JustAPendulum: Pendulum Digital sumber terbuka: 13 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

JustAPendulum adalah pendulum sumber terbuka yang berpusat di Arduino yang mengukur dan menghitung masa ayunan untuk mencari pecutan graviti Bumi (~ 9, 81 m / s²). Ia mengandungi Arduino UNO buatan sendiri yang menggunakan penyesuai USB-ke-siri untuk berkomunikasi dengan komputer anda. JustAPendulum sangat tepat dan mempunyai pendamping (ditulis dalam Visual Basic. NET) yang, dalam masa nyata, akan menunjukkan kepada anda kedudukan jisim dan jadual serta grafik dengan semua langkah sebelumnya. Potong laser sepenuhnya dan buatan sendiri, sangat mudah digunakan: tekan sahaja butang dan biarkan jisim jatuh dan papan akan mengira semuanya. Sangat sesuai untuk ujian di kelas fizik!

Halaman utama projek: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Menjadikannya sebagai panduan sendiri

Video YouTube

Langkah 1: Fizik di Sebalik itu

Ini semua formula yang digunakan di JustAPendulum. Saya tidak akan menunjukkannya, tetapi jika anda ingin tahu, maklumat ini mudah dijumpai di setiap buku fizik. Untuk mengira pecutan graviti Bumi, bandul hanya mengukur masa ayunan (T), kemudian menggunakan formula berikut untuk mengira (g):

dan ini untuk mengira kesalahan mutlak pada pecutan:

l ialah panjang wayar bandul. Parameter ini mesti ditetapkan dari program Companion (lihat di bawah). 0,01m adalah kesalahan pengukuran panjang (kepekaan penguasa diandaikan 1 cm), sementara 0,001s adalah ketepatan jam Arduino.

Langkah 2: Galileo Galilei dan Formula Ini

Rumus ini pertama kali (sebagian) ditemukan oleh Galileo Galilei sekitar tahun 1602, yang menyelidiki pergerakan bandul biasa, membuat pendulum diadopsi sebagai mesin pencatat waktu yang paling tepat hingga tahun 1930 ketika pengayun kuarza diciptakan, diikuti oleh jam atom setelah Perang Dunia 2. Menurut salah seorang pelajar Galileo, Galileo menghadiri Misa di Pisa ketika dia melihat bahawa angin menyebabkan pergerakan lampu gantung yang sangat kecil di katedral. Dia terus melihat pergerakan candelier dan dia perhatikan bahawa walaupun angin berhenti dan jarak bolak-balik yang dilakukan oleh pendulum semakin pendek, namun masa yang diperlukan candelier untuk membuat ayunan kelihatan tetap berterusan. Dia mengira waktu mengayunkan candelier dengan denyutan nadi biasa di pergelangan tangannya dan menyedari dia betul: tidak kira jarak yang dilalui, masa yang diperlukan selalu sama. Setelah lebih banyak pengukuran dan kajian, dia kemudian mengetahui bahawa

Dua kali π, seperti pada persamaan sebelumnya, mengubah ungkapan berkadar menjadi persamaan yang benar - tetapi itu melibatkan stratagem matematik yang belum dimiliki oleh Galileo.

Langkah 3: Penggunaan

Harap maklum bahawa sebelum menggunakan pendulum digital sensor mesti dikalibrasi dan panjang wayar disesuaikan. Letakkan JustAPendulum di bawah pendulum (disyorkan setinggi minimum 1m) dan pastikan jisimnya mengaburkan ketiga-tiga sensor ketika berayun. Sensor berfungsi lebih baik dalam keadaan cahaya rendah, jadi matikan lampu. Hidupkan papan. Skrin "Siap" akan muncul. Inilah struktur menu:

• Butang kiri: untuk memulakan pengukuran, letakkan bola ke kanan dan tekan butang. Arduino secara automatik mengesan kedudukan bola dan bermula.

  • "Bermula … o.p.: x ms" dipaparkan

    • Kiri: hitung pecutan graviti
    • Kanan: kembali ke skrin utama

• Butang kanan: menunjukkan konfigurasi

  • Betul: ya
  • Kiri: tidak

Langkah 4: Sahabat

Rakan JustAPendulum adalah program Visual Basic. NET (ditulis dalam Visual Studio 2015) yang membolehkan pengguna memantau bandul secara real-time dari komputer. Ini memaparkan nilai dan kesalahan terakhir, memiliki tabel dan grafik untuk menunjukkan ukuran masa lalu dan mempunyai alat untuk menentukur sensor dan mengatur panjang wayar. Sejarah juga boleh dieksport ke Excel.

Muat turunnya di sini

Langkah 5: Mengkalibrasi Sensor

Pergi ke tab Advanced, hidupkan "ADC monitor" dan perhatikan bagaimana nilai yang ditunjukkan berubah bergantung pada posisi bola. Cuba cari ambang yang boleh diterima: di bawah ini tidak bermaksud jisim antara pengesan, sementara di atas itu akan menunjukkan bahawa jisim melintas di antara mereka. Sekiranya nilai tidak berubah, mungkin terlalu banyak cahaya di dalam bilik, jadi matikan lampu. Kemudian, tekan butang "Kalibrasi manual". Tulis di kotak teks ambang yang anda putuskan dan tekan enter.

