Vienkārša spiediena mērīšanas ierīce izglītības vajadzībām: 4 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Zemāk jūs atradīsit ļoti vienkāršas un viegli veidojamas ierīces, kas paredzēta spiediena mērīšanai, būvniecības instrukcijas. To var izmantot skolās vai citos ar STEM saistītos projektos par gāzes likumiem, taču to var pielāgot arī integrēšanai citās ierīcēs, lai izmērītu spēkus vai svaru. Lai gan mūsdienās ir pieejams liels skaits sensoru spiediena mērījumiem, man trūka vienkāršas un lētas ierīces, lai spēlētu ar šiem sensoriem un izmantotu tos izglītojošiem mērķiem. Mana konstrukcija pamatā sastāv no lielas plastmasas šļirces un novietota sensora izlaušanās šļirces iekšpusē. Izlaušanās ir savienota ar mikrokontrolleru, izmantojot kabeļu komplektu, kas iet caur šļirces izeju. Šļirces izplūdes atvere ir hermētiski noslēgta, izmantojot karstu līmi vai kādu citu metodi, kā rezultātā šļircē tiek iesprostots noteikts gaisa daudzums. Pēc tam sensors tiek savienots ar Arduino vai citu mikrokontrolleri. Pārvietojot šļirces virzuli, mainās tilpums un spiediens. Mērījumus var parādīt reālā laikā, izmantojot Arduino IDE sērijas monitoru vai sērijveida ploteri.

1. darbība. Izmantotie materiāli

150 vai 250 ml plastmasas katetra šļirce - pieejama internetā vai datortehnikas veikalā, kas atrodas netālu no jums, par dažiem dolāriem vai eiro. Spiediena sensora izlaušanās - es izmantoju lētu BMP280 (temperatūras un spiediena) sensoru, ko nopirku Banggood. Šis ir 3 V izlaušanās bez līmeņa pārslēdzējs, mazāk par 2 ASV dolāriem. Mērījumu diapazons ir no 650 līdz aptuveni 1580 hPa. Kabeļi un rīvdēlis: es izmantoju tāllēkšanas kabeļus, lai savienotu izlaušanos ar maizes dēli. Kabeļiem jābūt vismaz tikpat gariem kā šļircei, pretējā gadījumā kabeļu savienošana un izjaukšana ir ļoti sarežģīta. Divvirzienu 5 -> 3 V līmeņa pārslēdzējs: nepieciešams, lai savienotu iepriekš minēto sensoru ar Arduino. Nav nepieciešams, ja jūsu sensora izlaušanās, piem. kā Adafruit versijā, tā jau ir ieviesta uz kuģa, vai arī jūsu mikrokontrolleris darbojas ar 3V loģiku. Mikrokontrolleris: Es izmantoju Arduino Uno versiju, MonkMakesDuino, bet jebkurai ar Arduino saderīgai vajadzētu darboties. Pat Micro: bit darbojas, ja ievērojat šos Adafruit norādījumus. Vairāk par to tiks apspriests atsevišķā pamācībā.

Šļirces turētājs var būt noderīgs dažiem lietojumiem, taču tas nav nepieciešams. Arduino IDE.

2. darbība: montāža un pielietošana

Uzstādiet visas maizes dēļa daļas. Ja nepieciešams, pievienojiet mikrokontrolleru un līmeņa pārslēdzēju. Gadījumā, ja vienu no maizes dēļa barošanas sliedēm definējat kā 5 V, otru kā 3 V un pievienojiet tās attiecīgi mikrokontrollera 5 V, 3 V un zemējuma portiem, pēc tam pievienojiet līmeņa pārslēdzēja 3 V, 5 V un GND pieslēgvietas. Tagad savienojiet Arduino SDA (A4) un SCL (A5) portus ar diviem līmeņa pārslēdzēja 5V puses portiem, kas nav baroti. Lūdzu, ņemiet vērā, ka mikrokontrolleru SDA un SDA porti atšķiras, tāpēc, lūdzu, pārbaudiet savējo. Pievienojiet sensoru, izmantojot kabeļus, kurus vēlāk izmantosit ar līmeņa pārslēdzēju. Sensora SDA un SCL uz atbilstošajiem portiem līmeņa pārslēga 3V pusē, sensora Vin un Gnd portiem līdz 3 V un zemei. Ja vēlaties izmantot piedāvāto skriptu, papildu bibliotēku instalēšana Arduino IDE nav nepieciešama. Ja vēlaties izmantot Adafruit BMP280 skriptu, instalējiet to BMP280 un sensoru bibliotēkas. Ielādējiet BMP280 skriptu un augšupielādējiet to Arduino. Izmantojiet sērijas monitoru, lai pārbaudītu, vai saņemat saprātīgus datus. Ja nē, pārbaudiet savienojumus. Tagad izslēdziet mikrokontrolleru un atvienojiet kabeļus, kas savieno sensoru un maizes dēli. Tagad ievietojiet kabeļus caur šļirces izeju. Ja izmantojat pārejas kabeļus, var būt nepieciešams paplašināt kontaktligzdu vai nedaudz to saīsināt. Pārliecinieties, ka viens pēc otra izlaidiet sieviešu galus iekšā. I2C izlaušanai nepieciešami četri kabeļi, vēlams izmantot dažādu krāsu kabeļus. Pēc tam atkārtoti pievienojiet izlaušanos un kabeļus un pārbaudiet, vai savienojumi darbojas, kā norādīts iepriekš. Tagad pārvietojiet sadalījumu uz šļirces izplūdes galu. Ievietojiet virzuli un pārvietojiet to centrā, nedaudz tālāk par ēvelēto atpūtas stāvokli. Pievienojiet kabeļus maizes dēlim un pārbaudiet, vai sensors darbojas. Izslēdziet mikrokontrolleru un atvienojiet sensoru. Pievienojiet lielu pilienu karstas līmes kontaktligzdas galā. Uzmanīgi iesūciet nedaudz materiāla un pārliecinieties, ka gals ir hermētiski noslēgts. Ļaujiet līmei atdzist un nostāvēties, pēc tam vēlreiz pārbaudiet, vai tā ir hermētiska. Ja nepieciešams, atlikušajiem caurumiem pievienojiet vēl kādu līmi. Pievienojiet sensora kabeļus maizes dēlim un iedarbiniet mikrokontrolleru. Aktivizējiet seriālo monitoru, lai pārbaudītu, vai sensors nosūta temperatūras un spiediena vērtības. Pārvietojot virzuli, jūs varat mainīt spiediena vērtības. Bet arī tuvāk apskatiet temperatūras vērtības, nospiežot vai nospiežot virzuli.

