JustAPendulum: Open-source digitale slinger: 13 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

JustAPendulum is 'n Arduino-gebaseerde open-source slinger wat die ossillasieperiode meet en bereken om die gravitasieversnelling van die aarde te vind (~ 9, 81 m/s²). Dit bevat 'n tuisgemaakte Arduino UNO wat 'n USB-na-seriële adapter gebruik om met u rekenaar te kommunikeer. JustAPendulum is baie akkuraat en het 'n metgesel (geskryf in Visual Basic. Dit is heeltemal laser gesny en tuisgemaak, dit is baie maklik om te gebruik: druk net op 'n knoppie en laat die massa val en die bord sal alles bereken. Ideaal vir toetse in fisika klasse!

Hoofblad van die projek: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Maak dit self 'n gids

YouTube video

Stap 1: Die fisika daaragter

Dit is al die formules wat in JustAPendulum gebruik word. Ek gaan hulle nie demonstreer nie, maar as u nuuskierig is, is hierdie inligting maklik in elke fisika -boek te vinde. Om die gravitasieversnelling van die aarde te bereken, meet die slinger eenvoudig die ossillasieperiode (T) en gebruik dan die volgende formule om (g) te bereken:

en hierdie een om die absolute fout oor die versnelling te bereken:

l is die lengte van die draad van die slinger. Hierdie parameter moet ingestel word vanaf die metgeselprogram (sien hieronder). 0.01m is die meetfout van die lengte (gevoeligheid van die liniaal word 1 cm aanvaar), terwyl 0.001s die presisie van die klok van Arduino is.

Stap 2: Galileo Galilei en hierdie formule

Hierdie formule is die eerste (gedeeltelik) ontdek deur Galileo Galilei omstreeks 1602, wat ondersoek ingestel het na die gereelde beweging van pendels, sodat pendules as die mees akkurate tydmeters aangeneem is tot 1930 toe kwarts ossillators uitgevind is, gevolg deur atoomklokke na die Tweede Wêreldoorlog. Volgens een van die studente van Galileo was Galileo besig om 'n mis in Pisa by te woon toe hy agterkom dat die wind 'n geringe beweging van 'n kandelaar in die katedraal veroorsaak het. Hy kyk voortdurend na die beweging van die kandelaar en merk op dat alhoewel die wind stilhou en die heen-en-weer-afstand deur die slinger verkort word, die tyd wat dit nodig het om die kandelaar te neem, konstant bly. Hy het die swaai van die kandelaar met die gereelde polsslag in sy pols bepaal en besef dat hy reg was: ongeag die afstand wat afgelê is, die tyd wat dit geneem het, was altyd dieselfde. Na meer metings en studies, het hy dit uitgevind

Die twee maal π, soos in die vorige vergelyking, verander die proporsionele uitdrukking in 'n ware vergelyking - maar dit behels 'n wiskundige strategie wat Galileo nie gekry het nie.

Stap 3: Gebruik

Let asseblief daarop dat die digitale slinger sensors gekalibreer moet word en die draadlengte aangepas moet word voordat u dit gebruik. Sit JustAPendulum onder 'n slinger (minimum 1m hoog aanbeveel) en maak seker dat die massa al die drie sensors verduister wanneer dit ossilleer. Sensors werk beter in swak toestande, dus skakel die ligte af. Skakel die bord aan. 'N "Gereed" skerm sal verskyn. Hier is die spyskaartstruktuur:

• Linkerknoppie: om die metings te begin, plaas die bal regs en druk op die knoppie. Arduino bespeur outomaties die balposisie en begin.

  • 'Begin … o.p.: x ms' word vertoon

    • Links: bereken gravitasieversnelling
    • Regs: terug na die hoofskerm

• Regterknoppie: wys opset

  • Regs: ja
  • Links: nee

Stap 4: Die metgesel

JustAPendulum se metgesel is 'n Visual Basic. NET (geskryf in Visual Studio 2015) -program waarmee die gebruiker die slinger intyds vanaf die rekenaar kan monitor. Dit vertoon die laaste waardes en foute, bevat tabelle en grafieke om die vorige metings aan te toon en het gereedskap om die sensors te kalibreer en die lengte van die draad in te stel. Geskiedenis kan ook na Excel uitgevoer word.

Laai dit hier af

Stap 5: Kalibreer die sensors

Gaan na die oortjie Gevorderd, skakel 'ADC -monitor' aan en kyk hoe die waardes wat vertoon word, afhangend van die posisie van die bal, verander. Probeer om 'n aanvaarbare drempel uit te vind: daaronder beteken dit geen massa tussen die detektore nie, terwyl daarbo aandui dat die massa tussen hulle beweeg. As die waardes nie verander nie, is daar miskien te veel lig in die kamer, so skakel die lampe af. Druk dan op die knoppie "Handmatige kalibrasie". Skryf die drumpel wat u besluit het in die tekskassie en druk enter.

Stap 6: Verander die draadlengte

Om die lengte van die draad aan te pas, druk die "draadlengte" -knoppie en voer die waarde in. Stel dan die meetfout in: as u dit met 'n maatband gemeet het, moet die sensitiwiteit 1 mm wees. Al die waardes word in die geheue van die ATmega328P -mikrobeheerder gestoor.

Stap 7: Die Laser Cut Box

Sny hierdie struktuur uit laaghout (4 mm dik) met 'n lasersnymasjien, maak dit dan los, sit die komponente op die panele en maak dit vas met spykers en vinielgom. Laai DXF/DWG -lêers onderaan hierdie bladsy af (ontwerp met AutoCAD 2016).

Stap 8: Die struktuur

As u nog nie 'n slinger het nie, kan u dit self maak vanaf hierdie voorbeeld (dit is 'n presiese kopie van die een wat ek gemaak het). 'N Stuk laaghout van 27, 5 · 16 · 1 cm, 'n spalk van 5,27, 5,2 cm en 'n staaf is genoeg. Gebruik dan ringe, visdraad en 'n bal om die slinger te voltooi.

AutoCAD -projek

Stap 9: Die mis

Ek het nie 'n ystermassa gekry nie (sou natuurlik beter wees), so ek het 'n bal met 'n 3D -drukker gemaak en 'n ring bygevoeg om dit aan die draad te hang. Hoe swaarder en dunner dit is (sien slingerhorlosies: die massa is plat om wrywing met lug te voorkom), hoe langer sal dit ossilleer.

3D bal aflaai

Stap 10: Die PCB

Dit is die goedkoper metode om 'n tuisgemaakte PCB te maak met slegs goedkoop goed:

• Laserdrukker (600 dpi of beter)
• Fotopapier
• Leë kringbord
• Muriatsuur (> 10% HCl)
• Waterstofperoksied (10% oplossing)
• Yster klere
• Asetoon
• Staalwol
• Veiligheidsbril en handskoene
• Natriumbikarbonaat
• Asyn
• Papierhanddoek

Die eerste stap is om die leë PCB skoon te maak met staalwol en water. As die koper effens geoksideer lyk, moet u dit eers met asyn was. Skrop dan die koperkant met 'n papierhanddoek geweek in asetoon om die oorblywende vuil te verwyder. Vryf elke deel van die bord akkuraat. Moenie die koper met hande raak nie!

Druk die PCB.pdf -lêer onderaan hierdie bladsy af met 'n laserprinter en raak dit nie met vingers nie. Sny dit, pas die prent aan die koperkant in en druk dit ongeveer vyf minute lank met die strykyster (dit moet warm wees, maar sonder damp). Laat dit met al die papier afkoel, en verwyder die papier baie stadig en versigtig onder water. Herhaal die prosedure as daar geen toner op die koper is nie; Gebruik 'n klein permanente merker om die ontbrekende verbindings op te los.

Dit is nou tyd om suur te gebruik om die PCB te ets. Plaas drie glase muriatsuur en een waterstofperoksied in 'n plastiekboks; U kan ook in gelyke hoeveelhede probeer vir 'n meer kragtige ets. Plaas die PCB in die oplossing (let op u hande en oë) en wag ongeveer tien minute. As die ets klaar is, verwyder die bord uit die oplossing en was onder water. Giet twee lepels natriumbikarbonaat in die suur om die oplossing te neutraliseer en gooi dit in die toilet (of neem dit na 'n vullisverwyderingsentrum).

Stap 11: Elektronika

Onderdele benodig:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kapasitors
• 3 x 100 uF kapasitors
• 2x 1N4148 diodes
• 7805TV spanningsreguleerder
• 6x 10K weerstande
• 2x 220R weerstande
• 16 MHz kristal ossillator
• Speldekoppe
• USB-na-seriële adapter
• 940nm infrarooi stralers en IR-detektors wat aan die kant kyk (ek het dit by Sparkfun gekoop)
• 9V battery en batteryhouer
• 16x2 LCD skerm
• 2 knoppies
• 'N Potensiometer en 'n trimmer
• Drade, drade en drade

Noudat u die komponente gekoop en versamel het, kies 'n soldeerder en soldeer hulle almal! Bevestig dan die printplaat in die boks, verbind al die drade met die LCD, die USB-na-seriële adapter, die potensiometer en die trimmer (vir helderheid en kontras van die skerm). Verwys na die skematiese, die PCB -model in die vorige stap en na Eagle CAD -lêers onderaan hierdie bladsy om al die onderdele en drade korrek te plaas.

Eagle CAD -projek

Stap 12: Sensors

Voeg die sensors by soos op die foto's, en maak dan 'n paar doppies (ek het 'n draaibare gereedskap gebruik om dit uit 'n houtspal te graveer) om dit te bedek en te beskerm. Koppel hulle dan aan die hoofbord.

Stap 13: U is gereed

Begin dit gebruik! Geniet dit!