JustAPendulum: Lavjerrës dixhital me burim të hapur: 13 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:21

JustAPendulum është një lavjerrës me burim të hapur me bazë Arduino që mat dhe llogarit periudhën e lëkundjes për të gjetur nxitimin gravitacional të Tokës (~ 9, 81 m/s²). Ai përmban një Arduino UNO të bërë në shtëpi që përdor një përshtatës USB-në-serik për të komunikuar me kompjuterin tuaj. JustAPendulum është shumë i saktë dhe ka një shoqërues (të shkruar në Visual Basic. NET) që, në kohë reale, do t'ju tregojë pozicionin e masës, një tabelë dhe një grafik me të gjitha masat e mëparshme. Plotësisht i prerë me lazer dhe i bërë në shtëpi, është shumë i lehtë për t’u përdorur: thjesht shtypni një buton dhe lëreni që masa të bjerë dhe tabela do të llogarisë gjithçka. Ideale për teste në klasat e fizikës!

Faqja kryesore e projektit: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Duke e bërë atë vetë udhëzues

Video në YouTube

Hapi 1: Fizika pas saj

Këto janë të gjitha formula të përdorura në JustAPendulum. Unë nuk do t'i demonstroj, por nëse jeni kurioz, ky informacion është i lehtë për t'u gjetur në çdo libër të fizikës. Për të llogaritur nxitimin gravitacional të Tokës, lavjerrësi thjesht mat periudhën e lëkundjes (T), pastaj përdor formulën e mëposhtme për të llogaritur (g):

dhe kjo për të llogaritur gabimin absolut mbi nxitimin:

l është gjatësia e telit të lavjerrësit. Ky parametër duhet të vendoset nga programi Shoqërues (shiko më poshtë). 0.01m është gabimi i matjes së gjatësisë (ndjeshmëria e sundimtarit supozohet 1 cm), ndërsa 0.001s është saktësia e orës së Arduino.

Hapi 2: Galileo Galilei dhe kjo Formulë

Kjo formulë u zbulua për herë të parë (pjesërisht) nga Galileo Galilei rreth vitit 1602, i cili hetoi lëvizjen e rregullt të lavjerrësve, duke bërë që lavjerrësit të përvetësoheshin si makinat më të sakta të matjes së kohës deri në vitin 1930 kur u shpikën oshilatorët kuarc, të ndjekur nga orët atomike pas Luftës së Dytë Botërore. Sipas një prej studentëve të Galileos, Galileo ishte duke marrë pjesë në një meshë në Pizë kur vuri re se era shkaktoi lëvizje shumë të lehtë të një llambadari të pezulluar në katedrale. Vazhdonte të shikonte lëvizjen e llambadarit dhe vuri re se edhe pse flladi ndalonte dhe distanca para-prapa e përshkuar me lavjerrës u shkurtua, prapëseprapë koha që iu desh llambadarit për të bërë lëkundjen dukej se mbeti konstante. Ai e përcaktoi lëkundjen e llambadarit nga rrahja e rregullt e pulsit në kyçin e dorës dhe kuptoi se kishte të drejtë: pa marrë parasysh distancën e përshkuar, koha që u desh ishte gjithmonë e njëjtë. Pas më shumë matjeve dhe studimeve, ai e zbuloi atë

Dy herë π, si në ekuacionin e mëparshëm, e kthen shprehjen proporcionale në një ekuacion të vërtetë - por kjo përfshin një strategji matematikore që Galileo nuk e kishte marrë.

Hapi 3: Përdorimi

Ju lutemi vini re se para se të përdorni sensorët e lavjerrësit dixhital duhet të kalibrohen dhe të rregullohet gjatësia e telit. Vendoseni JustAPendulum nën një lavjerrës (rekomandohet të paktën 1 m i gjatë i gjatë) dhe sigurohuni që masa të errësojë të tre sensorët kur lëkundet. Sensorët punojnë më mirë në kushte të ndriçimit të ulët, kështu që fikni dritat. Ndizni tabelën. Do të shfaqet një ekran "gati". Këtu është struktura e menysë:

• Butoni i majtë: për të filluar matjet, vendoseni topin në të djathtë dhe shtypni butonin. Arduino zbulon automatikisht pozicionin e topit dhe fillon.

  • Shfaqet "Starting … o.p.: x ms"

    • Majtas: llogarit nxitimin gravitacional
    • E djathtë: kthehuni në ekranin kryesor

• Butoni i djathtë: shfaq konfigurimin

  • E drejta: po
  • Majtas: jo

Hapi 4: Shoqëruesi

Shoqëruesi i JustAPendulum është një program Visual Basic. NET (i shkruar në Visual Studio 2015) që lejon përdoruesin të monitorojë lavjerrësin në kohë reale nga kompjuteri. Ai shfaq vlerat dhe gabimet e fundit, ka tabela dhe grafikë për të treguar masat e kaluara dhe ka mjete për të kalibruar sensorët dhe për të vendosur gjatësinë e telit. Historia gjithashtu mund të eksportohet në Excel.

Shkarkojeni këtu

Hapi 5: Kalibrimi i sensorëve

Shkoni në skedën Advanced, aktivizoni "ADC monitor" dhe vëzhgoni se si ndryshojnë vlerat e shfaqura në varësi të pozicionit të topit. Mundohuni të gjeni një prag të pranueshëm: më poshtë do të thotë asnjë masë midis detektorëve, ndërsa më lart do të tregojë se masa po kalon midis tyre. Nëse vlerat nuk ndryshojnë, ndoshta ka shumë dritë në dhomë, kështu që fikni llambat. Pastaj, shtypni butonin "Kalibrimi manual". Shkruani në kutinë e tekstit pragun që keni vendosur dhe shtypni enter.

