JustAPendulum: Цифровой маятник с открытым исходным кодом: 13 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

JustAPendulum - это маятник с открытым исходным кодом на базе Arduino, который измеряет и вычисляет период колебаний, чтобы найти гравитационное ускорение Земли (~ 9, 81 м / с²). Он содержит самодельный Arduino UNO, который использует адаптер USB-to-serial для связи с вашим компьютером. JustAPendulum очень точен и имеет компаньон (написанный на Visual Basic. NET), который в режиме реального времени покажет вам положение массы, а также таблицу и график со всеми предыдущими мерами. Полностью вырезанный лазером самодельный, он очень прост в использовании: просто нажмите кнопку и дайте массе упасть, и доска все просчитает. Идеально подходит для тестов на уроках физики!

Главная страница проекта: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Самостоятельное руководство

YouTube видео

Шаг 1. Физика, стоящая за этим

Это все формулы, используемые в JustAPendulum. Я не собираюсь их демонстрировать, но если вам интересно, эту информацию легко найти в каждой книге по физике. Чтобы вычислить ускорение свободного падения Земли, маятник просто измеряет период колебаний (T), а затем использует следующую формулу для вычисления (g):

и этот для вычисления абсолютной ошибки по ускорению:

l - длина проволоки маятника. Этот параметр должен быть установлен из программы Companion (см. Ниже). 0,01 м - погрешность измерения длины (чувствительность линейки принята 1 см), а 0,001 с - точность часов Arduino.

Шаг 2: Галилео Галилей и эта формула

Эта формула была впервые (частично) открыта Галилео Галилей около 1602 года, который исследовал регулярное движение маятников, делая маятники наиболее точными механизмами измерения времени до 1930 года, когда были изобретены кварцевые генераторы, а затем атомные часы после Второй мировой войны. По словам одного из учеников Галилея, Галилей был на мессе в Пизе, когда заметил, что ветер вызвал очень слабое движение люстры, подвешенной в соборе. Он продолжал наблюдать за движением люстры и заметил, что, хотя ветер прекратился и расстояние, пройденное маятником вперед и назад, сократилось, время, которое требовалось люстре, чтобы сделать колебание, оставалось постоянным. Он рассчитал раскачивание люстры по регулярному биению пульса на своем запястье и понял, что был прав: независимо от пройденного расстояния, время всегда было одинаковым. После дополнительных измерений и исследований он обнаружил, что

Двукратное умножение на π, как в предыдущем уравнении, превращает пропорциональное выражение в истинное уравнение, но это требует математической хитрости, которой Галилей не понимал.

Шаг 3: Использование

Обратите внимание, что перед использованием цифровые маятниковые датчики необходимо откалибровать и отрегулировать длину провода. Поместите JustAPendulum под маятник (рекомендуется высота не менее 1 м) и убедитесь, что груз закрывает все три датчика при колебаниях. Датчики лучше работают в условиях низкой освещенности, поэтому выключите свет. Включите доску. Появится экран «Готово». Вот структура меню:

• Левая кнопка: чтобы начать измерения, поместите мяч вправо и нажмите кнопку. Arduino автоматически определяет положение мяча и запускается.

  • На дисплее отображается «Запуск… o.p.: x ms»

    • Слева: вычислить ускорение свободного падения.
    • Справа: назад к главному экрану

• Правая кнопка: показать конфигурацию

  • Правильно: да
  • Слева: нет

Шаг 4: компаньон

Компаньон JustAPendulum - это программа на Visual Basic. NET (написанная на Visual Studio 2015), которая позволяет пользователю отслеживать маятник в реальном времени с компьютера. Он отображает последние значения и ошибки, имеет таблицы и графики для отображения прошлых измерений, а также инструменты для калибровки датчиков и установки длины провода. Историю также можно экспортировать в Excel.

Скачать здесь

Шаг 5: калибровка датчиков

Перейдите на вкладку Advanced, включите «ADC monitor» и наблюдайте, как отображаемые значения меняются в зависимости от положения мяча. Попытайтесь найти приемлемый порог: ниже он будет означать отсутствие массы между детекторами, а выше он будет указывать на то, что масса проходит между ними. Если значения не меняются, возможно, в комнате слишком много света, поэтому выключите лампы. Затем нажмите кнопку «Ручная калибровка». Напишите в текстовом поле установленный вами порог и нажмите Enter.

Шаг 6: изменение длины провода

Чтобы отрегулировать длину провода, нажмите кнопку «Длина провода» и введите значение. Затем установите погрешность измерения: если вы измеряли ее рулеткой, чувствительность должна быть 1 мм. Все значения будут сохранены в памяти микроконтроллера ATmega328P.

