JustAPendulum: atvērtā koda digitālā svārsts: 13 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

JustAPendulum ir uz Arduino balstīts atvērtā koda svārsts, kas mēra un aprēķina svārstību periodu, lai atrastu Zemes gravitācijas paātrinājumu (~ 9, 81 m/s²). Tajā ir pašdarināts Arduino UNO, kas saziņai ar datoru izmanto USB-sērijas adapteri. JustAPendulum ir ļoti precīzs, un tam ir pavadonis (rakstīts Visual Basic. NET), kas reālā laikā parādīs masas stāvokli un tabulu un grafiku ar visiem iepriekšējiem pasākumiem. Pilnībā ar lāzeru sagriezts un mājās gatavots, to ir ļoti viegli lietot: vienkārši nospiediet pogu un ļaujiet masai nokrist, un tāfele visu aprēķinās. Ideāli piemērots testiem fizikas stundās!

Projekta galvenā lapa: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Padarot to par ceļvedi

YouTube video

1. solis: fizika aiz tā

Šīs ir visas JustAPendulum izmantotās formulas. Es tos nedemonstrēšu, bet, ja jūs interesē, šī informācija ir viegli atrodama katrā fizikas grāmatā. Lai aprēķinātu Zemes gravitācijas paātrinājumu, svārsts vienkārši mēra svārstību periodu (T), pēc tam izmanto šādu formulu, lai aprēķinātu (g):

un šo, lai aprēķinātu absolūto kļūdu paātrinājumā:

l ir svārsta stieples garums. Šis parametrs ir jāiestata no pavadošās programmas (skatīt zemāk). 0,01 m ir garuma mērīšanas kļūda (tiek uzskatīts, ka lineāla jutīgums ir 1 cm), bet 0,001 s ir Arduino pulksteņa precizitāte.

2. darbība: Galileo Galilei un šī formula

Šo formulu pirmo reizi (daļēji) atklāja Galileo Galilejs ap 1602. gadu, pētot svārstu regulāro kustību, padarot svārsti par visprecīzāko laika skaitīšanas mašīnu līdz 1930. gadam, kad tika izgudroti kvarca oscilatori, kam sekoja atomu pulksteņi pēc Otrā pasaules kara. Kā pastāstīja viens no Galileo studentiem, Galilejs apmeklēja misu Pizā, kad pamanīja, ka vējš izraisa ļoti vieglu katedrālē piekārtas lustras kustību. Viņš turpināja skatīties uz lustras kustību un pamanīja, ka, lai gan vējš apstājās un svārsta nobrauktais turp un atpakaļ attālums saīsinājās, tomēr laiks, kas bija vajadzīgs lustrai, lai veiktu svārstības, paliek nemainīgs. Viņš noteica lustras šūpošanos ar regulāru pulsa sitienu plaukstā un saprata, ka viņam ir taisnība: neatkarīgi no nobrauktā attāluma, laiks, kas vajadzīgs, vienmēr bija vienāds. Pēc vairākiem mērījumiem un pētījumiem viņš to uzzināja

Divas reizes π, tāpat kā iepriekšējā vienādojumā, pārvērš proporcionālo izteiksmi par patiesu vienādojumu, bet tas ietver matemātisku stratagemu, ko Galileo nebija ieguvis.

3. darbība: lietošana

Lūdzu, ņemiet vērā, ka pirms digitālo svārsta sensoru lietošanas tie ir jākalibrē un jāpielāgo stieples garums. Novietojiet JustAPendulum zem svārsta (ieteicams vismaz 1 m augsts) un pārliecinieties, ka svārstoties masa aizēno visus trīs sensorus. Sensori darbojas labāk vājā apgaismojumā, tāpēc izslēdziet apgaismojumu. Ieslēdziet dēli. Parādīsies ekrāns “Gatavs”. Šeit ir izvēlnes struktūra:

• Kreisā poga: lai sāktu mērījumus, ielieciet bumbu pa labi un nospiediet pogu. Arduino automātiski nosaka bumbas stāvokli un sāk.

  • Tiek parādīts “Starting… o.p.: x ms”

    • Pa kreisi: aprēķiniet gravitācijas paātrinājumu

    • Pa labi: atpakaļ uz galveno ekrānu

• Labā poga: parādīt konfigurāciju

  • Pareizi: jā
  • Pa kreisi: nē

4. solis: pavadonis

JustAPendulum pavadonis ir programma Visual Basic. NET (rakstīta Visual Studio 2015), kas ļauj lietotājam reāllaikā no datora uzraudzīt svārstu. Tas parāda pēdējās vērtības un kļūdas, tajā ir tabulas un grafiki, lai parādītu iepriekšējos pasākumus, kā arī rīki sensoru kalibrēšanai un stieples garuma iestatīšanai. Vēsturi var arī eksportēt uz Excel.

Lejupielādējiet to šeit

5. darbība: sensoru kalibrēšana

Atveriet cilni Papildu, ieslēdziet “ADC monitoru” un novērojiet, kā parādītās vērtības mainās atkarībā no bumbas stāvokļa. Mēģiniet noskaidrot pieņemamu slieksni: zem tā nenozīmēs masu starp detektoriem, bet virs tā norādīs, ka masa iet starp tiem. Ja vērtības nemainās, iespējams, telpā ir pārāk daudz gaismas, tāpēc izslēdziet lampas. Pēc tam nospiediet pogu “Manuālā kalibrēšana”. Ierakstiet tekstlodziņā noteikto slieksni un nospiediet taustiņu Enter.

