Pressնշման չափման պարզ սարք կրթական նպատակների համար. 4 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:50

Ստորև կարող եք գտնել հրահանգներ շատ պարզ և հեշտ կառուցվող սարքի համար, որը կարող է խաղալ ճնշման չափումներով: Այն կարող է օգտագործվել դպրոցների կամ գազի մասին օրենքների վերաբերյալ STEM- ի հետ կապված այլ նախագծերի համար, բայց կարող է նաև հարմարեցված լինել ուժերը կամ քաշը չափելու այլ սարքերի մեջ: Թեև այս օրերին առկա են ճնշման չափումների մեծ թվով սենսորային ճեղքեր, ես բացակայում էի մի պարզ և էժան սարք, որը կարող էր խաղալ այս սենսորների հետ և օգտագործել դրանք կրթական նպատակների համար: Իմ կոնստրուկցիան հիմնականում բաղկացած է մեծ պլաստիկ ներարկիչից և տեղադրված սենսորային ճեղքից: ներարկիչի ներսում: Theեղքվածքը միկրոկոնտրոլերի հետ միացված է մի շարք մալուխների միջոցով, որոնք անցնում են ներարկիչի ելքով: Ներարկիչի ելքը փակ է հերմետիկ ՝ սոսինձի կամ որևէ այլ մեթոդի օգնությամբ, որի արդյունքում ներարկիչի ներսում օդի որոշակի ծավալ է փակվում: Այնուհետեւ տվիչը միացված է Arduino- ին կամ մեկ այլ միկրոկոնտրոլերին: Երբ ներարկիչի մխոցը տեղափոխվում է, ծավալը և ճնշումը կփոխվեն: Չափումները կարող են իրական ժամանակում ցուցադրվել ՝ օգտագործելով Arduino IDE- ի սերիական մոնիտորը կամ սերիական գծագիրը:

Քայլ 1: Օգտագործված նյութեր

150 կամ 250 մլ պլաստիկ կաթետերի ներարկիչ - հասանելի է ինտերնետի միջոցով կամ մոտակայքում գտնվող սարքավորումների կամ այգու խանութում ՝ մի քանի դոլարով կամ եվրոյով: pressureնշման սենսորի ճեղքում - ես օգտագործեցի էժան BMP280 (ջերմաստիճանի և ճնշման) տվիչ, որը գնել էի Banggood- ում: Սա 3V անջատիչ է `առանց մակարդակի փոխարկիչի, յուրաքանչյուրը 2 $ -ից պակաս: Չափման միջակայքը գտնվում է 650 -ից մինչև 1580 hPa- ի միջև: Մալուխներ և տախտակ. Ես երկար ցատկող մալուխներ եմ օգտագործել `ճեղքվածքը հացահատիկի հետ միացնելու համար: Մալուխները պետք է լինեն առնվազն այնքան երկար, որքան ներարկիչը, հակառակ դեպքում մալուխներն ու ճեղքումը միացնելը շատ դժվար է: Երկկողմանի 5 -> 3 Վ մակարդակի փոխարկիչ. Անհրաժեշտ է վերը նշված սենսորը Arduino- ին միացնելու համար: Պարտադիր չէ, եթե ձեր սենսորի ճեղքումը, օրինակ. որպես Adafruit- ի տարբերակ, այն արդեն տեղադրված է նավի վրա, կամ ձեր միկրոկառավարիչը աշխատում է 3 Վ տրամաբանությամբ: Միկրոկոնտրոլեր. Ես օգտագործել եմ Arduino Uno- ի, MonkMakesDuino- ի տարբերակը, բայց Arduino- ի հետ համատեղելի ցանկացած տարբերակ պետք է աշխատի: Նույնիսկ Micro: bit- ը աշխատում է, եթե հետևեք Adafruit- ի այս հրահանգներին: Այս ամենի մասին ավելի մանրամասն կքննարկվի եկող առանձին հրահանգով:

Ներարկիչի կրողը կարող է օգտակար լինել որոշ ծրագրերի համար, բայց անհրաժեշտ չէ: Arduino IDE- ն:

Քայլ 2. Հավաքում և կիրառում

Տեղադրեք բոլոր մասերը ձեր գրատախտակին: Անհրաժեշտության դեպքում միացրեք միկրոկառավարիչը և մակարդակի փոխարկիչը: Այն դեպքում, երբ ձեր սեղանի վահանակի հոսանքի ռելսերից մեկը սահմանեք 5V, մյուսը `3V և միացրեք դրանք համապատասխանաբար միկրոկոնտրոլերի 5V, 3V և ցամաքային նավահանգիստներին, այնուհետև միացրեք մակարդակի փոխարկիչի 3V, 5V և GND նավահանգիստները: Այժմ միացրեք Arduino- ի SDA (A4) և SCL (A5) նավահանգիստները `մակարդակի փոխարկիչի 5V կողմի երկու ոչ էներգիայի պորտերով: Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ SDA և SDA նավահանգիստները տարբերվում են միկրոկոնտրոլերների միջև, ուստի խնդրում ենք ստուգել ձեր ձերը: Միացրեք ձեր տվիչը `օգտագործելով մալուխները, որոնք հետագայում կօգտագործեք մակարդակի փոխարկիչի միջոցով: Սենսորի SDA և SCL ՝ համապատասխան նավահանգիստներին ՝ մակարդակի փոխարկիչի 3V կողմում, սենսորի Vin և Gnd նավահանգիստները ՝ մինչև 3V և հող: Եթե ցանկանում եք օգտագործել տրամադրված սցենարը, ապա Arduino IDE- ի հետագա գրադարանների տեղադրման կարիք չկա: Եթե նախընտրում եք օգտագործել Adafruit BMP280 սցենարը, տեղադրեք դրանց BMP280 և տվիչների գրադարանները: Ներբեռնեք BMP280 սցենարը և վերբեռնեք այն Arduino- ում: Օգտագործեք սերիական մոնիտորը `ստուգելու համար, թե արդյոք ողջամիտ տվյալներ եք ստանում: Եթե ոչ, ապա ստուգեք միացումները: Այժմ անջատեք միկրոկառավարիչը և անջատեք սենսորը և տախտակը միացնող մալուխները: Այժմ մալուխները դրեք ներարկիչի ելքի միջով: Եթե դուք օգտագործում եք jumper մալուխներ, գուցե անհրաժեշտ լինի ընդլայնել վարդակը կամ մի փոքր կարճացնել այն: Համոզվեք, որ կանացի ծայրերը մեկը մյուսի հետևից ներս եք փոխանցում: I2C ճեղքման համար անհրաժեշտ են չորս մալուխներ, որոնք նախընտրելի են օգտագործել տարբեր գույներով: Այնուհետև նորից միացրեք ճեղքվածքը և մալուխները և ստուգեք, որ միացումներն աշխատում են, ինչպես վերը նշված է: Այժմ տեղափոխեք բեկորը ներարկիչի ելքի ծայրին: Տեղադրեք մխոցը և տեղափոխեք այն կենտրոնական դիրքի, մի փոքր ավելի հեռու, քան պլանավորված հանգստի դիրքը: Միացրեք մալուխները տախտակին և ստուգեք, թե արդյոք սենսորը աշխատում է: Անջատեք միկրոկառավարիչը և անջատեք սենսորը: Ավելացրեք տաք սոսինձի մեծ կաթիլ վարդակից ծայրին: Careգուշորեն ներծծեք նյութի մի մասը և համոզվեք, որ ծայրը փակված է օդով: Թող սոսինձը սառչի և նստի, այնուհետև նորից ստուգեք, արդյոք օդը պինդ է: Անհրաժեշտության դեպքում մի քանի սոսինձ ավելացրեք մնացած անցքերին: Միացրեք սենսորային մալուխները տախտակին և գործարկեք միկրոկոնտրոլերը: Ակտիվացրեք սերիական մոնիտորը `ստուգելու համար, թե արդյոք սենսորն ուղարկում է ջերմաստիճանի և ճնշման արժեքներ: Տեղափոխելով մխոցը, դուք կարող եք փոխել ճնշման արժեքները: Բայց նաև ավելի սերտ նայեք ջերմաստիճանի արժեքներին, երբ մխոցը սեղմում կամ սեղմում եք:

Փակեք Serial Monitor- ը և բացեք 'Serial Plotter', տեղափոխեք մխոցը: Խաղացեք:

Անհրաժեշտության դեպքում, դուք կարող եք շտկել ծավալը ՝ ներարկիչի կողքերին մի փոքր ուժ կիրառելով միջադիրի տարածքի մոտ ՝ մի փոքր օդը ներս թողնելով կամ դուրս հանելով:

Քայլ 3: Արդյունքներ և հեռանկար

Այստեղ նկարագրված սարքի միջոցով դուք կարող եք ցույց տալ սեղմման և ճնշման հարաբերակցությունը ֆիզիկայի պարզ փորձի մեջ: Քանի որ ներարկիչն ունի մասշտաբը, նույնիսկ քանակական փորձերը հեշտ է իրականացնել:

Բոյլի օրենքի համաձայն, [umeավալը * ureնշումը] հաստատուն է տվյալ ջերմաստիճանի գազի համար: Սա նշանակում է, որ եթե սեղմում եք գազի տվյալ ծավալը N- անգամ, այսինքն ՝ վերջնական ծավալը 1/N է, դրա ճնշումը նույնպես կաճի N- անգամ, ինչպես ՝ P1*V1 = P2*V2 = const:

Լրացուցիչ մանրամասների համար խնդրում ենք ծանոթանալ գազի մասին օրենքների վերաբերյալ Վիքիպեդիայի հոդվածին:

Այսպիսով, սկսած հանգստավայրերից, օրինակ. V1 = 100 մլ և P1 = 1000 hPa, մոտ 66 մլ սեղմում (այսինքն V2 = V1- ի V/2) 3 -ը կհանգեցնի մոտ 1500 hPa ճնշման (P2 = P1- ի 3/2): Մխոցը 125 մլ -ով քաշելը (5/4 անգամ ծավալը) տալիս է մոտ 800 hPa ճնշում (4/5 ճնշում): Իմ չափումները զարմանալիորեն ճշգրիտ էին նման պարզ սարքի համար:

Բացի այդ, դուք ուղղակի հապտիկ տպավորություն կունենաք, թե որքան ուժ է պահանջվում համեմատաբար փոքր քանակությամբ օդը սեղմելու կամ ընդլայնելու համար:

Բայց մենք կարող ենք նաև որոշ հաշվարկներ կատարել և դրանք փորձնականորեն ստուգել: Ենթադրենք, մենք օդը սեղմում ենք մինչև 1500 hPa, 1000 hPa բազալոմետրիկ ճնշման դեպքում: Այսպիսով, ճնշման տարբերությունը 500 hPa է, կամ 50, 000 Pa: Իմ ներարկիչի համար մխոցի տրամագիծը (դ) կազմում է մոտ 4 սմ կամ 0.04 մետր:

Այժմ կարող եք հաշվարկել մխոցն այդ դիրքում պահելու համար անհրաժեշտ ուժը: Տրված է P = F/A (ureնշումը ուժ է բաժանված տարածքի վրա), կամ փոխակերպված F = P*A: Ուժի SI միավորը «Նյուտոն» կամ N է, «Մետր» կամ մ երկարության համար և «Պասկալ» կամ «Պա» ճնշման համար: 1 Պա 1 քառակուսի մետրի համար է: Կլոր մխոցի համար տարածքը կարելի է հաշվարկել ՝ օգտագործելով A = ((դ/2)^2) * պի, որն իմ ներարկիչի համար տալիս է 0.00125 քառակուսի մետր: Այսպիսով, 50, 000 Պա * 0.00125 մ^2 = 63 Ն. Երկրի վրա 1 Ն -ը փոխկապակցված է 100 գր քաշի հետ, այնպես որ 63 N- ը հավասար է 6,3 կգ քաշ պահելուն:

Այսպիսով, հեշտ կլիներ կառուցել մի տեսակ մասշտաբ ՝ հիմնված ճնշման չափումների վրա:

Քանի որ ջերմաստիճանի տվիչը չափազանց զգայուն է, կարելի է նույնիսկ տեսնել սեղմման ազդեցությունը ջերմաստիճանի վրա: Ենթադրում եմ, որ եթե օգտագործեիք BME280 սենսորը, որը նույնպես կարող է խոնավության չափումներ կատարել, կարող եք նույնիսկ տեսնել ճնշման ազդեցությունը հարաբերական խոնավության վրա:

Arduino IDE- ի սերիական գծապատկերը թույլ է տալիս գեղեցիկ ցուցադրել ճնշման փոփոխությունները իրական ժամանակում, սակայն առկա են նաև այլ, ավելի մշակված լուծումներ, օրինակ. մշակման լեզվով:

Կրթական նպատակներից բացի, համակարգը կարող է օգտագործվել նաև իրական աշխարհի որոշ ծրագրերի համար, քանի որ այն թույլ է տալիս քանակականորեն չափել այն ուժերը, որոնք փորձում են մխոցիչը այս կամ այն կերպ շարժել: Այսպիսով, դուք կարող եք չափել մխոցի վրա տեղադրված քաշը կամ մխոցիչի վրա հարվածի ուժը, կամ կառուցել անջատիչ, որն ակտիվացնում է լույսը կամ բզզոցը կամ հնչում է ձայնը որոշակի շեմի արժեքի հասնելուց հետո: Կամ դուք կարող եք կառուցել երաժշտական գործիք, որը փոխում է հաճախականությունը ՝ կախված մխոցիչի նկատմամբ կիրառվող ուժի ուժից:

Քայլ 4: Սցենարը

Այստեղ ավելացված սցենարը Banggood կայքում հայտնաբերված BME280 սցենարի փոփոխություն է: Ես պարզապես օպտիմալացրել եմ Serial.print- ի պատվերները, որպեսզի թույլ տամ դրանք ավելի լավ ցուցադրել Arduino IDE սերիական գծագրիչում:

Adafruit սցենարը ավելի գեղեցիկ տեսք ունի, բայց դրա համար անհրաժեշտ են որոշ գրադարաններ և այն չի ճանաչում Banggood սենսորը: