מכשיר למדידת לחץ פשוט למטרות חינוכיות: 4 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

להלן תמצא הוראות בנייה למכשיר פשוט וקל מאוד לבנייה המשמש למדידות לחץ. הוא עשוי להיות שימושי עבור בתי ספר או פרויקטים אחרים הקשורים ל- STEM בנושא חוקי גז, אך עשוי להתאים אותו גם לשילוב במכשירים אחרים למדידת כוחות או משקל. אמנם יש מספר רב של התפרצויות חיישנים למדידות לחץ הזמינות בימים אלה, אבל חסר לי מכשיר פשוט וזול לשחק עם חיישנים אלה ולהשתמש בהם למטרות חינוכיות.המבנה שלי מורכב בעצם ממזרק פלסטיק גדול ופריצת חיישן שהונחה בתוך המזרק. הפריצה מחוברת למיקרו -בקר באמצעות מערכת כבלים העוברת בשקע המזרק. יציאת המזרק אטומה אטומה באמצעות דבק חם או שיטה אחרת, וכתוצאה מכך נפח אוויר מוגדר נלכד בתוך המזרק. לאחר מכן החיישן מחובר ל- Arduino או למיקרו -בקר אחר. כאשר הבוכנה של המזרק נעה, הנפח והלחץ ישתנו. ניתן להציג את המדידות בזמן אמת באמצעות הצג הסדרתי או הקושר הטורי של ה- Arduino IDE.

שלב 1: חומרים בשימוש

מזרק צנתר פלסטיק של 150 או 250 מ"ל - זמין באינטרנט או בחנות לחומרי בניין או גינה בקרבתך תמורת כמה $ או יורו. פריצת חיישן לחץ - השתמשתי בחיישן BMP280 (טמפרטורה ולחץ) זול שקניתי ב Banggood. זהו מפסק 3V ללא מחלף ברמה, בפחות מ -2 $ כל אחד. טווח המדידה נע בין 650 לכ- 1580 כ"ס. כבלים ולוח: השתמשתי בכבלי מגשר ארוכים כדי לחבר את הפריצה ללוח לחם. הכבלים צריכים להיות לפחות ארוכים כמו המזרק, אחרת חיבור כבלים והתפרצות קשה מאוד. מחלף ברמה דו -כיוונית 5 -> 3 V: נדרש לחיבור החיישן הנ"ל לארדואינו. לא נדרש אם התפרצות החיישן שלך, למשל כגירסת Adafruit, יש כבר מיושם על הלוח, או שהמיקרו -בקר שלך עובד עם לוגיקה של 3V. מיקרו -בקר: השתמשתי בגרסה של ה- Arduino Uno, MonkMakesDuino, אבל כל תואם Arduino אמור לעבוד. אפילו המיקרו: bit עובד אם תעקוב אחר ההנחיות של Adafruit. עוד על כך יידונו בהנחיה נפרדת.

מחזיק למזרק עשוי להיות שימושי עבור יישומים מסוימים, אך אינו הכרחי. Arduino IDE.

שלב 2: הרכבה ויישום

הגדר את כל החלקים בלוח הלחם שלך. חבר מיקרו -בקרה ומשנה רמות, במידת הצורך. במקרה זה, הגדר את אחת ממסילות החשמל בלוח הלחם שלך כ- 5V, השני כ- 3V וחבר אותן עם יציאות 5V, 3V וקרקע של המיקרו -בקר בהתאמה, ולאחר מכן חבר את יציאות 3V, 5V ו- GND של משמרת הרמות. כעת חבר את יציאות SDA (A4) ו- SCL (A5) של הארדואינו עם שתי יציאות ללא כוח של הצד 5V של משמרת הרמות. שים לב כי יציאות SDA ו- SDA שונות בין מיקרו -בקרים, אז בדוק אם יש לך. חבר את החיישן שלך באמצעות הכבלים שבהם תשתמש מאוחר יותר עם מחוון הרמות. SDA ו- SCL של החיישן ליציאות המתאימות בצד ה -3 V של משמרת הרמות, יציאות Vin ו- Gnd של החיישן ל -3 V וקרקע. אם ברצונך להשתמש בתסריט שסופק, אין צורך בהתקנת ספריות נוספות ל- IDE של Arduino. אם אתה מעדיף להשתמש בסקריפט Adafruit BMP280, התקן את ספריות ה- BMP280 והחיישנים שלהם. טען את הסקריפט BMP280 והעלה אותו ל- Arduino. השתמש במסך הטריאלי כדי לבדוק אם אתה מקבל נתונים סבירים. אם לא, בדוק את החיבורים. כעת כבה את המיקרו -בקר ונתק את הכבלים המחברים בין חיישן ללוח הלחם. כעת הכנס את הכבלים דרך שקע המזרק. אם אתה משתמש בכבלי מגשר ייתכן שיהיה צורך להרחיב את השקע, או לקצר אותו מעט. הקפד להעביר את הקצוות הנקביים פנימה, בזה אחר זה. התפרצות I2C זקוקה לארבעה כבלים, עדיף להשתמש בכבלים בצבעים שונים. לאחר מכן חבר מחדש את הפריצה והכבלים, ובדוק שהחיבורים פועלים, כפי שלעיל. כעת העבר את הפריצה לקצה המוצא של המזרק. הכנס את הבוכנה והעבר אותו למיקום מרכזי, קצת יותר רחוק ממצב המנוחה המסודר. חבר את הכבלים ללוח הלוח ובדוק אם החיישן פועל. כבה את המיקרו -בקר ונתק את החיישן. הוסף טיפה גדולה של דבק חם לקצה השקע. מוצץ בזהירות מעט מהחומר וודא שהקצה אטום היטב. תן לדבק להתקרר ולהתייצב, ולאחר מכן בדוק שוב אם הוא אטום לאוויר. במידת הצורך, הוסף עוד דבק לחורים הנותרים. חבר את כבלי החיישנים ללוח הלחם והפעל את המיקרו. הפעל צג סידורי כדי לבדוק אם החיישן שולח ערכי טמפרטורה ולחץ. על ידי הזזת הבוכנה, תוכל לשנות את ערכי הלחץ. אך בדוק גם את ערכי הטמפרטורה כאשר אתה לוחץ או לוחץ על הבוכנה.

