JustAPendulum: Digital pendel med öppen källkod: 13 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

JustAPendulum är en Arduino-baserad open source-pendel som mäter och beräknar oscillationsperioden för att hitta jordens gravitationella acceleration (~ 9, 81 m/s²). Den innehåller en hemgjord Arduino UNO som använder en USB-till-seriell adapter för att kommunicera med din dator. JustAPendulum är mycket exakt och har en följeslagare (skriven i Visual Basic. NET) som i realtid visar massans position och en tabell och en graf med alla föregående mått. Helt laserskuren och hemlagad, det är mycket lätt att använda: tryck bara på en knapp och låt massan falla och brädan beräknar allt. Perfekt för tester i fysiklektioner!

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

Gör det själv till guide

YouTube -video

Steg 1: Fysiken bakom den

Dessa är alla formler som används i JustAPendulum. Jag kommer inte att demonstrera dem, men om du är nyfiken är denna information lätt att hitta i varje fysikbok. För att beräkna jordens gravitationsacceleration mäter pendeln helt enkelt oscillationsperioden (T) och använder sedan följande formel för att beräkna (g):

och den här för att beräkna det absoluta felet över accelerationen:

l är längden på pendelns tråd. Denna parameter måste ställas in från Companion -programmet (se nedan). 0,01 m är mätfelet för längden (linjalens känslighet antas 1 cm), medan 0,001s är precisionen för Arduinos klocka.

Steg 2: Galileo Galilei och denna formel

Denna formel upptäcktes först (delvis) av Galileo Galilei runt 1602, som undersökte pendelns regelbundna rörelse, vilket fick pendlar att antas som de mest exakta tidtagningsmaskinerna fram till 1930 när kvartsoscillatorer uppfanns, följt av atomur efter andra världskriget. Enligt en av Galileos elever deltog Galileo i en mässa i Pisa när han märkte att vinden orsakade en mycket liten rörelse av en ljuskrona som hängde i katedralen. Han fortsatte att titta på ljuskronans rörelse och han märkte att även om vinden stannade och avståndet fram och tillbaka som pendeln förkortades, men den tid det tog ljuskronan att göra oscillationen verkade förbli konstant. Han tidsinställde ljuskronans svängning genom att den regelbundet slog i pulsen i handleden och insåg att han hade rätt: oavsett sträckan var den alltid lika lång. Efter fler mätningar och studier fick han reda på det

De två gånger π, som i föregående ekvation, förvandlar proportionella uttrycket till en sann ekvation - men det innebär ett matematiskt skikt som Galileo inte hade fått.

Steg 3: Användning

Observera att innan du använder de digitala pendelsensorerna måste kalibreras och trådlängden justeras. Sätt JustAPendulum under en pendel (minst 1 m hög rekommenderas) och se till att massan skymmer alla tre sensorerna när de svänger. Sensorer fungerar bättre i svagt ljus, så stäng av lamporna. Slå på styrelsen. En "Ready" -skärm visas. Här är menystrukturen:

• Vänster knapp: för att starta mätningarna, lägg bollen till höger och tryck på knappen. Arduino känner automatiskt av bollpositionen och startar.

  • ”Startar… o.p.: x ms” visas

    • Vänster: beräkna gravitationsacceleration

    • Höger: tillbaka till huvudskärmen

• Höger knapp: visa konfiguration

  • Rätt: ja
  • Vänster: nej

Steg 4: The Companion

JustAPendulums följeslagare är ett Visual Basic. NET (skrivet i Visual Studio 2015) som låter användaren övervaka pendeln i realtid från datorn. Den visar de sista värdena och felen, har tabeller och diagram för att visa tidigare mått och har verktyg för att kalibrera sensorerna och ställa in trådens längd. Historik kan också exporteras till Excel.

Ladda ner den här

Steg 5: Kalibrera sensorerna

Gå till fliken Avancerat, slå på "ADC -monitor" och observera hur de visade värdena ändras beroende på bollens position. Försök att ta reda på ett acceptabelt tröskelvärde: under det betyder ingen massa mellan detektorerna, medan det ovanför kommer att indikera att massan passerar mellan dem. Om värdena inte ändras kanske det är för mycket ljus i rummet, så stäng av lamporna. Tryck sedan på knappen "Manuell kalibrering". Skriv i textrutan den tröskel du bestämde och tryck på enter.

