JustAPendulum: Բաց կոդով թվային ճոճանակ `13 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:49

JustAPendulum- ը Arduino- ի վրա հիմնված բաց կոդով ճոճանակ է, որը չափում և հաշվարկում է տատանումների ժամանակահատվածը ՝ Երկրի գրավիտացիոն արագացումը գտնելու համար (~ 9, 81 մ/վ 3): Այն պարունակում է տնական Arduino UNO, որն օգտագործում է USB- սերիալային ադապտեր `ձեր համակարգչի հետ հաղորդակցվելու համար: JustAPendulum- ը չափազանց ճշգրիտ է և ունի ուղեկից (գրված է Visual Basic. NET- ով), որն իրական ժամանակում ցույց կտա զանգվածի դիրքը, ինչպես նաև աղյուսակը և գրաֆիկը `բոլոր նախադեպային միջոցառումներով: Ամբողջովին լազերային կտրված և տնական, շատ հեշտ օգտագործման համար. Պարզապես սեղմեք կոճակը և թողեք, որ զանգվածն ընկնի, և տախտակը կհաշվարկի ամեն ինչ: Իդեալական է ֆիզիկայի դասերի թեստերի համար:

Նախագծի հիմնական էջը ՝ marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Այն դարձնելով ինքներդ ձեզ ուղեցույց

YouTube տեսանյութ

Քայլ 1: Դրա հիմքում ընկած ֆիզիկան

Սրանք բոլոր բանաձևերն են, որոնք օգտագործվում են JustAPendulum- ում: Ես չեմ պատրաստվում դրանք ցուցադրել, բայց եթե ձեզ հետաքրքրում է, այս տեղեկատվությունը հեշտ է գտնել ֆիզիկայի յուրաքանչյուր գրքում: Երկրի գրավիտացիոն արագացումը հաշվարկելու համար ճոճանակը պարզապես չափում է տատանումների շրջանը (T), այնուհետև օգտագործում է հետևյալ բանաձևը (g) հաշվարկելու համար.

և սա ՝ արագացման նկատմամբ բացարձակ սխալը հաշվարկելու համար.

l- ճոճանակի լարի երկարությունը: Այս պարամետրը պետք է սահմանվի Ուղեկցող ծրագրից (տես ստորև): 0.01 մ երկարության չափման սխալն է (քանոնի զգայունությունը ենթադրվում է 1 սմ), մինչդեռ 0.001 վ է Արդուինոյի ժամացույցի ճշգրտությունը:

Քայլ 2. Գալիլեո Գալիլեյ և այս բանաձևը

Այս բանաձևը առաջին անգամ (մասամբ) հայտնաբերվել է Գալիլեո Գալիլեյի կողմից 1602 թ. Մոտ, ով ուսումնասիրել է ճոճանակների կանոնավոր շարժումը ՝ ճոճանակները դարձնելով որպես ժամանակի ճշգրիտ հաշվիչ մեքենաներ մինչև 1930 թվականը, երբ հայտնագործվեցին քվարցային տատանումները, որին հաջորդեցին Երկրորդ աշխարհամարտից հետո ատոմային ժամացույցները: Ըստ Գալիլեյի ուսանողներից մեկի ՝ Գալիլեյը Պիզայում պատարագի էր մասնակցում, երբ նկատեց, որ քամին տաճարում կախված ջահի շատ թեթև շարժում է առաջացրել: Նա անընդհատ նայում էր ջահի շարժմանը և նկատեց, որ չնայած քամին դադարում էր, և ճոճանակով անցած և հետադարձ տարածությունը կրճատվում էր, այնուամենայնիվ, ջահը տատանումն անելու համար թվում էր, թե հաստատուն է: Նա ջահի ճոճումը ժամանակավորեց դաստակի զարկերակի պարբերական հարվածով և հասկացավ, որ նա ճիշտ է. Անկախ անցած տարածությունից, դրա տևողությունը միշտ նույնն էր: Ավելի շատ չափումներից և ուսումնասիրություններից հետո նա պարզեց դա

Երկու անգամ π, ինչպես նախորդ հավասարումում, համամասնական արտահայտությունը վերածում է իսկական հավասարման, բայց դա ներառում է մաթեմատիկական ստրատեգիա, որը Գալիլեյը չէր ստացել:

Քայլ 3: Օգտագործում

Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ թվային ճոճանակ օգտագործելուց առաջ տվիչները պետք է չափագրվեն և լարերի երկարությունը ճշգրտվի: Տեղադրեք JustAPendulum- ը ճոճանակի տակ (առաջարկվում է առնվազն 1 մ բարձրություն) և համոզվեք, որ տատանումների ժամանակ զանգվածը քողարկում է բոլոր երեք տվիչները: Սենսորներն ավելի լավ են աշխատում ցածր լուսավորության պայմաններում, այնպես որ անջատեք լույսերը: Միացրեք տախտակը: Կհայտնվի «Պատրաստ» էկրան: Ահա ընտրացանկի կառուցվածքը.

