Ta'lim maqsadlari uchun oddiy bosim o'lchash qurilmasi: 4 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:27

Quyida siz bosim o'lchovlari bilan o'ynash uchun juda oddiy va qurilishi oson bo'lgan qurilma uchun ko'rsatmalarni topasiz. Bu gaz qonunlari bo'yicha maktablar yoki STEM bilan bog'liq boshqa loyihalar uchun ishlatilishi mumkin, lekin kuchlar yoki og'irlikni o'lchash uchun boshqa qurilmalarga qo'shilishi uchun ham moslashtirilishi mumkin. Hozirgi kunda bosim o'lchovlari uchun sensorlar juda ko'p bo'lsa ham, men bu sensorlar bilan o'ynash va ulardan ta'lim maqsadlarida foydalanish uchun oddiy va arzon qurilmani yo'qotib qo'ydim. shpritsning ichida. Chiqish shpritsning chiqish joyidan o'tuvchi kabellar orqali mikrokontrollerga ulanadi. Shpritsning chiqish joyi issiq yopishtiruvchi yoki boshqa usulda havo o'tkazmaydigan qilib yopiladi, natijada ukol ichida ma'lum miqdordagi havo tiqilib qoladi, keyin sensor Arduino yoki boshqa mikrokontrollerga ulanadi. Shpritsning pistoni siljiganida uning hajmi va bosimi o'zgaradi. O'lchovlarni Arduino IDE seriyali monitor yoki ketma -ket plotter yordamida real vaqtda ko'rsatish mumkin.

1 -qadam: Ishlatilgan materiallar

150 yoki 250 ml plastmassali kateterli shprits - Internet orqali yoki sizga yaqin bo'lgan uskuna yoki bog 'do'konida bir necha dollarga yoki evroga. Bosim sensori uzilishi - men Banggoodda sotib olgan arzon BMP280 (harorat va bosim) sensoridan foydalandim. Bu har birining narxi 2 dollardan kam bo'lgan 3V kuchlanishli svetofor. O'lchov diapazoni 650 dan 1580 gigabaytgacha. Kabellar va non paneli: Men uzilishlarni non paneli bilan ulash uchun uzun o'tish kabellaridan foydalanardim. Kabellar hech bo'lmaganda shprits uzunligida bo'lishi kerak, aks holda kabellarni ulash va uzish juda qiyin. Ikki tomonlama 5 -> 3 V darajali o'tkazgich: yuqoridagi sensorni Arduino -ga ulash uchun kerak. Sensor uzilib qolsa kerak emas, masalan. Adafruit versiyasi sifatida, uning bortida allaqachon o'rnatilgan yoki sizning mikrokontrolleringiz 3V mantiq bilan ishlaydi, mikrokontroller: Men Arduino Uno, MonkMakesDuino versiyasini ishlatardim, lekin har qanday Arduino mos keluvchi ishlashi kerak. Agar siz Adafruit -dan ushbu ko'rsatmalarga amal qilsangiz, hatto Micro: bit ham ishlaydi. Bu haqda batafsilroq ko'rsatma beriladigan alohida bo'limda muhokama qilinadi.

Shprits ushlagichi ba'zi ilovalar uchun foydali bo'lishi mumkin, lekin kerak emas. Arduino IDE.

