כיצד לבנות CubeSat עם חיישן מונה Arduino ו- Geiger: 11 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

תהית פעם אם מאדים הוא רדיואקטיבי או לא? ואם זה רדיואקטיבי, האם רמות הקרינה מספיק גבוהות כדי להיחשב מזיקות לבני אדם? כל אלה שאלות שאנו מקווים שניתן לענות עליהן על ידי CubeSat שלנו עם מונה Arduino Geiger.

הקרינה נמדדת במסננים, שמכמתים את כמות הקרינה שנספגת ברקמות האדם, אך בשל גודלם העצום אנו מודדים בדרך כלל במיליזיברט (mSV). 100 mSV הוא המינון השנתי הנמוך ביותר שבו ניכרת כל עלייה בסיכון לסרטן, ומינון יחיד של 10, 000 mSV הוא קטלני תוך שבועות. תקוותינו הן לקבוע היכן הדמיה זו נוחתת את מאדים בקנה מידה רדיואקטיבי.

שיעור הפיזיקה שלנו התחיל עם לימוד כוחות הטיסה במהלך הרבעון הראשון באמצעות מעבדה בה עיצבנו מטוס משלנו ולאחר מכן יצרנו אותו מלוחות קלקר. לאחר מכן היינו ממשיכים בשיגור על מנת לבדוק גרור, הרמה, דחף ומשקל המטוס. לאחר סט הנתונים הראשון היינו מבצעים שינויים במטוס כדי לנסות להגיע למרחק הרחוק ביותר האפשרי.

ברבע השני התמקדנו בבניית רקטת מים כדי להמשיך ולבחון את המושגים שלמדנו במהלך הרבעון הראשון. לפרויקט זה השתמשנו בבקבוקי 2 ליטר וחומרים אחרים לבניית הרקטה שלנו. כשהיינו מוכנים לשיגור היינו ממלאים את הבקבוקים במים, יוצאים החוצה, מניחים את הרקטה על משטח שיגור, לוחצים על המים ומשחררים. המטרה הייתה לשגר את הרקטה הכי רחוק שאפשר לכיוון אנכי ולגרום לה לרדת בבטחה.

הפרויקט השלישי "הגדול" האחרון שלנו היה בניית CubeSat שתשא Arduino וחיישן בבטחה למודל המאדים שלנו בכיתה. המטרה העיקרית של פרויקט זה הייתה לקבוע את כמות הרדיואקטיביות במאדים ולקבוע אם היא מזיקה לבני אדם. כמה מטרות צד אחרות היו ליצור CubeSat שיעמוד במבחן הטלטול ויוכל להתאים את כל החומרים הדרושים בתוכו. שערי הצד הולכים יד ביד עם האילוצים. האילוצים שהיו לנו לפרויקט זה היו מידות ה- CubeSat, כמה הוא שוקל והחומר ממנו הוא בנוי. אילוצים אחרים שאינם קשורים ל- CubeSat היו משך הזמן שהיינו צריכים להדפיס בתלת מימד מכיוון שקיבלנו רק יום אחד לביצוע; החיישנים שהשתמשנו בהם היו גם אילוץ מכיוון שהיו חיישנים שלא היו לרשות הכיתה או שלא היו יכולים לרכוש אותם. נוסף על כך היינו צריכים לעבור את מבחן הטלטול כדי לקבוע את יציבות ה- CubeSat ואת מבחן המשקל כדי לוודא שלא עולים על 1.3 ק"ג.

-ג'ואן

שלב 1: רשימת חומרים

מודפס תלת מימד CubeSat- לוויין ממוזער בעל גודל של 10 ס"מ על 10 ס"מ על 10 ס"מ ואינו יכול לשקול יותר מ -1.3 ק"ג. כאן אנו מכניסים את כל החוטים והחיישנים שלנו, משמש כבדיקת חלל

חוטים- משמש לחיבור מונה Geiger ו Arduino אחד לשני ולגרום להם לתפקד

Arduino- משמש להפעלת הקוד בדלפק גייגר

מונה גייגר- משמש למדידת ריקבון רדיואקטיבי, זה מה שכל הפרויקט שלנו תלוי בו לקביעת רדיואקטיביות

סוללות- משמשות להפעלת מונה Geiger שיניע את הארדואינו לאחר חיבורו

קורא מיקרו SD- משמש לאסוף ולתעד את הנתונים שנאספו עם מונה גייגר

ברגים- משמשים להדק את החלק העליון והתחתון של CubeSat כדי לוודא שהוא לא מתקלקל

עפרות אורניום- חומר רדיואקטיבי שהוא מה שסופר גייגר משתמש בו לקביעת רדיואקטיביות

מחשב- משמש לאיתור/יצירת הקוד בו תשתמש עבור ה- Arduino

כבל USB- משמש לחיבור ה- Arduino שלך למחשב והפעלת הקוד

שלב 2: בנה את CubeSat שלך

הדבר הראשון שאתה צריך הוא CubeSat שלך.