• Ձախ կոճակ. Չափումները սկսելու համար գնդակը դրեք աջ և սեղմեք կոճակը: Arduino- ն ինքնաբերաբար հայտնաբերում է գնդակի դիրքը և սկսում:

  • Startուցադրվում է «Starting … o.p.: x ms»

    • Ձախ. Հաշվարկել գրավիտացիոն արագացումը
    • Աջ. Վերադառնալ հիմնական էկրան

• Աջ կոճակ ՝ ցուցադրել կազմաձևումը

  • Աջ: այո
  • Ձախ: ոչ

Քայլ 4: Ուղեկիցը

JustAPendulum- ի ուղեկիցը Visual Basic. NET (գրված է Visual Studio 2015-ում) ծրագիր է, որը թույլ է տալիս օգտագործողին համակարգչից իրական ժամանակում վերահսկել ճոճանակը: Այն ցուցադրում է վերջին արժեքներն ու սխալները, ունի աղյուսակներ և գծապատկերներ, որոնք ցույց են տալիս անցյալի միջոցառումները և ունի գործիքներ սենսորները չափագրելու և լարերի երկարությունը սահմանելու համար: Պատմությունը կարող է նաև արտահանվել Excel:

Ներբեռնեք այստեղ

Քայլ 5: Սենսորների չափագրում

Գնացեք «Ընդլայնված» ներդիր, միացրեք «ADC մոնիտորը» և դիտեք, թե ինչպես են փոփոխվում ցուցադրվող արժեքները ՝ կախված գնդակի դիրքից: Փորձեք պարզել ընդունելի շեմ. Ներքևում դա կնշանակի ոչ մի զանգված դետեկտորների միջև, իսկ վերևում ՝ այն, որ զանգվածն անցնում է նրանց միջև: Եթե արժեքները չեն փոխվում, գուցե սենյակում չափազանց շատ լույս կա, այնպես որ անջատեք լամպերը: Այնուհետև կտտացրեք «Ձեռքով ստուգաչափում» կոճակին: Տեքստային դաշտում գրեք ձեր որոշած շեմը և սեղմեք enter:

Քայլ 6: Լարերի երկարության փոփոխություն

Լարի երկարությունը կարգավորելու համար սեղմեք «Լարի երկարություն» կոճակը և մուտքագրեք արժեքը: Այնուհետև սահմանեք չափման սխալը. Եթե այն չափել եք ժապավենով, զգայունությունը պետք է լինի 1 մմ: Բոլոր արժեքները կպահվեն ATmega328P միկրոկառավարիչի հիշողության մեջ:

Քայլ 7: Լազերային տուփ

Կտրեք այս կառուցվածքը նրբատախտակից (4 մմ հաստությամբ) լազերային կտրող մեքենայով, այնուհետև ասեղացրեք այն, բաղադրիչները դրեք վահանակների վրա և ամրացրեք դրանք որոշ մեխերով և վինիլային սոսինձով: Ներբեռնեք DXF/DWG ֆայլերը այս էջի ներքևում (նախագծված է AutoCAD 2016 -ով):

Քայլ 8: Կառուցվածքը

Եթե դուք չունեք ճոճանակ, կարող եք ինքներդ պատրաստել ՝ սկսած այս օրինակից (դա իմ պատրաստածի ճշգրիտ պատճենն է): Բավական է 27, 5 · 16 · 1 սմ նրբատախտակ, 5 · 27, 5 · 2 սմ թել եւ ձող: Այնուհետեւ ճոճանակը լրացնելու համար օգտագործեք օղակներ, ձկնորսական մետաղալար եւ գնդակ:

AutoCAD նախագիծ

Քայլ 9: Theանգվածը

Ես երկաթե զանգված չունեի (իհարկե, ավելի լավ կլիներ), ուստի 3D տպիչով գնդակ պատրաստեցի և մատանի ավելացրեցի այն մետաղալարին կախելու համար: Որքան այն ավելի ծանր է և բարակ (տես ճոճանակի ժամացույցներ.

3D գնդակի ներբեռնում

Քայլ 10: PCB

Սա ավելի էժան մեթոդ է `տնական PCB ստեղծելու համար` օգտագործելով միայն ցածր գնով ապրանքներ.

