JustAPendulum: ღია კოდის ციფრული ქანქარა: 13 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:19

JustAPendulum არის არდუინოზე დაფუძნებული ღია ქანქარა, რომელიც ზომავს და ითვლის რხევის პერიოდს დედამიწის გრავიტაციული აჩქარების საპოვნელად (~ 9, 81 მ/წ²). ის შეიცავს ხელნაკეთ Arduino UNO- ს, რომელიც იყენებს USB- სერიულ ადაპტერს თქვენს კომპიუტერთან კომუნიკაციისთვის. JustAPendulum არის უაღრესად ზუსტი და ჰყავს თანამგზავრი (დაწერილი Visual Basic. NET)-ით, რომელიც რეალურ დროში გაჩვენებთ მასის პოზიციას და ცხრილს და გრაფიკს ყველა პრეცედენტული ღონისძიებით. მთლიანად ლაზერულად მოჭრილი და ხელნაკეთი, ძალიან მარტივი გამოსაყენებელია: უბრალოდ დააჭირეთ ღილაკს და მიეცით მასა დაეცემა და დაფა გამოთვლის ყველაფერს. იდეალურია ფიზიკის გაკვეთილების ტესტებისთვის!

პროექტის მთავარი გვერდი: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

გახადე ის შენ თვითონ მეგზური

YouTube ვიდეო

ნაბიჯი 1: ფიზიკა მის უკან

ეს არის ყველა ფორმულა, რომელიც გამოიყენება JustAPendulum- ში. მე არ ვაპირებ მათ დემონსტრირებას, მაგრამ თუ გაინტერესებთ, ეს ინფორმაცია ადვილია ყველა ფიზიკის წიგნში. დედამიწის გრავიტაციული აჩქარების გამოსათვლელად, ქანქარა უბრალოდ ზომავს რხევის პერიოდს (T), შემდეგ იყენებს შემდეგ ფორმულას (g) გამოსათვლელად:

და ეს არის აბსოლუტური შეცდომის გამოთვლა აჩქარებისას:

ლ არის ქანქარის მავთულის სიგრძე. ეს პარამეტრი უნდა იყოს მითითებული კომპანიონი პროგრამიდან (იხ. ქვემოთ). 0.01 მ არის სიგრძის გაზომვის შეცდომა (მმართველის მგრძნობელობა ვარაუდობენ 1 სმ), ხოლო 0.001 წმ არის არდუინოს საათის სიზუსტე.

ნაბიჯი 2: გალილეო გალილეი და ეს ფორმულა

ეს ფორმულა პირველად (ნაწილობრივ) აღმოაჩინა გალილეო გალილეიმ 1602 წელს, რომელმაც გამოიკვლია ქანქარების რეგულარული მოძრაობა, რის შედეგადაც ქანქარები მიიღეს, როგორც ყველაზე ზუსტი დროის შემნახველი მანქანები 1930 წლამდე, როდესაც გამოიგონეს კვარცის ოსცილატორები, რასაც მოჰყვა ატომური საათები მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ. გალილეოს ერთ -ერთი სტუდენტის თქმით, გალილეო ესწრებოდა პიზას წირვას, როდესაც შენიშნა, რომ ქარი გამოიწვია ტაძარში შეჩერებული ჭაღის ძალიან მცირე მოძრაობამ. მან გააყოლა თვალი ჭაღის მოძრაობას და შენიშნა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ნიავი შეჩერდა და ქანქარას გავლილი წინ და უკან მანძილი შეუმცირდა, მაინც დრო დარჩა, რომ ჭაღს რხევის გასაკეთებლად მუდმივი დარჩა. მან ჭაღის მოტრიალება დროში შეაფასა პულსის რეგულარულ დარტყმაში მაჯაში და მიხვდა რომ მართალი იყო: არ აქვს მნიშვნელობა რა მანძილს გადიოდა, დრო ყოველთვის ერთნაირი იყო. მეტი გაზომვებისა და კვლევების შემდეგ, მან აღმოაჩინა, რომ

ორჯერ π, როგორც წინა განტოლებაში, პროპორციულ გამოთქმას აქცევს ნამდვილ განტოლებად - მაგრამ ეს მოიცავს მათემატიკურ სტრატეგიას, რომელიც გალილეომ არ მიიღო.

ნაბიჯი 3: გამოყენება

გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ციფრული ქანქარის გამოყენებამდე სენსორები უნდა დაკალიბრდეს და მავთულის სიგრძე მორგებული იყოს. განათავსეთ JustAPendulum ქანქარის ქვემოთ (რეკომენდირებულია მინიმუმ 1 მ სიმაღლე) და დარწმუნდით, რომ მასა ფარავს სამივე სენსორს რხევის დროს. სენსორები უკეთესად მუშაობენ დაბალი შუქის პირობებში, ამიტომ გამორთეთ განათება. ჩართეთ დაფა. გამოჩნდება "მზა" ეკრანი. აქ არის მენიუს სტრუქტურა:

• მარცხენა ღილაკი: გაზომვების დასაწყებად, მოათავსეთ ბურთი მარჯვნივ და დააჭირეთ ღილაკს. Arduino ავტომატურად ამოიცნობს ბურთის პოზიციას და იწყებს.

  • ნაჩვენებია "დაწყებული … o.p.: x ms"

    • მარცხნივ: გამოთვალეთ გრავიტაციული აჩქარება

    • მარჯვნივ: დაბრუნება მთავარ ეკრანზე

• მარჯვენა ღილაკი: კონფიგურაციის ჩვენება

  • მარჯვნივ: დიახ
  • მარცხნივ: არა

ნაბიჯი 4: თანამგზავრი

JustAPendulum– ის თანამგზავრი არის Visual Basic. NET (დაწერილი Visual Studio 2015) პროგრამა, რომელიც მომხმარებელს საშუალებას აძლევს მონიტორინგი გაუწიოს ქანქარას რეალურ დროში კომპიუტერიდან. ის აჩვენებს ბოლო მნიშვნელობებსა და შეცდომებს, აქვს ცხრილები და გრაფიკები წარსულის ზომების საჩვენებლად და აქვს ინსტრუმენტები სენსორების დასაკალიბრებლად და მავთულის სიგრძის დასადგენად. ისტორიის ექსპორტი ასევე შესაძლებელია Excel- ში.

გადმოწერეთ აქ

ნაბიჯი 5: სენსორების დაკალიბრება

გადადით Advanced ჩანართზე, ჩართეთ "ADC მონიტორი" და დააკვირდით როგორ იცვლება ნაჩვენები მნიშვნელობები ბურთის პოზიციის მიხედვით. შეეცადეთ გაარკვიოთ მისაღები ბარიერი: ქვემოთ ეს ნიშნავს, რომ მასა არ არის დეტექტორებს შორის, ხოლო ზემოთ მიუთითებს, რომ მასა გადის მათ შორის. თუ ღირებულებები არ იცვლება, შესაძლოა ოთახში ძალიან ბევრი სინათლე იყოს, ამიტომ გამორთეთ ნათურები. შემდეგ დააჭირეთ ღილაკს "ხელით დაკალიბრება". ჩაწერეთ ტექსტის ყუთში თქვენი გადაწყვეტილი ბარიერი და დააჭირეთ Enter.

ნაბიჯი 6: მავთულის სიგრძის შეცვლა

მავთულის სიგრძის შესაცვლელად დააჭირეთ ღილაკს "მავთულის სიგრძე" და შეიყვანეთ მნიშვნელობა. შემდეგ დააყენეთ გაზომვის შეცდომა: თუ გაზომეთ ფირზე, მგრძნობელობა უნდა იყოს 1 მმ. ყველა მნიშვნელობა შეინახება ATmega328P მიკროკონტროლის მეხსიერებაში.

ნაბიჯი 7: ლაზერული ჭრის ყუთი

პლაივუდიდან (4 მმ სისქის) ეს სტრუქტურა გაჭერით ლაზერული ჭრის მანქანით, შემდეგ გააანალიზეთ, კომპონენტები დადეთ პანელებზე და დააფიქსირეთ ისინი ლურსმნებითა და ვინილის წებოთი. ჩამოტვირთეთ DXF/DWG ფაილები ამ გვერდის ბოლოში (შექმნილია AutoCAD 2016 -ით).

ნაბიჯი 8: სტრუქტურა

თუ თქვენ არ გაქვთ ქანქარა, შეგიძლიათ თავად გააკეთოთ ეს ამ მაგალითიდან (ეს არის ზუსტად ის, რაც მე გავაკეთე). პლაივუდის 27, 5 · 16 · 1 სმ ნაჭერი, 5 · 27, 5 · 2 სმ სპლინტი და ჯოხი საკმარისია. შემდეგ გამოიყენეთ რგოლები, სათევზაო მავთულები და ბურთი ქანქარის დასასრულებლად.

AutoCAD პროექტი

ნაბიჯი 9: მასა

მე არ მქონდა რკინის მასა (რა თქმა უნდა, უკეთესი იქნებოდა), ასე რომ მე გავაკეთე ბურთი 3D პრინტერით და მე დავამატე ბეჭედი, რომ იგი მავთულზე დაეკიდა. რაც უფრო მძიმე და თხელია (იხ. ქანქარის საათები: მასა ბრტყელია ჰაერთან ხახუნის თავიდან ასაცილებლად), მით უფრო დიდხანს იცვლება ის.

