JustAPendulum: cyfrowe wahadło o otwartym kodzie źródłowym: 13 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

JustAPendulum to oparte na Arduino wahadło o otwartym kodzie źródłowym, które mierzy i oblicza okres oscylacji, aby znaleźć przyspieszenie grawitacyjne Ziemi (~9, 81 m/s²). Zawiera domowej roboty Arduino UNO, które wykorzystuje przejściówkę USB-szeregową do komunikacji z komputerem. JustAPendulum jest bardzo dokładny i ma towarzysz (napisany w Visual Basic. NET), który w czasie rzeczywistym pokazuje pozycję masy oraz tabelę i wykres ze wszystkimi poprzednimi miarami. Całkowicie wycięty laserowo i domowej roboty, jest bardzo łatwy w użyciu: wystarczy nacisnąć przycisk i pozwolić, aby masa spadła, a deska wszystko obliczy. Idealny do testów na zajęciach z fizyki!

Strona główna projektu: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Robisz to sam przewodnik

Film z YouTube

Krok 1: Fizyka, która za tym stoi

To są wszystkie formuły używane w JustAPendulum. Nie będę ich demonstrować, ale jeśli jesteście ciekawi, te informacje są łatwe do znalezienia w każdej książce z fizyki. Aby obliczyć przyspieszenie grawitacyjne Ziemi, wahadło po prostu mierzy okres drgań (T), a następnie używa następującego wzoru do obliczenia (g):

a ten do obliczenia błędu bezwzględnego w przyspieszeniu:

l to długość drutu wahadła. Ten parametr należy ustawić w programie Companion (patrz poniżej). 0,01m to błąd pomiaru długości (czułość linijki przyjmuje się na 1 cm), natomiast 0,001s to dokładność zegara Arduino.

Krok 2: Galileo Galilei i ta formuła

Formuła ta została po raz pierwszy (częściowo) odkryta przez Galileo Galilei około 1602 roku, który badał regularny ruch wahadeł, co sprawiło, że wahadła zostały przyjęte jako najbardziej precyzyjne maszyny do pomiaru czasu do 1930 roku, kiedy wynaleziono oscylatory kwarcowe, a następnie zegary atomowe po II wojnie światowej. Według jednego z uczniów Galileusza, Galileusz uczestniczył w mszy w Pizie, kiedy zauważył, że wiatr bardzo nieznacznie porusza żyrandol zawieszony w katedrze. Wciąż patrzył na ruch żyrandola i zauważył, że chociaż wiatr ustał, a odległość pokonywana przez wahadło skróciła się, to jednak czas potrzebny żyrandolowi na wywołanie oscylacji wydawał się być stały. Zmierzył czas kołysania żyrandola poprzez regularne bicie pulsu w jego nadgarstku i zdał sobie sprawę, że ma rację: bez względu na przebytą odległość, czas, jaki przebył, był zawsze taki sam. Po kolejnych pomiarach i badaniach dowiedział się, że

Dwa razy π, jak w poprzednim równaniu, zamienia wyrażenie proporcjonalne w prawdziwe równanie – ale to wymaga matematycznego podstępu, którego nie miał Galileusz.

Krok 3: Użycie

Należy pamiętać, że przed użyciem cyfrowych czujników wahadłowych należy je skalibrować i wyregulować długość przewodu. Umieść JustAPendulum poniżej wahadła (zalecana minimalna wysokość 1 m) i upewnij się, że masa przesłania wszystkie trzy czujniki podczas oscylacji. Czujniki działają lepiej w warunkach słabego oświetlenia, więc wyłącz światła. Włącz tablicę. Pojawi się ekran „Gotowe”. Oto struktura menu:

• Lewy przycisk: aby rozpocząć pomiary, przesuń kulkę w prawo i naciśnij przycisk. Arduino automatycznie wykrywa pozycję kuli i uruchamia się.

  • Wyświetlany jest komunikat „Uruchamianie… o.p.: x ms”

    • Po lewej: oblicz przyspieszenie grawitacyjne
    • Po prawej: powrót do ekranu głównego

• Prawy przycisk: pokaż konfigurację

  • Dobrze: tak
  • Po lewej: nie

Krok 4: Towarzysz

Towarzyszem JustAPendulum jest program Visual Basic. NET (napisany w Visual Studio 2015), który pozwala użytkownikowi monitorować wahadło w czasie rzeczywistym z komputera. Wyświetla ostatnie wartości i błędy, posiada tabele i wykresy pokazujące przeszłe pomiary oraz posiada narzędzia do kalibracji czujników i ustawienia długości przewodu. Historię można również wyeksportować do Excela.

Pobierz to tutaj

Krok 5: Kalibracja czujników

Przejdź do zakładki Zaawansowane, włącz „Monitor ADC” i obserwuj, jak wyświetlane wartości zmieniają się w zależności od pozycji kuli. Spróbuj znaleźć akceptowalny próg: poniżej będzie oznaczał brak masy między czujnikami, a powyżej będzie oznaczał, że masa między nimi przechodzi. Jeśli wartości się nie zmieniają, być może w pomieszczeniu jest za dużo światła, więc wyłącz lampy. Następnie naciśnij przycisk „Kalibracja ręczna”. Wpisz w polu tekstowym próg, który wybrałeś i naciśnij enter.

