JustAPendulum: Open-source Digital Pendulum: 13 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

JustAPendulum er et Arduino-baseret open source-pendul, der måler og beregner oscillationsperioden for at finde Jordens tyngdeacceleration (~ 9, 81 m/s²). Den indeholder en hjemmelavet Arduino UNO, der bruger en USB-til-seriel adapter til at kommunikere med din computer. JustAPendulum er yderst præcis og har en ledsager (skrevet i Visual Basic. NET), der i realtid viser dig massens position og en tabel og en graf med alle præcedensmålingerne. Helt laserskåret og hjemmelavet, det er meget let at bruge: tryk bare på en knap og lad massen falde, og tavlen vil beregne alt. Ideel til test i fysikklasser!

Projektets hovedside: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Gør det til dig selv guide

YouTube -video

Trin 1: Fysikken bag

Disse er alle de formler, der bruges i JustAPendulum. Jeg vil ikke demonstrere dem, men hvis du er nysgerrig, er disse oplysninger lette at finde i hver fysikbog. For at beregne jordens gravitationsacceleration måler pendulet simpelthen oscillationsperioden (T) og bruger derefter følgende formel til at beregne (g):

og denne for at beregne den absolutte fejl over accelerationen:

l er længden af pendulets ledning. Denne parameter skal indstilles fra Companion -programmet (se nedenfor). 0,01 m er målefejl i længden (linealens følsomhed antages 1 cm), mens 0,001s er præcisionen i Arduinos ur.

Trin 2: Galileo Galilei og denne formel

Denne formel blev først (delvist) opdaget af Galileo Galilei omkring 1602, som undersøgte pendulers regelmæssige bevægelse, hvilket fik pendler til at blive vedtaget som de mest præcise tidtagningsmaskiner indtil 1930, da kvartsoscillatorer blev opfundet, efterfulgt af atomure efter 2. verdenskrig. Ifølge en af Galileos studerende deltog Galileo i en messe i Pisa, da han bemærkede, at vinden forårsagede meget let bevægelse af en lysekrone hængende i katedralen. Han blev ved med at kigge på lysekronens bevægelse, og han lagde mærke til, at selvom vinden stoppede, og den tilbagelagte afstand tilbagelagt ved pendulet blev forkortet, så syntes den tid, det tog lysekronen at få svingningen at forblive konstant. Han timede svingningen af lysekronen ved regelmæssigt at slå pulsen i hans håndled og indså, at han havde ret: uanset den tilbagelagte afstand var den tid det tog altid den samme. Efter flere målinger og undersøgelser fandt han så ud af det

De to gange π, som i den foregående ligning, gør det proportionale udtryk til en sand ligning - men det indebærer en matematisk stratagem, som Galileo ikke havde fået.

Trin 3: Anvendelse

Bemærk venligst, at før du bruger de digitale pendul sensorer skal kalibreres og trådlængden justeres. Sæt JustAPendulum under et pendul (minimum 1 m høj anbefales) og sørg for, at massen tilslører alle de tre sensorer, når den svinger. Sensorer fungerer bedre under dårlige lysforhold, så sluk lyset. Tænd tavlen. En "Klar" skærm vises. Her er menustrukturen:

• Venstre knap: For at starte målingerne skal du sætte bolden til højre og trykke på knappen. Arduino registrerer automatisk boldens position og starter.

  • “Starter… o.p.: x ms” vises

    • Til venstre: Beregn gravitationsacceleration

    • Til højre: tilbage til hovedskærmen

• Højre knap: vis konfiguration

  • Højre: ja
  • Til venstre: nej

Trin 4: Ledsageren

JustAPendulums ledsager er et Visual Basic. NET (skrevet i Visual Studio 2015) -program, der giver brugeren mulighed for at overvåge pendulet i realtid fra computeren. Den viser de sidste værdier og fejl, har tabeller og grafer til visning af tidligere målinger og har værktøjer til at kalibrere sensorerne og til at indstille trådens længde. Historik kan også eksporteres til Excel.

Download den her

Trin 5: Kalibrering af sensorerne

Gå til fanen Avanceret, tænd for "ADC -skærm", og observer, hvordan de viste værdier ændres afhængigt af boldens position. Prøv at finde ud af en acceptabel tærskel: nedenunder vil det ikke betyde nogen masse mellem detektorerne, mens over det vil angive, at massen passerer mellem dem. Hvis værdierne ikke ændres, er der måske for meget lys i rummet, så sluk lamperne. Tryk derefter på knappen "Manuel kalibrering". Skriv den tekstgrænse, du har valgt, i tekstboksen, og tryk på enter.

