JustAPendulum: Цифрово махало с отворен код: 13 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

JustAPendulum е базирано на Arduino махало с отворен код, което измерва и изчислява периода на трептене, за да намери гравитационното ускорение на Земята (~ 9, 81 m/s²). Той съдържа домашен Arduino UNO, който използва USB-към-сериен адаптер за комуникация с вашия компютър. JustAPendulum е много точен и има придружител (написан във Visual Basic. NET), който в реално време ще ви покаже позицията на масата и таблица и графика с всички предходни мерки. Напълно изрязан с лазер и домашен, той е много лесен за използване: просто натиснете бутон и оставете масата да падне и дъската ще изчисли всичко. Идеален за тестове в часовете по физика!

Основна страница на проекта: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Направете го сами

Видеоклип в YouTube

Стъпка 1: Физиката зад него

Това са всички формули, използвани в JustAPendulum. Няма да ги демонстрирам, но ако сте любопитни, тази информация е лесна за намиране във всяка книга по физика. За да се изчисли гравитационното ускорение на Земята, махалото просто измерва периода на трептене (T), след което използва следната формула за изчисляване (g):

и този за изчисляване на абсолютната грешка над ускорението:

l е дължината на жицата на махалото. Този параметър трябва да бъде зададен от програмата Companion (вижте по -долу). 0,01 м е грешката в измерването на дължината (чувствителността на линийката се приема на 1 см), докато 0,001 с е точността на часовника на Arduino.

Стъпка 2: Галилео Галилей и тази формула

Тази формула е за първи път (частично) открита от Галилео Галилей около 1602 г., който изследва редовното движение на махалата, което прави махалата приети като най -точните машини за отчитане на времето до 1930 г., когато са изобретени кварцови осцилатори, последвани от атомни часовници след Втората световна война. Според един от учениците на Галилей, Галилео е посещавал литургия в Пиза, когато е забелязал, че вятърът причинява много леко движение на полилей, окачен в катедралата. Той продължаваше да гледа движението на полилея и забеляза, че въпреки че бризът спря и разстоянието напред и назад, изминато от махалото, се скъси, все пак времето, необходимо на полилея, за да направи трептенето, изглежда остава постоянно. Той определи времето на люлеенето на полилея чрез редовното биене на пулса в китката си и осъзна, че е прав: независимо от изминатото разстояние, времето, което отнема, винаги е същото. След повече измервания и проучвания той установи, че

Двата пъти π, както в предишното уравнение, превръща пропорционалния израз в истинско уравнение - но това включва математическа стратагема, която Галилей няма.

Стъпка 3: Използване

Моля, обърнете внимание, че преди да използвате цифровото махало, сензорите трябва да бъдат калибрирани и да се регулира дължината на проводника. Поставете JustAPendulum под махало (препоръчително е най -малко 1 м височина) и се уверете, че масата затъмнява и трите сензора при осцилация. Сензорите работят по -добре при условия на слаба светлина, така че изключете осветлението. Включете дъската. Ще се появи екран „Готов“. Ето структурата на менюто:

• Ляв бутон: за да започнете измерванията, поставете топката вдясно и натиснете бутона. Arduino автоматично открива позицията на топката и стартира.

  • Показва се „Стартиране … o.p.: x ms“

    • Вляво: изчислете гравитационното ускорение
    • Вдясно: обратно към главния екран

• Десен бутон: показване на конфигурацията

  • Вдясно: да
  • Вляво: не

Стъпка 4: Придружителят

Придружителят на JustAPendulum е програма Visual Basic. NET (написана във Visual Studio 2015), която позволява на потребителя да наблюдава махалото в реално време от компютъра. Той показва последните стойности и грешки, има таблици и графики за показване на миналите мерки и има инструменти за калибриране на сензорите и за задаване на дължината на проводника. Историята може да се експортира и в Excel.

Изтеглете го тук

Стъпка 5: Калибриране на сензорите

Отидете в раздела Разширени, включете „ADC монитор“и наблюдавайте как се променят показаните стойности в зависимост от положението на топката. Опитайте се да откриете приемлив праг: под него няма да има маса между детекторите, докато по -горе ще показва, че масата преминава между тях. Ако стойностите не се променят, може би в стаята има твърде много светлина, така че изключете лампите. След това натиснете бутона „Ръчно калибриране“. Напишете в текстовото поле прага, който сте решили, и натиснете enter.

