Πώς να χτίσετε το CubeSat με αισθητήρα μετρητή Arduino και Geiger: 11 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Αναρωτηθήκατε ποτέ για το αν ο Άρης είναι ραδιενεργός ή όχι; Και αν είναι ραδιενεργό, τα επίπεδα ακτινοβολίας είναι αρκετά υψηλά για να θεωρηθούν επιβλαβή για τον άνθρωπο; Αυτές είναι όλες οι ερωτήσεις που ελπίζουμε να απαντηθούν από το CubeSat με τον μετρητή Arduino Geiger.

Η ακτινοβολία μετριέται σε sieverts, η οποία ποσοτικοποιεί την ποσότητα ακτινοβολίας που απορροφάται από τους ανθρώπινους ιστούς, αλλά λόγω του τεράστιου μεγέθους τους συνήθως μετράμε σε millisieverts (mSV). Το 100 mSV είναι η χαμηλότερη ετήσια δόση στην οποία είναι εμφανής οποιαδήποτε αύξηση του κινδύνου καρκίνου και μια εφάπαξ δόση 10, 000 mSV είναι θανατηφόρα εντός εβδομάδων. Οι ελπίδες μας είναι να καθορίσουμε πού αυτή η προσομοίωση προσγειώνεται τον Άρη στη ραδιενεργή κλίμακα.

Το μάθημα φυσικής ξεκίνησε μελετώντας τις δυνάμεις της πτήσης κατά το πρώτο τρίμηνο μέσα από ένα εργαστήριο στο οποίο σχεδιάσαμε το δικό μας αεροπλάνο και στη συνέχεια το δημιουργήσαμε από πλάκες φελιζόλ. Στη συνέχεια θα προχωρήσουμε στην εκτόξευση προκειμένου να δοκιμάσουμε την αντίσταση, την ανύψωση, την ώθηση και το βάρος του αεροπλάνου. Μετά το πρώτο σύνολο δεδομένων θα κάναμε τότε αλλαγές στο αεροπλάνο για να προσπαθήσουμε να φτάσουμε στην όσο το δυνατόν μεγαλύτερη απόσταση.

Στη συνέχεια, το δεύτερο τρίμηνο επικεντρωθήκαμε στην κατασκευή ενός πύραυλου νερού για να παρατηρήσουμε και να δοκιμάσουμε περαιτέρω τις έννοιες που μάθαμε κατά το πρώτο τρίμηνο. Για αυτό το έργο χρησιμοποιήσαμε μπουκάλια 2L και άλλα υλικά για την κατασκευή του πυραύλου μας. Όταν ήμασταν έτοιμοι για εκτόξευση, γεμίζαμε τα μπουκάλια με νερό, βγαίναμε έξω, τοποθετούσαμε τον πύραυλο σε ένα εκτοξευτήρα, πιέζαμε το νερό και αφήναμε. Ο στόχος ήταν να εκτοξευθεί ο πύραυλος όσο το δυνατόν πιο μακριά σε κάθετη κατεύθυνση και να κατέβει με ασφάλεια.

Το τρίτο τελευταίο «μεγάλο» έργο μας ήταν η κατασκευή ενός CubeSat που θα μετέφερε ένα Arduino και έναν αισθητήρα με ασφάλεια στο μοντέλο της τάξης μας του Άρη. Ο κύριος στόχος αυτού του έργου ήταν να προσδιοριστεί η ποσότητα ραδιενέργειας στον Άρη και να προσδιοριστεί εάν είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο. Κάποιοι άλλοι δευτερεύοντες στόχοι ήταν η δημιουργία ενός CubeSat που θα άντεχε στη δοκιμή κούνησης και θα μπορούσε να χωρέσει όλα τα απαραίτητα υλικά μέσα σε αυτό. Οι παράπλευροι στόχοι συμβαδίζουν με τους περιορισμούς. Οι περιορισμοί που είχαμε για αυτό το έργο ήταν οι διαστάσεις του CubeSat, το βάρος του και το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο. Άλλοι περιορισμοί που δεν σχετίζονται με το CubeSat ήταν ο χρόνος που χρειαζόμασταν για την τρισδιάστατη εκτύπωση αφού είχαμε μόνο μία ημέρα για να το κάνουμε. οι αισθητήρες που χρησιμοποιήσαμε ήταν επίσης ένας περιορισμός αφού υπήρχαν αισθητήρες που η τάξη δεν είχε ή δεν μπορούσε να αγοράσει. Επιπλέον, έπρεπε να περάσουμε τη δοκιμή ανακίνησης για να καθορίσουμε τη σταθερότητα του CubeSat και τη δοκιμή βάρους για να βεβαιωθούμε ότι δεν ξεπεράσαμε τα 1,3 κιλά.

