JustAPendulum: ochiq manbali raqamli mayatnik: 13 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:26

JustAPendulum-bu Arduino-ga asoslangan ochiq manbali mayatnik bo'lib, u Yerning tortishish tezlanishini topish uchun tebranish davrini o'lchaydi va hisoblab chiqadi (~ 9, 81 m/s²). U o'z uyida ishlab chiqarilgan Arduino UNO-ni o'z ichiga oladi, u sizning kompyuteringiz bilan aloqa qilish uchun USB-ketma-ket adapterdan foydalanadi. JustAPendulum juda aniq va uning hamrohi bor (Visual Basic. NET-da yozilgan), u real vaqt rejimida sizga massaning o'rnini va barcha oldingi o'lchovlar bilan jadval va grafikni ko'rsatadi. To'liq lazer bilan kesilgan va uy qurilishi, ulardan foydalanish juda oson: tugmani bosish kifoya, massa tushishiga yo'l qo'ying va taxta hamma narsani hisoblab chiqadi. Fizika darslarida testlar uchun ideal!

Loyihaning asosiy sahifasi: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Buni o'zingizga yo'l ko'rsatuvchi qilish

YouTube video

1 -qadam: uning orqasidagi fizika

Bularning barchasi JustAPendulum -da ishlatiladigan formulalar. Men ularni namoyish qilmoqchi emasman, lekin agar siz qiziqmoqchi bo'lsangiz, bu ma'lumotni har bir fizika kitobidan topish oson. Erning tortishish tezlanishini hisoblash uchun mayatnik tebranish davrini (T) o'lchaydi, keyin hisoblash uchun quyidagi formuladan foydalanadi (g):

va bu tezlanish bo'yicha mutlaq xatolikni hisoblash uchun:

l - mayatnik simining uzunligi. Ushbu parametr Companion dasturidan o'rnatilishi kerak (pastga qarang). 0,01 m - uzunlikni o'lchash xatosi (o'lchagichning sezuvchanligi 1 sm), 0,001s - Arduino soatining aniqligi.

2 -qadam: Galiley Galiley va bu formula

Bu formulani birinchi bo'lib (qisman) 1602 yilda Galiley Galiley kashf etgan, u mayatniklarning muntazam harakatlanishini o'rgangan va mayatniklar 1930 yilgacha kvarts osilatorlari ixtiro qilingan vaqtga qadar, shuningdek, Ikkinchi Jahon Urushidan keyin atom soatlari eng aniq vaqt o'lchash mashinalari sifatida qabul qilingan. Galiley shogirdlaridan birining so'zlariga ko'ra, Galiley Pizadagi ommaviy marosimga borganida, shamol soborda osilgan qandilning engil harakatiga sabab bo'lganini payqagan. U qandilning harakatini kuzatishda davom etdi va u shamol esib, mayatnikning oldinga va orqaga yurgan masofasi qisqarganiga qaramay, qandilning tebranishi uchun vaqt o'zgarmay qolganday tuyuldi. U qandilning tebranishini bilagidagi pulsni muntazam urishi bilan aniqladi: qancha masofani bosib o'tgan bo'lsa ham, vaqt har doim bir xil edi. Ko'proq o'lchovlar va tadqiqotlar natijasida u buni bilib oldi

Ikki marta π, oldingi tenglamada bo'lgani kabi, proportsional ifodani haqiqiy tenglamaga aylantiradi, lekin bu Galileyda bo'lmagan matematik strategiyani o'z ichiga oladi.

3 -qadam: Foydalanish

E'tibor bering, raqamli sarkac sensori ishlatishdan oldin kalibrlanishi va sim uzunligi sozlanishi kerak. JustAPendulumni mayatnik ostiga qo'ying (balandligi kamida 1 m tavsiya etiladi) va tebranish paytida massa uchta datchikni yashirganligiga ishonch hosil qiling. Sensorlar kam yorug'lik sharoitida yaxshiroq ishlaydi, shuning uchun chiroqlarni o'chiring. Taxtani yoqing. "Tayyor" ekrani paydo bo'ladi. Mana menyu tuzilishi:

• Chap tugma: o'lchovlarni boshlash uchun to'pni o'ngga qo'ying va tugmani bosing. Arduino avtomatik ravishda to'pning holatini aniqlaydi va boshlanadi.

