Paprastas slėgio matavimo prietaisas edukaciniams tikslams: 4 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Žemiau rasite labai paprasto ir lengvai pagaminamo prietaiso, skirto žaisti su slėgio matavimais, statybos instrukcijas. Jis gali būti naudojamas mokykloms ar kitiems su STEM susijusiems dujų įstatymų projektams, tačiau taip pat gali būti pritaikytas integruoti į kitus prietaisus jėgai ar svoriui matuoti. Nors šiomis dienomis yra daug slėgio matavimo jutiklių, man trūko paprasto ir pigaus prietaiso žaisti su šiais jutikliais ir naudoti juos edukaciniais tikslais. Mano konstrukcija iš esmės susideda iš didelio plastikinio švirkšto ir įdėto jutiklio. švirkšto viduje. Pertrauka yra prijungta prie mikrovaldiklio kabelių rinkiniu, einančiu per švirkšto išleidimo angą. Švirkšto išleidimo anga sandariai uždaroma karštais klijais arba kitu būdu, todėl į švirkštą patenka tam tikras oro kiekis. Tada jutiklis prijungiamas prie „Arduino“ar kito mikrovaldiklio. Kai švirkšto stūmoklis judinamas, tūris ir slėgis pasikeis. Matavimai gali būti rodomi realiuoju laiku, naudojant „Arduino IDE“serijinį monitorių arba serijinį braižytuvą.

1 žingsnis: naudojamos medžiagos

150 arba 250 ml plastikinis kateterio švirkštas - prieinamas internete arba šalia esančioje techninės įrangos ar sodo parduotuvėje už kelis dolerius ar eurus. Slėgio jutiklio gedimas - aš naudoju pigų BMP280 (temperatūros ir slėgio) jutiklį, kurį nusipirkau „Banggood“. Tai yra 3 V pertrauka be lygio perjungimo, už mažiau nei 2 USD. Matavimo diapazonas yra nuo 650 iki maždaug 1580 hPa. Kabeliai ir kepimo lenta: Aš naudoju ilgus jungiamus kabelius, kad prijungčiau pertrauką prie lentos. Kabeliai turi būti bent tokio ilgio, kaip švirkštas, kitaip kabelius prijungti ir nutraukti yra labai sunku. Dvipusis 5 -> 3 V lygio perjungiklis: reikalingas aukščiau esančiam jutikliui prijungti prie „Arduino“. Nereikia, jei jūsų jutiklis sugedo, pvz. kaip „Adafruit“versija, ji jau įdiegta, arba jūsų mikrovaldiklis veikia su 3 V logika. Mikrovaldiklis: naudojau „Arduino Uno“, „MonkMakesDuino“versiją, tačiau bet koks su „Arduino“suderinamas turėtų veikti. Net „Micro: bit“veikia, jei laikotės šios „Adafruit“instrukcijos. Daugiau apie tai bus aptarta atskiroje instrukcijoje.

Švirkšto laikiklis gali būti naudingas kai kurioms reikmėms, tačiau nėra būtinas. Arduino IDE.

2 žingsnis: Surinkimas ir pritaikymas

Nustatykite visas dalis ant savo duonos lentos. Jei reikia, prijunkite mikrovaldiklį ir lygio perjungiklį. Jei vieną iš savo maitinimo plokštės maitinimo bėgių nustatote kaip 5 V, kitą - kaip 3 V, ir prijunkite juos prie atitinkamai mikrovaldiklio 5 V, 3 V ir įžeminimo prievadų, tada prijunkite lygio perjungiklio 3 V, 5 V ir GND prievadus. Dabar prijunkite „Arduino“SDA (A4) ir SCL (A5) prievadus prie dviejų maitinimo šaltinio jungiklių, kurių maitinimo šaltinis yra 5 V pusės. Atminkite, kad SDA ir SDA prievadai skirtinguose mikrovaldikliuose skiriasi, todėl patikrinkite, ar jūsų. Prijunkite jutiklį prie kabelių, kuriuos vėliau naudosite su lygio perjungikliu. Jutiklio SDA ir SCL į atitinkamus prievadus lygio perjungiklio 3 V pusėje, „Vin“ir „Gnd“prievadus prie 3 V ir žemės. Jei norite naudoti pateiktą scenarijų, nereikia įdiegti kitų bibliotekų į „Arduino IDE“. Jei norite naudoti „Adafruit BMP280“scenarijų, įdiekite jų BMP280 ir jutiklių bibliotekas. Įkelkite BMP280 scenarijų ir įkelkite jį į „Arduino“. Naudodami „Serial Monitor“patikrinkite, ar gaunate pagrįstų duomenų. Jei ne, patikrinkite jungtis. Dabar išjunkite mikrovaldiklį ir atjunkite kabelius, jungiančius jutiklį ir duonos lentą. Dabar perkiškite kabelius per švirkšto išleidimo angą. Jei naudojate trumpiklius, gali tekti praplėsti arba šiek tiek sutrumpinti išleidimo angą. Įsitikinkite, kad moteriški galai vienas po kito praeina viduje. „I2C“jungčiai reikia keturių kabelių, pageidautina naudoti skirtingų spalvų. Tada vėl prijunkite pertrauką ir kabelius ir patikrinkite, ar jungtys veikia, kaip nurodyta aukščiau. Dabar perkelkite pertrauką į švirkšto išleidimo galą. Įdėkite stūmoklį ir perkelkite jį į centrinę padėtį, šiek tiek toliau nei planuota poilsio padėtis. Prijunkite kabelius prie duonos lentos ir patikrinkite, ar jutiklis veikia. Išjunkite mikrovaldiklį ir atjunkite jutiklį. Prie išleidimo angos galo įpilkite didelį lašą karštų klijų. Atsargiai įsiurbkite šiek tiek medžiagos ir įsitikinkite, kad galas sandariai uždarytas. Leiskite klijams atvėsti ir nusistovėti, tada dar kartą patikrinkite, ar jie nepralaidūs orui. Jei reikia, į likusias skyles įpilkite dar šiek tiek klijų. Prijunkite jutiklio kabelius prie duonos lentos ir paleiskite mikrovaldiklį. Įjunkite serijinį monitorių, kad patikrintumėte, ar jutiklis siunčia temperatūros ir slėgio vertes. Judindami stūmoklį galite pakeisti slėgio vertes. Bet taip pat atidžiau pažvelkite į temperatūros vertes, kai stumiate arba spaudžiate stūmoklį.