2 -qadam: O'rnatish va qo'llash

Non panelidagi barcha qismlarni o'rnating. Agar kerak bo'lsa, mikrokontroller va darajani o'zgartirgichni ulang. Agar kerak bo'lsa, paneldagi quvvat panjaralaridan birini 5V, ikkinchisini 3V deb belgilang va ularni mos ravishda mikrokontrolderning 5V, 3V va yer portlari bilan ulang, so'ngra 3V, 5V va GND portlarini darajali almashtirgichga ulang. Endi Arduino-ning SDA (A4) va SCL (A5) portlarini daraja almashtirgichining 5V tomonining ikkita kuchsiz portiga ulang. Shuni esda tutingki, SDA va SDA portlari mikrokontrolderlar o'rtasida farq qiladi, shuning uchun o'zingizni tekshiring. Sensorni keyinchalik ishlatadigan kabellar yordamida daraja almashtirgich bilan ulang. Sensorning SDA va SCL sathini o'zgartirgichning 3V tomonidagi mos keladigan portlarga, sensorning Vin va Gnd portlariga 3V va erga. Agar siz taqdim etilgan skriptdan foydalanmoqchi bo'lsangiz, Arduino IDE -ga boshqa kutubxonalarni o'rnatishingiz shart emas. Agar siz Adafruit BMP280 skriptidan foydalanmoqchi bo'lsangiz, ularning BMP280 va sensorli kutubxonalarini o'rnating. BMP280 skriptini yuklang va Arduino -ga yuklang. Siz oqilona ma'lumot olganingizni tekshirish uchun Serial Monitordan foydalaning. Agar shunday bo'lmasa, ulanishlarni tekshiring, endi mikrokontrolderni o'chiring va sensori va taxtani ulash kabellarini ajratib oling. Endi kabellarni shpritsning chiqish joyidan o'tkazing. Agar siz o'tish kabellarini ishlatsangiz, rozetkani kengaytirish yoki biroz qisqartirish kerak bo'ladi. Ayol uchlarini birin -ketin ichkariga o'tkazganingizga ishonch hosil qiling. I2C uzilishi uchun to'rtta kabel kerak bo'ladi, ularni boshqa ranglarda ishlating, so'ngra uzilish va kabellarni qayta ulang va ulanishlar ishlayotganini tekshiring. Endi bo'lakni shpritsning chiqish uchiga o'tkazing. Pistonni joylashtiring va uni rejalashtirilgan dam olish joyidan bir oz narida markaziy holatga o'tkazing, kabellarni non paneliga ulang va sensorning ishlayotganligini tekshiring. Mikrokontrollerni o'chiring va sensorni uzing, rozetkaning oxiriga katta tomchi issiq elim qo'shing. Ehtiyotkorlik bilan bir oz materialni emib oling va uning uchi havo o'tkazmaydigan qilib yopilganligiga ishonch hosil qiling. Yelimni sovushini va cho'kishini kuting, so'ngra uning havo o'tkazmasligini yana tekshiring. Agar kerak bo'lsa, qolgan teshiklarga yana yopishtiruvchi qo'shing. Sensor kabellarini non paneliga ulang va mikrokontrollerni ishga tushiring. Sensor harorat va bosim qiymatlarini yuborishini tekshirish uchun Serial monitorni yoqing. Pistonni siljitish orqali siz bosim qiymatlarini o'zgartirishingiz mumkin. Pistonni bosganingizda yoki bosganingizda, harorat qiymatlarini batafsil ko'rib chiqing.

Seriya monitorini yoping va "Seriya chizgichini" oching, pistonni siljiting. O'ynang!

Agar kerak bo'lsa, siz shpritsning yon tomonlariga bir oz kuch sarflab, havo kirgizib yoki chiqarib yuborib, ovoz balandligini to'g'rilashingiz mumkin.

3 -qadam: Natijalar va Outlook

Bu erda tasvirlangan qurilma yordamida siz oddiy fizika tajribasida siqish va bosimning o'zaro bog'liqligini ko'rsatishingiz mumkin. Shprits shkalasi bilan birga kelganligi sababli, hatto miqdoriy tajribalarni ham bajarish oson.

Boyl qonuniga ko'ra, [Volume * Bosim] ma'lum bir haroratdagi gaz uchun doimiydir. Bu shuni anglatadiki, agar siz ma'lum hajmdagi gazni N marta siqsangiz, ya'ni yakuniy hajmi 1/N bo'lsa, uning bosimi N barobar ko'payadi, masalan: P1*V1 = P2*V2 = const.

Qo'shimcha ma'lumot olish uchun, iltimos, gaz qonunlari haqidagi Vikipediyadagi maqolani ko'rib chiqing.

Shunday qilib, masalan, dam olish joylaridan boshlab. V1 = 100 ml va P1 = 1000 gPa, taxminan 66 ml gacha siqish (ya'ni V1 ning V2 = 2/3) 1500 gPa (P2 = 3/2 P1) bosimiga olib keladi. Pistonni 125 ml ga (5/4 barobar) tortish, taxminan 800 hPa (4/5 bosim) bosim beradi. Mening o'lchovlarim juda oddiy qurilma uchun juda aniq edi.

Bundan tashqari, siz to'g'ridan -to'g'ri haptik taassurotga ega bo'lasiz, bu nisbatan kichik miqdordagi havoni siqish yoki kengaytirish uchun qancha kuch kerak.

Lekin biz ham ba'zi hisob -kitoblarni amalga oshirishimiz va ularni eksperimental tarzda tekshirishimiz mumkin. Faraz qilaylik, biz havoni 1500 hPa ga, bazal barometrik bosim 1000 gPa ga siqamiz. Shunday qilib, bosim farqi 500 gPa yoki 50 000 Pa. Mening shpritsim uchun pistonning diametri (d) taxminan 4 sm yoki 0,04 metrni tashkil qiladi.

Endi siz pistonni shu holatda ushlab turish uchun zarur bo'lgan kuchni hisoblashingiz mumkin. Berilgan P = F/A (Bosim - maydonga bo'linadigan kuch) yoki o'zgartirilgan F = P*A. SI kuch birligi "Nyuton" yoki N, uzunligi "Metr" yoki m, bosim uchun "Paskal" yoki Pa. 1 Pa kvadrat metr uchun 1N. Dumaloq piston uchun maydonni A = yordamida hisoblash mumkin. ((d/2)^2) * pi, bu mening shpritsim uchun 0,00125 kvadrat metrni beradi. Shunday qilib, 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Er yuzida 1 N 100 gramm vaznga to'g'ri keladi. N 6,3 kg vaznga teng.

Shunday qilib, bosim o'lchovlari asosida qandaydir shkala qurish oson bo'lardi.

Harorat sensori juda sezgir bo'lgani uchun, siqilishning haroratga ta'sirini ko'rish mumkin. Menimcha, agar siz namlikni ham o'lchaydigan BME280 sensoridan foydalansangiz, bosimning nisbiy namlikka ta'sirini ko'rishingiz mumkin.

Arduino IDE -ning ketma -ket chizig'i real vaqtda bosim o'zgarishlarini yaxshi ko'rsatishga imkon beradi, lekin boshqa murakkab echimlar ham mavjud, masalan. ishlov berish tilida.

Ta'lim maqsadlari bilan bir qatorda, bu tizimni haqiqiy dunyodagi ba'zi ilovalar uchun ham ishlatish mumkin, chunki u pistonni u yoki bu tomonga siljitmoqchi bo'lgan kuchlarni miqdoriy jihatdan o'lchash imkonini beradi. Shunday qilib, siz pistonga qo'yilgan og'irlikni yoki pistonga ta'sir kuchini o'lchashingiz yoki ma'lum bir chegara qiymatiga etib kelganidan so'ng, chiroqni yoki signalni yoqadigan yoki ovoz chiqaradigan kalitni o'rnatishingiz mumkin. Yoki siz pistonga qo'llaniladigan kuch kuchiga qarab chastotani o'zgartiradigan musiqa asbobini yasashingiz mumkin.

4 -qadam: skript

Bu erda qo'shilgan skript Banggood veb -saytida topilgan BME280 skriptining modifikatsiyasi, men ularni Arduino IDE Serial Plotter -da yaxshiroq ko'rsatish uchun Serial.print buyurtmalarini optimallashtirdim.

Adafruit ssenariysi yanada chiroyli ko'rinadi, lekin u ba'zi kutubxonalarni talab qiladi va Banggood sensorini tan olmaydi.