(אם אתה רוצה הסבר מפורט על מה זה CubeSat קופה

בעת עיצוב CubeSat יש לך שתי אפשרויות עיקריות, בנה משלך מכל חומר שיש לך או הדפסה תלת מימדית.

הקבוצה שלי החליטה להדפיס תלת -ממד את ה- CubeSat שלנו, כל שעלינו לעשות הוא לחפש את "3D CubeSat" ומצאנו מספר תבניות אך החלטנו לתפוס את הקובץ מאתר נאס"א. משם תצטרך להוריד את הקובץ; לאחר מכן, תזדקק לכונן הבזק כדי לפרוק את הקובץ ולהטעין אותו למדפסת תלת מימד.

משם, פשוט קדימה והדפס את ה- CubeSat בתלת מימד כדי להמשיך בשאר השלבים.

בעת יצירת מודל ה- 3D CubeSat הבנו שהארדואינו והחבלים שלנו לא יתאימו לתוכו. כולנו היינו צריכים ליצור אסטרטגיה ולברר כיצד להכניס הכל פנימה. היינו צריכים לסובב ולשים את הכיסוי העליון והתחתון כלפי מעלה. לאחר מכן, היינו צריכים לקדוח חורים ולהיות מסוגלים לדפוק את הציפורניים ולמצוא את הגודל הטוב. בזמן שמכניסים את כל הארדואינו, כרטיס ה- SD והכל בתוכו, היה לנו מקום "יותר מדי" ולכן נצטרך להוסיף כמה עטיפות בועה בפנים כך כשבדקנו זה לא היה הולך לכל מקום כי הכל היה מחובר ומחובר.

שלב 3: שרטט את העיצוב שלך

לאחר שתקבל את כל החומרים שלך תרצה לצייר סקיצה של איך העיצוב שלך ייראה.

חלק מוצאים שלב זה שימושי יותר מאחרים, כך שהוא יכול להיות מפורט או פשוט ככל שתרצה, אך טוב לקבל מושג כללי כיצד אתה הולך לארגן הכל.

הקבוצה שלנו השתמשה בו באופן אישי למעין סיעור מוחות כיצד נארגן את החיישנים שלנו ואת כל החוטים, אך משם לא מצאנו הרבה שימוש בו מכיוון שאנו כל הזמן משנים דברים ולכן המערכונים שלנו שימשו רק נקודת מוצא מאז שלא עשינו זאת ממש לא נשאר איתם.

ברגע שיש לך מושג כללי איך הכל הולך להיראות אתה יכול לעבור לשלב הבא

שלב 4: למד כיצד פועל מונה Geiger

ברגע שקיבלנו את דלפק גייגר היינו צריכים ללמוד כיצד הוא פועל מכיוון שאף אחד מאיתנו לא השתמש בו.

הדבר הראשון שלמדנו הוא שמונה Geiger רגיש במיוחד. החיישנים מאחור היו משמיעים רעש חזק במיוחד כמו גם צינור הגייגר עצמו בכל פעם שנוגעים בו. אם נשמור את האצבע על הצינור זה היה משמיע צפצוף קבוע ארוך אחד והורדנו את האצבעות שוב ושוב וזה היה מצפצף בהתאם למשך האצבעות שלנו על הצינור.

לאחר מכן בדקנו את מונה Geiger באמצעות בננות. הבנו שככל שהחומר הרדיואקטיבי קרוב יותר למונה גייגר, כך הוא יתקתק ולהיפך.

