JustAPendulum: پاندول دیجیتال منبع باز: 13 مرحله

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

JustAPendulum یک آونگ منبع باز مبتنی بر آردوینو است که دوره نوسان را برای یافتن شتاب گرانشی زمین اندازه گیری و محاسبه می کند (9 پوند ، 81 متر بر ثانیه). شامل Arduino UNO خانگی است که از آداپتور USB به سریال برای ارتباط با رایانه شما استفاده می کند. JustAPendulum بسیار دقیق است و یک همراه (نوشته شده در ویژوال بیسیک. NET) دارد که در زمان واقعی موقعیت جرم و یک جدول و یک نمودار را با تمام اقدامات قبلی نشان می دهد. کاملاً برش لیزری و خانگی ، استفاده از آن بسیار آسان است: فقط یک دکمه را فشار دهید و اجازه دهید جرم سقوط کند و تخته همه چیز را محاسبه می کند. ایده آل برای آزمون در کلاس های فیزیک!

صفحه اصلی پروژه: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

خود را راهنما کنید

ویدیوی YouTube

مرحله 1: فیزیک پشت آن

اینها همه فرمول های مورد استفاده در JustAPendulum هستند. من قصد ندارم آنها را نشان دهم ، اما اگر کنجکاو هستید ، این اطلاعات به راحتی در هر کتاب فیزیک یافت می شود. برای محاسبه شتاب گرانشی زمین ، پاندول به سادگی دوره نوسان (T) را اندازه گیری می کند ، سپس از فرمول زیر برای محاسبه (g) استفاده می کند:

و این یکی برای محاسبه خطای مطلق در شتاب:

l طول سیم آونگ است. این پارامتر باید از برنامه Companion تنظیم شود (به پایین مراجعه کنید). 0.01 متر خطای اندازه گیری طول است (حساسیت خط کش 1 سانتی متر فرض می شود) ، در حالی که 0.001 ثانیه دقیق ساعت آردوینو است.

مرحله 2: گالیله گالیله و این فرمول

این فرمول اولین بار (حدودی) توسط گالیله گالیله در حدود 1602 کشف شد ، که در مورد حرکت منظم پاندولها تحقیق کرد ، و باعث شد که پاندولها به عنوان دقیق ترین ماشین های زمان سنج تا سال 1930 که نوسان سازهای کوارتز اختراع شد ، و بعد از آن ساعتهای اتمی پس از جنگ جهانی دوم ، مورد استفاده قرار گیرند. به گفته یکی از شاگردان گالیله ، گالیله در پیزا در پیزا شرکت می کرد که متوجه شد باد باعث حرکت بسیار کمی از لوستر معلق در کلیسای جامع می شود. او مدام به حرکت لوستر نگاه می کرد و متوجه می شد که با وجودی که نسیم متوقف می شود و مسافت رفت و برگشت آونگ کوتاه می شود ، اما به نظر می رسد زمانی که برای ایجاد نوسان به لوستر نیاز است ثابت بماند. او چرخاندن لوستر را با ضربان منظم نبض در مچ دست خود تعیین کرد و متوجه شد که حق با اوست: صرف نظر از مسافت طی شده ، زمان لازم همیشه یکسان بود. پس از اندازه گیری ها و مطالعات بیشتر ، او سپس متوجه شد که

دو بار π ، مانند معادله قبلی ، عبارت متناسب را به یک معادله واقعی تبدیل می کند - اما این شامل یک استراتژی ریاضی است که گالیله بدست آورده بود.

مرحله 3: استفاده

لطفاً توجه داشته باشید که قبل از استفاده از سنسورهای پاندول دیجیتال باید کالیبره و طول سیم را تنظیم کنید. JustAPendulum را زیر یک پاندول (ارتفاع حداقل 1 متر توصیه می شود) قرار دهید و مطمئن شوید که هنگام نوسان ، جرم هر سه سنسور را پنهان می کند. سنسورها در شرایط کم نور بهتر کار می کنند ، بنابراین چراغ ها را خاموش کنید. برد را روشن کنید. صفحه "Ready" ظاهر می شود. در اینجا ساختار منو آمده است:

• دکمه سمت چپ: برای شروع اندازه گیری ، توپ را در سمت راست قرار داده و دکمه را فشار دهید. آردوینو به طور خودکار موقعیت توپ را تشخیص داده و شروع می کند.