-Τζουάν

Βήμα 1: Λίστα υλικών

Τρισδιάστατη εκτύπωση CubeSat- Μικροσκοπημένος δορυφόρος που έχει διαστάσεις 10cm x 10cm x 10cm και δεν μπορεί να ζυγίζει περισσότερο από 1,3Kg. Εδώ βάζουμε όλα τα καλώδια και τους αισθητήρες μας, χρησιμεύει ως διαστημικός ανιχνευτής

Καλώδια- Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση του μετρητή Geiger και του Arduino μεταξύ τους και για τη λειτουργία τους

Arduino- Χρησιμοποιείται για την εκτέλεση του κώδικα στον μετρητή Geiger

Geiger Counter- Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ραδιενεργού αποσύνθεσης, από αυτό εξαρτάται ολόκληρο το έργο μας για τον προσδιορισμό της ραδιενέργειας

Μπαταρίες- Χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του μετρητή Geiger ο οποίος θα τροφοδοτεί το Arduino μόλις συνδεθεί

Micro sd Reader- Χρησιμοποιείται για τη συλλογή και καταγραφή των δεδομένων που συλλέγονται με τον μετρητή Geiger

Βίδες- Χρησιμοποιείται για να σφίξει το πάνω και το κάτω μέρος του CubeSat για να διασφαλίσει ότι δεν θα χαλάσει

Μεταλλεύματα ουρανίου- Ραδιενεργό υλικό, το οποίο χρησιμοποιεί ο μετρητής Geiger για τον προσδιορισμό της ραδιενέργειας

Υπολογιστής- Χρησιμοποιείται για την εύρεση/δημιουργία του κώδικα που θα χρησιμοποιήσετε για το Arduino

Καλώδιο USB- Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση του Arduino στον υπολογιστή και την εκτέλεση του κώδικα

Βήμα 2: Δημιουργήστε το CubeSat σας

Το πρώτο πράγμα που θα χρειαστείτε είναι το CubeSat.

(Αν θέλετε μια λεπτομερή εξήγηση για το τι είναι το CubeSat, κάντε checkout

Όταν σχεδιάζετε το CubeSat έχετε δύο κύριες επιλογές, φτιάξτε τη δική σας από οποιοδήποτε υλικό έχετε ή τρισδιάστατη εκτύπωση.

Η ομάδα μου αποφάσισε να εκτυπώσει 3D το CubeSat, οπότε το μόνο που έπρεπε να κάνουμε ήταν να αναζητήσουμε το "3D CubeSat" και βρήκαμε πολλά πρότυπα, αλλά αποφασίσαμε να πάρουμε το αρχείο από τον ιστότοπο της NASA. Από εκεί θα πρέπει να κατεβάσετε το αρχείο. Στη συνέχεια, θα χρειαστείτε μια μονάδα flash για να αποσυμπιέσετε το αρχείο και να το φορτώσετε σε έναν εκτυπωτή 3D.

Από εκεί, απλώς προχωρήστε και εκτυπώστε 3D το CubeSat για να προχωρήσετε στα υπόλοιπα βήματα.