Uždarykite serijinį monitorių ir atidarykite „Serial Plotter“, judinkite stūmoklį.

Jei reikia, galite koreguoti tūrį, šiek tiek priversdami švirkšto šonus šalia tarpiklio srities, įleisdami arba išleisdami šiek tiek oro.

3 veiksmas: rezultatai ir „Outlook“

Naudodami čia aprašytą prietaisą, galite parodyti suspaudimo ir slėgio koreliaciją paprastu fizikos eksperimentu. Kadangi švirkšte yra skalė, net ir kiekybinius eksperimentus lengva atlikti.

Pagal Boyle'o įstatymą, [tūris * slėgis] yra pastovus dujoms esant tam tikrai temperatūrai. Tai reiškia, kad jei suspaudžiate tam tikrą dujų tūrį N-kartus, t. Y. Galutinis tūris yra 1/N, jo slėgis taip pat padidės N-kartų, pvz.:

Norėdami gauti daugiau informacijos, žiūrėkite „Wikipedia“straipsnį apie dujų įstatymus.

Taigi pradedant nuo poilsio vietų, pvz. V1 = 100 ml ir P1 = 1000 hPa, suspaudus iki maždaug 66 ml (t. Y. V2 = 2/3 V1), slėgis bus apie 1500 hPa (P2 = 3/2 P1). Patraukus stūmoklį iki 125 ml (5/4 karto tūris), slėgis yra apie 800 hPa (4/5 slėgio). Mano matavimai buvo stebėtinai tikslūs tokiam paprastam prietaisui.

Be to, turėsite tiesioginį haptic įspūdį, kiek jėgų reikia suspausti ar išplėsti palyginti nedidelį oro kiekį.

Bet mes taip pat galime atlikti kai kuriuos skaičiavimus ir juos eksperimentiškai patikrinti. Tarkime, kad suspaudžiame orą iki 1500 hPa, esant baziniam barometriniam slėgiui 1000 hPa. Taigi slėgio skirtumas yra 500 hPa arba 50 000 Pa. Mano švirkšto stūmoklio skersmuo (d) yra apie 4 cm arba 0,04 metro.

Dabar galite apskaičiuoti jėgą, reikalingą laikyti stūmoklį toje padėtyje. Duota P = F/A (slėgis yra jėga padalinta iš ploto) arba transformuota F = P*A. SI jėgos vienetas yra „Niutonas“arba N, ilgis „Meter“arba m, o „Pascal“arba Pa - slėgiui. 1 Pa yra 1 N vienam kvadratiniam metrui. Apvalaus stūmoklio plotą galima apskaičiuoti naudojant A = ((d/2)^2) * pi, kuris mano švirkštui suteikia 0,00125 kvadratinius metrus. Taigi 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Žemėje 1 N atitinka 100 g svorį, taigi 63 N yra lygus 6,3 kg svorio laikymui.

Taigi būtų lengva sukurti tam tikrą skalę, pagrįstą slėgio matavimais.

Kadangi temperatūros jutiklis yra labai jautrus, netgi galima pamatyti suspaudimo poveikį temperatūrai. Manau, kad jei naudosite BME280 jutiklį, kuris taip pat gali atlikti drėgmės matavimus, galite net pamatyti slėgio poveikį santykiniam drėgnumui.

„Arduino IDE“serijinis braižytuvas leidžia gražiai parodyti slėgio pokyčius realiu laiku, tačiau taip pat yra ir kitų, sudėtingesnių sprendimų, pvz. apdorojimo kalba.

Be švietimo tikslų, sistemą taip pat galima naudoti kai kurioms realaus pasaulio programoms, nes tai leidžia kiekybiškai išmatuoti jėgas, kurios vienaip ar kitaip bando perkelti stūmoklį. Taigi galite išmatuoti ant stūmoklio uždėtą svorį arba smūgio jėgą ant stūmoklio arba pastatyti jungiklį, kuris įjungia šviesą ar garsinį signalą arba leidžia garsą, kai pasiekiama tam tikra ribinė vertė. Arba galite sukurti muzikos instrumentą, kuris keičia dažnį, priklausomai nuo stūmoklio jėgos.

4 žingsnis: scenarijus

Čia pridėtas scenarijus yra BME280 scenarijaus, esančio „Banggood“svetainėje, modifikacija. Aš ką tik optimizavau „Serial.print“užsakymus, kad juos būtų galima geriau rodyti „Arduino IDE“serijos braižytuve.

„Adafruit“scenarijus atrodo gražesnis, tačiau tam reikia kai kurių jų bibliotekų ir jis neatpažįsta „Banggood“jutiklio.