Steg 6: Ändra trådlängden

För att justera trådens längd, tryck på “Wire length” -knappen och ange värdet. Ställ sedan in mätfelet: om du mätte det med ett måttband bör känsligheten vara 1 mm. Alla värden lagras i ATmega328P -mikrokontrollerns minne.

Steg 7: Laserskärningslådan

Skär den här strukturen från plywood (4 mm tjock) med en laserskärmaskin, skölj den sedan, lägg komponenterna på panelerna och fixa dem med några spikar och viniliskt lim. Ladda ner DXF/DWG -filer längst ner på denna sida (utformad med AutoCAD 2016).

Steg 8: Strukturen

Om du inte har en pendel kan du göra en själv utifrån detta exempel (det är en exakt kopia av den jag gjorde). En 27, 5 · 16 · 1 cm bit plywood, en 5 · 27, 5 · 2 cm skena och en stav räcker. Använd sedan ringar, fisketråd och en boll för att slutföra pendeln.

AutoCAD -projekt

Steg 9: Mässan

Jag hade inte fått en järnmassa (skulle förstås vara bättre), så jag gjorde en boll med en 3D -skrivare och jag lade till en ring för att hänga den på tråden. Ju tyngre och tunnare den är (se pendelur: massan är platt för att undvika friktion med luft), desto längre kommer den att svänga.

Ladda ner 3D -boll

Steg 10: Kretskortet

Detta är den billigare metoden för att skapa ett hemlagat kretskort med endast billiga saker:

• Laserskrivare (600 dpi eller bättre)
• fotopapper
• Tomt kretskort
• Muriatsyra (> 10% HCl)
• Väteperoxid (10% lösning)
• Strykjärn
• Aceton
• Stålull
• Skyddsglasögon och handskar
• Natriumbikarbonat
• Vinäger
• Pappershandduk

Det första steget är att rengöra det tomma kretskortet med stålull och vatten. Om kopparen verkar lite oxiderad bör du tvätta den med ättika innan. Skrubba sedan kopparsidan med en pappershandduk blöt i aceton för att ta bort eventuell kvarvarande smuts. Gnugga noggrant varje del av brädet. Rör inte kopparen med händerna!

Skriv ut PCB.pdf -filen längst ner på denna sida med en laserskrivare och rör inte den med fingrarna. Klipp den, rikta in bilden på kopparsidan och tryck på den med klädjärnet (det måste vara varmt men utan ånga) i cirka fem minuter. Låt det svalna med allt papper, ta sedan bort papperet mycket långsamt och försiktigt under vatten. Om det inte finns toner på kopparen, upprepa proceduren; Använd en liten permanent markör för att fixa några saknade anslutningar.

Nu är det dags att använda syra för att etsa kretskortet. Lägg i en glaslåda med tre glasögon murinsyra och ett väteperoxid; Du kan också prova med lika stora mängder för en kraftfullare etsning. Lägg kretskortet i lösningen (var uppmärksam på dina händer och ögon) och vänta i tio minuter. När etsningen är klar, ta bort brädet från lösningen och tvätta under vatten. Lägg två skedar natriumbikarbonat i syran för att neutralisera lösningen och kasta den i toaletten (eller ta den till ett avfallsuppsamlingscenter).

Steg 11: Elektronik

Delar som behövs:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensatorer
• 3x 100 uF kondensatorer
• 2x 1N4148 dioder
• 7805TV spänningsregulator
• 6x 10K motstånd
• 2x 220R motstånd
• 16 MHz kristalloscillator
• Pinheads
• USB-till-seriell adapter
• 940nm infraröda sändare och IR-detektorer i sidled (jag köpte dessa från Sparkfun)
• 9V batteri och batterihållare
• 16x2 LCD -skärm
• 2 knappar
• En potentiometer och en trimmer
• Trådar, trådar och trådar

Nu när du har köpt och samlat komponenterna, välj en lödare och löd dem alla! Fixera sedan kretskortet i lådan, anslut alla ledningar till LCD-skärmen, USB-till-seriell adapter, potentiometern och trimmern (för displayens ljusstyrka och kontrast). Se schemat, PCB -modellen i föregående steg och Eagle CAD -filer längst ner på denna sida för att korrekt placera alla delar och ledningar.

Eagle CAD -projekt

Steg 12: Sensorer

Lägg till sensorerna som visas på bilderna och gör sedan några lock (jag använde ett roterande verktyg för att gravera dem från en träskena) för att täcka och skydda dem. Anslut dem sedan till huvudkortet.

Steg 13: Du är redo

Börja använda den! Njut av!