebenfalls am OP1 muss noch eine zweite Verbindung durchtrennt werden, danach werden die beiden in Grün eingezeichneten Drahtbrücken gesetzt. Der Gelb eingezeichnete Blockkondensator sollte umbedingt hinzu gefügt werden, sonst neigt der Filter zum Schwingen. Am OP2 für die Temperaturmessung sind noch viel umfassene Änderungen nötig. Vor allem an den Pins 3 und 5 muss man beim Ritzen aufpassen, die Verbindung zum Via darf nicht verlohren gehen.

GPS

Viele GPS-Empfänger sind Geschwindigkeits- und Höhenbegrenzt, meinstens auf 500m/s und 10km Höhe. Die Geschwindigkeit ist für uns kein Problem, aber die Höhenbegrenzung macht unseren Plan kaputt. Daher hat Jan_tux schon für 2013 eine DFM06 Wettersonde gespendet. Darauf ist ein Navman Jupiter 30XLP Empfänger welcher diese Probleme nicht haben sollte. Direkt an der Platine sind die beiden UART-Datenleitungen, die 3V Backup-Versorgung sowie die 3,3V Versorgungsspannung angelötet.

Hier nochmal das Anschlussschema des GPS-Moduls im Detail. Rechts an den dicken Tantal-Kondensator kommt die 3,3V Versorgungsspannung. (Natürlich rot = plus, schwarz = GND). Links die beiden Grün/Gelben Kabel sind die Datenleitungen. Gelb (Pin 4) ist der Dateneingang und muss somit an Pin 2 von J2 der Hauptplatine, das Grüne Kabel (Pin 5) ist Datenausgang und gehört an Pin 3 von J2. (Pinangaben beziehen sich auf Hardware-Rev 2). Auf der anderen Seite befinden sich die Anschlüsse für die 3V Backup-Spannung welche an eine Knopfzelle angeschlossen werden können, dies ist aber nicht umbedingt nötig, die Anschlüsse können auch offen gelassen werden.

Fritzler übernimmt die Programmierung des GPS-Teils, dafür brauchte er jedoch einen möglichst großen Datendump. Dahermusste das GPS-Modul zusammen mit einer Batterie und einer USB-UART-Bridge in eine Brotdose einziehen. Mit dem Laptop auf dem Beifahrersitz bin ich damit dann 15 Minuten durch die Stadt gefahren.

Der Sender

Ludwig hat die Schaltpläne für Oszillator und Modulator geliefert, daher liegt es an ihm diese Dinge zu testen. Aufgebaut sieht das ganze aus wie rechts abgebildet, die mit Abstand größten Teile sind die beiden Übertrager und der Quarz.

Das ganze hat auch auf Anhieb wunderbar funktioniert wie dieses Oszilogram belegt:

Die Stromaufnahme liegt bei ca. 8mA @ 12V

Die Hardware2

Auf Grund der nervigen Fehler in der 1. Version habe ich noch eine Rev.2. gemacht und bei iTead bestellt... $11 PCBs mit $25 Versand damit es noch rechtzeitig an kommt... aber was macht man nicht für den Ballon?

Neben den Fehlerausbesserungen ist noch ein 16MBit Flash-Speicher auf die Platine gewandert um mehr als 20 sekunden Tonaufnahme zu ermöglichen. Außerdem habe ich das Digitalpoti von dem NF-Filter getrennt, da klar wurde, dass bei reduzierter NF-Spannung die Leistungsaufnahme der Endstufe nicht sinken würde. Stattdessen sind die drei Schleiferkontakte über SMD-Lötpads (Für THT Pads war leider kein Platz mehr) für die Endstufe zu verfügung gestellt.

Und hier die Pinbelegung der Platine:

Die Software

Das Hauptprogramm

Kleine Teile der Software aus 2013 wie der RTTY-Generator wurden recycelt, doch das meiste habe ich komplett neu geschrieben. Außerdem habe ich mir diesesmal vorher die Struktur ausgedacht und bin auf eine Lösung wie im Programmablaufplan rechts gekommen. Jede Funktion muss nicht-blockierend geschrieben werden damit das Hauptprogramm regelmäßig durchläuft damit z.B. keine GPS-Zeichen verpasst werden.

