Jak zbudować CubeSata z Arduino i czujnikiem licznika Geigera: 11 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, czy Mars jest radioaktywny? A jeśli jest radioaktywny, czy poziom promieniowania jest wystarczająco wysoki, aby uznać go za szkodliwy dla ludzi? Są to wszystkie pytania, na które mamy nadzieję odpowiedzieć nasz CubeSat z licznikiem Arduino Geiger.

Promieniowanie mierzy się w siwertach, co pozwala określić ilościowo ilość promieniowania pochłoniętego przez tkanki ludzkie, ale ze względu na ich ogromne rozmiary zwykle mierzymy je w milisiwertach (mSV). 100 mSV to najniższa roczna dawka, przy której widoczny jest jakikolwiek wzrost ryzyka raka, a pojedyncza dawka 10 000 mSV jest śmiertelna w ciągu kilku tygodni. Mamy nadzieję, że uda nam się ustalić, gdzie ta symulacja wyląduje na Marsie w skali radioaktywnej.

Nasza lekcja fizyki rozpoczęła się od zbadania sił lotu podczas pierwszego kwartału w laboratorium, w którym zaprojektowaliśmy własny samolot, a następnie stworzyliśmy go z płyt styropianowych. Następnie przystępowaliśmy do startu, aby przetestować opór, siłę nośną, siłę ciągu i masę samolotu. Po pierwszym zestawie danych dokonalibyśmy zmian w samolocie, aby spróbować uzyskać jak najdłuższy dystans.

Następnie w drugim kwartale skupiliśmy się na budowie rakiety wodnej, aby dalej obserwować i testować koncepcje, których nauczyliśmy się w pierwszym kwartale. Do tego projektu użyliśmy butelek 2L i innych materiałów do budowy naszej rakiety. Gdy byliśmy gotowi do startu, napełnialiśmy butelki wodą, wychodziliśmy na zewnątrz, umieszczaliśmy rakietę na wyrzutni, zwiększaliśmy ciśnienie i wypuszczaliśmy. Celem było wystrzelenie rakiety jak najdalej w pionie i bezpieczne opuszczenie jej.

Naszym trzecim ostatnim „dużym” projektem było zbudowanie CubeSata, który bezpiecznie przeniesie Arduino i czujnik do naszego szkolnego modelu Marsa. Głównym celem tego projektu było określenie ilości radioaktywności na Marsie i ustalenie, czy jest ona szkodliwa dla ludzi. Inne cele poboczne polegały na stworzeniu CubeSata, który wytrzymałby test wstrząsów i byłby w stanie zmieścić w nim wszystkie niezbędne materiały. Cele poboczne idą w parze z ograniczeniami. Ograniczeniami, jakie mieliśmy dla tego projektu, były wymiary CubeSata, jego waga i materiał, z którego jest zbudowany. Inne ograniczenia niezwiązane z CubeSatem to ilość czasu, który mieliśmy na wydruk 3D, ponieważ mieliśmy tylko jeden dzień na wykonanie tego; czujniki, których używaliśmy, były również ograniczeniem, ponieważ istniały czujniki, których klasa nie miała dostępnych lub nie mogła kupić. Ponadto musieliśmy przejść test wstrząsów, aby określić stabilność CubeSata i test wagi, aby upewnić się, że nie przekroczymy 1,3 kg.

-Juan

Krok 1: Lista materiałów

Wydrukowany w 3D CubeSat - Zminiaturyzowany satelita o wymiarach 10cm x 10cm x 10cm i nie może ważyć więcej niż 1,3kg. To tutaj umieszczamy wszystkie nasze przewody i czujniki, służy jako sonda kosmiczna

Przewody-Służą do łączenia licznika Geigera i Arduino ze sobą i sprawiają, że działają;

Arduino- Służy do uruchamiania kodu na liczniku Geigera

Licznik Geigera- Służy do pomiaru rozpadu radioaktywnego, od tego zależy cały nasz projekt w celu określenia radioaktywności

Baterie-Służą do zasilania licznika Geigera, który po podłączeniu zasili Arduino

Czytnik Micro sd- Służy do zbierania i rejestrowania danych zebranych za pomocą licznika Geigera

Śruby-używane do dokręcania górnej i dolnej części CubeSat, aby upewnić się, że się nie zepsuje

Ruda uranu- materiał radioaktywny, którego licznik Geigera używa do określania radioaktywności

Komputer - służy do znajdowania/tworzenia kodu, którego będziesz używać dla Arduino

Przewód USB-Służy do podłączenia Arduino do komputera i uruchomienia kodu

Krok 2: Zbuduj swój CubeSat

Pierwszą rzeczą, której będziesz potrzebować, jest CubeSat.

