Kifaa Rahisi cha Kupima Shinikizo kwa Madhumuni ya Kielimu: Hatua 4

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:54

Hapo chini unapata maagizo ya ujenzi wa kifaa rahisi na rahisi kujenga ili kucheza na vipimo vya shinikizo. Inaweza kutumika kwa shule au Miradi mingine inayohusiana na STEM juu ya sheria za gesi, lakini pia inaweza kubadilishwa kuunganishwa katika vifaa vingine kupima nguvu au uzito. Wakati kuna idadi kubwa ya kuzuka kwa sensa kwa vipimo vya shinikizo zinazopatikana siku hizi, nilikuwa nikikosa kifaa rahisi na cha bei rahisi kucheza na sensorer hizi na kuzitumia kwa malengo ya kielimu. Ujenzi wangu kimsingi una sindano kubwa ya plastiki na kuzuka kwa sensorer ndani ya sindano. Kuzuka kunaunganishwa na mdhibiti mdogo na seti ya nyaya zinazopitia njia ya sindano. Sehemu ya sindano imefungwa bila hewa kwa kutumia gundi ya moto, au njia nyingine, na kusababisha kiwango cha hewa kinachofunikwa ndani ya sindano. Wakati bomba la sindano linahamishwa, sauti na shinikizo zitabadilika. Vipimo vinaweza kuonyeshwa kwa wakati halisi kutumia mfuatiliaji wa serial au mpangaji wa serial wa IDE ya Arduino.

Hatua ya 1: Vifaa vilivyotumika

Sindano ya katheta ya plastiki ya 150 au 250 ml - inayopatikana kupitia mtandao au kwenye duka la vifaa au bustani karibu na wewe kwa $ chache au Euro. Kuzuka kwa sensorer ya shinikizo - nilitumia sensorer ya bei nafuu ya BMP280 (joto na shinikizo) niliyoinunua huko Banggood. Hii ni mabadiliko ya kiwango cha 3V w / o, kwa chini ya $ 2 kila moja. Upimaji upo kati ya 650 na karibu 1580 hPa Cable na ubao wa mkate: Nilitumia nyaya ndefu za kuruka kuunganisha kuzuka na ubao wa mkate. Kamba zinapaswa kuwa angalau kwa muda mrefu kama sindano, vinginevyo kuunganisha nyaya na kuzuka ni ngumu sana. Mzunguko wa kiwango cha 5 -> 3 V shifter: inahitajika kuunganisha kitambuzi hapo juu kwa Arduino. Haihitajiki ikiwa utambuzi wako wa sensorer, k.m. kama toleo la Adafruit, tayari imetekelezwa kwenye bodi, au mdhibiti wako mdogo anafanya kazi na mantiki ya 3V. Mdhibiti mdogo: Nilitumia toleo la Arduino Uno, MonkMakesDuino, lakini Arduino yoyote inayofaa inapaswa kufanya kazi. Hata Micro: bit hufanya kazi ikiwa unafuata maagizo haya kutoka kwa Adafruit. Zaidi juu ya hii itajadiliwa kwa kufundisha tofauti.

Mmiliki wa sindano anaweza kusaidia kwa programu zingine, lakini sio lazima.

Hatua ya 2: Mkutano na Matumizi

Weka sehemu zote kwenye ubao wako wa mkate. Unganisha microcontroller na shifter ya kiwango, ikiwa inahitajika. Kwa hali hiyo, fafanua moja ya reli za umeme kwenye ubao wako wa mkate kama 5V, nyingine kama 3V na uziunganishe na bandari za 5V, 3V na bandari za ardhini mtawaliwa, kisha unganisha bandari za 3V, 5V na GND za shifter ya kiwango. Sasa unganisha bandari za SDA (A4) na SCL (A5) za Arduino na bandari mbili zisizo za nguvu za upande wa 5V wa msahamaji wa kiwango. Tafadhali kumbuka kuwa bandari za SDA na SDA zinatofautiana kati ya wadhibiti-microcontroller, kwa hivyo tafadhali angalia yako. Unganisha sensa yako kwa kutumia nyaya ambazo utatumia baadaye na kigeuza kiwango. SDA na SCL ya sensorer kwa bandari zinazofanana kwenye upande wa 3V wa shifter ya kiwango, bandari za Vin na Gnd za sensa hadi 3V na ardhi. Ikiwa unataka kutumia hati iliyotolewa, usanikishaji wa maktaba zaidi kwa Arduino IDE hauhitajiki. Ikiwa unapendelea kutumia hati ya Adafruit BMP280, weka BMP280 na maktaba ya sensa. Pakia hati ya BMP280 na uipakie kwenye Arduino. Tumia Monitor Monitor kuangalia ikiwa unapata data inayofaa. Ikiwa sivyo, angalia miunganisho. Sasa zima microcontroller, na uondoe nyaya zinazounganisha sensa na ubao wa mkate. Sasa weka nyaya kupitia njia ya sindano. Ikiwa unatumia nyaya za kuruka inaweza kuwa muhimu kupanua duka, au kuifupisha kidogo. Hakikisha kupitisha mwisho wa kike ndani, mmoja baada ya mwingine. Kuzuka kwa I2C inahitaji nyaya nne, kwa upendeleo utumie zile zilizo na rangi tofauti. Kisha unganisha kuzuka na nyaya, na angalia kuwa unganisho linafanya kazi, kama hapo juu. Sasa songa kuzuka hadi mwisho wa sindano. Ingiza plunger na uihamishe kwenye kituo cha katikati, kidogo zaidi kuliko nafasi ya kupumzika iliyopangwa. Unganisha nyaya kwenye ubao wa mkate na angalia ikiwa sensorer inafanya kazi. Zima microcontroller na ukatoe sensorer. Ongeza tone kubwa la gundi moto hadi mwisho wa duka. Vuta kwa uangalifu kidogo ya nyenzo hiyo na uhakikishe kuwa mwisho umefungwa kwa hewa. Acha gundi itulie na itulie, kisha angalia tena ikiwa hewa yake ni ngumu. Ikiwa inahitajika, ongeza gundi zaidi kwenye mashimo yaliyobaki. Unganisha nyaya za sensorer kwenye ubao wa mkate na uanzishe microcontroller. Anzisha Monitor Monitor kuangalia ikiwa sensorer inapeleka viwango vya joto na shinikizo. Kwa kusonga plunger, unaweza kubadilisha maadili ya shinikizo. Lakini pia angalia kwa karibu viwango vya joto wakati unasukuma au bonyeza kitufe.

