Peranti Pengukuran Tekanan Mudah untuk Tujuan Pendidikan: 4 Langkah

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

Di bawah ini anda dapati petunjuk bangunan untuk peranti yang sangat mudah dan senang dibina untuk dimainkan dengan ukuran tekanan. Ini mungkin dapat digunakan untuk sekolah atau Proyek terkait STEM lain mengenai undang-undang gas, tetapi juga dapat disesuaikan untuk diintegrasikan ke dalam perangkat lain untuk mengukur kekuatan atau berat. Walaupun terdapat sebilangan besar pelarian sensor untuk pengukuran tekanan yang tersedia hari ini, saya tidak mempunyai alat yang mudah dan murah untuk bermain dengan sensor ini dan menggunakannya untuk tujuan pendidikan. Konstruk saya pada dasarnya terdiri daripada jarum suntik plastik besar dan pelarian sensor diletakkan bahagian dalam picagari. Breakout disambungkan ke mikrokontroler dengan sekumpulan kabel yang melalui saluran jarum suntikan. Outlet jarum suntik ditutup kedap udara menggunakan lem panas, atau beberapa kaedah lain, mengakibatkan jumlah udara yang ditentukan terperangkap di dalam jarum suntik. Sensor kemudian disambungkan ke Arduino, atau mikrokontroler lain. Apabila pelocok jarum suntik digerakkan, isipadu dan tekanan akan berubah. Pengukuran dapat ditunjukkan dalam masa nyata menggunakan monitor bersiri atau plotter bersiri dari Arduino IDE.

Langkah 1: Bahan Yang Digunakan

Jarum suntik kateter plastik 150 atau 250 ml - tersedia melalui internet atau di perkakasan atau kedai taman berhampiran anda dengan harga $ atau Euro. Pelarian sensor tekanan - Saya menggunakan sensor BMP280 (suhu dan tekanan) yang murah yang saya beli di Banggood. Ini adalah penukaran tahap 3V tanpa had, masing-masing dengan harga kurang dari 2 $. Julat pengukuran terletak antara 650 hingga sekitar 1580 hPa. Kabel dan papan roti: Saya menggunakan kabel pelompat panjang untuk menghubungkan pelarian dengan papan roti. Kabel harus sekurang-kurangnya selagi jarum suntik, jika tidak, kabel penyambungan dan pelarian sangat sukar. Pengubah tahap 5 -> 3 V dua arah: diperlukan untuk menyambungkan sensor di atas ke Arduino. Tidak diperlukan jika pelarian sensor anda, mis. sebagai versi Adafruit, sudah ada yang diimplementasikan, atau mikrokontroler anda berfungsi dengan logik 3V. Pengawal mikro: Saya menggunakan versi Arduino Uno, MonkMakesDuino, tetapi mana-mana Arduino yang sesuai harus berfungsi. Malah Micro: bit berfungsi sekiranya anda mengikuti arahan ini dari Adafruit. Lebih lanjut mengenai perkara ini akan dibincangkan dalam arahan yang terpisah.

Pemegang jarum suntik mungkin berguna untuk beberapa aplikasi, tetapi tidak diperlukan. Arduino IDE.

Langkah 2: Perhimpunan dan Permohonan

Sediakan semua bahagian di papan roti anda. Sambungkan mikrokontroler dan pergeseran tahap, jika diperlukan. Sekiranya, tentukan salah satu rel kuasa pada papan roti anda sebagai 5V, yang lain sebagai 3V dan sambungkannya dengan port 5V, 3V dan landasan mikrokontroler masing-masing, kemudian sambungkan port 3V, 5V dan GND pada level shifter. Sekarang sambungkan port SDA (A4) dan SCL (A5) Arduino dengan dua port bukan kuasa dari sisi 5V dari shifter level. Harap maklum bahawa port SDA dan SDA berbeza antara mikrokontroler, jadi sila periksa. Sambungkan sensor anda menggunakan kabel yang akan anda gunakan kemudian dengan pemindah level. SDA dan SCL sensor ke port yang sesuai di sisi 3V dari shifter level, port Vin dan Gnd sensor ke 3V dan arde. Sekiranya anda ingin menggunakan skrip yang disediakan, tidak diperlukan pemasangan perpustakaan lebih jauh ke Arduino IDE. Sekiranya anda lebih suka menggunakan skrip Adafruit BMP280, pasang pustaka BMP280 dan sensor mereka. Muatkan skrip BMP280 dan muat naik ke Arduino. Gunakan Serial Monitor untuk memeriksa sama ada anda menerima data yang munasabah. Jika tidak, periksa sambungan. Sekarang matikan mikrokontroler, dan cabut kabel penyambung sensor dan papan roti. Sekarang masukkan kabel melalui saluran jarum suntikan. Sekiranya anda menggunakan kabel pelompat, mungkin perlu melebarkan saluran keluar, atau memendekkannya sedikit. Pastikan melewati hujung wanita di dalam, satu demi satu. Breakout I2C memerlukan empat kabel, lebih baik menggunakan kabel dalam warna yang berbeza. Kemudian sambungkan semula breakout dan kabel, dan periksa bahawa sambungan berfungsi, seperti di atas. Sekarang gerakkan pelarian ke hujung keluar jarum suntik. Masukkan pelocok dan pindahkan ke posisi tengah, sedikit lebih jauh dari posisi rehat yang dijadualkan. Sambungkan kabel ke papan roti dan periksa apakah sensor berfungsi. Matikan mikrokontroler dan cabut sensor. Tambahkan setetes lem panas ke hujung saluran keluar. Sapu sedikit bahan dengan teliti dan pastikan hujungnya tertutup rapat. Biarkan lem sejuk dan mengendap, kemudian periksa lagi jika kedap udara. Sekiranya diperlukan, tambahkan lebih banyak gam ke lubang yang tinggal. Sambungkan kabel sensor ke papan roti dan mulakan mikrokontroler. Aktifkan Serial Monitor untuk memeriksa apakah sensor menghantar nilai suhu dan tekanan. Dengan menggerakkan pelocok, anda dapat mengubah nilai tekanan. Tetapi juga perhatikan nilai suhu dengan lebih dekat semasa anda menekan atau menekan pelocok.

