Просто устройство за измерване на налягането за образователни цели: 4 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

По -долу ще намерите инструкции за изграждане на много просто и лесно за изграждане устройство, което да играе с измервания на налягането. Може да се използва за училища или други проекти, свързани със STEM, свързани с газовите закони, но също така може да бъде адаптиран да бъде интегриран в други устройства за измерване на сили или тегло. Въпреки че в наши дни има голям брой пробиви на сензори за измерване на налягането, липсваше просто и евтино устройство, което да играе с тези сензори и да ги използва за образователни цели. Моята конструкция се състои основно от голяма пластмасова спринцовка и поставен сензорен пробив вътре в спринцовката. Пробивът е свързан към микроконтролер чрез набор от кабели, преминаващи през изхода на спринцовката. Изходът на спринцовката е херметически затворен с помощта на горещо лепило или друг метод, което води до улавяне на определен обем въздух в спринцовката. След това сензорът е свързан към Arduino или друг микроконтролер. Когато буталото на спринцовката се премести, обемът и налягането ще се променят. Измерванията могат да се показват в реално време с помощта на сериен монитор или сериен плотер на Arduino IDE.

Стъпка 1: Използвани материали

150 или 250 мл пластмасова спринцовка за катетър - достъпна през интернет или в магазин за хардуер или градина близо до вас за няколко долара или евро. Пробив на сензор за налягане - използвах евтин сензор за температура и налягане BMP280, който купих в Banggood. Това е 3V пробив без превключвател на ниво, за по -малко от 2 $ всеки. Обхватът на измерване е между 650 и около 1580 hPa. Кабели и платки: Използвах дълги джъмперни кабели, за да свържа пробива с макет. Кабелите трябва да са поне толкова дълги, колкото спринцовката, в противен случай свързването на кабелите и прекъсването е много трудно. Двупосочен превключвател на ниво 5 -> 3 V: необходим за свързване на горния сензор към Arduino. Не се изисква, ако пробивът на сензора ви, напр. като версия Adafruit, вече има вградена такава или вашият микроконтролер работи с 3V логика. Микроконтролер: Използвах версия на Arduino Uno, MonkMakesDuino, но всяка съвместима с Arduino трябва да работи. Дори Micro: bit работи, ако следвате тези инструкции от Adafruit. Повече за това ще бъде обсъдено в следващ отделен инструктаж.

Държач за спринцовката може да бъде полезен за някои приложения, но не е необходим.

Стъпка 2: Сглобяване и приложение

Настройте всички части на вашата дъска. Свържете микроконтролера и превключвателя на нивата, ако е необходимо. В случай, че определите една от захранващите шини на вашата платка като 5V, другата като 3V и ги свържете съответно с 5V, 3V и заземяващите портове на микроконтролера, след това свържете 3V, 5V и GND портовете на превключвателя на нивото. Сега свържете SDA (A4) и SCL (A5) портовете на Arduino с два порта без захранване от 5V страната на превключвателя на нивото. Моля, обърнете внимание, че SDA и SDA портовете се различават между микроконтролерите, затова, моля, проверете за вашите. Свържете сензора си, като използвате кабелите, които ще използвате по -късно с превключвателя на нивото. SDA и SCL на сензора към съответните портове от страната 3V на превключвателя на нивото, портовете Vin и Gnd на сензора към 3V и земята. Ако искате да използвате предоставения скрипт, не е необходима инсталация на допълнителни библиотеки към IDE на Arduino. Ако предпочитате да използвате скрипта Adafruit BMP280, инсталирайте техните BMP280 и сензорни библиотеки. Заредете скрипта BMP280 и го качете в Arduino. Използвайте серийния монитор, за да проверите дали получавате разумни данни. Ако не, проверете връзките. Сега изключете микроконтролера и извадете кабелите, свързващи сензора и макета. Сега поставете кабелите през изхода на спринцовката. Ако използвате джъмперни кабели, може да се наложи да разширите изхода или да го съкратите малко. Не забравяйте да прокарате женските краища един след друг. Пробивът I2C се нуждае от четири кабела, за предпочитане използвайте такива в различни цветове. След това свържете отново пробив и кабели и проверете дали връзките работят, както по -горе. Сега преместете пробива към изходния край на спринцовката. Поставете буталото и го преместете в централно положение, малко по -далеч от планираното положение за почивка. Свържете кабелите към макета и проверете дали сензорът работи. Изключете микроконтролера и изключете сензора. Добавете голяма капка горещо лепило в края на контакта. Всмукайте внимателно малко от материала и се уверете, че краят е херметически затворен. Оставете лепилото да се охлади и да се утаи, след това проверете отново дали е херметично затворено. Ако е необходимо, добавете още лепило към останалите отвори. Свържете кабелите на сензора към основната платка и стартирайте микроконтролера. Активирайте Serial Monitor, за да проверите дали сензорът изпраща стойности на температура и налягане. Чрез преместване на буталото можете да променяте стойностите на налягането. Но също така погледнете по -отблизо температурните стойности, когато натискате или натискате буталото.

