JustAPendulum: Openηφιακό εκκρεμές ανοιχτού κώδικα: 13 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Το JustAPendulum είναι ένα εκκρεμές ανοιχτού κώδικα με βάση το Arduino που μετρά και υπολογίζει την περίοδο ταλάντωσης για να βρει τη βαρυτική επιτάχυνση της Γης (~ 9, 81 m/s²). Περιέχει ένα σπιτικό Arduino UNO που χρησιμοποιεί προσαρμογέα USB-to-serial για επικοινωνία με τον υπολογιστή σας. Το JustAPendulum είναι εξαιρετικά ακριβές και έχει έναν σύντροφο (γραμμένο στη Visual Basic. NET) που, σε πραγματικό χρόνο, θα σας δείξει τη θέση της μάζας, έναν πίνακα και ένα γράφημα με όλα τα προηγούμενα μέτρα. Πλήρως κομμένο με λέιζερ και σπιτικό, είναι πολύ εύκολο στη χρήση: απλώς πατήστε ένα κουμπί και αφήστε τη μάζα να πέσει και ο πίνακας θα υπολογίσει τα πάντα. Ιδανικό για τεστ σε μαθήματα φυσικής!

Κύρια σελίδα έργου: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Κάνοντας τον εαυτό σας οδηγό

Βίντεο YouTube

Βήμα 1: Η φυσική πίσω από αυτό

Αυτοί είναι όλοι οι τύποι που χρησιμοποιούνται στο JustAPendulum. Δεν πρόκειται να τα δείξω, αλλά αν είστε περίεργοι, αυτές οι πληροφορίες είναι εύκολο να βρεθούν σε κάθε βιβλίο φυσικής. Για τον υπολογισμό της βαρυτικής επιτάχυνσης της Γης, το εκκρεμές μετρά απλώς την περίοδο ταλάντωσης (Τ) και στη συνέχεια χρησιμοποιεί τον ακόλουθο τύπο για τον υπολογισμό του (g):

και αυτό για να υπολογίσει το απόλυτο σφάλμα κατά την επιτάχυνση:

l είναι το μήκος του σύρματος του εκκρεμούς. Αυτή η παράμετρος πρέπει να οριστεί από το πρόγραμμα Companion (δείτε παρακάτω). Το 0,01m είναι το σφάλμα μέτρησης του μήκους (η ευαισθησία του χάρακα θεωρείται 1 cm), ενώ τα 0,001s είναι η ακρίβεια του ρολογιού του Arduino.

Βήμα 2: Galileo Galilei and This Formula

Αυτός ο τύπος ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά (μερικώς) από τον Galileo Galilei γύρω στο 1602, ο οποίος διερεύνησε την κανονική κίνηση των εκκρεμών, καθιστώντας τα εκκρεμή να υιοθετηθούν ως τα ακριβέστερα μηχανήματα χρονομέτρησης μέχρι το 1930 όταν εφευρέθηκαν ταλαντωτές χαλαζία, ακολουθούμενοι από ατομικά ρολόγια μετά τον 2ο Παγκόσμιο Πόλεμο. Σύμφωνα με έναν από τους μαθητές του Γαλιλαίου, ο Γαλιλαίος παρακολουθούσε μια Λειτουργία στην Πίζα όταν παρατήρησε ότι ο άνεμος προκάλεσε πολύ μικρή κίνηση ενός πολυέλαιου που αναστέλλεται στον καθεδρικό ναό. Συνέχισε να κοιτάζει την κίνηση του πολυέλαιου και παρατήρησε ότι παρόλο που το αεράκι σταμάτησε και η απόσταση που πέρασε το εκκρεμές συντομεύτηκε, ωστόσο ο χρόνος που χρειάστηκε ο πολυέλαιος για να κάνει την ταλάντωση φαινόταν να παραμένει σταθερός. Χρονομέτρησε την ταλάντωση του πολυέλαιου με το συχνό χτύπημα του παλμού στον καρπό του και συνειδητοποίησε ότι είχε δίκιο: ανεξάρτητα από την απόσταση που διανύθηκε, ο χρόνος που χρειάστηκε ήταν πάντα ο ίδιος. Μετά από περισσότερες μετρήσεις και μελέτες, το διαπίστωσε τότε

Οι δύο φορές π, όπως και στην προηγούμενη εξίσωση, μετατρέπει την αναλογική έκφραση σε πραγματική εξίσωση - αλλά αυτό περιλαμβάνει μια μαθηματική αντιπαράθεση που δεν είχε ο Γαλιλαίος.

Βήμα 3: Χρήση

Λάβετε υπόψη ότι πριν από τη χρήση του ψηφιακού εκκρεμούς οι αισθητήρες πρέπει να βαθμονομηθούν και να προσαρμοστεί το μήκος του καλωδίου. Τοποθετήστε το JustAPendulum κάτω από ένα εκκρεμές (συνιστάται τουλάχιστον 1m ύψος) και βεβαιωθείτε ότι η μάζα αποκρύπτει και τους τρεις αισθητήρες όταν ταλαντεύεται. Οι αισθητήρες λειτουργούν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, οπότε σβήστε τα φώτα. Ενεργοποιήστε τον πίνακα. Θα εμφανιστεί μια οθόνη "Έτοιμο". Εδώ είναι η δομή του μενού:

• Αριστερό κουμπί: για να ξεκινήσετε τις μετρήσεις, βάλτε τη μπάλα στα δεξιά και πατήστε το κουμπί. Το Arduino ανιχνεύει αυτόματα τη θέση της μπάλας και ξεκινά.

  • Εμφανίζεται η ένδειξη "Starting … o.p.: x ms"

    • Αριστερά: υπολογίστε τη βαρυτική επιτάχυνση
    • Δεξιά: πίσω στην κύρια οθόνη

• Δεξί κουμπί: εμφάνιση διαμόρφωσης

  • Δεξιά: ναι
  • Αριστερά: όχι

Βήμα 4: Ο σύντροφος

Ο σύντροφος του JustAPendulum είναι ένα πρόγραμμα Visual Basic. NET (γραμμένο στο Visual Studio 2015) που επιτρέπει στον χρήστη να παρακολουθεί το εκκρεμές σε πραγματικό χρόνο από τον υπολογιστή. Εμφανίζει τις τελευταίες τιμές και σφάλματα, έχει πίνακες και γραφήματα για να δείξει τα προηγούμενα μέτρα και διαθέτει εργαλεία για τη βαθμονόμηση των αισθητήρων και τον καθορισμό του μήκους του σύρματος. Το ιστορικό μπορεί επίσης να εξαχθεί στο Excel.

Κατεβάστε το εδώ

Βήμα 5: Βαθμονόμηση των αισθητήρων

Μεταβείτε στην καρτέλα Advanced, ενεργοποιήστε το "ADC monitor" και παρατηρήστε πώς αλλάζουν οι εμφανιζόμενες τιμές ανάλογα με τη θέση της μπάλας. Προσπαθήστε να μάθετε ένα αποδεκτό όριο: από κάτω θα σημαίνει ότι δεν υπάρχει μάζα μεταξύ των ανιχνευτών, ενώ πάνω θα δείξει ότι η μάζα περνά μεταξύ τους. Εάν οι τιμές δεν αλλάξουν, ίσως υπάρχει πολύ φως στο δωμάτιο, οπότε σβήστε τις λάμπες. Στη συνέχεια, πατήστε το κουμπί "Χειροκίνητη βαθμονόμηση". Γράψτε στο πλαίσιο κειμένου το όριο που αποφασίσατε και πατήστε enter.

Βήμα 6: Αλλαγή του μήκους καλωδίου

Για να ρυθμίσετε το μήκος του σύρματος, πατήστε το κουμπί "Μήκος καλωδίου" και εισαγάγετε την τιμή. Στη συνέχεια, ορίστε το σφάλμα μέτρησης: εάν το μετρήσατε με ταινία, η ευαισθησία πρέπει να είναι 1 mm. Όλες οι τιμές θα αποθηκευτούν στη μνήμη του μικροελεγκτή ATmega328P.

Βήμα 7: Το κουτί Laser Cut

Κόψτε αυτήν τη δομή από κόντρα πλακέ (πάχους 4 mm) με ένα μηχάνημα κοπής με λέιζερ και, στη συνέχεια, τοποθετήστε το, τοποθετήστε τα εξαρτήματα στα πάνελ και στερεώστε τα με μερικά καρφιά και βινυλική κόλλα. Λήψη αρχείων DXF/DWG στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας (σχεδιασμένο με AutoCAD 2016).

Βήμα 8: Η δομή

Εάν δεν έχετε ένα εκκρεμές, μπορείτε να το φτιάξετε μόνοι σας ξεκινώντας από αυτό το παράδειγμα (είναι ένα ακριβές αντίγραφο αυτού που έφτιαξα). Ένα κομμάτι κόντρα πλακέ 27, 5 · 16 · 1 cm, ένας νάρθηκας 5 · 27, 5 · 2 cm και μια ράβδος είναι αρκετά. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε δαχτυλίδια, σύρμα αλιείας και μια μπάλα για να ολοκληρώσετε το εκκρεμές.

Έργο AutoCAD

Βήμα 9: Η μάζα

Δεν είχα σιδερένια μάζα (θα ήταν καλύτερα, φυσικά), έτσι έφτιαξα μια μπάλα με έναν 3D εκτυπωτή και πρόσθεσα ένα δαχτυλίδι για να το κρεμάσω στο σύρμα. Όσο πιο βαρύ και λεπτό είναι (βλέπε ρολόγια εκκρεμούς: η μάζα είναι επίπεδη για να αποφευχθεί η τριβή με τον αέρα), τόσο περισσότερο θα ταλαντώνεται.

Λήψη τρισδιάστατης μπάλας

Βήμα 10: Το PCB

Αυτή είναι η λιγότερο δαπανηρή μέθοδος για τη δημιουργία ενός σπιτικού PCB χρησιμοποιώντας μόνο υλικά χαμηλού κόστους:

• Εκτυπωτής λέιζερ (600 dpi ή καλύτερα)
• φωτογραφικό χαρτί
• Κενή πλακέτα κυκλώματος
• Μουριατικό οξύ (> 10% HCl)
• Υπεροξείδιο του υδρογόνου (διάλυμα 10%)
• Ρούχα σίδερο
• Ακετόνη
• Σύρμα καθαρισμού
• Γυαλιά και γάντια ασφαλείας
• Διττανθρακικό νάτριο
• Ξύδι
• Χαρτοπετσέτα

Το πρώτο βήμα είναι να καθαρίσετε το κενό PCB με ατσάλινο μαλλί και νερό. Εάν ο χαλκός φαίνεται λίγο οξειδωμένος, θα πρέπει να τον πλύνετε με ξύδι πριν. Στη συνέχεια, τρίψτε την πλευρά του χαλκού με μια χαρτοπετσέτα εμποτισμένη με ακετόνη για να αφαιρέσετε τυχόν υπολείμματα βρωμιάς. Τρίψτε με ακρίβεια κάθε μέρος της σανίδας. Μην αγγίζετε τον χαλκό με τα χέρια!

Εκτυπώστε το αρχείο PCB.pdf στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας χρησιμοποιώντας έναν εκτυπωτή λέιζερ και μην το αγγίζετε με τα δάχτυλα. Κόψτε το, ευθυγραμμίστε την εικόνα από την πλευρά του χαλκού και πιέστε το με το σίδερο των ρούχων (πρέπει να είναι ζεστό αλλά χωρίς ατμό) για περίπου πέντε λεπτά. Αφήστε το να κρυώσει με όλο το χαρτί, στη συνέχεια αφαιρέστε το χαρτί πολύ αργά και προσεκτικά κάτω από το νερό. Εάν δεν υπάρχει γραφίτη στο χαλκό, επαναλάβετε τη διαδικασία. Χρησιμοποιήστε έναν μικρό μόνιμο δείκτη για να διορθώσετε ορισμένες συνδέσεις που λείπουν.

Τώρα ήρθε η ώρα να χρησιμοποιήσετε οξύ για να χαράξετε το PCB. Σε ένα πλαστικό κουτί βάλτε τρία ποτήρια μουριακού οξέος και ένα υπεροξείδιο του υδρογόνου. Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε με ίσες ποσότητες για μια πιο ισχυρή χάραξη. Βάλτε το PCB στο διάλυμα (δώστε προσοχή στα χέρια και τα μάτια σας) και περιμένετε περίπου δέκα λεπτά. Όταν τελειώσει η χάραξη αφαιρέστε την σανίδα από το διάλυμα και πλύνετε κάτω από το νερό. Βάλτε δύο κουταλιές όξινο ανθρακικό νάτριο στο οξύ για να εξουδετερωθεί το διάλυμα και ρίξτε το στο WC (ή μεταφέρετέ το σε ένα κέντρο συλλογής απορριμμάτων).

Βήμα 11: Ηλεκτρονικά

Απαιτούμενα μέρη:

• MCU ATMEGA328P
• 2x πυκνωτές 22 pF
• Πυκνωτές 3x 100 uF
• 2x διόδους 1N4148
• Ρυθμιστής τάσης 7805TV
• 6x 10K αντιστάσεις
• 2x αντιστάσεις 220R
• Κρυσταλλικός ταλαντωτής 16 MHz
• Pinheads
• Προσαρμογέας USB σε σειριακό
• 940nm υπέρυθροι εκπομπές υπέρυθρων και ανιχνευτές IR (τα αγόρασα από το Sparkfun)
• Μπαταρία 9V και υποδοχή μπαταρίας
• Οθόνη LCD 16x2
• 2 κουμπιά
• Ποτενσιόμετρο και τρίμερ
• Σύρματα, σύρματα και σύρματα

Τώρα που αγοράσατε και συλλέξατε τα εξαρτήματα, επιλέξτε ένα συγκολλητικό και κολλήστε τα όλα! Στη συνέχεια, στερεώστε το PCB στο κουτί, συνδέστε όλα τα καλώδια στην οθόνη LCD, τον προσαρμογέα USB σε σειριακό, το ποτενσιόμετρο και το τρίμερ (για φωτεινότητα και αντίθεση οθόνης). Ανατρέξτε στο σχηματικό, το μοντέλο PCB στο προηγούμενο βήμα και στα αρχεία Eagle CAD στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας για να τοποθετήσετε σωστά όλα τα μέρη και τα καλώδια.

Eagle CAD project

Βήμα 12: Αισθητήρες

Προσθέστε τους αισθητήρες όπως φαίνεται στις εικόνες και, στη συνέχεια, κάντε μερικά καλύμματα (χρησιμοποίησα ένα περιστροφικό εργαλείο για να τα χαράξω από έναν νάρθηκα ξύλου) για να τα καλύψετε και να τα προστατέψετε. Στη συνέχεια, συνδέστε τα στην κεντρική πλακέτα.

Βήμα 13: Είστε έτοιμοι

Ξεκινήστε να το χρησιμοποιείτε! Απολαμβάνω!