JustAPendulum: Digitalno klatno otvorenog koda: 13 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

JustAPendulum je njihalo otvorenog koda zasnovano na Arduinu koje mjeri i izračunava period oscilacija kako bi pronašao gravitaciono ubrzanje Zemlje (~ 9, 81 m/s²). Sadrži domaći Arduino UNO koji koristi USB-serijski adapter za komunikaciju s vašim računarom. JustAPendulum je vrlo precizan i ima pratioca (napisanog u Visual Basicu. NET) koji će vam u stvarnom vremenu pokazati položaj mase i tablicu i grafikon sa svim prethodnim mjerama. Potpuno laserski rezano i domaće izrade, vrlo je jednostavno za upotrebu: samo pritisnite dugme i pustite da masa padne, a ploča će sve izračunati. Idealno za testove na satovima fizike!

Glavna stranica projekta: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Učinite to sami vodičem

YouTube video

Korak 1: Fizika iza toga

Ovo su sve formule koje se koriste u JustAPendulum -u. Neću ih demonstrirati, ali ako ste znatiželjni, ove podatke je lako pronaći u svakoj knjizi o fizici. Za izračunavanje gravitacijskog ubrzanja Zemlje, klatno jednostavno mjeri period oscilovanja (T), a zatim koristi sljedeću formulu za izračun (g):

a ovaj za izračunavanje apsolutne greške u ubrzanju:

l je dužina žice klatna. Ovaj parametar mora se postaviti iz programa Companion (vidi dolje). 0,01m je greška mjerenja dužine (osjetljivost ravnala se pretpostavlja 1 cm), dok je 0,001s preciznost Arduinovog sata.

Korak 2: Galileo Galilei i ova formula

Ovu je formulu prvi (djelomično) prvi otkrio Galileo Galilei oko 1602. godine, koji je istraživao pravilno kretanje njihala, čineći da se njihala prihvate kao najprecizniji strojevi za mjerenje vremena do 1930. godine kada su izumljeni kvarcni oscilatori, a nakon njih slijede atomski satovi nakon Drugog svjetskog rata. Prema jednom od Galilejevih učenika, Galileo je prisustvovao misi u Pisi kada je primijetio da je vjetar izazvao vrlo lagano kretanje lustera okačenih u katedrali. Neprestano je gledao kretanje lustera i primijetio je da, iako je povjetarac stao, a udaljenost koju je klatno prešlo skratilo se, ipak je vrijeme koje je lusteru bilo potrebno da oscilira ostalo konstantno. Merio je ljuljanje lustera redovitim otkucajima pulsa u zglobu i shvatio da je u pravu: bez obzira na pređenu udaljenost, vreme je uvek bilo isto. Nakon više mjerenja i studija, otkrio je to

Dva puta π, kao u prethodnoj jednadžbi, pretvara proporcionalni izraz u pravu jednadžbu - ali to uključuje matematičku strategiju koju Galileo nije imao.

Korak 3: Upotreba

Imajte na umu da se prije upotrebe digitalni klatni senzori moraju kalibrirati i prilagoditi duljina žice. Stavite JustAPendulum ispod klatna (preporučuje se visina od najmanje 1 m) i pazite da masa zamagljuje sva tri senzora pri osciliranju. Senzori bolje rade u uvjetima slabog osvjetljenja, pa isključite svjetla. Uključite ploču. Pojaviće se ekran „Spreman“. Evo strukture menija:

• Lijevo dugme: za početak mjerenja, stavite kuglu udesno i pritisnite dugme. Arduino automatski detektira položaj lopte i počinje.

  • Prikazuje se “Starting … o.p.: x ms”

    • Lijevo: izračunajte ubrzanje gravitacije

    • Desno: povratak na glavni ekran

• Desno dugme: prikaži konfiguraciju

  • Tačno: da
  • Lijevo: ne

Korak 4: Saputnik

Pratitelj JustAPenduluma je program Visual Basic. NET (napisan u Visual Studio 2015) koji omogućava korisniku da nadzire klatno u realnom vremenu sa računara. Prikazuje posljednje vrijednosti i greške, ima tablice i grafikone za prikaz prošlih mjera i ima alate za kalibraciju senzora i za postavljanje duljine žice. Povijest se također može izvesti u Excel.

Preuzmite ga ovdje

Korak 5: Kalibracija senzora

Idite na karticu Napredno, uključite „ADC monitor“i promatrajte kako se prikazane vrijednosti mijenjaju ovisno o položaju loptice. Pokušajte saznati prihvatljiv prag: ispod će značiti da nema mase između detektora, dok će iznad označavati da masa prolazi između njih. Ako se vrijednosti ne promijene, možda u prostoriji ima previše svjetla, pa ugasite lampe. Zatim pritisnite dugme "Ručna kalibracija". U okvir za tekst upišite prag koji ste odlučili i pritisnite enter.

