نحوه ساخت CubeSat با سنسور شمارنده آردوینو و Geiger: 11 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که مریخ رادیواکتیو است یا نه؟ و اگر رادیواکتیو است ، آیا میزان تابش آنقدر بالا است که برای انسان مضر تلقی شود؟ اینها همه س questionsالاتی است که امیدواریم توسط CubeSat ما با Arduino Geiger Counter پاسخ داده شود.

تابش در سیورت اندازه گیری می شود ، که میزان تابش جذب شده توسط بافت های انسانی را تعیین می کند ، اما به دلیل اندازه عظیم آنها معمولاً در میلی سیورت (mSV) اندازه گیری می شود. 100 mSV کمترین دوز سالانه است که در آن هرگونه افزایش خطر سرطان مشهود است و یک دوز واحد 10،000 mSV در عرض چند هفته کشنده است. امید ما این است که تعیین کنیم این شبیه سازی مریخ را در مقیاس رادیواکتیو در کجا قرار می دهد.

کلاس فیزیک ما با مطالعه نیروهای پرواز در سه ماهه اول در آزمایشگاهی شروع شد که در آن هواپیمای خودمان را طراحی کردیم و سپس آن را از صفحات فوم پلی استایرن ساختیم. سپس به منظور آزمایش کشش ، بلند کردن ، رانش و وزن هواپیما به پرتاب می پردازیم. پس از اولین مجموعه داده ها ، ما تغییراتی را در هواپیما ایجاد می کنیم تا بتوانیم دورترین فاصله ممکن را بدست آوریم.

سپس در سه ماهه دوم روی ساخت یک موشک آب متمرکز شدیم تا مفاهیمی را که در سه ماهه اول آموخته ایم مشاهده و آزمایش کنیم. برای این پروژه ما از بطری های 2 لیتری و مواد دیگر برای ساخت موشک خود استفاده کردیم. وقتی آماده پرتاب بودیم ، بطری ها را پر از آب می کردیم ، بیرون می رفتیم ، موشک را روی سکوی پرتاب قرار می دادیم ، آب را تحت فشار قرار می دادیم و رها می کردیم. هدف این بود که موشک را در دورترین حالت ممکن در جهت عمودی پرتاب کرده و با خیال راحت فرود بیاید.

سومین پروژه نهایی "بزرگ" ما ساخت یک CubeSat بود که یک آردوینو و یک سنسور را به طور ایمن به مدل کلاس درس مریخ منتقل می کرد. هدف اصلی این پروژه تعیین میزان رادیواکتیویته در مریخ و تعیین میزان مضر بودن آن برای انسان بود. برخی دیگر از اهداف جانبی ایجاد CubeSat بود که در برابر آزمون لرزش مقاومت کند و بتواند تمام مواد لازم را در داخل آن جا دهد. اهداف جانبی با محدودیت ها همراه است. محدودیت های ما برای این پروژه ابعاد CubeSat ، وزن آن و مواد ساخته شده از آن بود. دیگر محدودیت هایی که به CubeSat مربوط نمی شود ، مدت زمان لازم برای چاپ سه بعدی است ، زیرا تنها یک روز برای انجام آن زمان داریم. سنسورهای مورد استفاده ما نیز یک محدودیت بودند زیرا سنسورهایی وجود داشت که کلاس در دسترس نداشت یا نمی توانست آنها را خریداری کند. علاوه بر این ، ما باید آزمایش تکان دادن را برای تعیین ثبات CubeSat و آزمایش وزن انجام دهیم تا مطمئن شویم از 1.3 کیلوگرم بیشتر نیستیم.

-جوآن

مرحله 1: فهرست مواد

چاپ سه بعدی CubeSat- ماهواره مینیاتوری که دارای ابعاد 10 سانتی متر در 10 سانتی متر در 10 سانتی متر است و نمی تواند بیش از 1.3 کیلوگرم وزن داشته باشد. این جایی است که ما تمام سیم ها و حسگرهای خود را در آن قرار می دهیم و به عنوان یک کاوشگر فضایی عمل می کند

سیم- برای اتصال Geiger Counter و Arduino به یکدیگر و عملکرد آنها استفاده می شود

آردوینو- برای اجرای کد بر روی شمارنده Geiger استفاده می شود

Geiger Counter- برای اندازه گیری پوسیدگی رادیواکتیو استفاده می شود ، این چیزی است که کل پروژه ما برای تعیین رادیواکتیویته به آن بستگی دارد

باتری ها- برای تغذیه شمارنده Geiger که به Arduino وصل می شود ، استفاده می شود

Micro sd Reader- برای جمع آوری و ثبت داده های جمع آوری شده با شمارنده Geiger استفاده می شود

پیچ- برای محکم کردن بالا و پایین CubeSat برای اطمینان از خراب شدن استفاده می شود

سنگ معدن اورانیوم- مواد رادیواکتیو که شمارنده گایگر برای تعیین پرتوزایی از آن استفاده می کند

رایانه- برای پیدا کردن/ایجاد کدی که برای آردوینو استفاده می کنید استفاده می شود

کابل USB- برای اتصال Arduino به رایانه و اجرای کد استفاده می شود

مرحله 2: CubeSat خود را بسازید

اولین چیزی که نیاز دارید CubeSat شماست.

(اگر می خواهید توضیحات مفصلی درباره نحوه خرید CubeSat بدهید

هنگام طراحی CubeSat خود دو گزینه اصلی دارید ، از هر ماده ای که دارید یا یکی از آنها سه بعدی را انتخاب کنید.

گروه من تصمیم گرفتند CubeSat ما را به صورت سه بعدی چاپ کنند ، بنابراین تنها کاری که باید انجام دهیم این بود که "3D CubeSat" را جستجو کنیم و چندین الگو پیدا کردیم اما تصمیم گرفتیم که فایل را از وب سایت ناسا بگیریم. از آنجا باید فایل را بارگیری کنید. سپس ، شما نیاز به یک درایو فلش دارید تا فایل را از حالت فشرده خارج کرده و در یک چاپگر سه بعدی بارگذاری کنید.

از آنجا ، فقط کافی است CubeSat را به صورت سه بعدی پرینت کرده و بقیه مراحل را ادامه دهید.

هنگام ایجاد مدل سه بعدی CubeSat ما متوجه شدیم که آردوینو و سیم های ما داخل آن قرار نمی گیرند. همه ما مجبور بودیم یک استراتژی ایجاد کنیم و بفهمیم چگونه همه چیز را درون آن قرار دهیم. ما مجبور شدیم بچرخیم و پوشش خود را بالا و پایین رو به بالا قرار دهیم. پس از آن ، ما مجبور شدیم سوراخ ها را سوراخ کنیم و بتوانیم میخ ها را پیچ کرده و اندازه مناسب را پیدا کنیم. در حالی که همه آردوینو ، کارت SD و همه چیز را در آن قرار می دادیم ، فضای "زیادی" داشتیم ، بنابراین مجبور شدیم چند حباب داخل آن اضافه کنیم. وقتی داشتیم آزمایش می کردیم همه جا نمی رفت چون همه سیم وصل بود.

مرحله 3: طرح خود را ترسیم کنید

هنگامی که تمام مواد مورد نیاز خود را تهیه کردید ، می خواهید طرحی از ظاهر طرح خود تهیه کنید.

برخی این مرحله را مفیدتر از دیگران می دانند ، بنابراین می توان آن را تا آنجا که می خواهید دقیق و ساده است ، اما خوب است که یک ایده کلی در مورد چگونگی سازماندهی همه چیز بدست آورید.