  • "Starting … o.p.: x ms" نمایش داده می شود

    • چپ: محاسبه شتاب گرانشی

    • راست: بازگشت به صفحه اصلی

• دکمه سمت راست: نمایش پیکربندی

  • راست: بله
  • سمت چپ: نه

مرحله 4: همدم

همراه JustAPendulum یک برنامه ویژوال بیسیک. NET (نوشته شده در Visual Studio 2015) است که به کاربر اجازه می دهد پاندول را در زمان واقعی از کامپیوتر نظارت کند. آخرین مقادیر و خطاها را نمایش می دهد ، دارای جداول و نمودارهایی است که اقدامات گذشته را نشان می دهد و ابزارهایی برای کالیبراسیون سنسورها و تنظیم طول سیم دارد. تاریخچه همچنین می تواند به Excel صادر شود.

آن را از اینجا بارگیری کنید

مرحله 5: تنظیم سنسورها

به برگه Advanced بروید ، "ADC monitor" را روشن کنید و مشاهده کنید که چگونه مقدارهای نمایش داده شده بسته به موقعیت توپ تغییر می کنند. سعی کنید آستانه قابل قبولی را بیابید: در زیر به معنی عدم وجود جرم بین آشکارسازها است ، در حالی که در بالا نشان می دهد که جرم بین آنها در حال عبور است. اگر مقادیر تغییر نکند ، ممکن است نور زیادی در اتاق وجود داشته باشد ، بنابراین لامپ ها را خاموش کنید. سپس ، دکمه "کالیبراسیون دستی" را فشار دهید. آستانه ای را که تصمیم گرفته اید در کادر متن بنویسید و enter را فشار دهید.

مرحله 6: تغییر طول سیم

برای تنظیم طول سیم ، دکمه "طول سیم" را فشار داده و مقدار را وارد کنید. سپس خطای اندازه گیری را تنظیم کنید: اگر آن را با نوار اندازه گیری کردید ، حساسیت باید 1 میلی متر باشد. همه مقادیر در حافظه میکروکنترلر ATmega328P ذخیره می شود.

مرحله 7: جعبه برش لیزری

این ساختار را از تخته سه لا (ضخامت 4 میلی متر) با دستگاه برش لیزری برش دهید ، سپس آن را جدا کنید ، اجزا را روی پانل ها قرار دهید و آنها را با مقداری میخ و چسب وینیلیک ثابت کنید. فایلهای DXF/DWG را در انتهای این صفحه بارگیری کنید (طراحی شده با اتوکد 2016).

مرحله 8: ساختار

اگر آونگ ندارید ، می توانید خودتان از این مثال شروع کنید (این یک کپی دقیق از نسخه ای است که من ساخته ام). یک تخته سه لا 27 ، 5 · 16 · 1 سانتی متری ، آتل 5 · 27 ، 5 · 2 سانتی متری و یک میله کافی است. سپس از حلقه ها ، سیم ماهیگیری و یک توپ برای تکمیل پاندول استفاده کنید.

پروژه اتوکد

مرحله 9: توده

من توده آهن نداشتم (البته بهتر است) ، بنابراین با چاپگر سه بعدی یک توپ درست کردم و یک حلقه اضافه کردم تا آن را به سیم آویزان کنم. هرچه سنگین تر و نازک تر باشد (به ساعت های پاندولی نگاه کنید: جرم مسطح است تا از اصطکاک با هوا جلوگیری شود) ، نوسان بیشتری طول می کشد.