Korak 6: Promjena dužine žice

Za podešavanje dužine žice pritisnite dugme “Length length” i unesite vrijednost. Zatim postavite pogrešku mjerenja: ako ste je mjerili mjernom trakom, osjetljivost bi trebala biti 1 mm. Sve vrijednosti bit će pohranjene u memoriji mikrokontrolera ATmega328P.

Korak 7: Laserska kutija za rezanje

Izrežite ovu strukturu od šperploče (debljine 4 mm) laserom za rezanje, zatim je sastavite, stavite komponente na ploče i popravite ih ekserima i vinilnim ljepilom. Preuzmite DXF/DWG datoteke pri dnu ove stranice (dizajnirano sa AutoCAD -om 2016).

Korak 8: Struktura

Ako nemate klatno, možete ga sami napraviti polazeći od ovog primjera (točna je kopija onog koji sam napravio). Dovoljan je komad šperploče od 27, 5 · 16 · 1 cm, udlaga od 5 · 27, 5 · 2 cm i šipka. Zatim upotrijebite prstenje, ribarsku žicu i loptu za dovršetak njihala.

AutoCAD projekat

Korak 9: Misa

Nisam imao željeznu masu (bilo bi bolje, naravno), pa sam napravio loptu s 3D printerom i dodao prsten da je objesim na žicu. Što je teži i tanji (vidi satove sa klatnom: masa je ravna kako bi se izbjeglo trenje sa zrakom), duže će oscilirati.

Preuzimanje 3D loptice

Korak 10: PCB

Ovo je jeftiniji način za stvaranje domaće PCB-a koristeći samo jeftine stvari:

• Laserski štampač (600 dpi ili bolji)
• Foto papir
• Prazna ploča
• Murijatična kiselina (> 10% HCl)
• Vodikov peroksid (10% rastvor)
• Pegla za odeću
• Aceton
• Čelična vuna
• Zaštitne naočare i rukavice
• Soda bikarbona
• Sirće
• Papirni ubrus

Prvi korak je čišćenje praznog PCB -a čeličnom vunom i vodom. Ako se čini da je bakar oksidirao, prije toga ga operite octom. Zatim pročistite bakrenu stranu papirnatim ubrusom natopljenim acetonom kako biste uklonili preostalu prljavštinu. Precizno protrljajte svaki dio ploče. Ne dodirujte bakar rukama!

Odštampajte datoteku PCB.pdf na dnu ove stranice pomoću laserskog štampača i ne dodirujte je prstima. Izrežite je, poravnajte sliku na bakrenoj strani i pritisnite je peglom za odjeću (mora biti vruća, ali bez pare) oko pet minuta. Pustite da se ohladi sa svim papirom, a zatim uklonite papir vrlo polako i pažljivo pod vodom. Ako nema tonera na bakru, ponovite postupak; Upotrijebite mali trajni marker da popravite neke veze koje nedostaju.

Sada je vrijeme da upotrijebite kiselinu za nagrizanje PCB -a. U plastičnu kutiju stavite tri čaše muriatne kiseline i jednu vodikovog peroksida; možete pokušati s jednakim količinama za snažnije graviranje. Stavite PCB u rastvor (obratite pažnju na ruke i oči) i sačekajte desetak minuta. Kad je jetkanje završeno, uklonite ploču iz otopine i operite je pod vodom. Stavite dvije žlice natrij bikarbonata u kiselinu da neutralizira otopinu i bacite je u WC (ili je odnesite u centar za sakupljanje otpada).

Korak 11: Elektronika

Potrebni delovi:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondenzatora
• 3x 100 uF kondenzatora
• 2x 1N4148 diode
• 7805TV regulator napona
• 6x 10K otpornici
• 2x 220R otpornici
• Kristalni oscilator od 16 MHz
• Pinheads
• USB-serijski adapter
• 940nm bočni infracrveni odašiljači i IC detektori (kupio sam ih od Sparkfuna)
• 9V baterija i držač baterije
• 16x2 LCD ekran
• 2 dugmeta
• Potenciometar i trimer
• Žice, žice i žice

Sada kada ste kupili i prikupili komponente, odaberite lemilicu i sve ih zalemite! Zatim pričvrstite PCB u kutiju, spojite sve žice na LCD, USB-serijski adapter, potenciometar i trimer (za svjetlinu ekrana i kontrast). Pogledajte shemu, model PCB -a u prethodnom koraku i Eagle CAD datoteke pri dnu ove stranice kako biste pravilno postavili sve dijelove i žice.

Eagle CAD projekat

Korak 12: Senzori

Dodajte senzore kao što je prikazano na slikama, a zatim napravite neke kape (koristio sam ih rotacijskim alatom za graviranje od drvene udlage) da ih pokrijem i zaštitim. Zatim ih spojite na glavnu ploču.

Korak 13: Spremni ste

Počnite ga koristiti! Uživajte!