Κατά τη δημιουργία του μοντέλου 3D CubeSat, συνειδητοποιήσαμε ότι το Arduino και τα κορδόνια μας δεν θα χωρούσαν μέσα σε αυτό. Όλοι έπρεπε να δημιουργήσουμε μια στρατηγική και να καταλάβουμε πώς να βάλουμε τα πάντα μέσα. Έπρεπε να περιστρέψουμε και να βάλουμε το κάλυμμα μας πάνω και κάτω προς τα πάνω. Μετά από αυτό, έπρεπε να ανοίξουμε τρύπες και να μπορέσουμε να βιδώσουμε τα καρφιά και να βρούμε το καλό μέγεθος. Ενώ βάζαμε όλο το Arduino, την κάρτα SD και τα πάντα σε αυτό, είχαμε "πάρα πολύ" χώρο, οπότε έπρεπε να προσθέσουμε τυλίγματα με φυσαλίδες μέσα όταν δοκιμάζαμε δεν θα πήγαινε παντού γιατί ήταν όλα ενσύρματα και συνδεδεμένα.

Βήμα 3: Σχεδιάστε το σχέδιό σας

Μόλις αποκτήσετε όλα τα υλικά σας, θα θέλετε να κάνετε ένα σκίτσο για το πώς θα μοιάζει το σχέδιό σας.

Μερικοί βρίσκουν αυτό το βήμα πιο χρήσιμο από άλλα, οπότε μπορεί να είναι τόσο λεπτομερές ή απλό όσο θέλετε, αλλά είναι καλό να έχετε μια γενική ιδέα για το πώς θα οργανώσετε τα πάντα.

Η ομάδα μας το χρησιμοποίησε προσωπικά για να σκεφτεί πώς θα οργανώσουμε τους αισθητήρες μας και όλα τα καλώδια, αλλά από εκεί δεν βρήκαμε μεγάλη χρήση, καθώς αλλάζαμε συνεχώς πράγματα και έτσι τα σκίτσα μας χρησίμευαν μόνο ως αφετηρία από τότε που δεν το κάναμε. πραγματικά δεν κολλάω μαζί τους.

Μόλις έχετε μια γενική ιδέα για το πώς θα μοιάζουν όλα, μπορείτε να προχωρήσετε στο επόμενο βήμα

Βήμα 4: Μάθετε πώς λειτουργεί ο μετρητής Geiger

Μόλις παραδώσαμε τον μετρητή Geiger, έπρεπε να μάθουμε πώς λειτούργησε καθώς κανένας από εμάς δεν είχε χρησιμοποιήσει ποτέ.

Το πρώτο πράγμα που μάθαμε είναι ότι ο μετρητής Geiger είναι εξαιρετικά ευαίσθητος. Οι αισθητήρες στο πίσω μέρος θα έκαναν εξαιρετικά δυνατό θόρυβο καθώς και ο ίδιος ο σωλήνας Geiger όποτε αγγίζαμε. Αν κρατούσαμε το δάχτυλό μας στο σωλήνα θα έκανε ένα σταθερό μπιπ και θα βγάζαμε τα δάχτυλά μας και θα έβγαζε μπιπ ανάλογα με τη διάρκεια των δακτύλων μας στο σωλήνα.

Στη συνέχεια δοκιμάσαμε τον μετρητή Geiger χρησιμοποιώντας μπανάνες. Συνειδητοποιήσαμε ότι όσο πιο κοντά ήταν το ραδιενεργό υλικό στον μετρητή Geiger, τόσο περισσότερο θα χτυπούσε και αντίστροφα.