שלב 5: כלים/שיטות בטיחות

1. הדבר הראשון שצריך הוא CubeSat. לשם כך תצטרך מדפסת תלת מימד והקבצים להדפסה או שאתה יכול לבנות משלך בעזרת כל החומרים שאתה מרגיש שיעבדו; זכור, CubeSat חייב להיות בגודל 10 ס"מ על 10 ס"מ על 10 ס"מ (דלג על חלק 2 אם אתה בונה משלך)
2. בשלב הבא תצטרך לקדוח חורים בקליפות העליונות והתחתונות של ה- CubeSat המודפס בתלת -ממד בכדי לשים בו ברגים. קדימה, הברג את המעטפת התחתונה (ודא שאתה מרכיב משקפי מגן כדי למנוע כל פסולת להיכנס לעיניך)
3. קח כמה סוללות והכניס אותן לאריזה, ואז חבר את הסוללות לדלפק גייגר וחבר את מונה הגייגר לארדואינו. ודא כי גם קורא Micro SD מחובר.
4. הפעל את מונה Geiger כדי לוודא שהכל פועל כראוי. שים הכל בתוך ה- CubeSat.
5. בדוק את הטיסה שלך ב- CubeSat כדי לוודא
6. לאחר איסוף הנתונים שלך, ודא ששום דבר ב- CubeSat אינו מתחמם יתר על המידה. אם יש, נתק אותו מהחשמל מייד ובדוק את הבעיה
7. בדוק הכל כדי לבדוק אם נאספים נתונים
8. הקפד לשטוף ידיים לאחר התמודדות עם האורניום המשמש לאיסוף נתונים

שלב 6: חיווט Arduino

ספק הכוח היחיד הדרוש הוא סוללות AA

חבר את הסוללות ישר למונה Geiger, ולאחר מכן חבר את סיכת ה- VVC לעמודה החיובית של לוח הלחם.

הפעל חוט נוסף על אותה העמוד בלוח הלחם לחריץ 5V בארדואינו. זה יניע את הארדואינו.

לאחר מכן, העבר חוט מהפין 5V בארדואינו למתאם כרטיס ה- SD.

לאחר מכן, חברו את ה- VIN על מונה הגייגר לסיכה אנלוגית בארדואינו.

לאחר מכן, חברו את ה- GND לעמודה השלילית בלוח הלחם.

חברו את העמודה השלילית ל- GND על Arduino.

כרטיס SD לארדואינו:

מיסו עובר ל -11

מיסו עולה ל -12

SCK עולה ל -13

CS עולה ל -4

שלב 7: קידוד

הדרך הקלה ביותר לקוד Arduino היא להוריד את אפליקציית ArduinoCC, המאפשרת לכתוב קוד ולהעלות אותו ל- Aduino. היה לנו מאוד קשה למצוא קוד שלם שיעבוד. למזלכם, הקוד שלנו כולל הקלטת עלות לאלף הופעות (קליקים לדקה) והנתונים בכרטיס ה- SD.

קוד:

#לִכלוֹל

#לִכלוֹל

/ * * Geiger.ino * * קוד זה מתקשר עם לוח הדלפק של Alibaba D-v1.1 (CAJOE) Geiger

* ומדווח על קריאות ב- CPM (ספירות לדקה). *

* מחבר: מארק א. הקלר (@MkHeck, [email protected]) *

* רישיון: רישיון MIT *

* אנא השתמש באופן חופשי תוך ייחוס. תודה!

*

* * נערך ** */

#define LOG_PERIOD 5000 // תקופת רישום באלפיות השנייה, ערך מומלץ 15000-60000.

#הגדר MAX_PERIOD 60000 // תקופת רישום מקסימלית

ספירות ארוכות תנודתיות ללא סימן = 0; // אירועי GM Tube

עותק לא ארוך ללא סימן = 0; // מחיר לאלף הופעות

מכפיל int unsigned int = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // מחשב/שומר עלות לאלף הופעות

millis הקודם לא חתום; // מדידת זמן

const int pin = 3;

void tube_impulse () {

// לוכד ספירת אירועים מספירות לוח נגד של גייגר ++;

}

#לִכלוֹל

קובץ myFile;

הגדרת בטל () {

pinMode (10, OUTPUT);

SD.begin (4); // פתח תקשורת טורית והמתן לפתיחת הנמל:

Serial.begin (115200);

}

לולאת void () {// שום דבר לא קורה לאחר ההתקנה

current Signillial millis = millis ();

if (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

previousMillis = currentMillis;

cpm = ספירות * מכפיל;

myFile = SD.open ("test.txt", FILE_WRITE);

אם (myFile) {

Serial.println (cpm);

myFile.println (cpm);

myFile.close ();

}

ספירות = 0;

pinMode (pin, INPUT); // הגדר סיכה לקלט לכידת הפרעות אירועי GM Tube (); // אפשר הפרעות (במקרה שהן הושבתו בעבר) attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin), tube_impulse, FALLING); // הגדר הפרעות חיצוניות

}

}

התמונה שיש לנו היא של הקוד הראשון שהשתמשנו בו שלא היה שלם ולכן זו הייתה אחת הבעיות שלנו בקוד. מכאן ואילך לא ממש יכולנו להמשיך עם הפרויקט עד שהמורים שלנו עזרו לנו עם הקוד. קוד זה נגזר מקוד אחר שעבד עם דלפק גייגר בלבד, אך לא פעם הוא התאמה לכרטיס ה- SD.

