Təhsil məqsədləri üçün sadə bir təzyiq ölçmə cihazı: 4 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:47

Aşağıda təzyiq ölçmələri ilə oynamaq üçün çox sadə və qurulması asan bir cihaz üçün tikinti təlimatları tapa bilərsiniz. Qaz qanunları ilə bağlı məktəblər və ya STEM ilə əlaqəli digər Layihələr üçün istifadə edilə bilər, ancaq qüvvələri və ya çəkini ölçmək üçün digər cihazlara inteqrasiya olunmaq üçün uyğunlaşdırıla bilər. Bu günlərdə təzyiq ölçmələri üçün çoxlu sayda sensor qırılmaları olsa da, bu sensorlar ilə oynamaq və təhsil məqsədləri üçün istifadə etmək üçün sadə və ucuz bir cihaz çatışmırdı. şprisin içərisində. Kopma, bir şprisin çıxışından keçən bir sıra kabellər vasitəsilə bir mikro nəzarətçiyə bağlanır. Şprisin çıxışı isti yapışqan və ya başqa bir üsulla hava keçirməyən şəkildə bağlanır və nəticədə şprisin içərisində müəyyən miqdarda hava tıxanır. Sensor daha sonra bir Arduino və ya başqa bir mikro nəzarətçiyə qoşulur. Şprisin pistonu hərəkət etdirildikdə, həcm və təzyiq dəyişəcək. Ölçmələr, Arduino IDE -nin serial monitoru və ya serial plotterindən istifadə edərək real vaxtda göstərilə bilər.

Addım 1: İstifadə olunan materiallar

150 və ya 250 ml plastik kateter şpris - İnternet vasitəsilə və ya bir neçə dollara və ya Avroya yaxın bir aparat və ya bağ mağazasında əldə edilə bilər. Bir təzyiq sensoru qırılması - Banggood -da aldığım ucuz BMP280 (temperatur və təzyiq) sensoru istifadə etdim. Bu, hər biri 2 dollardan az olan, 3V -lik bir səviyyə dəyişdiricisidir. Ölçmə diapazonu 650 ilə təxminən 1580 hPa arasında dəyişir. Kabellər və çörək taxtası: Çörəyi taxta ilə bağlamaq üçün uzun tullanan kabellərdən istifadə etdim. Kabellər ən azından şpris uzunluğunda olmalıdır, əks halda kabellərin bağlanması və qırılması çox çətindir. İki istiqamətli 5 -> 3 V səviyyəli keçid: yuxarıdakı sensoru Arduino -ya bağlamaq üçün lazımdır. Sensorunuzun qırılması, məsələn, tələb olunmur. Adafruit versiyası olaraq, artıq gəmidə tətbiq edilmiş və ya mikro nəzarətçiniz 3V məntiqi ilə işləyir. Mikro nəzarətçi: Arduino Uno, MonkMakesDuino versiyasını istifadə etdim, amma hər hansı bir Arduino uyğun işləməlidir. Adafruit -in bu təlimatlarına əməl etsəniz hətta Micro: bit də işləyir. Bu barədə daha çox məlumat ayrı bir təlimatda müzakirə olunacaq.

Şpris tutacağı bəzi tətbiqlər üçün faydalı ola bilər, lakin lazım deyil. Arduino IDE.