(Jeśli chcesz uzyskać szczegółowe wyjaśnienie, czym jest kasa CubeSat

Podczas projektowania CubeSata masz dwie główne opcje: zbuduj własną z dowolnego materiału lub wydrukuj 3D.

Moja grupa zdecydowała się wydrukować naszego CubeSata w 3D, więc wszystko, co musieliśmy zrobić, to wyszukać „3D CubeSat” i znaleźliśmy kilka szablonów, ale zdecydowaliśmy się pobrać plik ze strony internetowej NASA. Stamtąd musisz pobrać plik; wtedy będziesz potrzebować dysku flash, aby rozpakować plik i załadować go do drukarki 3D.

Stamtąd po prostu idź dalej i wydrukuj CubeSat w 3D, aby przejść do pozostałych kroków.

Tworząc nasz model 3D CubeSat zdaliśmy sobie sprawę, że nasze Arduino i przewody nie zmieszczą się w nim. Wszyscy musieliśmy stworzyć strategię i wymyślić, jak wszystko włożyć do środka. Musieliśmy się obrócić i położyć naszą okładkę górną i dolną stroną do góry. Potem musieliśmy wywiercić otwory i móc wkręcić gwoździe i znaleźć odpowiedni rozmiar. Wkładając całe Arduino, kartę SD i wszystko w środku, mieliśmy „za dużo” miejsca, więc musieliśmy dodać trochę folii bąbelkowych do środka, więc kiedy testowaliśmy, nie szedłby wszędzie, ponieważ był cały okablowany i podłączony.

Krok 3: naszkicuj swój projekt

Gdy zdobędziesz wszystkie materiały, będziesz chciał naszkicować, jak będzie wyglądać Twój projekt.

Niektórzy uważają, że ten krok jest bardziej przydatny niż inne, więc może być tak szczegółowy lub tak prosty, jak chcesz, ale dobrze jest mieć ogólne pojęcie o tym, jak wszystko zorganizujesz.

Nasza grupa osobiście użyła go do pewnego rodzaju burzy mózgów, jak zorganizować nasze czujniki i wszystkie przewody, ale od tego momentu nie znaleźliśmy dla niego zbyt dużego zastosowania, ponieważ ciągle zmienialiśmy rzeczy, więc nasze szkice służyły tylko jako punkt wyjścia, odkąd to zrobiliśmy tak naprawdę nie trzymaj się ich.

Kiedy już masz ogólne pojęcie o tym, jak wszystko będzie wyglądało, możesz przejść do następnego kroku

Krok 4: Dowiedz się, jak działa licznik Geigera

Kiedy dostarczono nam licznik Geigera, musieliśmy dowiedzieć się, jak to działa, ponieważ nikt z nas nigdy go nie używał.

Pierwszą rzeczą, której się dowiedzieliśmy, jest to, że licznik Geigera jest bardzo czuły. Czujniki z tyłu wydawałyby niezwykle głośny dźwięk, a także sama rurka Geigera za każdym razem, gdy się dotknęliśmy. Gdybyśmy trzymali palec na rurce, wydawałby jeden długi ciągły sygnał dźwiękowy, a my zdejmowaliśmy palce i włączaliśmy, a dźwięk emitowałby dźwięk zgodnie z długością naszych palców na rurze.

Następnie przetestowaliśmy licznik Geigera przy użyciu bananów. Zdaliśmy sobie sprawę, że im bliżej licznika Geigera znajdował się materiał radioaktywny, tym bardziej tykał i vice versa.