گروه ما شخصاً از آن برای طوفان فکری استفاده کرد که چگونه ما سنسورها و همه سیم ها را سازماندهی می کنیم ، اما از آنجا استفاده چندانی از آن پیدا نکردیم زیرا ما دائماً در حال تغییر چیزها بودیم و بنابراین طرح های ما فقط از آنجا که شروع کردیم نقطه شروع بود. واقعاً به آنها پایبند نیست

هنگامی که یک ایده کلی از اینکه همه چیز چگونه به نظر می رسد داشته باشید ، می توانید به مرحله بعدی بروید

مرحله 4: نحوه عملکرد شمارنده گایگر را بیاموزید

هنگامی که شمارنده گایگر را تحویل گرفتیم ، باید نحوه عملکرد آن را بیاموزیم زیرا هیچ یک از ما تا به حال از آن استفاده نکرده بودیم.

اولین چیزی که آموختیم این است که شمارنده Geiger بسیار حساس است. هر زمان که لمس می کردیم ، سنسورهای پشتی صدای بسیار بلندی و همچنین خود لوله گایگر ایجاد می کردند. اگر انگشت خود را روی لوله نگه داریم یک بوق ثابت بلند می شود و انگشتانمان را برمی داشتیم و بر حسب مدت زمان انگشتانمان روی لوله بوق می زد.

سپس شمارنده گایگر را با استفاده از موز آزمایش کردیم. ما متوجه شدیم که هر چه مواد رادیواکتیو به شمارنده گایگر نزدیکتر باشد ، بیشتر تیک می زند و برعکس.

مرحله 5: ابزارها/اقدامات ایمنی

1. اولین چیزی که مورد نیاز است CubeSat است. برای انجام این کار ، به چاپگر سه بعدی و فایل های مورد نیاز برای چاپ نیاز دارید یا می توانید با استفاده از موادی که احساس می کنید کار می کند ، دستگاه مورد نظر خود را بسازید. به یاد داشته باشید ، CubeSat باید 10cm x 10cm x 10cm باشد (اگر قسمت خود را می سازید قسمت دوم را رد کنید)
2. در مرحله بعد باید سوراخ هایی را در پوسته های بالا و پایین CubeSat چاپ سه بعدی ایجاد کنید تا پیچ در آن قرار دهید. جلو بروید و پوسته پایینی را پیچ کنید (مطمئن شوید که از عینک استفاده می کنید تا از ورود هرگونه آوار به داخل چشم جلوگیری شود)
3. مقداری باتری تهیه کرده و در یک بسته باتری قرار دهید ، سپس باتری ها را به شمارنده Geiger و سیم شمارنده Geiger را به Arduino وصل کنید. اطمینان حاصل کنید که یک خواننده Micro SD نیز به سیم متصل است.
4. Geiger Counter را روشن کنید تا مطمئن شوید همه چیز درست کار می کند. همه چیز را داخل CubeSat قرار دهید.
5. برای اطمینان از آزمایش CubeSat خود ، پرواز کنید
6. پس از جمع آوری داده های خود ، مطمئن شوید که هیچ چیزی در CubeSat داغ نمی شود. در صورت وجود ، بلافاصله آن را جدا کرده و مشکل را برطرف کنید
7. همه چیز را آزمایش کنید تا بررسی کنید که آیا داده ها جمع آوری می شوند یا خیر
8. پس از برخورد با اورانیوم مورد استفاده برای جمع آوری داده ها ، حتماً دستان خود را بشویید

مرحله 6: سیم کشی آردوینو

تنها منبع تغذیه مورد نیاز باتری های AA است

باتری ها را مستقیماً به شمارنده Geiger وصل کنید ، سپس پین VVC را به ستون مثبت تخته نان وصل کنید.

سیم دیگری را روی همان ستون در نان برد به شکاف 5 ولت در آردوینو وصل کنید. این کار به آردوینو قدرت می بخشد.

سپس ، سیم را از پین 5V روی آردوینو به آداپتور SD Card منتقل کنید.

سپس ، VIN را روی شمارنده geiger به پین آنالوگ در آردوینو وصل کنید.

