JustAPendulum: Avoimen lähdekoodin digitaalinen heiluri: 13 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

JustAPendulum on Arduino-pohjainen avoimen lähdekoodin heiluri, joka mittaa ja laskee värähtelyjakson löytääkseen maapallon painovoimaisen kiihtyvyyden (~ 9, 81 m/s²). Se sisältää kotitekoisen Arduino UNO: n, joka käyttää USB-sarja-sovitinta kommunikoidakseen tietokoneesi kanssa. JustAPendulum on erittäin tarkka ja siinä on kumppani (kirjoitettu Visual Basic. NET -versiossa), joka näyttää reaaliajassa massan sijainnin ja taulukon ja kaavion, jossa on kaikki ennakkotiedot. Täysin laserleikattu ja kotitekoinen, se on erittäin helppokäyttöinen: paina vain painiketta ja anna massan pudota ja lauta laskee kaiken. Ihanteellinen fysiikan luokkien testeihin!

Projektin pääsivu: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Tee siitä itse opas

YouTube -video

Vaihe 1: Fysiikka sen takana

Nämä ovat kaikki JustAPendulumissa käytetyt kaavat. En aio näyttää niitä, mutta jos olet utelias, tämä tieto on helppo löytää jokaisesta fysiikan kirjasta. Maapallon painovoimaisen kiihtyvyyden laskemiseksi heiluri yksinkertaisesti mittaa värähtelyjakson (T) ja laskee sitten seuraavan kaavan (g):

ja tämä laskea kiihtyvyyden absoluuttinen virhe:

l on heilurin langan pituus. Tämä parametri on asetettava Companion -ohjelmasta (katso alla). 0,01 m on pituuden mittausvirhe (hallitsijan herkkyyden oletetaan olevan 1 cm), kun taas 0,001 s on Arduinon kellon tarkkuus.

Vaihe 2: Galileo Galilei ja tämä kaava

Tämän kaavan löysi ensimmäisen kerran (osittain) Galileo Galilei noin vuonna 1602, joka tutki heilurien säännöllistä liikettä, jolloin heilurit otettiin käyttöön tarkimpina kellonaikoina vuoteen 1930 asti, jolloin keksittiin kvartsioskillaattoreita, joita seurasivat atomikellot toisen maailmansodan jälkeen. Erään Galileon oppilaan mukaan Galileo osallistui messuun Pisaan, kun hän huomasi tuulen aiheuttaneen lievän liikkeen katedraaliin ripustetusta kattokruunusta. Hän katsoi kattokruunun liikettä ja huomasi, että vaikka tuuli lakkasi ja heilurin edestakainen matka lyhentyi, kattokruunun värähtelyn aika näytti kuitenkin pysyvän vakiona. Hän ajoitti kattokruunun heilutusta säännöllisesti lyömällä pulssia ranteessaan ja tajusi olevansa oikeassa: kulkuneesta etäisyydestä riippumatta kulunut aika oli aina sama. Useiden mittausten ja tutkimusten jälkeen hän huomasi sen

Kaksi kertaa π, kuten edellisessä yhtälössä, tekee suhteellisesta lausekkeesta todellisen yhtälön - mutta siihen liittyy matemaattinen kiusaus, jota Galileo ei ollut saanut.

Vaihe 3: Käyttö

Huomaa, että ennen digitaalisten heilurianturien käyttöä on kalibroitava ja langan pituus säädettävä. Aseta JustAPendulum heilurin alle (suositus vähintään 1 m korkea) ja varmista, että massa peittää kaikki kolme anturia värähtelyssä. Anturit toimivat paremmin hämärässä, joten sammuta valot. Kytke levy päälle. "Valmis" -näyttö tulee näkyviin. Tässä on valikkorakenne:

• Vasen painike: Aloita mittaukset asettamalla pallo oikealle ja painamalla painiketta. Arduino tunnistaa automaattisesti pallon asennon ja käynnistyy.

  • Näytetään ilmoitus “Starting… o.p.: x ms”

    • Vasen: laske painovoiman kiihtyvyys

    • Oikea: takaisin päänäyttöön

• Oikea painike: näytä kokoonpano

  • Oikea: kyllä
  • Vasen: ei

Vaihe 4: Kumppani

JustAPendulumin kumppani on Visual Basic. NET (kirjoitettu Visual Studio 2015) -ohjelma, jonka avulla käyttäjä voi seurata heiluria reaaliajassa tietokoneelta. Se näyttää viimeiset arvot ja virheet, sisältää taulukoita ja kaavioita menneiden mittausten näyttämiseksi ja työkaluja antureiden kalibroimiseksi ja langan pituuden asettamiseksi. Historia voidaan myös viedä Exceliin.

Lataa se tästä

Vaihe 5: Anturien kalibrointi

Siirry Lisäasetukset -välilehteen, kytke ADC -monitori päälle ja seuraa, kuinka näytetyt arvot muuttuvat pallon sijainnin mukaan. Yritä selvittää hyväksyttävä kynnys: sen alapuolella ei ole massaa ilmaisimien välillä, kun taas yläpuolella se osoittaa, että massa kulkee niiden välillä. Jos arvot eivät muutu, huoneessa on ehkä liian paljon valoa, joten sammuta lamput. Paina sitten "Manuaalinen kalibrointi" -painiketta. Kirjoita tekstikenttään valitsemasi raja ja paina enter.