RTTY-Betrieb

Nun, da alle Sensoren gut funktionieren, konnte ich zum ersten Mal das RTTY-Telegramm komplett zusammen bauen lassen und am PC Dekodieren. Dazu habe ich das NF-Signal einfach AC-Gekoppelt an den Line-In meines PCs gehängt und dort von TrueTTY Dekodieren lassen.

Hier ein Beispieltelegramm:

DM2LCT TORTRONIK.DE DATA:4740.0067N:00926.6211E:
ALT:00455.8:SPD:000.1:TRACK:164.16:SAT:06:TEMPIN:-04407:
TEMPOUT:-04428:BAT:10375

In dem ca. 30 Sekunden langem Telegramm sind folgende Daten kodiert:

  • Ludwigs Rufzeichen
  • Web-Referenz für mehr Infos
  • Position (4740.0067N zu 00926.6211E)
  • Höhe (455,8m)
  • Geschwindigkeit (0,1km/h)
  • Flugrichtung (164,16°)
  • Satellitenanzahl (6)
  • Innentemperatur (-44,07°C)
  • Außentemperatur (-44,28°C)
  • Batteriespannung (10,375V)

Für den Test waren die Temperatursensoren nicht Angeschlossen.

ToDo-Liste

Was ist bis zum Fingertreffen 2014 noch zu tun?

Software:

Programmierung RTTY-Generator Abgeschlossen
Programmierung Soundausgabe Abgeschlossen
Programmierung Batteriemessung Abgeschlossen
Programmierung Sprachgenerierung Abgeschlossen
Programmierung GPS Abgeschlossen
Programmierung Temperatursensoren Abgeschlossen           
Module im Hauptprogramm zusammensetzen Abgeschlossen

Hardware:

Testen µC-Umgebung       Abgeschlossen
Testen R2R-DAC & Filter Abgeschlossen
Testen Temperaturmessung Abgeschlossen
Kalibrieren Temperaturmessung Abgeschlossen
Testen Oszillator Abgeschlossen
Testen Modulator Abgeschlossen
Entwickeln Endstufe Abgeschlossen

Der Start

Vor dem Flug gab es - wie erwartet - einige komplikationen. Das lag nicht zuletzt an meiner Abwesenheit, die Entfernung zwischen mir und Abflugort betrug über 5Mm, ich habe an dem Tag ungefär 10€ in SMS investiert bis alles lief.

Der NF-Filter, welcher das stufenförmige Signal aus dem DAC glätten sollte, war nicht dazu zu überreden irgendetwas zu tun. Wir haben bis jetzt keine Ahnung warum, denn bei meinem Aufbau hat die Schaltung immer auf Anhieb funktioniert. Um nicht ohne Filter fliegen zu müssen wurde schnell ein einfacher gefädelt und dazwischen gehäckelt. Rechts ist die Platine so zu sehen wie sie geflogen ist.

Weitere Probleme sind mit dem Wasserstoffreaktor aufgetreten. Ich weiß nicht genau was, aber Zitat Ludwig: "...dann hat der Reaktor einen auf Tschernobyl gemacht." Zu allem überfluss hatte dann noch der erste Ballon ein Loch sodass sich der Start auf mitten in der Nacht verzögert hat. Rechts ist der Wasserstoffreaktor mit seinem Besitzer ("Zauberkopf") zu sehen.

 

 

Geflogen ist das ganze in einer Styroporschachtel in die die Teile einfach hinein geworfen wurden, danach wurde das ganze noch mit Styroporresten ausgefüllt.

Downloads:

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646 Download
13.05.2014
Downloadsprachbake_bottomside.pdf
498 Download
14.05.2014
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489 Download
14.05.2014
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845 Download
31.05.2014
Downloadrev2_schematic_list.pdf
1089 Download
31.05.2014
Downloadrev2_gerber.zip
784 Download
31.05.2014
Downloadprotokoll.zip
838 Download
03.06.2014