N Eenvoudige drukmeetapparaat vir opvoedkundige doeleindes: 4 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Hieronder vind u bouinstruksies vir 'n baie eenvoudige en maklik om te bou toestel om met drukmetings te speel. Dit is moontlik bruikbaar vir skole of ander STEM -verwante projekte oor gaswette, maar kan ook aangepas word om in ander toestelle geïntegreer te word om kragte of gewig te meet. Alhoewel daar deesdae 'n groot aantal sensorbreuke vir drukmetings beskikbaar is, het ek 'n eenvoudige en goedkoop toestel ontbreek om met hierdie sensors te speel en dit vir opvoedkundige doeleindes te gebruik. My konstruksie bestaan basies uit 'n groot plastiese spuit en 'n sensorbreuk binnekant van die spuit. Die uitbraak word aan 'n mikrobeheerder gekoppel deur 'n stel kabels wat deur die uitlaat van die spuit gaan. Die uitlaat van die spuit word lugdig verseël met warm gom of 'n ander metode, wat lei tot 'n gedefinieerde volume lug wat in die spuit vasgevang word. Die sensor word dan gekoppel aan 'n Arduino of 'n ander mikrobeheerder. As die suier van die spuit beweeg word, sal volume en druk verander. Die metings kan intyds vertoon word met behulp van die seriële monitor of seriële plotter van die Arduino IDE.

Stap 1: Gebruikte materiaal

'N Plastiek kateterspuit van 150 of 250 ml - beskikbaar vir 'n paar dollar of 'n hardeware- of tuinwinkel naby u vir 'n paar dollar of euro. Ek gebruik 'n goedkoop BMP280 (temperatuur en druk) sensor wat ek by Banggood gekoop het. Dit is 'n 3V -uitbreek sonder vlakverskakelaar, vir minder as 2 $ elk. Die meetbereik lê tussen 650 en ongeveer 1580 hPa. Kabels en broodbord: ek het langkabels gebruik om die deurbraak met 'n broodbord te verbind. Die kabels moet minstens so lank as die spuit wees, anders is die koppeling van kabels en uitbreek baie moeilik. 'N Bidireksionele 5 -> 3 V vlakverskakelaar: benodig om die sensor hierbo aan 'n Arduino te koppel. Nie nodig as u sensor breek nie, bv. as die Adafruit -weergawe, het een reeds aan boord geïmplementeer, of u mikrobeheerder werk met 'n 3V -logika.'N Mikrobeheerder: ek het 'n weergawe van die Arduino Uno, die MonkMakesDuino, gebruik, maar enige Arduino -versoenbare moet werk. Selfs die Micro: bit werk as u hierdie instruksies van Adafruit volg. Meer hieroor sal in 'n aparte instruksie bespreek word.

'N Houer vir die spuit kan vir sommige toepassings nuttig wees, maar dit is nie nodig nie. Die Arduino IDE.

Stap 2: Montering en toepassing

Plaas alle dele op u broodbord. Koppel, indien nodig, die mikrobeheerder en die vlakversneller aan. In die geval, definieer een van die kragrails op u broodbord as 5V, die ander as 3V en verbind dit met die mikrobeheerder se 5V-, 3V- en grondpoort onderskeidelik, en koppel dan die 3V-, 5V- en GND -poorte van die level shifter aan. Koppel nou die SDA (A4) en SCL (A5) poorte van die Arduino aan met twee nie-krag poorte aan die 5V kant van die vlakverskuiwers. Let asseblief daarop dat SDA- en SDA -poorte verskil tussen mikrobeheerders, dus kyk of dit u is. Koppel u sensor met die kabels wat u later sal gebruik met die vlakverskuiwers. SDA en SCL van die sensor na die ooreenstemmende poorte aan die 3V -kant van die vlakverskuiwers, die Vin- en Gnd -poorte van die sensor na 3V en grond. As u die meegeleverde script wil gebruik, hoef u nie meer biblioteke na die Arduino IDE te installeer nie. As u verkies om die Adafruit BMP280 -script te gebruik, installeer hul BMP280- en sensorbiblioteke. Laai die BMP280 -script en laai dit op na die Arduino. Gebruik die Serial Monitor om te kyk of u redelike data ontvang. As dit nie die geval is nie, kyk dan na die verbindings. Skakel nou die mikrokontroleerder uit en trek die kabels uit wat die sensor en die broodbord verbind. Steek nou die kabels deur die uitlaat van die spuit. As u springkabels gebruik, kan dit nodig wees om die aansluiting te verbreed of dit 'n bietjie te verkort. Maak seker dat die vroulike ente een na die ander na binne gaan. 'N I2C -uitbraak benodig vier kabels, gebruik dit verkieslik in verskillende kleure. Koppel dan die deurbraak en kabels weer aan en kyk of die verbindings werk, soos hierbo. Beweeg nou die uitbraak na die uitlaatkant van die spuit. Plaas die suier in die middelste posisie, 'n entjie verder as die geskaafde rusposisie. Koppel die kabels aan die broodbord en kyk of die sensor werk. Skakel die mikrokontroleerder af en ontkoppel die sensor. Voeg 'n groot druppel warm gom aan die einde van die uitlaat toe. Suig 'n bietjie van die materiaal versigtig in en maak seker dat die punt lugdig is. Laat die gom afkoel en gaan lê, en kyk dan weer of dit lugdig is. Voeg indien nodig nog gom by die oorblywende gate. Koppel die sensorkabels aan die broodbord en begin die mikrokontroller. Aktiveer Serial Monitor om te kyk of die sensor temperatuur- en drukwaardes stuur. Deur die suier te beweeg, kan u drukwaardes verander. Kyk ook noukeuriger na die temperatuurwaardes as u die suier druk of druk.

Sluit die Serial Monitor en maak die 'Serial Plotter' oop, beweeg die plunjer. Speel!

Indien nodig, kan u die volume regstel deur 'n bietjie krag aan die kante van die spuit naby die pakking te plaas, deur 'n bietjie lug in of uit te laat.

Stap 3: Resultate en Outlook

Met die apparaat wat hier beskryf word, kan u die korrelasie van kompressie en druk demonstreer in 'n eenvoudige fisika -eksperiment. Aangesien die spuit 'n skaal bevat, is selfs kwantifiseringseksperimente maklik om uit te voer.

Volgens Boyle se wet is [Volume * Druk] konstant vir 'n gas by 'n gegewe temperatuur. Dit beteken dat as u 'n gegewe volume gas N-vou saamdruk, dit wil sê dat die finale volume 1/N is, die druk ook N-voudig toeneem, soos: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Vir meer besonderhede, kyk na die Wikipedia -artikel oor gaswette.

Dus begin by 'n ruspunte van bv. V1 = 100 ml en P1 = 1000 hPa, 'n kompressie tot ongeveer 66 ml (dws V2 = 2/3 van V1) sal 'n druk van ongeveer 1500 hPa (P2 = 3/2 van P1) tot gevolg hê. Deur die suier tot 125 ml (5/4 voudige volume) te trek, word 'n druk van ongeveer 800 hPa (4/5 druk) gegee. My metings was verstommend presies vir so 'n eenvoudige toestel.

Daarbenewens sal u 'n direkte haptiese indruk hê van hoeveel krag nodig is om 'n relatief klein hoeveelheid lug saam te pers of uit te brei.

Maar ons kan ook 'n paar berekeninge uitvoer en dit eksperimenteel kontroleer. Gestel ons pers die lug tot 1500 hPa, by 'n basale barometriese druk van 1000 hPa. Die drukverskil is dus 500 hPa, oftewel 50, 000 Pa. Vir my spuit is die deursnee (d) van die suier ongeveer 4 cm of 0,04 meter.

Nou kan u die krag bereken wat nodig is om die suier in die posisie te hou. Gegee P = F/A (druk is krag gedeel deur oppervlakte), of getransformeer F = P*A. Die SI -eenheid vir krag is "Newton" of N, vir lengte "Meter" of m, en "Pascal 'of Pa vir druk. 1 Pa is 1N per vierkante meter. Vir 'n ronde suier kan die oppervlakte bereken word met A = ((d/2)^2) * pi, wat 0,00125 vierkante meter vir my spuit gee. Dus 50, 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Op aarde korreleer 1 N met 'n gewig van 100 gr, dus 63 N is gelyk aan die gewig van 6,3 kg.

Dit sou dus maklik wees om 'n soort skaal te bou wat gebaseer is op drukmetings.

Aangesien die temperatuursensor uiters sensitief is, kan u selfs die effek van kompressie op temperatuur sien. Ek neem aan dat as u die BME280 -sensor gebruik, wat ook humiditeitsmetings kan uitvoer, u selfs die gevolge van druk op relatiewe humiditeit kan sien.

Met die seriële plotter van die Arduino IDE kan u die drukveranderinge intyds mooi vertoon, maar ander, meer uitgebreide oplossings is ook beskikbaar, bv. in die verwerkingstaal.

Behalwe vir opvoedkundige doeleindes, kan 'n mens die stelsel ook vir sommige werklike toepassings gebruik, aangesien dit kragte kwantitatief kan meet wat probeer om die suier op die een of ander manier te beweeg. U kan dus 'n gewig wat op die suier geplaas word, of 'n trefkrag op die suier meet, of 'n skakelaar bou wat 'n lig of 'n zoemer aktiveer of 'n geluid speel nadat 'n sekere drempelwaarde bereik is. Of u kan 'n musiekinstrument bou wat die frekwensie verander, afhangende van die sterkte wat op die plunjer toegepas word.

Stap 4: Die skrif

Die script wat ek hier bygevoeg het, is 'n wysiging van die BME280 -script wat op die Banggood -webwerf gevind is. Ek het net die Serial.print -bestellings geoptimaliseer om dit beter in die Arduino IDE Serial Plotter te kan vertoon.

Die Adafruit -skrif lyk mooier, maar dit vereis sommige van hul biblioteke en dit herken nie die Banggood -sensor nie.