Aizveriet seriālo monitoru un atveriet sērijas ploteri, pārvietojiet virzuli.

Ja nepieciešams, varat koriģēt tilpumu, pieliekot nedaudz spēka šļirces sāniem pie blīvējuma zonas, ielaižot vai izlaižot nedaudz gaisa.

3. darbība. Rezultāti un Outlook

Izmantojot šeit aprakstīto ierīci, vienkāršā fizikas eksperimentā varat parādīt kompresijas un spiediena korelāciju. Tā kā šļircei ir skala, pat kvantitatīvus eksperimentus ir viegli veikt.

Saskaņā ar Boila likumu [tilpums * spiediens] gāzei noteiktā temperatūrā ir nemainīgs. Tas nozīmē, ka, saspiežot noteiktu gāzes tilpumu N-kārtīgi, t.i., galīgais tilpums ir 1/N, tā spiediens palielināsies arī N-kārtīgi, piemēram: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Lai iegūtu sīkāku informāciju, lūdzu, apskatiet Wikipedia rakstu par gāzes likumiem.

Tātad, sākot no atpūtas vietām, piem. V1 = 100 ml un P1 = 1000 hPa, saspiežot līdz aptuveni 66 ml (ti, V2 = 2/3 no V1), spiediens būs aptuveni 1500 hPa (P2 = 3/2 no P1). Pavelkot virzuli līdz 125 ml (tilpums 5/4 reizes), spiediens ir aptuveni 800 hPa (4/5 spiediens). Mani mērījumi bija pārsteidzoši precīzi tik vienkāršai ierīcei.

Turklāt jums būs tiešs haptisks iespaids, cik daudz spēka nepieciešams, lai saspiestu vai izvērstu salīdzinoši nelielu gaisa daudzumu.

Bet mēs varam arī veikt dažus aprēķinus un pārbaudīt tos eksperimentāli. Pieņemsim, ka mēs saspiežam gaisu līdz 1500 hPa pie bazālā barometriskā spiediena 1000 hPa. Tātad spiediena starpība ir 500 hPa jeb 50 000 Pa. Manai šļircei virzuļa diametrs (d) ir aptuveni 4 cm jeb 0,04 metri.

Tagad jūs varat aprēķināt spēku, kas vajadzīgs, lai virzuli noturētu šajā pozīcijā. Dots P = F/A (spiediens ir spēks dalīts ar laukumu) vai pārveidots F = P*A. Spēka SI mērvienība ir "Ņūtons" vai N, garumam "Meter" vai m un "Pascal" vai Pa spiedienam. 1 Pa ir 1 N uz kvadrātmetru. Apaļam virzuļam laukumu var aprēķināt, izmantojot A = ((d/2)^2) * pi, kas manai šļircei dod 0,00125 kvadrātmetrus. Tātad 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Uz Zemes 1 N korelē ar svaru 100 gr, tātad 63 N ir vienāds ar 6,3 kg svara turēšanu.

Tāpēc būtu viegli izveidot sava veida skalu, pamatojoties uz spiediena mērījumiem.

Tā kā temperatūras sensors ir ārkārtīgi jutīgs, var redzēt pat kompresijas ietekmi uz temperatūru. Es pieņemu, ka, ja jūs izmantotu BME280 sensoru, kas arī var veikt mitruma mērījumus, jūs pat varat redzēt spiediena ietekmi uz relatīvo mitrumu.

Arduino IDE sērijas ploteris ļauj skaisti parādīt spiediena izmaiņas reālā laikā, taču ir pieejami arī citi, sarežģītāki risinājumi, piem. apstrādes valodā.

Papildus izglītojošiem mērķiem sistēmu var izmantot arī dažām reālās pasaules lietojumprogrammām, jo tā ļauj kvantitatīvi izmērīt spēkus, kas mēģina virzīt virzuli vienā vai otrā virzienā. Tātad jūs varētu izmērīt uz virzuļa novietoto svaru vai trieciena spēku uz virzuļa vai izveidot slēdzi, kas aktivizē gaismu vai skaņas signālu vai atskaņo skaņu pēc noteiktas sliekšņa vērtības sasniegšanas. Vai arī jūs varat izveidot mūzikas instrumentu, kas maina frekvenci atkarībā no virzuļa spēka.

4. solis: skripts

Šeit pievienotais skripts ir BMG280 skripta modifikācija, kas atrodama Banggood vietnē. Es tikko optimizēju Serial.print pasūtījumus, lai tos varētu labāk parādīt Arduino IDE sērijas ploterī.

Adafruit skripts izskatās jaukāk, taču tam ir nepieciešamas dažas viņu bibliotēkas, un tas neatpazīst Banggood sensoru.