Trin 6: Ændring af trådlængden

For at justere længden på ledningen skal du trykke på knappen "Wire length" og indtaste værdien. Indstil derefter målefejlen: hvis du målte den med et målebånd, skulle følsomheden være 1 mm. Alle værdierne gemmes i hukommelsen til ATmega328P -mikrokontrolleren.

Trin 7: Laserskåret boks

Skær denne struktur af krydsfiner (4 mm tyk) med en laserskæremaskine, derefter asseble den, læg komponenterne på panelerne og fastgør dem med nogle søm og vinilisk lim. Download DXF/DWG -filer nederst på denne side (designet med AutoCAD 2016).

Trin 8: Strukturen

Hvis du ikke har et pendul, kan du selv lave et med udgangspunkt i dette eksempel (det er en nøjagtig kopi af den, jeg lavede). Et stykke krydsfiner på 27, 5 · 16 · 1 cm, en skive på 5,27, 5,2 cm og en stang er nok. Brug derefter ringe, fisketråd og en kugle til at fuldføre pendulet.

AutoCAD projekt

Trin 9: Messen

Jeg havde ikke fået en jernmasse (ville selvfølgelig være bedre), så jeg lavede en kugle med en 3D -printer, og jeg tilføjede en ring for at hænge den på tråden. Jo tungere og tyndere den er (se pendulure: massen er flad for at undgå friktion med luft), jo længere vil den svinge.

Download 3D -bold

Trin 10: PCB

Dette er den billigere metode til at oprette et hjemmelavet printkort, der kun bruger billige ting:

• Laserprinter (600 dpi eller bedre)
• Fotopapir
• Tomt printkort
• Muriasyre (> 10% HCl)
• Hydrogenperoxid (10% opløsning)
• Tøj af jern
• Aceton
• Ståluld
• Beskyttelsesbriller og handsker
• Natriumbicarbonat
• Eddike
• Køkkenrulle

Det første trin er rengøring af blank PCB med ståluld og vand. Hvis kobberet virker lidt oxideret, skal du vaske det med eddike før. Skrub derefter kobbersiden med et køkkenrulle, der er gennemblødt i acetone, for at fjerne eventuelt resterende snavs. Gnid nøjagtigt alle dele af brættet. Rør ikke ved kobberet med hænder!

Udskriv PCB.pdf -filen nederst på denne side ved hjælp af en laserprinter, og rør den ikke med fingrene. Klip det, juster billedet på kobbersiden og tryk det med tøjjernet (det skal være varmt, men uden damp) i cirka fem minutter. Lad det køle af med alt papiret, og fjern derefter papiret meget langsomt og forsigtigt under vand. Hvis der ikke er toner på kobberet, skal proceduren gentages; Brug en lille permanent markør til at rette nogle manglende forbindelser.

Nu er det tid til at bruge syre til at ætse printkortet. I en plastkasse kom tre glas murinsyre og et med hydrogenperoxid; du kan også prøve med lige store mængder for en mere kraftfuld ætsning. Læg printkortet i opløsningen (vær opmærksom på dine hænder og øjne) og vent cirka ti minutter. Når ætsningen er færdig, fjernes brættet fra opløsningen og vaskes under vand. Kom to skeer natriumbicarbonat i syren for at neutralisere opløsningen og smid den i toilettet (eller tag den til et affaldsindsamlingscenter).

Trin 11: Elektronik

Nødvendige dele:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensatorer
• 3x 100 uF kondensatorer
• 2x 1N4148 dioder
• 7805TV spændingsregulator
• 6x 10K modstande
• 2x 220R modstande
• 16 MHz krystaloscillator
• Pinheads
• USB-til-seriel adapter
• 940nm infrarøde sendere og IR-detektorer, der ser ud til siden (jeg købte dem fra Sparkfun)
• 9V batteri og batteriholder
• 16x2 LCD -skærm
• 2 knapper
• Et potentiometer og en trimmer
• Ledninger, ledninger og ledninger

Nu hvor du har købt og samlet komponenterne, skal du vælge en loddemaskine og lodde dem alle! Fastgør derefter printkortet i kassen, tilslut alle ledninger til LCD'et, USB-til-seriel adapter, potentiometeret og trimmeren (for skærmens lysstyrke og kontrast). Se skematisk, PCB -modellen i det foregående trin og til Eagle CAD -filer nederst på denne side for korrekt placering af alle dele og ledninger.

Eagle CAD -projekt

Trin 12: Sensorer

Tilføj sensorerne som vist på billederne, og lav derefter nogle hætter (jeg brugte et roterende værktøj til at indgravere dem fra en træskinne) for at dække og beskytte dem. Tilslut dem derefter til hovedkortet.

Trin 13: Du er klar

Begynd at bruge det! God fornøjelse!