Hapi 6: Ndryshimi i Gjatësisë së Telit

Për të rregulluar gjatësinë e telit, shtypni butonin "Gjatësia e telit" dhe futni vlerën. Pastaj vendosni gabimin e matjes: nëse e matni me një kasetë, ndjeshmëria duhet të jetë 1 mm. Të gjitha vlerat do të ruhen në kujtesën e mikrokontrolluesit ATmega328P.

Hapi 7: Kutia e Prerjes me Laser

Pritini këtë strukturë nga kompensatë (4 mm e trashë) me një makinë të prerë me lazer, pastaj asamblejeni atë, vendosni përbërësit në panele dhe rregulloni ato me disa gozhdë dhe zam vinilik. Shkarkoni skedarët DXF/DWG në fund të kësaj faqe (të dizajnuara me AutoCAD 2016).

Hapi 8: Struktura

Nëse nuk keni një lavjerrës, mund ta bëni vetë duke filluar nga ky shembull (është një kopje e saktë e atij që kam bërë). Një copë kompensatë 27, 5 · 16 · 1 cm, një pelenë 5 · 27, 5 · 2 cm dhe një shufër janë të mjaftueshme. Pastaj përdorni unaza, tela peshkimi dhe një top për të përfunduar lavjerrësin.

Projekti AutoCAD

Hapi 9: Masa

Unë nuk kisha marrë një masë hekuri (sigurisht që do të ishte më mirë), kështu që bëra një top me një printer 3D dhe shtova një unazë për ta varur në tela. Sa më i rëndë dhe më i hollë të jetë (shiko orët e lavjerrësit: masa është e sheshtë për të shmangur fërkimin me ajrin), aq më gjatë do të lëkundet.

Shkarkimi i topit 3D

Hapi 10: PCB

Kjo është metoda më pak e shtrenjtë për të krijuar një PCB të bërë në shtëpi duke përdorur vetëm sende me kosto të ulët:

• Printer lazer (600 dpi ose më mirë)
• Letër fotografike
• Bordi i qarkut bosh
• Acidi Muriatik (> 10% HCl)
• Peroksid hidrogjeni (10% zgjidhje)
• Rroba hekuri
• Aceton
• Lesh çeliku
• Syze dhe doreza sigurie
• Bikarbonat natriumi
• Uthull
• Peshqir letre

Hapi i parë është pastrimi i PCB -së bosh me lesh çeliku dhe ujë. Nëse bakri duket pak i oksiduar, duhet ta lani më parë me uthull. Pastaj, fshijeni anën e bakrit me një peshqir letre të njomur në aceton për të hequr papastërtitë e mbetura. Fërkoni me saktësi çdo pjesë të tabelës. Mos e prek bakrin me duar!

Shtypni skedarin PCB.pdf në fund të kësaj faqeje duke përdorur një printer lazer dhe mos e prekni me gishta. Pritini, rreshtoni imazhin në anën e bakrit dhe shtypeni me hekurin e rrobave (duhet të jetë e nxehtë, por pa avull) për rreth pesë minuta. Lëreni të ftohet me të gjithë letrën, pastaj hiqeni letrën shumë ngadalë dhe me kujdes nën ujë. Nëse nuk ka toner në bakër, përsëriteni procedurën; Përdorni një shënues të vogël të përhershëm për të rregulluar disa lidhje që mungojnë.

Tani është koha për të përdorur acidin për të gdhendur PCB. Në një kuti plastike vendosni tre gota me acid muriatik dhe një me peroksid hidrogjeni; gjithashtu mund të provoni me sasi të barabarta për një gdhendje më të fuqishme. Vendoseni PCB -në në tretësirë (kushtojini vëmendje duarve dhe syve) dhe prisni rreth dhjetë minuta. Kur të përfundojë gdhendja, hiqeni tabelën nga tretësira dhe lajeni nën ujë. Vendosni dy lugë bikarbonat natriumi në acid për të neutralizuar tretësirën dhe hidheni në WC (ose çojeni në një qendër të grumbullimit të mbeturinave).

Hapi 11: Elektronikë

Pjesët e nevojshme:

• MCU ATMEGA328P
• 2x 22 pF kondensatorë
• 3x 100 kondensatorë uF
• 2 dioda 1N4148
• Rregullatori i tensionit 7805TV
• 6x 10K rezistorë
• 2x rezistente 220R
• Oshilator kristal 16 MHz
• Kokat e këmbëve
• Përshtatës USB-në-serik
• Emetues me rreze infra të kuqe 940nm dhe detektorë IR (i bleva këto nga Sparkfun)
• Bateri 9V dhe mbajtëse baterie
• Ekran LCD 16x2
• 2 butona
• Një potenciometër dhe një makinë prerëse
• Tela, tela dhe tela

Tani që keni blerë dhe mbledhur përbërësit, zgjidhni një saldator dhe bashkojini të gjithë! Pastaj rregulloni PCB-në në kuti, lidhni të gjitha telat me LCD-në, përshtatësin USB-në-serik, potenciometrin dhe prerësin (për shkëlqimin dhe kontrastin e ekranit). Referojuni skemës, modelit të PCB -së në hapin e mëparshëm dhe skedarëve Eagle CAD në fund të kësaj faqeje për të vendosur saktë të gjitha pjesët dhe telat.

Projekti Eagle CAD

Hapi 12: Sensorët

Shtoni sensorët siç tregohet në fotografi, pastaj bëni disa kapele (kam përdorur një mjet rrotullues për t'i gdhendur nga një splint druri) për t'i mbuluar dhe mbrojtur ato. Pastaj lidheni ato me tabelën kryesore.

Hapi 13: Jeni gati

Filloni ta përdorni! Shijoni!