پس از آن ، GND را به ستون منفی روی تخته نان وصل کنید.

ستون منفی را به GND در آردوینو وصل کنید.

کارت SD به آردوینو:

میسو به 11 می رود

میسو به 12 می رود

SCK به 13 می رود

CS به 4 می رود

مرحله 7: کد نویسی

ساده ترین راه برای کدگذاری Arduino بارگیری برنامه ArduinoCC است که به شما امکان می دهد کد بنویسید و آن را در Aduino بارگذاری کنید. ما برای یافتن یک کد کامل که کار کند بسیار سخت بود. خوش شانس شما ، کد ما شامل ثبت CPM (کلیک در دقیقه) و داده های روی کارت SD است.

کد:

#عبارتند از

#عبارتند از

/ * * Geiger.ino * * این کد با صفحه شمارنده Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE) Geiger تعامل دارد

* و گزارش خواندن در CPM (تعداد در دقیقه). *

* نویسنده: Mark A. Heckler (MkHeck، [email protected]) *

* مجوز: مجوز MIT *

* لطفاً با ذکر نام آزادانه استفاده کنید. متشکرم!

*

* * ویرایش شده** */

#تعریف LOG_PERIOD 5000 // دوره ورود به میلی ثانیه ، مقدار توصیه شده 15000-60000.

#تعریف MAX_PERIOD 60000 // حداکثر دوره ورود به سیستم

تعداد طولانی بدون علامت فرار = 0؛ // رویدادهای GM Tube

cpm طولانی بدون علامت = 0؛ // CPM

const unsigned int multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD؛ // محاسبه/ذخیره CPM

بدون امضا طولانی قبلی میلیس؛ // اندازه گیری زمان

const int pin = 3؛

void tube_impulse () {

// تعداد رویدادها را از شمارش شمارنده Geiger ++ ضبط می کند.

}

#عبارتند از

فایل myFile ؛

void setup () {

pinMode (10 ، OUTPUT) ؛

SD.begin (4) ؛ // ارتباطات سریال را باز کنید و منتظر بمانید تا پورت باز شود:

Serial.begin (115200) ؛

}

void loop () {// بعد از راه اندازی هیچ اتفاقی نمی افتد

جریان طولانی بدون امضا Millis = millis ()؛

if (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

previousMillis = currentMillis؛

cpm = تعداد * ضرب کننده ؛

myFile = SD.open ("test.txt" ، FILE_WRITE) ؛

if (myFile) {

Serial.println (cpm) ؛

myFile.println (cpm) ؛

myFile.close ()؛

}

تعداد = 0 ؛

pinMode (پین ، ورودی) ؛ // برای تنظیم وقفه وقایع GM Tube پین را روی ورودی تنظیم کنید ()؛ // وقفه ها را فعال کنید (در صورتی که قبلاً غیرفعال بوده اند) attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin) ، tube_impulse ، FALLING) ؛ // وقفه های خارجی را تعریف کنید

}

}

تصویری که ما داریم از اولین کدی است که استفاده کردیم ناقص است ، بنابراین اولین مشکل ما در برنامه نویسی بود. از آنجا به بعد ما واقعاً نمی توانیم به پروژه ادامه دهیم تا اینکه معلمان ما در زمینه کد به ما کمک کردند. این کد از کد دیگری گرفته شده بود که با شمارنده Geiger به تنهایی کار می کرد اما یکبار با کارت SD جفت نشد.

مرحله 8: کد تست

پس از دریافت کد خود ، کد را امتحان کنید تا مطمئن شوید که می توانید داده ها را جمع آوری کنید.

مطمئن شوید که همه تنظیمات صحیح است ، بنابراین پورت ها و سیم های خود را بررسی کنید تا مطمئن شوید همه چیز درست است.

پس از بررسی همه چیز ، کد را اجرا کنید و داده هایی را که دریافت می کنید مشاهده کنید.

همچنین به واحدهای تشعشعی که جمع آوری می کنید توجه کنید که تابش واقعی ساطع شده را تعیین می کند.