Addım 2: Montaj və Tətbiq

Çörək taxtanızda bütün hissələri quraşdırın. Lazım gələrsə, mikrokontrolör və səviyyə dəyişdiricisini qoşun. Çörək taxtanızdakı elektrik raylarından birini 5V, digərini 3V olaraq təyin edin və onları müvafiq olaraq mikro nəzarətçinin 5V, 3V və yer portları ilə birləşdirin, sonra səviyyə dəyişdiricinin 3V, 5V və GND portlarını bağlayın. İndi Arduino'nun SDA (A4) və SCL (A5) portlarını səviyyə dəyişdiricinin 5V tərəfinin iki güc olmayan portu ilə birləşdirin. SDA və SDA portlarının mikrokontrollerlər arasında fərqləndiyini unutmayın, buna görə də özünüz üçün yoxlayın. Səviyyə dəyişdiricisi ilə daha sonra istifadə edəcəyiniz kabellərdən istifadə edərək sensorunuzu qoşun. Sensorun SDA və SCL səviyyə dəyişdiricinin 3V tərəfindəki müvafiq portlara, sensorun Vin və Gnd portlarına 3V və yerə. Təqdim olunan skriptdən istifadə etmək istəyirsinizsə, Arduino IDE -yə əlavə kitabxanaların quraşdırılmasına ehtiyac yoxdur. Adafruit BMP280 skriptindən istifadə etmək istəsəniz, onların BMP280 və sensor kitabxanalarını quraşdırın. BMP280 skriptini yükləyin və Arduino -ya yükləyin. Ağlabatan məlumatların olub olmadığını yoxlamaq üçün Serial Monitordan istifadə edin. Yoxdursa, əlaqələri yoxlayın. İndi mikrokontrolörü söndürün və sensor və çörək taxtasını birləşdirən kabelləri ayırın. İndi kabelləri şprisin çıxışından keçirin. Atlama kabellərindən istifadə edirsinizsə, çıxışı genişləndirmək və ya bir qədər qısaltmaq lazım ola bilər. Dişi ucları bir -birinin ardınca içəri keçdiyinizə əmin olun. I2C -nin kəsilməsi üçün dörd kabel lazımdır, üstünlük olaraq fərqli rənglərdə olan kabellərdən istifadə edin. Sonra qırılma və kabelləri yenidən bağlayın və əlaqələrin yuxarıda göstərildiyi kimi işlədiyini yoxlayın. İndi parçalanmanı şprisin çıxış ucuna aparın. Pistonu daxil edin və planlanmış istirahət vəziyyətindən bir qədər uzaq bir mərkəz mövqeyinə keçirin. Kabelləri çörək taxtasına qoşun və sensorun işlədiyini yoxlayın. Mikro nəzarətçini söndürün və sensoru ayırın. Çıxışın ucuna böyük bir damla isti yapışqan əlavə edin. Materialın bir hissəsini diqqətlə çəkin və ucunun hava sızdırmaz olduğundan əmin olun. Yapışqan sərinləsin və çöksün, sonra havasının sıx olub olmadığını yoxlayın. Lazım gələrsə, qalan deliklərə bir az daha yapışqan əlavə edin. Sensor kabellərini çörək taxtasına qoşun və mikro nəzarətçini işə salın. Sensorun temperatur və təzyiq dəyərlərini göndərib -göndərmədiyini yoxlamaq üçün Serial Monitoru işə salın. Pistonu hərəkət etdirərək təzyiq dəyərlərini dəyişə bilərsiniz. Pistonu itələdikdə və ya basanda temperatur dəyərlərinə daha yaxından baxın.

Serial Monitoru bağlayın və 'Serial Plotter'ı açın, pistonu hərəkət etdirin. Oynayın!

Gerekirse, bir az hava buraxaraq contanın sahəsinə yaxın olan şprisin kənarlarına bir az güc tətbiq edərək həcmi düzəldə bilərsiniz.

Addım 3: Nəticələr və Outlook

Burada təsvir olunan cihazla sadə bir fizika təcrübəsində sıxılma və təzyiqin əlaqəsini nümayiş etdirə bilərsiniz. Şprisin üzərində tərəzi olduğu üçün hətta təcrübələri ölçmək də asan olur.

Boyle qanununa görə, [Həcm * Təzyiq] müəyyən bir temperaturda qaz üçün sabitdir. Bu o deməkdir ki, verilmiş bir qaz həcmini N qat sıxsanız, yəni son həcmi 1/N olarsa, təzyiqi də N qat artacaq: P1*V1 = P2*V2 = const.

Daha ətraflı məlumat üçün qaz qanunları haqqında Vikipediya məqaləsinə baxın.

Beləliklə, istirahət nöqtələrindən başlayaraq, məsələn. V1 = 100 ml və P1 = 1000 hPa, təxminən 66 ml -ə qədər sıxılma (yəni V1 -in V2 = 2/3) təxminən 1500 hPa (P2 = 3/2 P1) təzyiqlə nəticələnəcək. Pistonu 125 ml (5/4 qat həcmdə) çəkmək təxminən 800 hPa (4/5 təzyiq) təzyiq verir. Ölçmələrim belə sadə bir cihaz üçün heyrətləndirici dərəcədə dəqiq idi.

Əlavə olaraq, nisbətən az miqdarda havanı sıxmaq və ya genişləndirmək üçün nə qədər qüvvə lazım olduğunu bildiyiniz bir təsadüfi təəssürat əldə edəcəksiniz.

Ancaq bəzi hesablamalar apara və onları eksperimental olaraq yoxlaya bilərik. Güman edək ki, havanı 1500 hPa -ya, 1000 hPa bazal barometrik təzyiqdə sıxırıq. Yəni təzyiq fərqi 500 hPa və ya 50 000 Pa -dir. Şprisim üçün pistonun diametri (d) təxminən 4 sm və ya 0,04 metrdir.

İndi pistonu bu vəziyyətdə tutmaq üçün lazım olan gücü hesablaya bilərsiniz. Verilmiş P = F/A (Təzyiq Sahəyə Bölünmüş Gücdür) və ya F = P*A çevrilmişdir. SI qüvvə vahidi "Metr" və ya m uzunluğunda "Newton" və ya N, təzyiq üçün "Paskal" və ya Pa -dır. 1 Pa hər kvadrat metrə 1N -dir. Dairəvi bir piston üçün sahə A = istifadə edərək hesablana bilər. ((d/2)^2) * pi, şprisim üçün 0,00125 kvadrat metr verir. Belə ki, 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Yer üzündə 1 N 100 qram ağırlığa bərabərdir N 6,3 kq ağırlığa sahibdir.

Beləliklə, təzyiq ölçmələrinə əsaslanan bir növ tərəzi qurmaq asan olardı.

İstilik sensoru son dərəcə həssas olduğundan, hətta sıxılma temperaturuna təsirini görə bilər. Düşünürəm ki, rütubət ölçülərini də həyata keçirə bilən BME280 sensorundan istifadə etsəniz, təzyiqin nisbi rütubətə təsirini görə bilərsiniz.

Arduino IDE -nin seriya planlayıcısı, təzyiq dəyişikliklərini real vaxtda gözəl bir şəkildə göstərməyə imkan verir, lakin digər daha mürəkkəb həllər də mövcuddur, məsələn. emal dilində.

Pistonu bu və ya digər şəkildə hərəkət etdirməyə çalışan qüvvələri kəmiyyətcə ölçməyə imkan verdiyi üçün təhsil məqsədləri ilə yanaşı, bəzi real dünya tətbiqləri üçün də sistem istifadə edilə bilər. Beləliklə, pistonun üstünə qoyulmuş bir ağırlığı və ya pistonun təsir gücünü ölçə bilərsiniz və ya müəyyən bir eşik dəyərinə çatdıqdan sonra bir işığı və ya səs siqnalını işə salan və ya səs verən bir keçid qura bilərsiniz. Və ya pistona tətbiq olunan qüvvənin gücündən asılı olaraq tezliyi dəyişən bir musiqi aləti qura bilərsiniz.

Addım 4: Ssenari

Buraya əlavə etdiyim skript, Banggood veb saytında tapılan BME280 skriptinin bir modifikasiyadır. Arduino IDE Serial Plotter -də daha yaxşı nümayiş etdirmək üçün Serial.print sifarişlərini optimallaşdırdım.

Adafruit ssenarisi daha gözəl görünür, lakin bəzi kitabxanalarını tələb edir və Banggood sensorunu tanımır.