Krok 5: Narzędzia/Praktyki bezpieczeństwa

1. Pierwszą potrzebną rzeczą jest CubeSat. Aby to zrobić, będziesz potrzebować drukarki 3D i plików do wydrukowania lub możesz zbudować własną, używając dowolnych materiałów, które według Ciebie będą działać; pamiętaj, że CubeSat musi mieć wymiary 10cm x 10cm x 10cm (pomiń część 2, jeśli budujesz własny)
2. Następnie będziesz musiał wywiercić otwory w górnej i dolnej obudowie drukowanego 3D CubeSata, aby umieścić w nim śruby. Śmiało i przykręć dolną osłonę (upewnij się, że nosisz gogle, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń do oczu)
3. Zdobądź trochę baterii i włóż je do zestawu akumulatorów, a następnie podłącz je do licznika Geigera i podłącz licznik Geigera do Arduino. Upewnij się, że czytnik Micro SD jest również podłączony.
4. Włącz licznik Geigera, aby upewnić się, że wszystko działa poprawnie. Umieść wszystko w CubeSat.
5. Przetestuj swój CubeSat, aby się upewnić
6. Po zebraniu danych upewnij się, że nic w CubeSat się nie przegrzewa. Jeśli tak, odłącz go natychmiast i oceń problem
7. Przetestuj wszystko, aby sprawdzić, czy dane są zbierane
8. Pamiętaj, aby umyć ręce po kontakcie z uranem używanym do zbierania danych

Krok 6: Okablowanie Arduino

Jedyne potrzebne zasilanie to baterie AA

Podłącz baterie bezpośrednio do licznika Geigera, a następnie podłącz pin VVC do dodatniej kolumny płytki stykowej.

Poprowadź inny przewód na tej samej kolumnie w płytce stykowej do gniazda 5 V w Arduino. To zasili Arduino.

Następnie poprowadź przewód z pinu 5V na arduino do adaptera kart SD.

Następnie podłącz VIN na liczniku geigera do pinu analogowego w Arduino.

Następnie podłącz GND do ujemnej kolumny na płytce stykowej.

Podłącz kolumnę ujemną do GND na Arduino.

Karta SD do Arduino:

Miso idzie do 11

Miso idzie do 12

SCK idzie do 13

CS idzie do 4

Krok 7: Kodowanie

Najprostszym sposobem na zakodowanie Arduino jest pobranie aplikacji ArduinoCC, która umożliwia pisanie kodu i wgrywanie go do Aduino. Bardzo trudno było nam znaleźć kompletny kod, który by działał. Na szczęście nasz kod zawiera rejestrację CPM (kliknięć na minutę) oraz danych na karcie SD.

Kod:

#włączać

#włączać

/* * Geiger.ino * * Ten kod współdziała z płytką licznika Geigera Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE)

* i raportuje odczyty w CPM (liczby na minutę). *

* Autor: Mark A. Heckler (@MkHeck, [email protected]) *

* Licencja: Licencja MIT *

* Używaj swobodnie z atrybucją. Dziękuję Ci!

*

* * Edytowany** */

#define LOG_PERIOD 5000 //Okres logowania w milisekundach, zalecana wartość 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 //Maksymalny okres rejestrowania

volatile unsigned long counts = 0; // Wydarzenia GM Tube

bez znaku długi cpm = 0; // CPM

const unsigned int mnożnik = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Oblicza/przechowuje CPM

bez znaku długi poprzedni Millis; // Pomiar czasu

const int pin = 3;

void tube_impulse() {

// Przechwytuje liczbę zdarzeń z tablicy licznika Geigera counts++;

}

#włączać

Plik mójPlik;

pusta konfiguracja () {

pinMode(10, WYJŚCIE);

SD.początek(4); // Otwórz komunikację szeregową i poczekaj na otwarcie portu:

Serial.początek(115200);

}

void loop() { // nic się nie dzieje po konfiguracji

unsigned long currentMillis = millis();

if(currentMillis - previousMillis > LOG_PERIOD) {

poprzedni Millis = obecny Millis;

cpm = liczba * mnożnik;

myFile=SD.open("test.txt", FILE_WRITE);

jeśli(mójPlik) {

Serial.println(cpm);

mójPlik.println(cpm);

mójPlik.zamknij();

}

liczba = 0;

pinMode(pin, INPUT); // Ustaw pin jako wejście do przechwytywania zdarzeń GM Tube interrupts(); // Włącz przerwania (jeśli były wcześniej wyłączone) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), tube_impulse, FALLING); // Zdefiniuj zewnętrzne przerwania

}

}

Obraz, który mamy, przedstawia pierwszy użyty kod, który był niekompletny, więc był to pierwszy z naszych problemów z kodowaniem. Od tego momentu nie mogliśmy ruszyć dalej z projektem, dopóki nasi nauczyciele nie pomogli nam z kodem. Ten kod pochodzi z innego kodu, który działał z samym licznikiem Geigera, ale nie raz był sparowany z kartą SD.