Langkah 6: Menukar Panjang Kawat

Untuk menyesuaikan panjang wayar tekan butang "Panjang wayar" dan masukkan nilainya. Kemudian tetapkan ralat pengukuran: jika anda mengukurnya dengan pita ukur kepekaan harus 1 mm. Semua nilai akan disimpan dalam memori mikrokontroler ATmega328P.

Langkah 7: Kotak Potong Laser

Potong struktur ini dari papan lapis (setebal 4 mm) dengan mesin potong laser, kemudian pasangkannya, letakkan komponen pada panel dan pasangkannya dengan beberapa paku dan gam vinilik. Muat turun fail DXF / DWG di bahagian bawah halaman ini (direka dengan AutoCAD 2016).

Langkah 8: Strukturnya

Sekiranya anda tidak mempunyai bandul, anda boleh membuatnya sendiri bermula dari contoh ini (ini adalah salinan tepat dari yang saya buat). Papan lapis berukuran 27, 5 · 16 · 1 cm, serpihan 5 · 27, 5 · 2 cm dan batang sudah cukup. Kemudian gunakan cincin, tali pancing dan bola untuk menyelesaikan bandul.

Projek AutoCAD

Langkah 9: Misa

Saya tidak mempunyai jisim besi (tentu saja lebih baik), jadi saya membuat bola dengan pencetak 3D dan saya menambahkan cincin untuk menggantungnya ke wayar. Lebih berat dan nipis (lihat jam bandul: jisimnya rata untuk mengelakkan geseran dengan udara), semakin lama ia akan berayun.

Muat turun bola 3D

Langkah 10: PCB

Ini adalah kaedah yang lebih murah untuk membuat PCB buatan sendiri dengan hanya menggunakan barang kos rendah:

• Pencetak laser (600 dpi atau lebih baik)
• Kertas gambar
• Papan litar kosong
• Asid muriatik (> 10% HCl)
• Hidrogen peroksida (larutan 10%)
• Seterika pakaian
• Aseton
• Bulu keluli
• Kacamata keselamatan dan sarung tangan
• Natrium bikarbonat
• Cuka
• Tuala kertas

Langkah pertama ialah membersihkan PCB kosong dengan bulu keluli dan air. Sekiranya tembaga kelihatan sedikit teroksidasi, anda harus mencucinya dengan cuka sebelum ini. Kemudian, gosokkan bahagian tembaga dengan tuala kertas yang direndam dalam aseton untuk menghilangkan kotoran yang tersisa. Gosokkan setiap bahagian papan dengan tepat. Jangan sentuh tembaga dengan tangan!

Cetak fail PCB.pdf di bahagian bawah halaman ini menggunakan pencetak laser dan jangan menyentuhnya dengan jari. Potong, sejajarkan gambar di sisi tembaga dan tekan dengan besi pakaian (mesti panas tetapi tanpa wap) selama kira-kira lima minit. Biarkan sejuk dengan semua kertas, kemudian keluarkan kertas dengan perlahan dan berhati-hati di bawah air. Sekiranya tidak ada toner pada tembaga, ulangi prosedur; Gunakan penanda kekal kecil untuk memperbaiki beberapa sambungan yang hilang.

Kini tiba masanya untuk menggunakan asid untuk membentuk PCB. Dalam kotak plastik letakkan tiga gelas asid muriatik dan satu hidrogen peroksida; anda juga boleh mencuba dengan jumlah yang sama untuk etsa yang lebih kuat. Masukkan PCB ke dalam larutan (perhatikan tangan dan mata anda) dan tunggu sekitar sepuluh minit. Apabila pengukiran selesai, keluarkan papan dari larutan dan basuh di bawah air. Masukkan dua sudu natrium bikarbonat ke dalam asid untuk meneutralkan larutan dan buang ke WC (atau bawa ke pusat pengumpulan sisa).

Langkah 11: Elektronik

Bahagian yang diperlukan:

• ATMEGA328P MCU
• Kapasitor 2x 22 pF
• Kapasitor 3x 100 uF
• 2x 1N4148 dioda
• Pengatur voltan 7805TV
• Perintang 6x 10K
• Perintang 2x 220R
• Pengayun kristal 16 MHz
• Kepingan kepala
• Penyesuai USB ke siri
• Pemancar inframerah 940nm dan pengesan IR (saya membelinya dari Sparkfun)
• Bateri 9V dan pemegang bateri
• Skrin LCD 16x2
• 2 butang
• Potensiometer dan perapi
• Wayar, wayar dan wayar

Sekarang setelah anda membeli dan mengumpulkan komponennya, pilih solder dan solder semuanya! Kemudian pasangkan PCB di dalam kotak, sambungkan semua wayar ke LCD, penyesuai USB-ke-siri, potensiometer dan perapi (untuk kecerahan dan kontras paparan). Lihat skema, model PCB pada langkah sebelumnya dan fail Eagle CAD di bahagian bawah halaman ini untuk meletakkan semua bahagian dan wayar dengan betul.

Projek CAD Eagle

Langkah 12: Sensor

Tambahkan sensor seperti yang ditunjukkan dalam gambar, kemudian buat beberapa penutup (saya menggunakan alat putar untuk mengukirnya dari serpihan kayu) untuk menutup dan melindunginya. Kemudian sambungkannya ke papan utama.

Langkah 13: Anda Sedia

Mula menggunakannya! Selamat mencuba!