Шаг 7: коробка для лазерной резки

Вырежьте эту конструкцию из фанеры (толщиной 4 мм) на станке для лазерной резки, затем соберите ее, поместите компоненты на панели и закрепите их гвоздями и виниловым клеем. Загрузите файлы DXF / DWG внизу этой страницы (разработанные с помощью AutoCAD 2016).

Шаг 8: Структура

Если у вас нет маятника, вы можете сделать его самостоятельно, исходя из этого примера (это точная копия того, что я сделал). Достаточно куска фанеры 27, 5 · 16 · 1 см, шины 5 · 27, 5 · 2 см и стержня. Затем используйте кольца, рыболовную проволоку и мяч, чтобы завершить маятник.

Проект AutoCAD

Шаг 9: Месса

У меня не было железной массы (было бы, конечно, лучше), поэтому я сделал шар на 3D-принтере и добавил кольцо, чтобы повесить его на проволоку. Чем он тяжелее и тоньше (см. Часы с маятником: масса плоская, чтобы избежать трения с воздухом), тем дольше он будет колебаться.

3D мяч скачать

Шаг 10: печатная плата

Это менее затратный метод создания самодельной печатной платы с использованием только недорогих материалов:

• Лазерный принтер (600 dpi или лучше)
• Фото бумага
• Пустая печатная плата
• Соляная кислота (> 10% HCl)
• Перекись водорода (10% раствор)
• Утюг
• Ацетон
• Стальная вата
• Защитные очки и перчатки
• Бикарбонат натрия
• Уксус
• Бумажное полотенце

Первым делом очистите пустую печатную плату стальной ватой и водой. Если медь выглядит немного окисленной, ее следует предварительно промыть уксусом. Затем потрите медную сторону бумажным полотенцем, смоченным в ацетоне, чтобы удалить оставшуюся грязь. Аккуратно протрите каждую часть доски. Не трогайте медь руками!

Распечатайте файл PCB.pdf внизу этой страницы с помощью лазерного принтера и не касайтесь его пальцами. Вырежьте его, выровняйте изображение по медной стороне и прижмите утюгом (он должен быть горячим, но без пара) минут пять. Дайте остыть вместе со всей бумагой, затем очень медленно и осторожно удалите бумагу под водой. Если на меди нет тонера, повторите процедуру; Используйте небольшой перманентный маркер, чтобы исправить некоторые недостающие соединения.

Пришло время протравить печатную плату кислотой. В пластиковый ящик положите три стакана соляной кислоты и один стакан перекиси водорода; вы также можете попробовать с тем же количеством для более мощного травления. Поместите плату в раствор (обратите внимание на руки и глаза) и подождите около десяти минут. По окончании травления выньте плату из раствора и промойте под водой. Положите в кислоту две ложки бикарбоната натрия, чтобы нейтрализовать раствор, и выбросьте его в туалет (или отнесите в центр сбора мусора).

Шаг 11: Электроника

Необходимые детали:

• ATMEGA328P MCU
• 2x конденсатора по 22 пФ
• 3 конденсатора по 100 мкФ
• 2x 1N4148 диодов
• Регулятор напряжения 7805ТВ
• 6 резисторов по 10 кОм
• 2 резистора 220R
• Кварцевый генератор 16 МГц
• Булавочные головки
• Адаптер USB-последовательный порт
• Инфракрасные излучатели бокового обзора 940 нм и ИК-детекторы (я купил их в Sparkfun)
• Аккумулятор 9 В и держатель аккумулятора
• ЖК-экран 16x2
• 2 кнопки
• Потенциометр и триммер
• Провода, провода и провода

Теперь, когда вы купили и собрали компоненты, выберите припой и спаяйте их все! Затем закрепите плату в коробке, подключите все провода к ЖК-дисплею, переходнику USB-to-serial, потенциометру и триммеру (для яркости и контрастности дисплея). Обратитесь к схеме, модели печатной платы на предыдущем шаге и к файлам Eagle CAD внизу этой страницы, чтобы правильно разместить все детали и провода.

Проект Eagle CAD

Шаг 12: датчики

Добавьте датчики, как показано на рисунках, затем сделайте несколько колпачков (я использовал вращающийся инструмент, чтобы вырезать их из деревянной шины), чтобы покрыть и защитить их. Затем подключите их к основной плате.

Шаг 13: Готово

Начни пользоваться! Наслаждаться!