סגור את המוניטור הסדרתי ופתח את ה- 'Plotter Serial', הזז את הבוכנה. שחק!

במידת הצורך, תוכל לתקן את עוצמת הקול על ידי הפעלת מעט כוח על דפנות המזרק ליד אזור האטם, תוך כניסת אוויר או החוצה.

שלב 3: תוצאות ואאוטלוק

בעזרת המכשיר המתואר כאן, אתה יכול להוכיח את המתאם של דחיסה ולחץ בניסוי פיזיקה פשוט. מכיוון שהמזרק מגיע עם סולם, קל לבצע אפילו ניסויים לכמת.

על פי חוק בויל, [נפח * לחץ] קבוע לגז בטמפרטורה נתונה. המשמעות היא שאם אתה לוחץ נפח נתון של גז N פי, כלומר הנפח הסופי הוא 1/N, הלחץ שלו יעלה פי N גם, כמו: P1*V1 = P2*V2 = const.

לפרטים נוספים, עיין במאמר בויקיפדיה בנושא חוקי גז.

אז החל בנקודות מנוחה של למשל. V1 = 100 מ"ל ו- P1 = 1000 hPa, דחיסה לכ- 66 מ"ל (כלומר V2 = 2/3 של V1) תביא ללחץ של כ- 1500 hPa (P2 = 3/2 מ- P1). משיכת הבוכנה ל -125 מ"ל (נפח פי 5/4) נותנת לחץ של כ- 800 hPa (לחץ 4/5). המדידות שלי היו מדויקות להפליא למכשיר כל כך פשוט.

בנוסף תהיה לך רושם הפטי ישיר כמה כוח נדרש כדי לדחוס או להרחיב כמות קטנה יחסית של אוויר.

אבל אנחנו גם יכולים לבצע כמה חישובים ולבדוק אותם בניסוי. נניח שאנו דוחסים את האוויר ל 1500 hPa, בלחץ ברומטרי בסיסי של 1000 hPa. אז הפרש הלחץ הוא 500 hPa, או 50, 000 Pa. עבור המזרק שלי, קוטר (ד) הבוכנה הוא כ -4 ס מ או 0.04 מטר.

עכשיו אתה יכול לחשב את הכוח הדרוש כדי להחזיק את הבוכנה במיקום זה. נתון P = F/A (הלחץ הוא כוח מחולק לפי שטח), או המרות F = P*A. יחידת SI לכוח היא "ניוטון" או N, באורך "מטר" או מ ', ו"פסקל' או פא ללחץ. 1 פא היא 1N למטר מרובע. עבור בוכנה עגולה ניתן לחשב את השטח באמצעות A = ((d/2)^2) * pi, שנותן 0.00125 מ"ר למזרק שלי. אז 50, 000 Pa * 0.00125 m^2 = 63 N. בכדור הארץ, 1 N מתואם למשקל של 100 גרם, אז 63 N שווים להחזקה של 6.3 ק"ג.

אז יהיה קל לבנות סוג של סולם המבוסס על מדידות לחץ.

מכיוון שחיישן הטמפרטורה רגיש במיוחד, אפשר אפילו לראות את השפעת הדחיסה על הטמפרטורה. אני מניח שאם היית משתמש בחיישן BME280, שיכול גם לבצע מדידות לחות, אתה עשוי אפילו לראות את השפעות הלחץ על הלחות היחסית.

המתכנן הטורי של ה- Arduino IDE מאפשר להציג יפה את שינויי הלחץ בזמן אמת, אך יש גם פתרונות אחרים ומשוכללים יותר, למשל. בשפת העיבוד.

לצד מטרות חינוכיות, ניתן להשתמש במערכת גם ליישומים מסוימים בעולם האמיתי, שכן היא מאפשרת למדוד כמותית כוחות המנסים להזיז את הבוכנה בדרך זו או אחרת. כך שתוכל למדוד משקל המונח על הבוכנה או כוח פגיעה על הבוכנה, או לבנות מתג המפעיל אור או זמזם או משמיע צליל לאחר שהגיע ערך סף מסוים. או שתוכל לבנות כלי נגינה שמשנה את התדירות בהתאם לעוצמת הכוח המופעלת על הבוכנה.

שלב 4: התסריט

התסריט שהוספתי כאן הוא שינוי של הסקריפט BME280 שנמצא באתר Banggood. בדיוק אופטימיזציה של פקודות Serial.print כדי לאפשר להציג אותן טוב יותר בפלוטר הסידורי של Arduino IDE.

התסריט של Adafruit נראה נחמד יותר, אך הוא דורש חלק מהספריות שלהם והוא אינו מזהה את חיישן Banggood.