مرحله 9: CubeSat خود را آزمایش کنید

بعد از اینکه کد نویسی شما مشخص شد و تمام سیم کشی شما انجام شد ، گام بعدی این است که همه چیز را داخل CubeSat قرار دهید و آن را آزمایش کنید تا مطمئن شوید در آزمایش نهایی شما هیچ چیز خراب نمی شود.

اولین آزمایشی که باید انجام دهید ، تست پرواز است. چیزی تهیه کنید تا CubeSat خود را از آن آویزان کرده و بچرخانید تا آزمایش شود که آیا پرواز می کند یا خیر و مطمئن شوید که در جهت درست می چرخد.

پس از اتمام اولین آزمایش اولیه ، باید دو آزمایش لرزش را تکمیل کنید. اولین آزمایش تلاطم خروجی CubeSat از جو زمین را شبیه سازی می کند و آزمایش دوم لرزش تلاطم در فضا را شبیه سازی می کند.

اطمینان حاصل کنید که همه قسمت های شما با هم باقی مانده اند و هیچ چیز از هم جدا نشده است.

مرحله 10: آزمایش نهایی و نتایج

اطلاعات جمع آوری شده روی میز در فواصل مختلف به دور از شمارنده گایگر

فواصل جمع آوری در 5 ثانیه 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

قبل از آزمایش نهایی ما با روشن کردن شمارنده Geiger و قرار دادن مواد رادیواکتیو در فواصل مختلف ، داده ها را جمع آوری کردیم. هرچه این عدد بیشتر باشد شمارنده گایگر به مواد رادیواکتیو نزدیکتر بود.

داده های جمع آوری شده در طول آزمایش واقعی

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

برای آزمایش واقعی ما ، مواد رادیواکتیو بسیار دور از شمارنده Geiger بود تا حتی اندازه گیری شود.

داده ها به چه معناست؟ با استفاده از نمودار قرائت ها می توانیم تعیین کنیم که هرچه این عدد بیشتر باشد ، اشعه برای انسان خطرناک تر است. سپس می توانیم کلیک در دقیقه را به mSV تبدیل کنیم که واحدهای واقعی تابش هستند. و بنابراین ، بر اساس آزمایش ما ، مریخ کاملاً برای انسان ذخیره می شود!

متأسفانه ، واقعیت اغلب ناامید کننده است. تابش مریخ در واقع 300 mSv است که 15 برابر بیشتر از چیزی است که یک کارگر نیروگاه سالانه در معرض آن قرار می گیرد.

سایر اطلاعات مربوط به پرواز ما عبارتند از:

Fc: 3.101 نیوتن

Ac: 8.072 m/s^2

V: 2.107 متر بر ثانیه

متر:.38416 کیلوگرم

P: 1.64 ثانیه

F:.609 هرتز

مرحله 11: مشکلات/نکات/منابع

مشکل اصلی ما پیدا کردن کدی بود که برای Geiger و کارت SD کار می کرد ، بنابراین اگر شما هم همین مشکل را دارید ، از کد ما به عنوان پایه استفاده کنید. گزینه دیگر این است که به انجمن های آردوینو بروید و در آنجا درخواست کمک کنید (با این وجود آماده پرداخت هزینه باشید ، همانطور که متوجه شدیم در صورت عدم جبران خسارت ، افراد به احتمال کمتری کمک خواهند کرد).

یکی از مواردی که ما به دیگران توصیه می کنیم این است که راهی را پیدا کنند تا شمارنده گایگر تا آنجا که ممکن است به تابش نزدیک باشد تا بتواند داده های تأیید شده بیشتری به دست آورد.

در اینجا منابعی وجود دارد که ما برای علاقه مندان به آنها مشورت کردیم:

www.space.com/24731-mars-radiation-curiosi…

www.cooking-hacks.com/documentation/tutori…

community.blynk.cc/t/geiger-counter/27703/…