Funga Monitor Monitor na ufungue 'Serial Plotter , sogeza kipigo. Cheza!

Ikiwa inahitajika, unaweza kusahihisha sauti kwa kutumia nguvu kidogo kwa pande za sindano karibu na eneo la gasket, ikiruhusu kuingiza hewa au nje.

Hatua ya 3: Matokeo na Mtazamo

Na kifaa kilichoelezewa hapa, unaweza kuonyesha uwiano wa ukandamizaji na shinikizo katika jaribio rahisi la fizikia. Kama sindano inakuja na kiwango juu yake, hata majaribio ya kupima ni rahisi kufanya.

Kulingana na sheria ya Boyle, [Shinikizo la Volume] ni mara kwa mara kwa gesi kwa joto fulani. Hii inamaanisha ikiwa unabana kiasi cha gesi N-fold, i.e.juzuu ya mwisho ni 1 / N, shinikizo lake litapanda N-fold pia, kama: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Kwa maelezo zaidi, tafadhali angalia nakala ya Wikipedia juu ya sheria za gesi.

Kwa hivyo kuanzia sehemu za kupumzika za k.v. V1 = 100 ml na P1 = 1000 hPa, compression kwa karibu 66 ml (i.e. V2 = 2/3 ya V1) itasababisha shinikizo la karibu 1500 hPa (P2 = 3/2 ya P1). Kuvuta plunger hadi 125 ml (5/4 fold volume) hutoa shinikizo la 800 hPa (4/5 shinikizo). Vipimo vyangu vilikuwa vya kushangaza kwa kifaa rahisi.

Kwa kuongezea utakuwa na maoni ya moja kwa moja ya nguvu gani inahitajika kukandamiza au kupanua kiwango kidogo cha hewa.

Lakini pia tunaweza kufanya hesabu kadhaa na kuziangalia kwa majaribio. Fikiria tunasisitiza hewa hadi 1500 hPa, kwa shinikizo la msingi la barometric la 1000 hPa. Kwa hivyo tofauti ya shinikizo ni 500 hPa, au Pa 50, 000. Kwa sindano yangu, kipenyo (d) cha pistoni ni karibu 4 cm au mita 0.04.

Sasa unaweza kuhesabu nguvu inayohitajika kushikilia pistoni katika nafasi hiyo. Imepewa P = F / A (Shinikizo ni Nguvu iliyogawanywa na eneo), au kubadilishwa F = P * A. Kitengo cha SI cha nguvu ni "Newton" au N, kwa urefu "Mita" au m, na "Pascal 'au Pa kwa shinikizo. 1 Pa ni 1N kwa kila mita ya mraba. Kwa pistoni iliyozunguka, eneo linaweza kuhesabiwa kwa kutumia A = ((d / 2) ^ 2) * pi, ambayo inatoa mita za mraba 0.00125 kwa sindano yangu. Kwa hivyo 50, 000 Pa * 0.00125 m ^ 2 = 63 N. Duniani, 1 N inahusiana na uzani wa gr 100, kwa hivyo 63 N ni sawa na kushikilia uzani wa kilo 6.3.

Kwa hivyo itakuwa rahisi kujenga aina ya kiwango kulingana na vipimo vya shinikizo.

Kama sensor ya joto sio nyeti sana, mtu anaweza hata kuona athari ya ukandamizaji kwenye joto. Nadhani ikiwa utatumia sensa ya BME280, ambayo pia inaweza kufanya vipimo vya unyevu, unaweza hata kuona athari za shinikizo kwa unyevu wa karibu.

Mpangaji wa serial wa IDE ya Arduino inaruhusu kuonyesha vizuri mabadiliko ya shinikizo kwa wakati halisi, lakini suluhisho zingine, zenye kufafanua zaidi zinapatikana, n.k. katika lugha ya Usindikaji.

Kando na malengo ya kielimu, mtu anaweza pia kutumia mfumo kwa matumizi kadhaa ya ulimwengu, kwani inaruhusu kupima nguvu ambazo zinajaribu kusonga kwa njia moja au nyingine. Kwa hivyo unaweza kupima uzito uliowekwa kwenye bomba au nguvu ya athari kwenye plunger, au jenga swichi ambayo inamsha taa au buzzer au hucheza sauti baada ya thamani fulani ya kizingiti kufikiwa. Au unaweza kuunda ala ya muziki ambayo hubadilisha masafa kulingana na nguvu ya nguvu inayotumiwa kwa plunger.

Hatua ya 4: Hati

Hati niliyoongeza hapa ni marekebisho ya hati ya BME280 iliyopatikana kwenye wavuti ya Banggood. Nimeboresha tu maagizo ya Serial.print ili kuiruhusu kuwaonyesha vizuri kwenye Arduino IDE Serial Plotter.

Hati ya Adafruit inaonekana nzuri, lakini inahitaji maktaba yao kadhaa na haitambui sensa ya Banggood.