Një pajisje e thjeshtë për matjen e presionit për qëllime edukative: 4 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:26

Më poshtë gjeni udhëzimet e ndërtimit për një pajisje shumë të thjeshtë dhe të lehtë për t'u ndërtuar për të luajtur me matjet e presionit. Mund të jetë i përdorshëm për shkollat ose Projektet e tjera të lidhura me STEM për ligjet e gazit, por gjithashtu mund të përshtatet për t'u integruar në pajisje të tjera për të matur forcat ose peshën. Ndërsa ka një numër të madh të prishjeve të sensorëve për matjet e presionit në dispozicion këto ditë, më mungonte një pajisje e thjeshtë dhe e lirë për të luajtur me këta sensorë dhe për t'i përdorur ato për qëllime edukative. Konstrukti im përbëhet në thelb nga një shiringë e madhe plastike dhe një ndarje e vendosur e sensorit brenda shiringës. Zbërthimi është i lidhur me një mikrokontrollues nga një grup kabllosh që kalojnë në daljen e shiringës. Dalja e shiringës është e mbyllur hermetike duke përdorur zam të nxehtë, ose ndonjë metodë tjetër, duke rezultuar në një vëllim të përcaktuar të ajrit që bllokohet brenda shiringës. Sensori lidhet më pas me një Arduino, ose një mikrokontrollues tjetër. Kur zhvendoset kumarxhiu i shiringës, vëllimi dhe presioni do të ndryshojnë. Matjet mund të shfaqen në kohë reale duke përdorur monitorin serik ose komplotuesin serik të Arduino IDE.

Hapi 1: Materialet e përdorura

Një shiringë kateteri plastike 150 ose 250 ml - e disponueshme përmes internetit ose në një dyqan pajisjesh ose kopshtesh pranë jush për disa dollarë ose euro. Një shpërthim i sensorit të presionit - kam përdorur një sensor të lirë BMP280 (temperaturë dhe presion) që kam blerë në Banggood. Ky është një prishje 3V pa ndërrues të nivelit, për më pak se 2 $ secila. Gama e matjes qëndron midis 650 dhe rreth 1580 hPa. Kabllot dhe bordi i bukës: Kam përdorur kabllo kërcyes të gjatë për të lidhur ndarjen me një dërrasë buke. Kabllot duhet të jenë të paktën aq sa shiringa, përndryshe lidhja e kabllove dhe prishja është shumë e vështirë. Një ndërrues dydrejtimësh 5 -> 3 V: kërkohet për të lidhur sensorin e mësipërm me një Arduino. Nuk kërkohet nëse prishja e sensorit tuaj, p.sh. si versioni Adafruit, ka një të zbatuar tashmë në bord, ose mikrokontrolluesi juaj po punon me një logjikë 3V. Një mikrokontrollues: Kam përdorur një version të Arduino Uno, MonkMakesDuino, por çdo i pajtueshëm me Arduino duhet të funksionojë. Edhe Micro: bit funksionon nëse ndiqni këto udhëzime nga Adafruit. Më shumë për këtë do të diskutohet në një udhëzues të posaçëm që vjen.

Mbajtësi i shiringës mund të jetë i dobishëm për disa aplikacione, por nuk është i nevojshëm. Arduino IDE.