Krok 8: Kod testowy

Gdy już masz kod, przetestuj go, aby upewnić się, że możesz zbierać dane.

Upewnij się, że wszystkie ustawienia są poprawne, więc sprawdź swoje porty i przewody, aby upewnić się, że wszystko jest w porządku.

Po sprawdzeniu wszystkiego uruchom kod i zobacz dane, które otrzymujesz.

Zanotuj również jednostki promieniowania, które zbierasz, ponieważ określą one rzeczywiste promieniowanie, które jest emitowane.

Krok 9: Przetestuj swój CubeSat

Po ustaleniu kodowania i wykonaniu całego okablowania, następnym krokiem jest dopasowanie wszystkiego do CubeSata i przetestowanie go, aby upewnić się, że nic się nie rozpadnie podczas końcowych testów.

Pierwszym testem, który musisz wykonać, jest test w locie. Weź coś, na czym możesz zawiesić swojego CubeSata i obróć go, aby sprawdzić, czy odleci, czy nie, i upewnić się, że obraca się we właściwym kierunku.

Po zakończeniu pierwszego wstępnego testu musisz wykonać dwa testy wstrząsania. Pierwszy test będzie symulował turbulencje, jakich doznałby CubeSat podczas wydostawania się z ziemskiej atmosfery, a drugi test wstrząsów symulowałby turbulencje w kosmosie.

Upewnij się, że wszystkie twoje części pozostały razem i nic się nie rozpadło.

Krok 10: Testy końcowe i wyniki

Dane zebrane na stole w różnych odległościach od licznika Geigera

Interwały zbierania po 5 sekundach 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Przed ostatnimi testami zebraliśmy dane, włączając licznik Geigera i umieszczając materiał radioaktywny w różnych odległościach. Im wyższa liczba, tym licznik Geigera był bliżej materiału radioaktywnego.

Dane zebrane podczas rzeczywistych testów

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Do naszych rzeczywistych testów materiał radioaktywny okazał się zbyt daleko od licznika Geigera, aby można go było zmierzyć.

Co oznaczają dane? Cóż, korzystając z wykresu odczytów, możemy określić, że im wyższa liczba, tym bardziej niebezpieczne jest promieniowanie dla ludzi. Możemy wtedy przekształcić liczbę kliknięć na minutę w mSV, które są rzeczywistymi jednostkami promieniowania. I tak, opierając się na naszym eksperymencie, Mars jest doskonale uratowany dla ludzi!

Niestety rzeczywistość często rozczarowuje. Promieniowanie Marsa wynosi w rzeczywistości 300 mSv, co jest 15 razy wyższe niż promieniowanie, na które co roku narażony jest pracownik elektrowni jądrowej.

Inne dane dotyczące naszego lotu obejmują:

Fc: 3,101 niutonów

Ac: 8,072 m/s^2

V: 2,107 m/s

m: 0,38416 kg

P: 1,64 sekundy

F: 0,609 Hz

Krok 11: Problemy/porady/źródła

Głównym problemem, jaki mieliśmy, było znalezienie kodu, który działałby dla Geigera i karty SD, więc jeśli masz ten sam problem, możesz użyć naszego kodu jako bazy. Inną opcją byłoby wejście na fora Arduino i poproszenie o pomoc (należy jednak zapłacić, ponieważ zauważyliśmy, że ludzie są mniej skłonni do pomocy, jeśli nie ma rekompensaty).

Jedną rzeczą, którą radzimy innym, jest próba znalezienia sposobu, aby licznik Geigera był jak najbliżej promieniowania, aby móc uzyskać więcej certyfikowanych danych.

Oto źródła, z którymi konsultowaliśmy się dla wszystkich zainteresowanych:

www.space.com/24731-mars-promieniowanie-ciekawostki…

www.cooking-hacks.com/documentation/tutori…

community.blynk.cc/t/geiger-counter/27703/…