Стъпка 6: Промяна на дължината на проводника

За да регулирате дължината на проводника, натиснете бутона „Дължина на проводника“и въведете стойността. След това задайте грешката на измерването: ако сте я измерили с рулетка, чувствителността трябва да бъде 1 mm. Всички стойности ще се съхраняват в паметта на микроконтролера ATmega328P.

Стъпка 7: Кутията за лазерно изрязване

Изрежете тази конструкция от шперплат (дебелина 4 мм) с машина за лазерно рязане, след това я сглобете, поставете компонентите върху панелите и ги фиксирайте с някои пирони и винилово лепило. Изтеглете DXF/DWG файлове в долната част на тази страница (проектирани с AutoCAD 2016).

Стъпка 8: Структурата

Ако нямате махало, можете сами да си направите, като започнете от този пример (това е точно копие на този, който направих). Достатъчно е парче шперплат от 27, 5 · 16 · 1 cm, шина 5 · 27, 5 · 2 cm и пръчка. След това използвайте пръстени, тел за риболов и топка, за да завършите махалото.

AutoCAD проект

Стъпка 9: Масата

Нямах железна маса (би било по -добре, разбира се), затова направих топка с 3D принтер и добавих пръстен, за да я закача на жицата. Колкото по -тежък и по -тънък е той (вижте часовниците с махало: масата е плоска, за да се избегне триене с въздух), толкова по -дълго ще се колебае.

Изтегляне на 3D топка

Стъпка 10: ПХБ

Това е по-евтиният метод за създаване на домашна печатна платка, използвайки само евтини неща:

• Лазерен принтер (600 dpi или по -добър)
• Фотохартия
• Празна платка
• Муриатична киселина (> 10% HCl)
• Водороден пероксид (10% разтвор)
• Детски ютии
• Ацетон
• Стоманена вата
• Предпазни очила и ръкавици
• Сода бикарбонат
• Оцет
• Хартиени кърпи за ръце

Първата стъпка е почистване на празната печатна платка със стоманена вата и вода. Ако медта изглежда малко окислена, трябва да я измиете с оцет преди това. След това изтъркайте медната страна с хартиена кърпа, напоена с ацетон, за да премахнете останалата мръсотия. Втрийте прецизно всяка част от дъската. Не докосвайте медта с ръце!

Отпечатайте файла PCB.pdf в долната част на тази страница с лазерен принтер и не го докосвайте с пръсти. Изрежете го, подравнете изображението от медната страна и го натиснете с ютията за дрехи (трябва да е гореща, но без пари) за около пет минути. Оставете да се охлади с цялата хартия, след това извадете хартията много бавно и внимателно под вода. Ако няма тонер върху медта, повторете процедурата; Използвайте малък постоянен маркер, за да поправите някои липсващи връзки.

Сега е време да използвате киселина за ецване на печатни платки. В пластмасова кутия поставете три чаши муриатична киселина и една от водороден прекис; можете също да опитате с равни количества за по -мощно офорт. Поставете печатната платка в разтвора (обърнете внимание на ръцете и очите си) и изчакайте около десет минути. Когато ецването приключи, извадете дъската от разтвора и измийте под вода. Поставете две лъжици натриев бикарбонат в киселината, за да неутрализирате разтвора и го хвърлете в тоалетната (или го занесете в център за събиране на отпадъци).

Стъпка 11: Електроника

Необходими части:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF кондензатори
• 3x 100 uF кондензатори
• 2x 1N4148 диода
• 7805TV регулатор на напрежението
• 6x 10K резистори
• 2x 220R резистори
• 16 MHz кристален осцилатор
• Pinheads
• USB към сериен адаптер
• 940nm странично изглеждащи инфрачервени излъчватели и IR детектори (купих ги от Sparkfun)
• 9V батерия и държач за батерията
• 16x2 LCD екран
• 2 бутона
• Потенциометър и тример
• Проводници, проводници и жици

Сега, след като сте закупили и събрали компонентите, изберете спойка и ги запоявайте всички! След това фиксирайте печатната платка в кутията, свържете всички проводници към LCD, адаптера USB към сериен, потенциометъра и тримера (за яркост и контраст на дисплея). Вижте схемата, модела на печатната платка в предишната стъпка и CAD файловете на Eagle в долната част на тази страница, за да поставите правилно всички части и проводници.

CAD проект на Eagle

Стъпка 12: Сензори

Добавете сензорите, както е показано на снимките, след това направете няколко капачки (използвах въртящ се инструмент, за да ги гравирам от дървена шина), за да ги покрие и защити. След това ги свържете към основната платка.

Стъпка 13: Готови сте

Започнете да го използвате! Наслади се!