שלב 8: קוד בדיקה

ברגע שיש לך את הקוד שלך, בדוק את הקוד כדי לוודא שאתה יכול לאסוף נתונים.

וודא שכל ההגדרות נכונות, בדוק את היציאות ואת החוטים שלך כדי לוודא שהכל תקין.

לאחר שבדקת הכל הפעל את הקוד וראה את הנתונים שאתה מקבל.

שים לב גם ליחידות הקרינה שאתה אוסף, כך שיקבעו את הקרינה האמיתית שנפלטת.

שלב 9: בדוק את CubeSat שלך

לאחר שהבנת את הקידוד שלך וכל החיווט שלך נעשה, השלב הבא שלך הוא להתאים הכל בתוך CubeSat ולבדוק אותו כדי לוודא ששום דבר לא יתפרק בבדיקות האחרונות שלך.

המבחן הראשון שתצטרך לבצע הוא מבחן הטיסה. קח משהו לתלות את ה- CubeSat שלך וסובב אותו כדי לבדוק אם הוא יעוף או לא כדי לוודא שהוא מסתובב בכיוון הנכון.

לאחר שסיימת את הבדיקה המקדימה הראשונה תצטרך להשלים שני בדיקות ניעור. הבדיקה הראשונה תדמה את המערבולת שה CubeSat תחווה ביציאה מהאטמוספירה של כדור הארץ ובדיקת הטלטול השנייה תדמה את המערבולת בחלל.

וודא שכל החלקים שלך נשארים יחד וששום דבר לא התפרק.

שלב 10: בדיקה סופית ותוצאות

נתונים שנאספו על השולחן במרחקים שונים הרחק מדלפק גייגר

מרווחי איסוף ב -5 שניות 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

לפני הבדיקה האחרונה שלנו אספנו נתונים על ידי הפעלת מונה Geiger והצבת החומר הרדיואקטיבי למרחקים שונים. ככל שהמספר גבוה יותר מונה גייגר היה קרוב יותר לחומר הרדיואקטיבי.

נתונים שנאספו במהלך הבדיקה בפועל

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

לצורך הבדיקה בפועל החומר הרדיואקטיבי התברר שהוא רחוק מדי מדלפק גייגר בכדי למדוד אותו אפילו.

מה פירוש הנתונים? ובכן באמצעות תרשים הקריאות אנו יכולים לקבוע שככל שהמספר גבוה יותר כך הקרינה מסוכנת יותר לבני אדם. לאחר מכן נוכל ללחוץ על הדקה ל- mSV שהם היחידות בפועל לקרינה. ולכן, בהתבסס על הניסוי שלנו, מאדים מציל לחלוטין בני אדם!

למרבה הצער, המציאות לעתים קרובות מאכזבת. הקרינה של מאדים היא למעשה 300 mSv שזה גבוה פי 15 ממה שנחשף עובד מפעל גרעיני מדי שנה.

נתונים אחרים לטיסה שלנו כוללים:

Fc: 3.101 ניוטון

Ac: 8.072 m/s^2

V: 2.107 m/s

מ ':.38416 ק ג

P: 1.64 שניות

F:.609 הרץ

שלב 11: בעיות/טיפים/מקורות

הבעיה העיקרית שהייתה לנו הייתה למצוא את הקוד שיעבוד עבור Geiger וכרטיס ה- SD, כך שאם יש לך אותה בעיה אל תהסס להשתמש בקוד שלנו כבסיס. אפשרות נוספת תהיה להיכנס לפורומים של Arduino ולבקש עזרה שם (להיות מוכן לשלם עם זאת כפי ששמנו לב שאנשים נוטים פחות לעזור אם אין פיצוי).

דבר אחד שהיינו מייעצים לאחרים הוא לנסות ולמצוא דרך שבה מונה גייגר יהיה קרוב ככל האפשר לקרינה על מנת לקבל נתונים מוסמכים יותר.

להלן המקורות בהם התייעצנו לכל מי שמעוניין:

www.space.com/24731-mars-radiation-curiosi…

www.cooking-hacks.com/documentation/tutori…

community.blynk.cc/t/geiger-counter/27703/…