بارگیری توپ سه بعدی

مرحله 10: PCB

این روش ارزان تری برای ایجاد PCB خانگی با استفاده از وسایل کم هزینه است:

• چاپگر لیزری (600 dpi یا بهتر)
• کاغذ عکس
• برد مدار خالی
• اسید موریاتیک (> 10٪ HCl)
• پراکسید هیدروژن (محلول 10)
• آهن لباس
• استون
• سیم ظرفشویی
• عینک ایمنی و دستکش
• سدیم بیکربنات
• سرکه
• دستمال توالت

اولین مرحله تمیز کردن PCB خالی با پشم فولاد و آب است. اگر مس کمی اکسیده به نظر می رسد ، باید قبل از آن آن را با سرکه بشویید. سپس ، قسمت مسی را با یک حوله کاغذی آغشته به استون بکشید تا آلودگی باقی مانده برطرف شود. هر قسمت از تخته را با دقت مالش دهید. مس را با دست لمس نکنید!

فایل PCB.pdf را در انتهای این صفحه با استفاده از چاپگر لیزری چاپ کنید و با انگشتان آن را لمس نکنید. آن را ببرید ، تصویر را در قسمت مسی تراز کنید و آن را با اتوی لباس فشار دهید (باید داغ باشد اما بدون بخار) حدود پنج دقیقه. بگذارید با تمام کاغذها سرد شود ، سپس کاغذ را به آرامی و با دقت زیر آب بردارید. اگر روی مس هیچ تونری وجود ندارد ، روش را تکرار کنید. از یک نشانگر کوچک دائمی برای رفع برخی اتصالات از دست رفته استفاده کنید.

اکنون زمان استفاده از اسید برای حکاکی PCB فرا رسیده است. در یک جعبه پلاستیکی سه لیوان اسید موریاتیک و یک عدد پراکسید هیدروژن قرار دهید. همچنین می توانید با مقادیر مساوی برای حکاکی قوی تر امتحان کنید. PCB را در محلول قرار دهید (به دست و چشم خود توجه کنید) و حدود ده دقیقه صبر کنید. پس از اتمام تراش ، تخته را از محلول خارج کرده و زیر آب بشویید. دو قاشق بی کربنات سدیم را درون اسید بریزید تا محلول خنثی شود و در WC بریزید (یا آن را به مرکز جمع آوری زباله ببرید).

مرحله 11: الکترونیک

قطعات مورد نیاز:

• MCU ATMEGA328P
• 2 خازن 22 pF
• خازن های 3x100 uF
• 2 دیود 1N4148
• تنظیم کننده ولتاژ 7805TV
• 6X مقاومت 10K
• 2 مقاومت 220R
• نوسان ساز کریستالی 16 مگاهرتز
• سر سنجاق
• آداپتور USB به سریال
• 940 نانومتر ساطع کننده های مادون قرمز و آشکارسازهای مادون قرمز (اینها را از Sparkfun خریدم)
• باتری 9 ولت و نگهدارنده باتری
• صفحه نمایش LCD 16x2
• 2 دکمه
• یک پتانسیومتر و یک اصلاح کننده
• سیم ، سیم و سیم

اکنون که اجزا را خریداری و جمع آوری کرده اید ، لحیم کاری را انتخاب کرده و همه را لحیم کنید! سپس PCB را در جعبه ثابت کنید ، همه سیمها را به LCD ، آداپتور USB به سریال ، پتانسیومتر و تریمر وصل کنید (برای روشنایی و کنتراست صفحه نمایش). برای قرار دادن صحیح تمام قطعات و سیمها به شکل شماتیک ، مدل PCB در مرحله قبل و فایلهای Eagle CAD در پایین این صفحه مراجعه کنید.

پروژه CAD عقاب

مرحله 12: سنسورها

سنسورها را همانطور که در تصاویر نشان داده شده است اضافه کنید ، سپس مقداری کلاهک (با استفاده از یک ابزار دوار برای حکاکی آنها از روی آتل چوبی استفاده کنید) بپوشانید و از آنها محافظت کنید. سپس آنها را به برد اصلی وصل کنید.

مرحله 13: شما آماده اید

شروع به استفاده از آن کنید! لذت بردن!