  • "Boshlanmoqda… o.p.: x ms" ko'rsatiladi

    • Chapda: tortishish tezlanishini hisoblang
    • O'ngda: asosiy ekranga qaytish

• O'ng tugma: konfiguratsiyani ko'rsatish

  • To'g'ri: ha
  • Chapda: yo'q

4 -qadam: Hamroh

JustAPendulumning hamrohi-Visual Basic. NET (Visual Studio 2015 da yozilgan) dasturi bo'lib, u foydalanuvchiga mayatnikni kompyuterdan real vaqtda kuzatib borishga imkon beradi. U oxirgi qiymatlar va xatolarni aks ettiradi, o'tmishdagi o'lchovlarni ko'rsatadigan jadvallar va grafikalar, datchiklarni kalibrlash va sim uzunligini sozlash uchun asboblarga ega. Tarixni Excelga ham eksport qilish mumkin.

Bu yerdan yuklab oling

5 -qadam: Sensorlarni kalibrlash

Kengaytirilgan yorlig'iga o'ting, "ADC monitorini" yoqing va to'pning holatiga qarab ko'rsatilgan qiymatlar qanday o'zgarishini kuzatib boring. Qabul qilinadigan chegarani aniqlashga harakat qiling: pastda detektorlar o'rtasida massa yo'qligini bildiradi, yuqoridan esa ular orasidagi massa o'tayotganini ko'rsatadi. Agar qadriyatlar o'zgarmasa, ehtimol xonada yorug'lik juda ko'p, shuning uchun chiroqlarni o'chiring. Keyin "Manuel kalibrlash" tugmachasini bosing. Siz tanlagan chegarani matn maydoniga yozing va Enter tugmasini bosing.

6 -qadam: sim uzunligini o'zgartirish

Tel uzunligini sozlash uchun "sim uzunligi" tugmasini bosing va qiymatni kiriting. Keyin o'lchov xatosini o'rnating: agar siz uni lenta o'lchovi bilan o'lchagan bo'lsangiz, sezuvchanlik 1 mm bo'lishi kerak. Barcha qiymatlar ATmega328P mikrokontroller xotirasida saqlanadi.

7 -qadam: Lazerli kesish qutisi

Konstruktsiyani kontrplakdan (qalinligi 4 mm) lazerli kesish mashinasi bilan kesib oling, so'ngra uni ko'taring, qismlarini panellarga qo'ying va ularni mix va vinil elim bilan mahkamlang. Sahifaning pastki qismidagi DXF/DWG fayllarini yuklab oling (AutoCAD 2016 bilan yaratilgan).

8 -qadam: Struktura

Agar sizda mayatnik bo'lmasa, siz bu misoldan boshlab o'zingiz yasashingiz mumkin (bu men yasagan nusxaning aniq nusxasi). 27, 5 · 16 · 1 sm qalinlikdagi kontrplak, 5 · 27, 5 · 2 sm uzunlikdagi tayoq va tayoq etarli. Keyin mayatnikni to'ldirish uchun halqalarni, baliq ovlash simini va to'pni ishlating.

AutoCAD loyihasi

9 -qadam: ommaviy

Menda temir massasi yo'q edi (albatta yaxshi bo'lardi), shuning uchun men 3D printer bilan to'p yasadim va uni simga osib qo'yish uchun uzuk qo'shdim. Bu qanchalik og'ir va ingichka (mayatnik soatlariga qarang: havo bilan ishqalanishni oldini olish uchun massasi tekis), shuncha uzoq tebranadi.

3D to'p yuklab olish

10 -qadam: PCB

Bu uy qurilishi PCB-ni arzon narxlardagi materiallardan yaratishning eng arzon usuli.