6. darbība: stieples garuma maiņa

Lai noregulētu stieples garumu, nospiediet pogu “Vada garums” un ievadiet vērtību. Pēc tam iestatiet mērīšanas kļūdu: ja mērījāt ar mērlenti, jutībai jābūt 1 mm. Visas vērtības tiks saglabātas mikrokontrollera ATmega328P atmiņā.

7. solis: lāzera griezuma kaste

Izgrieziet šo struktūru no saplākšņa (4 mm bieza) ar lāzergriešanas mašīnu, pēc tam piestipriniet to, ielieciet detaļas uz paneļiem un nostipriniet ar dažām naglām un vinila līmi. Lejupielādējiet DXF/DWG failus šīs lapas apakšā (izstrādāta, izmantojot AutoCAD 2016).

8. solis: struktūra

Ja jums nav svārsta, varat to izgatavot pats, izmantojot šo piemēru (tā ir precīza kopija no manis izgatavotā). Pietiek ar 27, 5 · 16 · 1 cm saplākšņa gabalu, 5,27, 5,2 cm šķembu un stieni. Pēc tam izmantojiet gredzenus, zvejas stiepli un bumbiņu, lai pabeigtu svārstu.

AutoCAD projekts

9. solis: Mise

Man nebija dzelzs masas (protams, būtu labāk), tāpēc es izveidoju bumbu ar 3D printeri un pievienoju gredzenu, lai to pakārtu pie stieples. Jo smagāks un plānāks tas ir (sk. Svārsta pulksteņus: masa ir plakana, lai izvairītos no berzes ar gaisu), jo ilgāk tā svārstīsies.

3D bumbas lejupielāde

10. solis: PCB

Šī ir lētākā metode, kā izveidot mājās izgatavotu PCB, izmantojot tikai lētas lietas:

• Lāzera printeris (600 dpi vai labāks)
• Fotopapīrs
• Tukša shēmas plate
• Muriatīnskābe (> 10% HCl)
• Ūdeņraža peroksīds (10% šķīdums)
• Apģērba gludeklis
• Acetons
• Tērauda vilna
• Aizsargbrilles un cimdi
• Nātrija bikarbonāts
• Etiķis
• Papīra dvieli

Pirmais solis ir sagataves PCB tīrīšana ar tērauda vilnu un ūdeni. Ja varš šķiet nedaudz oksidēts, iepriekš to vajadzētu mazgāt ar etiķi. Pēc tam notīriet vara pusi ar acetonā samitrinātu papīra dvieli, lai noņemtu atlikušos netīrumus. Precīzi berzējiet katru dēļa daļu. Neaiztieciet vara ar rokām!

Drukājiet PCB.pdf failu šīs lapas apakšā, izmantojot lāzera printeri, un nepieskarieties tam ar pirkstiem. Izgrieziet to, izlīdziniet attēlu vara pusē un nospiediet to ar drēbju gludekli (tam jābūt karstam, bet bez tvaikiem) apmēram piecas minūtes. Ļaujiet tai atdzist ar visu papīru, tad ļoti lēni un uzmanīgi noņemiet papīru zem ūdens. Ja uz vara nav toneru, atkārtojiet procedūru; Izmantojiet nelielu pastāvīgu marķieri, lai labotu trūkstošos savienojumus.

Tagad ir pienācis laiks izmantot skābi PCB kodināšanai. Plastmasas kastē ievietojiet trīs glāzes sālsskābes un vienu no ūdeņraža peroksīda; varat arī izmēģināt ar vienādiem daudzumiem, lai iegūtu spēcīgāku kodināšanu. Ielieciet PCB šķīdumā (pievērsiet uzmanību rokām un acīm) un pagaidiet apmēram desmit minūtes. Kad kodināšana ir pabeigta, noņemiet dēli no šķīduma un mazgājiet zem ūdens. Ielieciet divas karotes nātrija bikarbonāta skābē, lai neitralizētu šķīdumu, un izmetiet to tualetē (vai nogādājiet to atkritumu savākšanas centrā).

11. solis: elektronika

Nepieciešamās detaļas:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensatori
• 3x 100 uF kondensatori
• 2x 1N4148 diodes
• 7805TV sprieguma regulators
• 6x 10K rezistori
• 2x 220R rezistori
• 16 MHz kristāla oscilators
• Pinheads
• USB-sērijas adapteris
• 940 nm sānu infrasarkanie izstarotāji un IR detektori (es tos nopirku no Sparkfun)
• 9V akumulators un akumulatora turētājs
• 16x2 LCD ekrāns
• 2 pogas
• Potenciometrs un trimmeris
• Vadi, vadi un vadi

Tagad, kad esat iegādājies un savācis komponentus, izvēlieties lodētāju un lodējiet tos visus! Pēc tam piestipriniet PCB kastē, pievienojiet visus vadus LCD, USB-sērijas adapterim, potenciometram un trimmerim (displeja spilgtumam un kontrastam). Lai pareizi novietotu visas detaļas un vadus, skatiet shematisko shēmu, PCB modeli iepriekšējā solī un Eagle CAD failus šīs lapas apakšā.

Ērgļa CAD projekts

12. solis: sensori

Pievienojiet sensorus, kā parādīts attēlos, pēc tam izveidojiet dažus vāciņus (es izmantoju rotējošu instrumentu, lai tos iegravētu no koka šinas), lai tos pārklātu un aizsargātu. Pēc tam pievienojiet tos pamatplatei.

13. solis: esat gatavs

Sāc to lietot! Izbaudi!