Vaihe 6: Vaijerin pituuden muuttaminen

Säädä langan pituutta painamalla”Langan pituus” -painiketta ja syötä arvo. Aseta sitten mittausvirhe: jos mittasit mittanauhalla, herkkyyden tulisi olla 1 mm. Kaikki arvot tallennetaan ATmega328P -mikrokontrollerin muistiin.

Vaihe 7: Laserleikkauslaatikko

Leikkaa tämä rakenne vanerista (4 mm paksu) laserleikkauskoneella ja kiinnitä se, aseta osat paneeleille ja kiinnitä ne nauloilla ja vinyyliliimalla. Lataa DXF/DWG -tiedostot tämän sivun alareunasta (suunniteltu AutoCAD 2016 -ohjelmalla).

Vaihe 8: Rakenne

Jos sinulla ei ole heiluria, voit tehdä sen itse tästä esimerkistä (se on tarkka kopio tekemästäni). 27, 5 · 16 · 1 cm vaneripala, 5,27, 5,2 cm lastat ja sauva riittää. Käytä sitten renkaita, kalastuslankaa ja palloa heilurin viimeistelyyn.

AutoCAD -projekti

Vaihe 9: Messu

Minulla ei ollut rautamassaa (olisi tietysti parempi), joten tein pallon 3D -tulostimella ja lisäsin renkaan ripustamaan sen lankaan. Mitä raskaampi ja ohuempi se on (katso heilurikellot: massa on tasainen, jotta vältytään kitkalta ilmassa), sitä kauemmin se värähtelee.

3D -pallon lataus

Vaihe 10: Piirilevy

Tämä on halvempi tapa luoda kotitekoinen piirilevy käyttämällä vain edullisia tavaroita:

• Lasertulostin (600 dpi tai parempi)
• valokuvapaperi
• Tyhjä piirilevy
• Muriatic acid (> 10% HCl)
• Vetyperoksidi (10% liuos)
• Silitysrauta
• Asetoni
• Teräsvilla
• Suojalasit ja käsineet
• Natriumbikarbonaatti
• Etikka
• Paperipyyhe

Ensimmäinen vaihe on aihion PCB puhdistaminen teräsvillalla ja vedellä. Jos kupari näyttää hieman hapettuneelta, se on pestävä etikalla. Pese sitten kuparin puoli asetonilla kostutetulla paperipyyhkeellä jäljellä olevan lian poistamiseksi. Hiero kaikki levyn osat tarkasti. Älä koske kupariin käsin!

Tulosta PCB.pdf -tiedosto tämän sivun alareunaan lasertulostimella äläkä kosketa sitä sormilla. Leikkaa se, kohdista kuva kuparin puolelle ja paina sitä vaateraudalla (sen on oltava kuuma, mutta ilman höyryä) noin viisi minuuttia. Anna sen jäähtyä kaiken paperin kanssa ja poista paperi hyvin hitaasti ja varovasti veden alla. Jos kuparissa ei ole väriainetta, toista toimenpide; Käytä pieniä pysyviä merkkejä korjaamaan puuttuvat liitännät.

Nyt on aika käyttää happoa PCB: n etsaamiseen. Laita muovilaatikkoon kolme lasillista muriatiinihappoa ja yksi vetyperoksidia; Voit myös kokeilla yhtä suurella määrällä tehokkaampaa etsausta. Laita piirilevy liuokseen (kiinnitä huomiota käsiin ja silmiin) ja odota noin kymmenen minuuttia. Kun syövytys on valmis, poista levy liuoksesta ja pese veden alla. Laita kaksi lusikkaa natriumbikarbonaattia happoon neutraloimaan liuos ja heitä se WC: hen (tai vie se jätteenkeräyspisteeseen).

Vaihe 11: Elektroniikka

Tarvittavat osat:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensaattorit
• 3x 100 uF kondensaattorit
• 2x 1N4148 diodia
• 7805TV jännitteen säädin
• 6x 10K vastukset
• 2x 220R vastukset
• 16 MHz kideoskillaattori
• Pinheads
• USB-sarja-sovitin
• 940nm sivusuuntaiset infrapunasäteilijät ja IR-ilmaisimet (ostin nämä Sparkfunilta)
• 9V paristo ja paristopidike
• 16x2 LCD -näyttö
• 2 painiketta
• Potentiometri ja trimmeri
• Johdot, johdot ja johdot

Nyt kun olet ostanut ja kerännyt komponentit, valitse juotos ja juota ne kaikki! Kiinnitä sitten piirilevy pakkaukseen, kytke kaikki johdot nestekidenäyttöön, USB-sarja-sovittimeen, potentiometriin ja trimmeriin (näytön kirkkauden ja kontrastin takaamiseksi). Katso kaaviosta, PCB -mallista edellisessä vaiheessa ja Eagle CAD -tiedostoista tämän sivun alareunassa kaikkien osien ja johtojen sijoittamiseksi oikein.

Eagle CAD -projekti

Vaihe 12: Anturit

Lisää anturit kuvien osoittamalla tavalla ja tee sitten muutamia korkkeja (käytin pyörivää työkalua kaivertamaan ne puulahasta) peittämään ja suojaamaan niitä. Liitä ne sitten emolevyyn.

Vaihe 13: Olet valmis

Aloita sen käyttö! Nauttia!