Βήμα 5: Εργαλεία/Πρακτικές Ασφάλειας

1. Το πρώτο πράγμα που χρειάζεται είναι ένα CubeSat. Για να το κάνετε αυτό, θα χρειαστείτε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή και τα αρχεία για εκτύπωση ή μπορείτε να δημιουργήσετε τον δικό σας χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε υλικό πιστεύετε ότι θα λειτουργήσει. θυμηθείτε, το CubeSat πρέπει να είναι 10cm x 10cm x 10cm (Παραλείψτε το μέρος 2 αν χτίζετε το δικό σας)
2. Στη συνέχεια, θα χρειαστεί να ανοίξετε τρύπες στο πάνω και στο κάτω κέλυφος του τρισδιάστατου τυπωμένου CubeSat για να βάλετε βίδες σε αυτό. Προχωρήστε και βιδώστε το κάτω κέλυφος (Βεβαιωθείτε ότι φοράτε γυαλιά για να αποφύγετε τυχόν συντρίμμια από τα μάτια σας)
3. Πάρτε μερικές μπαταρίες και τοποθετήστε τις σε μια μπαταρία, στη συνέχεια συνδέστε τις μπαταρίες στον μετρητή Geiger και συνδέστε τον μετρητή Geiger στο Arduino. Βεβαιωθείτε ότι είναι συνδεδεμένος και ένας αναγνώστης Micro SD.
4. Ενεργοποιήστε τον μετρητή Geiger για να βεβαιωθείτε ότι όλα λειτουργούν σωστά. Βάλτε τα πάντα μέσα στο CubeSat.
5. Δοκιμαστική πτήση με το CubeSat για να βεβαιωθείτε
6. Αφού συλλέξετε τα δεδομένα σας, βεβαιωθείτε ότι τίποτα στο CubeSat δεν υπερθερμαίνεται. Εάν υπάρχει, αποσυνδέστε το αμέσως και εκτιμήστε το πρόβλημα
7. Δοκιμάστε τα πάντα για να ελέγξετε αν συλλέγονται δεδομένα
8. Φροντίστε να πλένετε τα χέρια σας μετά την αντιμετώπιση του ουρανίου που χρησιμοποιείται για τη συλλογή δεδομένων

Βήμα 6: Καλωδίωση Arduino

Το μόνο τροφοδοτικό που απαιτείται είναι μπαταρίες ΑΑ

Συνδέστε τις μπαταρίες απευθείας στον μετρητή Geiger και, στη συνέχεια, συνδέστε τον πείρο VVC στη θετική στήλη της σανίδας ψωμιού.

Τραβήξτε ένα άλλο καλώδιο στην ίδια στήλη στο breadboard στην υποδοχή 5V στο Arduino. Αυτό θα τροφοδοτήσει το Arduino.

Στη συνέχεια, τρέξτε ένα καλώδιο από τον ακροδέκτη 5V στο arduino στον προσαρμογέα κάρτας SD.

Στη συνέχεια, συνδέστε το VIN στον μετρητή geiger σε έναν αναλογικό πείρο στο Arduino.

Μετά από αυτό, συνδέστε το GND στην αρνητική στήλη στο breadboard.

Συνδέστε την αρνητική στήλη στο GND στο Arduino.

Κάρτα SD στο Arduino:

Ο Miso πηγαίνει στα 11

Ο Miso πηγαίνει στα 12

Το SCK πηγαίνει στο 13

Το CS πηγαίνει στο 4

Βήμα 7: Κωδικοποίηση

Ο ευκολότερος τρόπος κωδικοποίησης του Arduino είναι η λήψη της εφαρμογής ArduinoCC, η οποία σας επιτρέπει να γράψετε κώδικα και να τον ανεβάσετε στο Aduino. Δυσκολευτήκαμε πολύ να βρούμε έναν πλήρη κώδικα που θα λειτουργούσε. Ευτυχώς για εσάς, ο κωδικός μας περιλαμβάνει την καταγραφή του CPM (κλικ ανά λεπτό) και των δεδομένων στην κάρτα SD.

Κώδικας:

#περιλαμβάνω

#περιλαμβάνω

/ * * Geiger.ino * * Αυτός ο κωδικός αλληλεπιδρά με τον πίνακα μετρητή Aligaba RadiationD-v1.1 (CAJOE) Geiger

* και αναφέρει αναγνώσεις σε CPM (μετρήσεις ανά λεπτό). *

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

* Άδεια: Άδεια MIT *

* Χρησιμοποιήστε ελεύθερα με αναφορά. Σας ευχαριστώ!

*

* * Επεξεργασμένο ** */

#define LOG_PERIOD 5000 // Περίοδος καταγραφής σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, προτεινόμενη τιμή 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 // Μέγιστη περίοδος καταγραφής

πτητικές ανυπόγραφες μεγάλες μετρήσεις = 0; // Εκδηλώσεις GM Tube

ανυπόγραφο μακρύ cpm = 0; // CPM

const unsigned int πολλαπλασιαστής = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Υπολογίζει/αποθηκεύει το CPM

ανυπόγραφο προηγουμένωςMillis; // Μέτρηση χρόνου

const int pin = 3;

void tube_impulse () {

// Καταγράφει τον αριθμό των συμβάντων από τον μετρητή του πίνακα Geiger ++.

}

#περιλαμβάνω

Αρχείο myFile;

void setup () {

pinMode (10, OUTPUT);

SD.αρχή (4); // Άνοιγμα σειριακών επικοινωνιών και περιμένετε να ανοίξει η θύρα:

Serial.begin (115200);

}

void loop () {// τίποτα δεν συμβαίνει μετά τη ρύθμιση

ανυπόγραφο μακρύ ρεύμαMillis = millis ();

if (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

previousMillis = currentMillis;

cpm = μετράει * πολλαπλασιαστής

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

αν (myFile) {

Serial.println (cpm);

myFile.println (cpm);

myFile.close ();

}

μετράει = 0;

pinMode (pin, INPUT); // Ορίστε το pin στην είσοδο για τη λήψη διακοπών συμβάντων GM Tube (); // Ενεργοποίηση διακοπών (σε περίπτωση που είχαν απενεργοποιηθεί προηγουμένως) attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin), tube_impulse, FALLING); // Ορισμός εξωτερικών διακοπών

}

}

Η εικόνα που έχουμε είναι του πρώτου κώδικα που χρησιμοποιήσαμε, ο οποίος ήταν ελλιπής, οπότε ήταν το πρώτο από τα προβλήματά μας με την κωδικοποίηση. Από εκεί και πέρα δεν θα μπορούσαμε πραγματικά να προχωρήσουμε με το έργο μέχρι να μας βοηθήσουν οι δάσκαλοί μας με τον κώδικα. Αυτός ο κωδικός προήλθε από έναν άλλο κώδικα που δούλευε μόνο με τον μετρητή Geiger, αλλά όχι μία φορά που συνδυάστηκε με την κάρτα SD.

Βήμα 8: Κωδικός δοκιμής

Μόλις ο κωδικός σας προχωρήσει και δοκιμάστε τον κώδικα για να βεβαιωθείτε ότι μπορείτε να συλλέξετε δεδομένα.

Βεβαιωθείτε ότι όλες οι ρυθμίσεις είναι σωστές, οπότε ελέγξτε τις θύρες και τα καλώδια σας για να βεβαιωθείτε ότι όλα είναι σωστά.

Αφού ελέγξετε τα πάντα, εκτελέστε τον κώδικα και δείτε τα δεδομένα που λαμβάνετε.

Σημειώστε επίσης τις μονάδες για την ακτινοβολία που συλλέγετε καθώς θα καθορίσουν την πραγματική ακτινοβολία που εκπέμπεται.

Βήμα 9: Δοκιμάστε το CubeSat

Μόλις καταλάβετε την κωδικοποίηση και ολοκληρώσετε την καλωδίωση, το επόμενο βήμα σας είναι να τοποθετήσετε τα πάντα στο CubeSat και να το δοκιμάσετε για να βεβαιωθείτε ότι τίποτα δεν θα καταρρεύσει στην τελική δοκιμή.

Η πρώτη δοκιμή που θα χρειαστεί να ολοκληρώσετε είναι η δοκιμή πτήσης. Πάρτε κάτι από το οποίο μπορείτε να κρεμάσετε το CubeSat και περιστρέψτε το για να ελέγξετε αν θα πετάξει ή όχι και για να βεβαιωθείτε ότι περιστρέφεται προς τη σωστή κατεύθυνση.

Μόλις ολοκληρώσετε την πρώτη προκαταρκτική δοκιμή, θα χρειαστεί να ολοκληρώσετε δύο δοκιμές ανακίνησης. Η πρώτη δοκιμή θα προσομοιώσει την αναταραχή που θα γνώριζε το CubeSat να βγει από την ατμόσφαιρα της γης και η δεύτερη δοκιμή ανακίνησης θα προσομοιώσει την αναταραχή στο διάστημα.

Βεβαιωθείτε ότι όλα τα μέρη σας έμειναν μαζί και ότι τίποτα δεν διαλύθηκε.

Βήμα 10: Τελικές δοκιμές και αποτελέσματα

Δεδομένα που συλλέγονται στο τραπέζι σε διαφορετικές αποστάσεις μακριά από τον μετρητή geiger

Διαστήματα συλλογής στα 5 δευτερόλεπτα 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Πριν από τον τελικό μας έλεγχο, συλλέξαμε δεδομένα ενεργοποιώντας τον μετρητή Geiger και τοποθετώντας το ραδιενεργό υλικό σε διαφορετικές αποστάσεις. Όσο μεγαλύτερος ήταν ο αριθμός, τόσο πιο κοντά ήταν ο μετρητής Geiger στο ραδιενεργό υλικό.

Δεδομένα που συλλέγονται κατά τη διάρκεια των πραγματικών δοκιμών

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

Για τις πραγματικές δοκιμές μας, το ραδιενεργό υλικό αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ μακριά από τον μετρητή Geiger για να μπορεί να μετρηθεί.

Τι σημαίνουν τα δεδομένα; Λοιπόν, χρησιμοποιώντας το διάγραμμα των μετρήσεων μπορούμε να καθορίσουμε ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός, τόσο πιο επικίνδυνη είναι η ακτινοβολία για τον άνθρωπο. Στη συνέχεια, μπορούμε να μετατρέψουμε το κλικ ανά λεπτό σε mSV, οι οποίες είναι οι πραγματικές μονάδες ακτινοβολίας. Και έτσι, με βάση το πείραμά μας, ο Άρης σώζεται τέλεια στους ανθρώπους!

Δυστυχώς, η πραγματικότητα είναι συχνά απογοητευτική. Η ακτινοβολία του Άρη είναι στην πραγματικότητα 300 mSv, δηλαδή 15 φορές υψηλότερη από αυτήν που εκτίθεται ένας εργαζόμενος σε πυρηνικά εργοστάσια ετησίως.

Άλλα δεδομένα για την πτήση μας περιλαμβάνουν:

Fc: 3.101 Newtons

Ac: 8,072 m/s^2

V: 2,107 m/s

m: 0,38416 kg

P: 1,64 δευτερόλεπτα

F:.609 Hz

Βήμα 11: Προβλήματα/Συμβουλές/Πηγές

Το μεγαλύτερο πρόβλημα που είχαμε ήταν να βρούμε τον κώδικα που θα λειτουργούσε για το Geiger και την κάρτα SD, οπότε αν έχετε το ίδιο πρόβλημα, μη διστάσετε να χρησιμοποιήσετε τον κωδικό μας ως βάση. Μια άλλη επιλογή θα ήταν να πάτε στα φόρουμ του Arduino και να ζητήσετε βοήθεια εκεί (να είστε έτοιμοι να πληρώσετε ωστόσο, όπως παρατηρήσαμε ότι οι άνθρωποι είναι λιγότερο πιθανό να βοηθήσουν εάν δεν υπάρχει αποζημίωση).

Ένα πράγμα που θα συμβουλεύαμε τους άλλους είναι να προσπαθήσουν να βρουν έναν τρόπο ώστε ο μετρητής Geiger να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην ακτινοβολία για να είναι σε θέση να λάβει περισσότερα πιστοποιημένα δεδομένα.

Ακολουθούν οι πηγές που συμβουλευτήκαμε για όποιον ενδιαφέρεται:

www.space.com/24731-mars-radiation-curiosi…

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

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