Білім беру мақсатында қысымды өлшейтін қарапайым құрылғы: 4 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:26

Төменде сіз қысым өлшеуіштермен ойнауға арналған өте қарапайым және қарапайым құрылғыға арналған құрылыс нұсқауларын таба аласыз. Бұл мектептер немесе газ заңдары бойынша STEM -ге қатысты басқа да жобалар үшін қолданылуы мүмкін, бірақ күштерді немесе салмақты өлшеу үшін басқа құрылғыларға біріктіруге бейімделуі мүмкін. Бұл күндері қысымды өлшеуге арналған сенсорлардың көп саны болса да, менде бұл сенсорлармен ойнауға және оларды оқу мақсаттарында қолдануға арналған қарапайым және арзан құрылғы жетіспеді. шприцтің ішінде. Ажыратқыш микроконтроллерге шприцтен шығатын кабельдер жиынтығымен қосылады. Шприцтің шығатын жері ыстық желіммен немесе басқа әдіспен герметикалық түрде тығыздалады, нәтижесінде шприцтің ішінде ауаның белгілі көлемі жиналады, содан кейін сенсор Arduino немесе басқа микроконтроллерге қосылады. Шприцтің поршені қозғалғанда көлемі мен қысымы өзгереді. Өлшеуді Arduino IDE сериялық мониторы немесе сериялық плоттері көмегімен нақты уақытта көрсетуге болады.

1 -қадам: Қолданылатын материалдар

150 немесе 250 мл пластикалық катетер шприці - Интернет арқылы немесе сізге жақын орналасқан аппараттық немесе бақша дүкенінде бірнеше долларға немесе еуроға. Қысым датчигінің үзілуі - мен Banggood -тан сатып алған арзан BMP280 (температура мен қысым) сенсорды қолдандым. Бұл әрқайсысы 2 доллардан төмен 3В кернеу. Өлшеу диапазоны 650 мен 1580 hPa шамасында. Кабельдер мен нан тақтасы: Мен үзілісті нан тақтасына қосу үшін ұзындыққа арналған кабельдерді қолдандым. Кабельдер ұзындығы кемінде шприцке дейін болуы керек, әйтпесе кабельдерді қосу мен ажырату өте қиын. Екі бағытты 5 -> 3 В деңгейлі ауыстырғыш: жоғарыдағы сенсорды Arduino -ға қосу үшін қажет. Егер сенсор үзілсе, мысалы, қажет емес. Adafruit нұсқасы ретінде оның бортында бұрыннан бар немесе сіздің микроконтроллер 3В логикамен жұмыс істейді. Микроконтроллер: Мен Arduino Uno, MonkMakesDuino нұсқасын қолдандым, бірақ кез келген Arduino үйлесімді жұмыс істеуі керек. Егер сіз Adafruit -тен осы нұсқауларды орындасаңыз, тіпті Micro: bit жұмыс істейді. Бұл туралы толығырақ бөлек нұсқаулықта талқыланатын болады.

Шприц ұстағыш кейбір қосымшалар үшін пайдалы болуы мүмкін, бірақ қажет емес. Arduino IDE.

2 -қадам: құрастыру және қолдану

Барлық бөліктерді тақтаға орнатыңыз. Қажет болса, микроконтроллер мен деңгей ауыстырғышты қосыңыз. Қажет болған жағдайда, тақтадағы қуат рельстерінің бірін 5В, екіншісін 3В деп анықтаңыз және оларды тиісінше микроконтроллердің 5В, 3В және жер порттарына қосыңыз, содан кейін деңгейлік ауыстырғыштың 3V, 5V және GND порттарын қосыңыз. Енді Arduino-ның SDA (A4) және SCL (A5) порттарын деңгейлік ауыстырғыштың 5В жағындағы қуатсыз екі портымен қосыңыз. SDA және SDA порттары микроконтроллерлер арасында ерекшеленетініне назар аударыңыз, сондықтан өзіңіздің датчиктеріңізді тексеріңіз. Деңгей ауыстырғышпен кейін қолданылатын кабельдерді қолданып сенсорды қосыңыз. Датчиктің SDA және SCL 3В деңгейдегі ауыстырғыштың сәйкес порттарына, сенсордың Vin және Gnd порттары 3В және жерге. Егер сіз берілген сценарийді қолданғыңыз келсе, Arduino IDE қосымша кітапханаларын орнатудың қажеті жоқ. Егер сіз Adafruit BMP280 сценарийін қолданғыңыз келсе, олардың BMP280 мен сенсорлық кітапханаларын орнатыңыз. BMP280 сценарийін жүктеңіз және оны Arduino -ға жүктеңіз. Сериялық мониторды қолданыңыз, егер сізде дұрыс ақпарат болса. Олай болмаса, қосылуларды тексеріңіз. Енді микроконтроллерді өшіріңіз, сенсор мен тақтаны қосатын кабельдерді ажыратыңыз. Енді кабельдерді шприцтің шығатын жеріне салыңыз. Егер сіз өтпелі кабельдерді қолдансаңыз, розетканы кеңейту немесе сәл қысқарту қажет болуы мүмкін. Әйелдердің ұштарын бірінен соң бірін өткізіп алуды ұмытпаңыз. I2C үзілісінде төрт кабель қажет, әр түрлі түстерді қолданыңыз, содан кейін үзіліс пен кабельдерді қайта қосыңыз және қосылымдардың жоғарыда көрсетілгендей жұмыс істеп тұрғанын тексеріңіз. Енді үзілісті шприцтің шығатын ұшына жылжытыңыз. Поршеньді салыңыз да, оны қалыпты жағдайға жылжытыңыз, жоспарланған демалыс орнынан сәл алыс. Кабельдерді нан тақтасына жалғаңыз және сенсордың жұмыс істеп тұрғанын тексеріңіз. Микроконтроллерді өшіріп, сенсорды ажыратыңыз. Розетканың соңына ыстық желімнің үлкен тамшысын қосыңыз. Материалдың бір бөлігін мұқият сорып алыңыз да, ұшының ауа өткізбейтін етіп жабылғанына көз жеткізіңіз. Желімді суытып, тұндырыңыз, содан кейін оның ауа тығыз екенін тексеріңіз. Қажет болса, қалған саңылауларға тағы да желім қосыңыз. Сенсор кабельдерін тақтаға қосыңыз және микроконтроллерді іске қосыңыз. Сенсор температура мен қысым мәндерін жіберетінін тексеру үшін сериялық мониторды іске қосыңыз. Поршеньді жылжыту арқылы сіз қысым мәндерін өзгерте аласыз. Поршеньді басқанда немесе басқанда температураның мәнін мұқият қарастырыңыз.

Сериялық мониторды жауып, «Сериялық плоттерді» ашыңыз, поршенді жылжытыңыз. Ойнаңыз!

Қажет болса, тығыздағыш аймағына жақын шприцтің бүйірлеріне аздап ауа жіберіп немесе шығарып, дыбыс деңгейін түзетуге болады.

3 -қадам: Нәтижелер мен Outlook

Мұнда сипатталған құрылғы көмегімен физика экспериментінде қысу мен қысымның өзара байланысын көрсетуге болады. Шприц таразымен бірге келгендіктен, тіпті сандық эксперименттерді орындау оңай.

Бойль заңы бойынша [Көлем * Қысым] берілген температурадағы газ үшін тұрақты. Бұл дегеніміз, егер сіз берілген газ көлемін N есе қыссаңыз, яғни соңғы көлемі 1/Н болса, оның қысымы N есе артады, мысалы: P1*V1 = P2*V2 = const.

Қосымша ақпарат алу үшін Википедиядағы газ заңдары туралы мақаланы қараңыз.

Сондықтан демалыс нүктелерінен бастап, мысалы. V1 = 100 мл және P1 = 1000 гПа, шамамен 66 мл -ге дейін қысу (яғни V1 -дің V2 = 2/3) шамамен 1500 гПа қысымға әкеледі (Р2 = P2 = 3/2). Поршеньді 125 мл -ге (көлемі 5/4 есе) тартқанда шамамен 800 гПа (4/5 қысым) қысым пайда болады. Менің өлшемдерім осындай қарапайым құрылғы үшін таңқаларлық дәл болды.

Сонымен қатар, сіз ауаның салыстырмалы түрде аз мөлшерін қысу немесе кеңейту үшін қанша күш қажет екендігі туралы тікелей әсерлі әсер аласыз.

Бірақ біз сонымен қатар кейбір есептеулер жүргізіп, оларды эксперименталды түрде тексере аламыз. Ауаны 1500 гПа дейін қысамыз, 1000 гПа базальды барометрлік қысымда. Қысымның айырмашылығы 500 гПа немесе 50 000 Па. Менің шприцім үшін поршень диаметрі (d) шамамен 4 см немесе 0,04 метр.

Енді поршеньді осы қалыпта ұстауға қажетті күшті есептеуге болады. Берілген P = F/A (Қысым - бұл ауданға бөлінген күш) немесе F = P*A түрлендірілген. SI күшінің бірлігі - «Ньютон» немесе N, ұзындығы үшін «Метр» немесе м, ал қысым үшін «Паскаль» немесе Па. 1 Па шаршы метрге 1Н. Дөңгелек поршень үшін ауданды A = көмегімен есептеуге болады. ((d/2)^2) * pi, ол менің шприцім үшін 0,00125 шаршы метрді береді. Демек, 50 000 Па * 0,00125 м^2 = 63 Н. Жерде 1 Н 100 гр салмаққа сәйкес келеді, сондықтан 63 N 6,3 кг салмақты ұстауға тең.

Сондықтан қысымды өлшеуге негізделген шкаланы құру оңай болар еді.

Температура сенсоры өте сезімтал болғандықтан, қысудың температураға әсерін көруге болады. Менің ойымша, егер сіз ылғалдылықты өлшеуге болатын BME280 сенсорын қолдансаңыз, қысымның салыстырмалы ылғалдылыққа әсерін көре аласыз.

Arduino IDE сериялық плоттері қысымның өзгеруін нақты уақыт режимінде жақсы көрсетуге мүмкіндік береді, бірақ басқа да күрделі шешімдер бар, мысалы: өңдеу тілінде.

Білім беру мақсаттарынан басқа, бұл жүйені кейбір нақты әлемдегі қосымшалар үшін де қолдануға болады, себебі ол плунжерді басқа жолмен жылжытуға тырысатын күштерді сандық түрде өлшеуге мүмкіндік береді. Сіз поршеньге салынған салмақты немесе поршеньге әсер ету күшін өлшей аласыз немесе белгілі бір шекті мәнге жеткеннен кейін шамды немесе дыбыстық сигналды қосатын немесе дыбысты қосатын қосқышты жасай аласыз. Немесе сіз поршеньге қолданылатын күштің күшіне байланысты жиілікті өзгертетін музыкалық аспап жасай аласыз.

4 -қадам: Сценарий

Мен осында қосқан сценарий - Banggood веб -сайтында табылған BME280 сценарийінің модификациясы, мен оларды Arduino IDE сериялық плоттерінде жақсы көрсету үшін Serial.print тапсырыстарын оңтайландырдым.

Adafruit сценарийі жақсы көрінеді, бірақ олардың кейбір кітапханалары қажет және ол Banggood сенсорын танымайды.