• Լազերային տպիչ (600 dpi կամ ավելի լավ)
• Լուսանկարչական թուղթ
• Դատարկ տպատախտակ
• Մուրիաթթու (> 10% HCl)
• Perրածնի պերօքսիդ (10% լուծույթ)
• Հագուստ երկաթ
• Ացետոն
• Պողպատե բուրդ
• Անվտանգության ակնոցներ և ձեռնոցներ
• Նատրիումի բիկարբոնատ
• Քացախ
• Թղթե սրբիչ

Առաջին քայլը դատարկ PCB- ի մաքրումն է պողպատե բուրդով և ջրով: Եթե պղնձը մի փոքր օքսիդացված է թվում, ապա այն պետք է նախ լվանալ քացախով: Այնուհետև պղնձի կողմը քսեք թղթե սրբիչով ՝ թրջված ացետոնով ՝ մնացած կեղտը հեռացնելու համար: Rubշգրտորեն շփեք տախտակի յուրաքանչյուր հատվածը: Ձեռքերով մի՛ դիպչիր պղնձին:

Տպեք PCB.pdf ֆայլը այս էջի ներքևում ՝ օգտագործելով լազերային տպիչ և մի դիպչեք դրան մատներով: Կտրեք այն, հարթեցրեք պատկերը պղնձե կողմում և սեղմեք այն հագուստի արդուկով (այն պետք է լինի տաք, բայց առանց գոլորշու) մոտ հինգ րոպե: Թող այն ամբողջ թղթի հետ սառչի, այնուհետև թուղթը հանեք շատ դանդաղ և զգուշորեն ջրի տակ: Եթե պղնձի վրա տոնիկ չկա, կրկնում եք ընթացակարգը. Օգտագործեք փոքր մշտական նշիչ `որոշ բացակայող կապեր ամրագրելու համար:

Այժմ ժամանակն է օգտագործել թթու ՝ PCB- ն փորագրելու համար: Պլաստիկ տուփի մեջ դրեք երեք բաժակ մուրիաթթու և մեկը ջրածնի պերօքսիդ; կարող եք նաև հավասար քանակությամբ փորձել ավելի հզոր փորագրության համար: Տեղադրեք PCB- ն լուծույթի մեջ (ուշադրություն դարձրեք ձեր ձեռքերին և աչքերին) և սպասեք մոտ տասը րոպե: Երբ փորագրությունն ավարտվում է, տախտակը հանեք լուծույթից և լվացեք ջրի տակ: Թթվի մեջ լցրեք երկու գդալ նատրիումի բիկարբոնատ `լուծույթը չեզոքացնելու համար և գցեք այն WC- ում (կամ տարեք աղբի հավաքման կենտրոն):

Քայլ 11: Էլեկտրոնիկա

Պահանջվող մասեր.

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF կոնդենսատորներ
• 3x 100 uF կոնդենսատորներ
• 2x 1N4148 դիոդ
• 7805TV լարման կարգավորիչ
• 6x 10K դիմադրիչներ
• 2x 220R դիմադրիչներ
• 16 ՄՀց բյուրեղային տատանում
• Քորոցներ
• USB- սերիալային ադապտեր
• 940 նմ կողմնակի ինֆրակարմիր ճառագայթիչներ և IR դետեկտորներ (դրանք գնել եմ Sparkfun- ից)
• 9 Վ մարտկոց և մարտկոցի կրիչ
• 16x2 LCD էկրան
• 2 կոճակ
• Պոտենցիոմետր և հարմարվողական սարք
• Լարեր, լարեր և լարեր

Այժմ, երբ դուք գնել և հավաքել եք բաղադրիչները, ընտրեք զոդիչ և զոդեք դրանք բոլորը: Այնուհետև ամրացրեք PCB- ն տուփի մեջ, միացրեք բոլոր լարերը LCD- ին, USB- սերիալային ադապտերին, պոտենցիոմետրին և հարմարվողականին (ցուցադրման պայծառության և հակադրության համար): Անդրադարձեք սխեմային, նախորդ քայլի PCB մոդելին և այս էջի ներքևում գտնվող Eagle CAD ֆայլերին `բոլոր մասերն ու լարերը ճիշտ տեղադրելու համար:

Eagle CAD նախագիծ

Քայլ 12: Սենսորներ

Ավելացրեք սենսորները, ինչպես ցույց է տրված նկարներում, այնուհետև պատրաստեք մի կափարիչ (ես դրանք օգտագործել եմ պտտվող գործիքով ՝ դրանք փորագրելու համար փայտից) ՝ դրանք ծածկելու և պաշտպանելու համար: Այնուհետեւ դրանք միացրեք հիմնական տախտակին:

Քայլ 13: Դուք պատրաստ եք:

Սկսեք օգտագործել այն: Վայելեք: