Isang Simpleng Device ng Pagsukat ng Presyon para sa Mga Layunin sa Pang-edukasyon: 4 na Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:14

Sa ibaba makikita mo ang mga tagubilin sa pagbuo para sa isang napaka-simple at madaling bumuo ng aparato upang i-play sa mga sukat ng presyon. Maaari itong magamit para sa mga paaralan o iba pang Mga Proyektong nauugnay sa STEM tungkol sa mga batas sa gas, ngunit maaari ring iakma upang maisama sa iba pang mga aparato upang masukat ang mga puwersa o bigat. Habang mayroong isang malaking bilang ng mga sensor breakout para sa mga pagsukat ng presyon na magagamit sa mga araw na ito, nawawala ako isang simple at murang aparato upang i-play sa mga sensor na ito at gamitin ang mga ito para sa mga hangaring pang-edukasyon. Ang aking konstruksyon ay karaniwang binubuo ng isang malaking plastic syringe at isang sensor breakout na inilagay sa loob ng hiringgilya. Ang breakout ay konektado sa isang microcontroller sa pamamagitan ng isang hanay ng mga cable na dumadaan sa outlet ng hiringgilya. Ang labasan ng hiringgilya ay selyadong airtight gamit ang mainit na pandikit, o ilang iba pang pamamaraan, na nagreresulta sa isang tinukoy na dami ng hangin na nakulong sa loob ng hiringgilya. Ang sensor ay konektado sa isang Arduino, o ibang microcontroller. Kapag ang plunger ng hiringgilya ay inilipat, ang dami at presyon ay magbabago. Ang mga sukat ay maaaring ipakita nang real time gamit ang serial monitor o serial plotter ng Arduino IDE.

Hakbang 1: Ginamit na Mga Materyales

Isang 150 o 250 ML plastic catheter syringe - magagamit sa pamamagitan ng internet o sa isang hardware o hardin na malapit sa iyo sa halagang $ o Euro. Isang breakout ng sensor ng sensor - Gumamit ako ng murang BMP280 (temperatura at presyon) na sensor na binili ko sa Banggood. Ito ay isang 3V breakout na w / o level shifter, na mas mababa sa 2 $ bawat isa. Ang saklaw ng pagsukat ay namamalagi sa pagitan ng 650 at mga 1580 hPa. Mga cable at breadboard: Gumamit ako ng mga mahabang jumper cable upang ikonekta ang breakout sa isang breadboard. Ang mga cable ay dapat na hindi bababa sa hangarin ang syringe, kung hindi man ang pagkonekta ng mga cable at breakout ay napakahirap. Ang isang bidirectional 5 -> 3 V level shifter: kinakailangan upang ikonekta ang sensor sa itaas sa isang Arduino. Hindi kinakailangan kung ang iyong sensor breakout, hal. bilang bersyon ng Adafruit, mayroon nang naipatupad sa board, o ang iyong microcontroller ay gumagana sa isang 3V na lohika. Isang microcontroller: Gumamit ako ng isang bersyon ng Arduino Uno, ang MonkMakesDuino, ngunit ang anumang Arduino na katugma ay dapat na gumana. Kahit na ang Micro: gumagana nang kaunti kung susundin mo ang mga tagubiling ito mula sa Adafruit. Higit pa tungkol dito ay tatalakayin sa isang magkakahiwalay na itinuturo.

Ang isang may-ari para sa hiringgilya ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa ilang mga application, ngunit hindi kinakailangan. Ang Arduino IDE.

Hakbang 2: Assembly at Application

I-set up ang lahat ng mga bahagi sa iyong breadboard. Ikonekta ang microcontroller at level shifter, kung kinakailangan. Sa kaso, tukuyin ang isa sa mga riles ng kuryente sa iyong breadboard bilang 5V, ang isa pa ay 3V at ikonekta ang mga ito sa 5V, 3V at mga ground port ng microcontroller ayon sa pagkakabanggit, pagkatapos ay ikonekta ang mga port ng 3V, 5V at GND ng shifter sa antas. Ikonekta ngayon ang mga port ng SDA (A4) at SCL (A5) ng Arduino na may dalawang mga port na hindi kuryente ng 5V na bahagi ng shifter sa antas. Mangyaring tandaan na ang mga port ng SDA at SDA ay magkakaiba sa pagitan ng mga microcontroller, kaya't mangyaring suriin para sa iyo. Ikonekta ang iyong sensor gamit ang mga cable na gagamitin mo sa paglaon sa antas ng shifter. Ang SDA at SCL ng sensor sa kaukulang mga port sa 3V na bahagi ng antas ng shifter, Ang Vin at Gnd port ng sensor sa 3V at ground. Kung nais mong gamitin ang ibinigay na script, ang isang pag-install ng karagdagang mga aklatan sa Arduino IDE ay hindi kinakailangan. Kung mas gusto mong gamitin ang script ng Adafruit BMP280, i-install ang kanilang BMP280 at mga library ng sensor. I-load ang script na BMP280 at i-upload ito sa Arduino. Gamitin ang Serial Monitor upang suriin kung nakatanggap ka ng makatuwirang data. Kung hindi, suriin ang mga koneksyon. Ngayon patayin ang microcontroller, at i-unplug ang mga cable na kumukonekta sa sensor at breadboard. Ngayon ilagay ang mga kable sa outlet ng hiringgilya. Kung gumagamit ka ng mga jumper cables maaaring kinakailangan upang mapalawak ang outlet, o upang paikliin ito nang kaunti. Siguraduhing maipasa ang mga babaeng nagtatapos sa loob, sunud-sunod. Ang isang I2C breakout ay nangangailangan ng apat na mga kable, mas mabuti na gumamit ng mga ito sa iba't ibang mga kulay. Pagkatapos ay ikonekta muli ang breakout at mga cable, at suriin kung gumagana ang mga koneksyon, sa itaas. Ngayon ilipat ang breakout sa outlet end ng syringe. Ipasok ang plunger at ilipat ito sa isang posisyon sa gitna, medyo malayo kaysa sa planadong posisyon ng pamamahinga. Ikonekta ang mga kable sa breadboard at suriin kung gumagana ang sensor. Patayin ang microcontroller at idiskonekta ang sensor. Magdagdag ng isang malaking patak ng mainit na pandikit sa dulo ng outlet. Maingat na pagsuso ng kaunting materyal at siguraduhin na ang dulo ay tinatakan ng masikip na hangin. Hayaang cool ang kola at tumira, pagkatapos suriin muli kung masikip ang hangin nito. Kung kinakailangan, magdagdag ng higit pang pandikit sa natitirang mga butas. Ikonekta ang mga kable ng sensor sa breadboard at simulan ang microcontroller. Iaktibo ang Serial Monitor upang suriin kung ang sensor ay nagpapadala ng mga halaga ng temperatura at presyon. Sa pamamagitan ng paglipat ng plunger, nagagawa mong baguhin ang mga halaga ng presyon. Ngunit magkaroon din ng mas malapit na pagtingin sa mga halaga ng temperatura kapag pinindot mo o pinindot ang plunger.

Isara ang Serial Monitor at buksan ang 'Serial Plotter , ilipat ang plunger. Play!

Kung kinakailangan, maaari mong iwasto ang lakas ng tunog sa pamamagitan ng paglalapat ng kaunting lakas sa mga gilid ng hiringgilya malapit sa lugar ng gasket, papasok o lumabas ng kaunting hangin.

Hakbang 3: Mga Resulta at Outlook

Sa aparato na inilarawan dito, maaari mong ipakita ang ugnayan ng compression at presyon sa isang simpleng eksperimento sa pisika. Tulad ng hiringgilya na may sukatan dito, kahit na ang pagsukat ng mga eksperimento ay madaling maisagawa.

Ayon sa batas ni Boyle, ang [Volume * Pressure] ay pare-pareho para sa isang gas sa isang naibigay na temperatura. Nangangahulugan ito kung pinipiga mo ang isang naibigay na dami ng gas N-tiklop, ibig sabihin ang huling dami ay 1 / N, ang presyon nito ay tataas din sa N-tiklop, pati na rin: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Para sa karagdagang detalye, mangyaring tingnan ang artikulo sa Wikipedia tungkol sa mga batas sa gas.

Kaya't nagsisimula sa isang resting point ng hal. Ang V1 = 100 ml at P1 = 1000 hPa, isang pag-compress sa halos 66 ML (ibig sabihin, V2 = 2/3 ng V1) ay magreresulta sa isang presyon ng halos 1500 hPa (P2 = 3/2 ng P1). Ang paghila ng plunger sa 125 ML (5/4 dami ng tiklop) ay nagbibigay ng presyon ng halos 800 hPa (4/5 pressure). Ang aking mga sukat ay nakakagulat na tiyak para sa isang simpleng aparato.

Bilang karagdagan magkakaroon ka ng isang direktang impression ng haptic kung magkano ang lakas na kinakailangan upang i-compress o palawakin ang isang maliit na halaga ng hangin.

Ngunit maaari rin kaming magsagawa ng ilang mga kalkulasyon at suriin ang mga ito nang eksperimento. Ipagpalagay na pinipiga natin ang hangin sa 1500 hPa, sa isang basal na barometric pressure na 1000 hPa. Kaya't ang pagkakaiba-iba ng presyon ay 500 hPa, o 50, 000 Pa. Para sa aking hiringgilya, ang diameter (d) ng piston ay tungkol sa 4 cm o 0.04 meter.

Ngayon ay maaari mong kalkulahin ang lakas na kinakailangan upang hawakan ang piston sa posisyon na iyon. Naibigay na P = F / A (Ang presyon ay Pilit na hinati sa Lugar), o binago ang F = P * A. Ang yunit ng SI para sa lakas ay "Newton" o N, para sa haba na "Meter" o m, at "Pascal 'o Pa para sa presyon. Ang 1 Pa ay 1N bawat square meter. Para sa isang bilog na piston, ang lugar ay maaaring makalkula gamit ang A = ((d / 2) ^ 2) * pi, na nagbibigay ng 0.00125 square meters para sa aking hiringgilya. Kaya't 50, 000 Pa * 0.00125 m ^ 2 = 63 N. Sa Lupa, ang 1 N ay tumutugma sa bigat na 100 gr, kaya 63 Ang N ay katumbas ng paghawak ng bigat na 6.3 kg.

Kaya't magiging madali ang pagbuo ng isang uri ng sukat batay sa mga sukat ng presyon.

Tulad ng temperatura sensor ay labis na sensitibo, maaari mo ring makita ang epekto ng pag-compress sa temperatura. Ipinapalagay ko na kung gagamitin mo ang sensor ng BME280, maaari rin itong magsagawa ng mga pagsukat ng kahalumigmigan, maaari mo ring makita ang mga epekto ng presyon sa kamag-anak na kahalumigmigan.

Pinapayagan ng serial plotter ng Arduino IDE na maipakita nang maayos ang mga pagbabago sa presyon sa real time, ngunit ang iba pa, mas detalyadong mga solusyon ay magagamit din, hal. sa wikang Pinoproseso.

Bukod sa mga layuning pang-edukasyon, maaari ding gamitin ng isa ang system para sa ilang mga totoong aplikasyon ng mundo, dahil pinapayagan nitong sukatin ang dami ng mga puwersa na sumusubok na ilipat ang plunger sa isang paraan o sa iba pa. Kaya't maaari mong sukatin ang isang timbang na nakalagay sa plunger o isang puwersa ng epekto sa plunger, o bumuo ng isang switch na nagpapagana ng isang ilaw o buzzer o nagpapatugtog ng isang tunog matapos na maabot ang isang tiyak na halaga ng threshold. O maaari kang bumuo ng isang instrumentong pang-musika na nagbabago ng dalas depende sa lakas ng puwersa na inilapat sa plunger.

Hakbang 4: Ang Script

Ang script na idinagdag ko dito ay isang pagbabago ng script na BME280 na matatagpuan sa website ng Banggood. In-optimize ko lang ang mga order ng Serial.print upang pahintulutang mas maipakita ang mga ito sa Arduino IDE Serial Plotter.

Mas maganda ang hitsura ng script ng Adafruit, ngunit nangangailangan ito ng ilan sa kanilang mga aklatan at hindi nito makilala ang sensor ng Banggood.