• Lazerli printer (600 dpi yoki undan yuqori)
• Rasm qog'ozi
• Bo'sh elektron karta
• Muriyat kislotasi (> 10% HCl)
• Vodorod periks (10% eritma)
• Kiyim -kechak temir
• Aseton
• Po'lat jun
• Qo'lqoplar va xavfsizlik ko'zoynaklari
• Natriy bikarbonat
• Sirka
• Qog'oz sochiq

Birinchi qadam - bo'sh PCBni po'lat jun va suv bilan tozalash. Agar mis biroz oksidlangan bo'lsa, uni sirka bilan yuvish kerak. Keyin qolgan kirni olib tashlash uchun mis tomonini aseton bilan namlangan qog'oz sochiq bilan arting. Kengashning har bir qismini aniq ishqalang. Misga qo'l bilan tegmang!

Ushbu sahifaning pastki qismidagi PCB.pdf faylini lazer printer yordamida chop eting va unga barmoqlaringiz bilan tegmang. Uni kesib oling, tasvirni mis tomonga tekislang va kiyimni temir bilan bosing (u issiq bo'lishi kerak, lekin bug'siz) taxminan besh daqiqa. Uni hamma qog'oz bilan sovushini kutib turing, so'ng qog'ozni juda sekin va ehtiyotkorlik bilan suv ostida olib tashlang. Agar misda toner bo'lmasa, protsedurani takrorlang; Yo'qolgan ulanishlarni tuzatish uchun kichik doimiy markerdan foydalaning.

Endi PCBni kislota bilan ishlov berish vaqti keldi. Plastik qutiga uchta stakan muriyat kislotasi va bitta vodorod periksni soling; siz ham kuchliroq o'yish uchun teng miqdorda sinab ko'rishingiz mumkin. PCBni eritma ichiga soling (qo'llaringiz va ko'zlaringizga e'tibor bering) va taxminan o'n daqiqa kuting. Tugatish tugagach, taxtani eritmadan chiqarib oling va suv ostida yuving. Eritmani zararsizlantirish uchun kislotaga ikki qoshiq natriy bikarbonat soling va uni hojatxonaga tashlang (yoki chiqindilarni yig'ish markaziga olib boring).

11 -qadam: elektronika

Kerakli qismlar:

• ATMEGA328P MCU
• 2 x 22 pF kondansatörler
• 3x 100 UF kondansatörler
• 2x 1N4148 diodlari
• 7805TV kuchlanish regulyatori
• 6x 10K rezistorlar
• 2x 220R rezistorlar
• 16 MGts kristalli osilator
• Pinheads
• USB-dan seriyali adapter
• 940nm yonma-yon ko'rinadigan infraqizil emitentlar va IQ detektorlari (men ularni Sparkfundan sotib olganman)
• 9V batareya va batareya ushlagichi
• 16x2 LCD displey
• 2 tugma
• Potensiometr va trimmer
• Simlar, simlar va simlar

Endi siz komponentlarni sotib oldingiz va yig'dingiz, lehimni tanlang va hammasini lehimlang! Keyin tenglikni qutiga joylashtiring, barcha simlarni LCD, USB-ketma-ket adapter, potansiometr va trimmerga ulang (displey yorqinligi va kontrasti uchun). Barcha qismlar va simlarni to'g'ri joylashtirish uchun oldingi bosqichdagi sxemaga, tenglikni modeliga va ushbu sahifaning pastki qismidagi Eagle CAD fayllariga qarang.

Eagle CAD loyihasi

12 -qadam: Sensorlar

Rasmlarda ko'rsatilgandek datchiklarni qo'shing, so'ngra ularni yopish va himoya qilish uchun bir nechta qopqoqlar yasang (men ularni yog'och dastadan o'yib o'yilgan asbob bilan ishlatardim). Keyin ularni asosiy kartaga ulang.

13 -qadam: Siz tayyormiz

Uni ishlatishni boshlang! Xursand bo'ling!