Затворете серийния монитор и отворете „Сериен плотер“, преместете буталото.

Ако е необходимо, можете да коригирате обема, като приложите малко сила към страните на спринцовката близо до областта на уплътнението, като пуснете или изведете малко въздух.

Стъпка 3: Резултати и Outlook

С описаното тук устройство можете да демонстрирате връзката на компресията и налягането в един прост физически експеримент. Тъй като спринцовката е снабдена със скала, дори експериментите за количествено определяне са лесни за изпълнение.

Според закона на Бойл [Обем * Налягане] е постоянен за газ при дадена температура. Това означава, че ако компресирате даден обем газ N-кратно, т.е. крайният обем е 1/N, неговото налягане също ще се повиши N-пъти, като: P1*V1 = P2*V2 = const.

За повече подробности, моля, разгледайте статията в Уикипедия за газовите закони.

Така че започвайки от точки за почивка на напр. V1 = 100 ml и P1 = 1000 hPa, компресията до около 66 ml (т.е. V2 = 2/3 от V1) ще доведе до налягане от около 1500 hPa (P2 = 3/2 от P1). Издърпването на буталото до 125 ml (5/4 кратен обем) дава налягане от около 800 hPa (4/5 налягане). Моите измервания бяха удивително прецизни за такова просто устройство.

Освен това ще имате директно хаптично впечатление колко сила е необходима за компресиране или разширяване на относително малко количество въздух.

Но също така можем да извършим някои изчисления и да ги проверим експериментално. Да приемем, че компресираме въздуха до 1500 hPa, при базално барометрично налягане 1000 hPa. Така че разликата в налягането е 500 hPa, или 50 000 Pa. За моята спринцовка диаметърът (d) на буталото е около 4 cm или 0,04 метра.

Сега можете да изчислите силата, необходима за задържане на буталото в това положение. Като се има предвид P = F/A (налягането е сила разделена на площ) или трансформирано F = P*A. Единицата SI за сила е "Нютон" или N, за дължина "Метър" или m и "Pascal 'или Pa за налягане. 1 Pa е 1N на квадратен метър. За кръгло бутало, площта може да бъде изчислена с помощта на A = ((d/2)^2) * pi, което дава 0,00125 квадратни метра за спринцовката ми. Така 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. На Земята 1 N корелира с тегло от 100 gr, така че 63 N са равни на задържане на тегло от 6,3 кг.

Така че би било лесно да се изгради своеобразна скала въз основа на измервания на налягането.

Тъй като температурният сензор е изключително чувствителен, човек дори може да види ефекта от компресията върху температурата. Предполагам, че ако използвате сензора BME280, който също може да извършва измервания на влажност, може дори да видите ефектите от натиска върху относителната влажност.

Серийният плотер на Arduino IDE позволява добре да се показват промените в налягането в реално време, но са налични и други, по -сложни решения, напр. на езика за обработка.

Освен за образователни цели, системата може да се използва и за някои приложения в реалния свят, тъй като тя позволява количествено измерване на силите, които се опитват да преместят буталото по един или друг начин. Така че можете да измерите тегло, поставено върху буталото, или сила на удар върху буталото, или да изградите превключвател, който активира светлина или зумер или възпроизвежда звук след достигане на определена прагова стойност. Или можете да изградите музикален инструмент, който променя честотата в зависимост от силата на сила, приложена към буталото.

Стъпка 4: Сценарият

Скриптът, който добавих тук, е модификация на скрипта BME280, намерен на уебсайта на Banggood. Току -що оптимизирах поръчките Serial.print, за да им позволя по -доброто им показване в Arduino IDE Serial Plotter.

Сценарият Adafruit изглежда по -хубав, но изисква някои от техните библиотеки и не разпознава сензора Banggood.