Krok 6: Zmiana długości przewodu

Aby dostosować długość przewodu, naciśnij przycisk „Długość przewodu” i wprowadź wartość. Następnie ustaw błąd pomiaru: jeśli mierzyłeś go taśmą mierniczą, czułość powinna wynosić 1 mm. Wszystkie wartości zostaną zapisane w pamięci mikrokontrolera ATmega328P.

Krok 7: Pudełko wycinane laserowo

Wytnij tę konstrukcję ze sklejki o grubości 4 mm za pomocą maszyny do cięcia laserem, następnie zmontuj ją, ułóż elementy na panelach i przymocuj je gwoździami i klejem vinilic. Pobierz pliki DXF/DWG na dole tej strony (zaprojektowane w programie AutoCAD 2016).

Krok 8: Struktura

Jeśli nie masz wahadełka, możesz zrobić je samemu, zaczynając od tego przykładu (jest to dokładna kopia tego, który zrobiłem). Wystarczy kawałek sklejki 27,5,16,1 cm, szyna 5,27,5,2 cm i pręt. Następnie użyj pierścieni, drutu wędkarskiego i kuli, aby ukończyć wahadło.

Projekt AutoCAD

Krok 9: Msza

Nie miałem masy żelaznej (byłoby oczywiście lepiej), więc zrobiłem kulkę drukarką 3D i dodałem kółko do zawieszenia na drucie. Im jest cięższy i cieńszy (patrz zegary wahadłowe: masa jest płaska, aby uniknąć tarcia z powietrzem), tym dłużej będzie oscylować.

Pobieranie piłki 3D

Krok 10: PCB

Jest to tańsza metoda tworzenia domowej płytki PCB przy użyciu tylko tanich materiałów:

• Drukarka laserowa (600 dpi lub lepsza)
• papier fotograficzny
• Pusta płytka drukowana
• Kwas sodowy (>10% HCl)
• Nadtlenek wodoru (10% roztwór)
• Żelazko
• Aceton
• Wełna stalowa
• Okulary i rękawice ochronne
• Wodorowęglan sodu
• Ocet winny
• Ręcznik papierowy

Pierwszym krokiem jest wyczyszczenie czystej płytki PCB wełną stalową i wodą. Jeśli miedź wydaje się nieco utleniona, należy ją wcześniej przemyć octem. Następnie wytrzyj miedzianą stronę ręcznikiem papierowym nasączonym acetonem, aby usunąć pozostały brud. Dokładnie przetrzyj każdą część deski. Nie dotykaj miedzi rękami!

Wydrukuj plik PCB.pdf na dole tej strony za pomocą drukarki laserowej i nie dotykaj go palcami. Wytnij, wyrównaj obraz po stronie miedzi i dociśnij żelazkiem (musi być gorące, ale bez pary) przez około pięć minut. Pozostaw do ostygnięcia z całym papierem, a następnie bardzo powoli i ostrożnie wyjmij papier pod wodą. Jeśli na miedzi nie ma tonera, powtórz procedurę; Użyj małego trwałego markera, aby naprawić niektóre brakujące połączenia.

Teraz nadszedł czas, aby użyć kwasu do wytrawienia PCB. Do plastikowego pudełka włóż trzy szklanki kwasu solnego i jedną szklankę nadtlenku wodoru; możesz również spróbować z równymi ilościami, aby uzyskać mocniejsze trawienie. Umieść płytkę PCB w roztworze (zwróć uwagę na ręce i oczy) i odczekaj około dziesięciu minut. Po zakończeniu trawienia wyjmij deskę z roztworu i umyj pod wodą. Wlej dwie łyżki wodorowęglanu sodu do kwasu, aby zneutralizować roztwór i wrzuć go do WC (lub zanieś do punktu zbiórki odpadów).

Krok 11: Elektronika

Potrzebne części:

• MCU ATMEGA328P
• Kondensatory 2x 22 pF
• 3x kondensatory 100 uF
• 2x diody 1N4148
• 7805TV regulator napięcia,
• 6x rezystory 10K
• 2x rezystory 220R
• Oscylator kwarcowy 16 MHz
• Szpilki
• Adapter USB-szeregowy
• 940nm wyglądające z boku emitery podczerwieni i detektory IR (kupiłem je od Sparkfun)
• Bateria 9V i uchwyt baterii
• Ekran LCD 16x2
• 2 przyciski
• Potencjometr i trymer
• Przewody, przewody i przewody

Teraz, gdy już kupiłeś i zebrałeś komponenty, wybierz lutownicę i przylutuj je wszystkie! Następnie zamocuj płytkę drukowaną w pudełku, podłącz wszystkie przewody do wyświetlacza LCD, przejściówkę USB-szeregową, potencjometr i trymer (jasność i kontrast wyświetlacza). Zapoznaj się ze schematem, modelem PCB w poprzednim kroku i plikami Eagle CAD na dole tej strony, aby prawidłowo umieścić wszystkie części i przewody.

Projekt Eagle CAD

Krok 12: Czujniki

Dodaj czujniki, jak pokazano na zdjęciach, a następnie zrób nakładki (użyłem narzędzia obrotowego do grawerowania ich z drewnianej szyny), aby je zakryć i zabezpieczyć. Następnie podłącz je do płyty głównej.

Krok 13: Jesteś gotowy

Zacznij go używać! Cieszyć się!