3D ბურთის ჩამოტვირთვა

ნაბიჯი 10: PCB

ეს არის ნაკლებად ძვირადღირებული მეთოდი ხელნაკეთი PCB შესაქმნელად მხოლოდ დაბალფასიანი ნივთების გამოყენებით:

• ლაზერული პრინტერი (600 dpi ან უკეთესი)
• ფოტო ქაღალდი
• ცარიელი მიკროსქემის დაფა
• მურიატის მჟავა (> 10% HCl)
• წყალბადის ზეჟანგი (10% ხსნარი)
• ტანსაცმელი რკინა
• აცეტონი
• Ფოლადის ბამბა
• უსაფრთხოების სათვალე და ხელთათმანები
• ნატრიუმის ბიკარბონატი
• ძმარი
• Ქაღალდის პირსახოცი

პირველი ნაბიჯი არის ცარიელი PCB- ის გაწმენდა ფოლადის ბამბა და წყლით. თუ სპილენძი ოდნავ ჟანგდება, მანამდე ძმარი უნდა დაიბანოთ. შემდეგ, გაწურეთ სპილენძის მხარე აცეტონით გაჟღენთილი ქაღალდის პირსახოცით, რომ ამოიღოთ დარჩენილი ჭუჭყი. ზუსტად შეიზილეთ დაფის ყველა ნაწილი. ხელით არ შეეხოთ სპილენძს!

დაბეჭდეთ PCB.pdf ფაილი ამ გვერდის ბოლოში ლაზერული პრინტერის გამოყენებით და არ შეეხოთ მას თითებით. გაჭერით იგი, გაათანაბრეთ გამოსახულება სპილენძის მხარეს და დააჭირეთ მას ტანსაცმლის უთოთი (ის უნდა იყოს ცხელი, მაგრამ ორთქლის გარეშე) დაახლოებით ხუთი წუთის განმავლობაში. გააგრილეთ მთელი ქაღალდით, შემდეგ ამოიღეთ ქაღალდი ძალიან ნელა და ფრთხილად წყლის ქვეშ. თუ სპილენძზე არ არის ტონიკი, გაიმეორეთ პროცედურა; გამოიყენეთ პატარა მუდმივი მარკერი დაკარგული კავშირების დასაფიქსირებლად.

ახლა დროა გამოვიყენოთ მჟავა PCB- ის დასამუშავებლად. პლასტმასის ყუთში ჩადეთ სამი ჭიქა მურიატმჟავა და ერთი წყალბადის ზეჟანგი; ასევე შეგიძლიათ სცადოთ თანაბარი რაოდენობით უფრო მძლავრი გრავირებისთვის. ჩადეთ PCB ხსნარში (მიაქციეთ ყურადღება ხელებს და თვალებს) და დაელოდეთ დაახლოებით ათი წუთი. როდესაც გრავირება დასრულდება, ამოიღეთ დაფა ხსნარიდან და გარეცხეთ წყლის ქვეშ. ჩაასხით ორი კოვზი ნატრიუმის ბიკარბონატი მჟავაში, რომ გაანეიტრალოთ ხსნარი და ჩააგდოთ ტუალეტში (ან გადაიტანეთ ნარჩენების შეგროვების ცენტრში).

ნაბიჯი 11: ელექტრონიკა

საჭირო ნაწილები:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF კონდენსატორები
• 3x 100 uF კონდენსატორები
• 2x 1N4148 დიოდი
• 7805TV ძაბვის რეგულატორი
• 6x 10K რეზისტორები
• 2x 220R რეზისტორები
• 16 MHz ბროლის ოსცილატორი
• პინჰედები
• USB- სერიული ადაპტერი
• 940 ნმ გვერდითი ინფრაწითელი გამცემი და IR დეტექტორები (მე ეს ვიყიდე სპარკფუნისგან)
• 9 ვ ბატარეა და ბატარეის დამჭერი
• 16x2 LCD ეკრანი
• 2 ღილაკი
• პოტენომეტრი და ტრიმერი
• მავთულები, მავთულები და მავთულები

ახლა, როდესაც თქვენ იყიდეთ და შეაგროვეთ კომპონენტები, შეარჩიეთ შემდუღებელი და გაწურეთ ყველა მათგანი! შემდეგ დააფიქსირეთ PCB ყუთში, შეაერთეთ ყველა მავთული LCD– ზე, USB– სერიული ადაპტერი, პოტენომეტრი და ტრიმერი (ჩვენების სიკაშკაშისა და კონტრასტისთვის). იხილეთ სქემატური, PCB მოდელი წინა ეტაპზე და Eagle CAD ფაილები ამ გვერდის ბოლოში, რათა სწორად მოათავსოთ ყველა ნაწილი და მავთული.

Eagle CAD პროექტი

ნაბიჯი 12: სენსორები

დაამატეთ სენსორები, როგორც სურათებშია ნაჩვენები, შემდეგ გააკეთეთ თავსახურები (მე გამოვიყენე მბრუნავი ინსტრუმენტი ხის ნაჭრის ამოსაკვეთად) დასაფარავად და დასაცავად. შემდეგ დააკავშირეთ ისინი მთავარ დაფაზე.

ნაბიჯი 13: თქვენ მზად ხართ

დაიწყეთ მისი გამოყენება! ისიამოვნეთ!