Tutup Monitor Serial dan buka 'Serial Plotter , gerakkan pelocoknya. Main!

Sekiranya diperlukan, anda boleh membetulkan kelantangan dengan menggunakan sedikit daya ke sisi jarum suntik berhampiran kawasan gasket, membiarkan atau mengeluarkan sedikit udara.

Langkah 3: Hasil dan Tinjauan

Dengan alat yang dijelaskan di sini, anda dapat menunjukkan korelasi pemampatan dan tekanan dalam eksperimen fizik sederhana. Oleh kerana jarum suntik dilengkapi dengan skala, percubaan pengukuran juga mudah dilakukan.

Menurut undang-undang Boyle, [Volume * Tekanan] adalah tetap untuk gas pada suhu tertentu. Ini bermaksud jika anda memampatkan isipadu gas N-kali ganda, iaitu isipadu terakhir adalah 1 / N, tekanannya juga akan naik N-kali lipat, seperti: P1 * V1 = P2 * V2 = konst.

Untuk lebih jelasnya, sila lihat artikel Wikipedia mengenai undang-undang gas.

Jadi bermula pada titik rehat mis. V1 = 100 ml dan P1 = 1000 hPa, pemampatan hingga sekitar 66 ml (iaitu V2 = 2/3 dari V1) akan menghasilkan tekanan sekitar 1500 hPa (P2 = 3/2 dari P1). Menarik pelocok ke 125 ml (kelipatan 5/4 kali ganda) memberikan tekanan sekitar 800 hPa (tekanan 4/5). Pengukuran saya sangat tepat untuk alat yang sederhana.

Di samping itu, anda akan mendapat kesan haptik langsung berapa banyak daya yang diperlukan untuk memampatkan atau mengembangkan udara yang agak kecil.

Tetapi kami juga dapat melakukan beberapa pengiraan dan memeriksanya secara eksperimen. Anggaplah kita memampatkan udara hingga 1500 hPa, pada tekanan barometrik basal 1000 hPa. Jadi perbezaan tekanan adalah 500 hPa, atau 50, 000 Pa. Untuk picagari saya, diameter (d) omboh adalah kira-kira 4 cm atau 0,04 meter.

Sekarang anda boleh mengira daya yang diperlukan untuk menahan omboh pada kedudukan itu. Diberi P = F / A (Tekanan Daya dibahagi dengan Kawasan), atau diubah F = P * A. Unit SI untuk daya adalah "Newton" atau N, untuk panjang "Meter" atau m, dan "Pascal 'atau Pa untuk tekanan. 1 Pa adalah 1N per meter persegi. Untuk omboh bulat, luasnya dapat dikira menggunakan A = ((d / 2) ^ 2) * pi, yang memberikan 0,00125 meter persegi untuk picagari saya. Jadi 50, 000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. Di Bumi, 1 N berkaitan dengan berat 100 gr, jadi 63 N sama dengan menahan berat 6.3 kg.

Oleh itu, senang untuk membina sejenis skala berdasarkan pengukuran tekanan.

Oleh kerana sensor suhu sangat sensitif, seseorang dapat melihat kesan pemampatan pada suhu. Saya menganggap bahawa jika anda menggunakan sensor BME280, yang juga dapat melakukan pengukuran kelembapan, anda mungkin juga melihat kesan tekanan pada kelembapan relatif.

Ploter siri Arduino IDE memungkinkan untuk memperlihatkan perubahan tekanan dengan baik dalam masa nyata, tetapi penyelesaian lain yang lebih terperinci juga tersedia, mis. dalam bahasa Pemprosesan.

Di samping tujuan pendidikan, seseorang juga dapat menggunakan sistem untuk beberapa aplikasi dunia nyata, kerana memungkinkan untuk mengukur kuantitatif kekuatan yang berusaha memindahkan pelocok satu atau lain cara. Oleh itu, anda dapat mengukur berat yang diletakkan pada pelocok atau kekuatan hentakan pada pelocok, atau membina suis yang mengaktifkan lampu atau bel atau memainkan suara setelah nilai ambang tertentu tercapai. Atau anda boleh membina alat muzik yang mengubah frekuensi bergantung pada kekuatan kekuatan yang dikenakan pada pelocok.

Langkah 4: Skrip

Skrip yang saya tambahkan di sini adalah pengubahsuaian skrip BME280 yang terdapat di laman web Banggood. Saya hanya mengoptimumkan pesanan Serial.print untuk memaparkannya dengan lebih baik dalam Arduino IDE Serial Plotter.

Skrip Adafruit kelihatan lebih bagus, tetapi memerlukan beberapa perpustakaan mereka dan tidak mengenali sensor Banggood.