Hapi 2: Montimi dhe Zbatimi

Vendosni të gjitha pjesët në tabelën tuaj të bukës. Lidhni mikrokontrolluesin dhe ndërruesin e nivelit, nëse kërkohet. Në rast, përcaktoni njërën nga binarët e rrymës në bordin tuaj të bukës si 5V, tjetrën si 3V dhe lidhini ato me portat 5V, 3V dhe tokësore të mikrokontrolluesit përkatësisht, pastaj lidhni portat 3V, 5V dhe GND të ndërruesit të nivelit. Tani lidhni portat SDA (A4) dhe SCL (A5) të Arduino me dy porte pa energji të anës 5V të ndërruesit të nivelit. Ju lutemi vini re se portet SDA dhe SDA ndryshojnë midis mikrokontrolluesve, prandaj kontrolloni për tuajat. Lidhni sensorin tuaj duke përdorur kabllot që do të përdorni më vonë me ndërruesin e nivelit. SDA dhe SCL e sensorit në portet përkatëse në anën 3V të ndërruesit të nivelit, portat Vin dhe Gnd të sensorit në 3V dhe tokëzim. Nëse dëshironi të përdorni skriptin e dhënë, nuk keni nevojë të instaloni biblioteka të tjera në Arduino IDE. Nëse preferoni të përdorni skenarin Adafruit BMP280, instaloni bibliotekat e tyre BMP280 dhe sensorët. Ngarkoni skriptin BMP280 dhe ngarkojeni në Arduino. Përdorni Serial Monitor për të kontrolluar nëse merrni të dhëna të arsyeshme. Nëse jo, kontrolloni lidhjet. Tani fikni mikrokontrolluesin dhe shkëputni kabllot që lidhin sensorin dhe tabelën e bukës. Tani vendosni kabllot përmes daljes së shiringës. Nëse përdorni kabllo kërcyes mund të jetë e nevojshme të zgjeroni prizën ose ta shkurtoni pak. Sigurohuni që të kaloni skajet femërore brenda, njëra pas tjetrës. Një ndërprerje I2C ka nevojë për katër kabllo, preferoni të përdorni ato me ngjyra të ndryshme. Pastaj rilidhni daljen dhe kabllot dhe kontrolloni që lidhjet të funksionojnë, si më sipër. Tani zhvendoseni prishjen në fundin e daljes së shiringës. Vendoseni kumarxhin dhe zhvendoseni në një pozicion qendror, pak më larg se pozicioni i planifikuar i pushimit. Lidhni kabllot me dërrasën e bukës dhe kontrolloni nëse sensori po punon. Fikni mikrokontrolluesin dhe shkëputeni sensorin. Shtoni një pikë të madhe zam të nxehtë në fund të prizës. Thithni me kujdes pak nga materiali dhe sigurohuni që fundi të jetë i mbyllur me ajër. Lëreni ngjitësin të ftohet dhe vendoset, pastaj kontrolloni përsëri nëse ajri i tij është i ngushtë. Nëse kërkohet, shtoni pak më shumë zam në vrimat e mbetura. Lidhni kabllot e sensorit në dërrasën e bukës dhe filloni mikrokontrolluesin. Aktivizoni Serial Monitor për të kontrolluar nëse sensori dërgon vlerat e temperaturës dhe presionit. Duke lëvizur kumarxhin, ju jeni në gjendje të ndryshoni vlerat e presionit. Por gjithashtu shikoni më nga afër vlerat e temperaturës kur shtypni ose shtypni kumarxhin.

Mbyllni Monitorin Serial dhe hapni 'Komplotuesin Serial', lëvizni kumarxhin. Luaj!

Nëse kërkohet, mund të korrigjoni vëllimin duke aplikuar pak forcë në anët e shiringës pranë zonës së rondelës, duke lëshuar ose nxjerrë pak ajër.

Hapi 3: Rezultatet dhe Outlook

Me pajisjen e përshkruar këtu, ju mund të demonstroni korrelacionin e ngjeshjes dhe presionit në një eksperiment të thjeshtë të fizikës. Ndërsa shiringa vjen me një shkallë mbi të, edhe eksperimentet kuantifikuese janë të lehta për tu kryer.

Sipas ligjit të Boyle, [Volumi * Presioni] është konstant për një gaz në një temperaturë të caktuar. Kjo do të thotë nëse ju ngjeshni një vëllim të caktuar të gazit N-fish, domethënë vëllimi përfundimtar është 1/N, presioni i tij do të rritet gjithashtu N-fish, si: P1*V1 = P2*V2 = const.

Për më shumë detaje, ju lutemi hidhini një sy artikullit të Wikipedia -s mbi ligjet e gazit.

Pra duke filluar në një pikë pushimi të p.sh. V1 = 100 ml dhe P1 = 1000 hPa, një ngjeshje në rreth 66 ml (dmth. V2 = 2/3 e V1) do të rezultojë në një presion prej rreth 1500 hPa (P2 = 3/2 e P1). Tërheqja e pistonit në 125 ml (vëllimi 5/4 fish) jep një presion prej rreth 800 hPa (presion 4/5). Matjet e mia ishin çuditërisht të sakta për një pajisje kaq të thjeshtë.

Përveç kësaj ju do të keni një përshtypje të drejtpërdrejtë haptike se sa forcë kërkohet për të ngjeshur ose zgjeruar një sasi relativisht të vogël të ajrit.

Por ne gjithashtu mund të bëjmë disa llogaritje dhe t'i kontrollojmë ato në mënyrë eksperimentale. Supozoni se ne e kompresojmë ajrin në 1500 hPa, në një presion barometrik bazal prej 1000 hPa. Pra, diferenca e presionit është 500 hPa, ose 50, 000 Pa. Për shiringën time, diametri (d) i pistonit është rreth 4 cm ose 0.04 metër.

Tani mund të llogaritni forcën e kërkuar për të mbajtur pistonin në atë pozicion. Jepet P = F/A (Presioni është Forca e ndarë me Zonë), ose e transformuar F = P*A. Njësia SI për forcën është "Njutoni" ose N, për gjatësinë "Metër" ose m, dhe "Pascal 'ose Pa për presionin. 1 Pa është 1N për metër katror. Për një pistoni të rrumbullakët, zona mund të llogaritet duke përdorur A = ((d/2)^2) * pi, e cila jep 0.00125 metra katrorë për shiringën time. Pra 50, 000 Pa * 0.00125 m^2 = 63 N. Në Tokë, 1 N lidhet me një peshë prej 100 gr, pra 63 N janë të barabarta me mbajtjen e një peshe prej 6.3 kg.

Pra, do të ishte e lehtë të ndërtohej një lloj shkalle e bazuar në matjet e presionit.

Meqenëse sensori i temperaturës është jashtëzakonisht i ndjeshëm, madje mund të shihni efektin e ngjeshjes në temperaturë. Supozoj se nëse do të përdorni sensorin BME280, i cili gjithashtu mund të kryejë matje të lagështisë, madje mund të shihni efektet e presionit në lagështinë relative.

Komploti serik i Arduino IDE ju lejon të shfaqni bukur ndryshimet e presionit në kohë reale, por janë të disponueshme edhe zgjidhje të tjera më të përpunuara, p.sh. në gjuhën e përpunimit.

Përveç qëllimeve edukative, dikush mund të përdorë gjithashtu sistemin për disa aplikacione të botës reale, pasi lejon të maten në mënyrë sasiore forcat që po përpiqen të lëvizin kumarxhiun në një mënyrë ose në tjetrën. Kështu që ju mund të matni një peshë të vendosur në kumarxhi ose një forcë goditëse në kumarxhi, ose të ndërtoni një ndërprerës që aktivizon një dritë ose zile ose luan një tingull pasi të jetë arritur një vlerë e caktuar pragu. Ose mund të ndërtoni një instrument muzikor që ndryshon frekuencën në varësi të fuqisë së forcës së aplikuar në kumarxhi.

Hapi 4: Skenari

Skenari që shtova këtu është një modifikim i shkrimit BME280 që gjendet në faqen e internetit të Banggood. Unë thjesht i optimizova urdhrat Serial.print për të lejuar që ato të shfaqen më mirë në Arduino IDE Serial Plotter.

Skenari Adafruit duket më i bukur, por kërkon disa nga bibliotekat e tyre dhe nuk njeh sensorin Banggood.