Cách xây dựng CubeSat với Arduino và cảm biến bộ đếm Geiger: 11 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Bạn đã bao giờ tự hỏi về việc liệu sao Hỏa có phóng xạ hay không? Và nếu nó là chất phóng xạ, thì mức độ bức xạ có đủ cao để được coi là có hại cho con người không? Đây là tất cả những câu hỏi mà chúng tôi hy vọng có thể được trả lời bằng CubeSat với Arduino Geiger Counter của chúng tôi.

Bức xạ được đo bằng sieverts, định lượng lượng bức xạ được hấp thụ bởi các mô của con người, nhưng do kích thước khổng lồ của chúng, chúng tôi thường đo bằng milisieverts (mSV). 100 mSV là liều hàng năm thấp nhất mà ở đó nguy cơ ung thư tăng lên là điều hiển nhiên, và một liều duy nhất 10.000 mSV có thể gây tử vong trong vòng vài tuần. Hy vọng của chúng tôi là xác định nơi mô phỏng này hạ cánh sao Hỏa trên quy mô phóng xạ.

Lớp vật lý của chúng tôi bắt đầu bằng cách nghiên cứu các lực của chuyến bay trong quý đầu tiên thông qua một phòng thí nghiệm, trong đó chúng tôi thiết kế máy bay của riêng mình và sau đó tạo ra nó từ các tấm xốp. Sau đó, chúng tôi sẽ tiến hành phóng để kiểm tra lực kéo, lực nâng, lực đẩy và trọng lượng của máy bay. Sau tập dữ liệu đầu tiên, chúng tôi sẽ thực hiện các thay đổi đối với máy bay để thử và đạt được khoảng cách xa nhất có thể.

Sau đó, quý hai, chúng tôi tập trung vào việc chế tạo một tên lửa nước để quan sát và kiểm tra thêm các khái niệm mà chúng tôi đã học được trong quý một. Đối với dự án này, chúng tôi đã sử dụng chai 2L và các vật liệu khác để chế tạo tên lửa của mình. Khi chúng tôi sẵn sàng phóng, chúng tôi sẽ đổ đầy nước vào các chai, đi ra ngoài, đặt tên lửa lên bệ phóng, tạo áp lực cho nước và thả ra. Mục tiêu là phóng tên lửa xa nhất có thể theo hướng thẳng đứng và hạ cánh an toàn.

Dự án “lớn” cuối cùng thứ ba của chúng tôi là xây dựng một CubeSat có thể mang Arduino và một bộ cảm biến đến mô hình lớp học về sao Hỏa một cách an toàn. Mục tiêu chính của dự án này là xác định lượng phóng xạ trên sao Hỏa và xác định xem nó có gây hại cho con người hay không. Một số mục tiêu phụ khác là tạo ra một CubeSat có thể chịu được thử nghiệm rung lắc và có thể phù hợp với tất cả các vật liệu cần thiết bên trong nó. Các mục tiêu phụ đi đôi với các ràng buộc. Những hạn chế mà chúng tôi gặp phải đối với dự án này là kích thước của CubeSat, nó nặng bao nhiêu và vật liệu được chế tạo từ nó. Các hạn chế khác không liên quan đến CubeSat là lượng thời gian chúng tôi phải in 3D vì chúng tôi chỉ có một ngày để hoàn thành nó; các cảm biến chúng tôi sử dụng cũng là một hạn chế vì có những cảm biến mà lớp học không có sẵn hoặc không thể mua. Trên hết, chúng tôi phải vượt qua bài kiểm tra rung lắc để xác định độ ổn định của CubeSat và bài kiểm tra trọng lượng để đảm bảo rằng chúng tôi không vượt quá 1,3kg.

-Juan

Bước 1: Danh sách vật liệu

CubeSat in 3D - Vệ tinh thu nhỏ có kích thước 10 cm x 10 cm x 10 cm và không nặng hơn 1,3 kg. Đây là nơi chúng tôi đang đặt tất cả dây và cảm biến của mình, phục vụ như một tàu thăm dò không gian

Dây - Được sử dụng để kết nối Bộ đếm Geiger và Arduino với nhau và làm cho chúng hoạt động

Arduino- Được sử dụng để chạy mã trên Geiger Counter

Máy đếm Geiger- Được sử dụng để đo sự phân rã phóng xạ, đây là điều mà toàn bộ dự án của chúng tôi phụ thuộc vào để xác định độ phóng xạ

Pin- Được sử dụng để cấp nguồn cho Bộ đếm Geiger sẽ cấp nguồn cho Arduino sau khi được kết nối

Micro sd Reader- Được sử dụng để thu thập và ghi lại dữ liệu được thu thập bằng Geiger Counter

Vít- Được sử dụng để siết chặt phần trên và phần dưới của CubeSat để đảm bảo nó không bị vỡ

Quặng uranium- Chất phóng xạ là thứ mà Máy đếm Geiger sử dụng để xác định độ phóng xạ

Máy tính- Được sử dụng để tìm / tạo mã bạn sẽ sử dụng cho Arduino

Dây USB- Được sử dụng để kết nối Arduino của bạn với máy tính và chạy mã

Bước 2: Xây dựng CubeSat của bạn

Điều đầu tiên bạn cần là CubeSat của bạn.

(Nếu bạn muốn giải thích chi tiết về CubeSat là gì, hãy xem

Khi thiết kế CubeSat, bạn có hai lựa chọn chính, xây dựng của riêng bạn từ bất kỳ vật liệu nào bạn có hoặc in 3D.

Nhóm của tôi quyết định in 3D CubeSat của chúng tôi nên tất cả những gì chúng tôi phải làm là tra cứu "3D CubeSat" và chúng tôi đã tìm thấy một số mẫu nhưng chúng tôi quyết định lấy tệp từ trang web của NASA. Từ đó, bạn sẽ cần tải xuống tệp; sau đó, bạn sẽ cần một ổ đĩa flash để giải nén tệp và tải nó lên máy in 3D.

Từ đó, chỉ cần tiếp tục và in 3D CubeSat để tiến hành các bước còn lại.

Khi tạo mô hình 3D CubeSat, chúng tôi nhận ra rằng Arduino và dây của chúng tôi sẽ không vừa với bên trong nó. Tất cả chúng tôi phải tạo ra một chiến lược và tìm ra cách đưa mọi thứ vào bên trong. Chúng tôi phải xoay và đặt nắp lên trên và dưới lên. Sau đó, chúng tôi phải khoan lỗ để có thể vặn đinh và tìm kích thước phù hợp. khi chúng tôi thử nghiệm, nó sẽ không đi khắp nơi vì tất cả đều có dây và kết nối.

Bước 3: Phác thảo thiết kế của bạn

Khi bạn có tất cả các tài liệu của mình, bạn sẽ muốn tạo một bản phác thảo về thiết kế của bạn sẽ trông như thế nào.

Một số người thấy bước này hữu ích hơn những bước khác nên nó có thể chi tiết hoặc đơn giản như bạn muốn, nhưng tốt hơn hết là bạn nên có một ý tưởng chung về cách bạn sắp xếp mọi thứ.

Cá nhân nhóm của chúng tôi đã sử dụng nó để phân loại cách chúng tôi sắp xếp các cảm biến và tất cả các dây điện nhưng từ đó chúng tôi không tìm thấy nhiều công dụng cho nó vì chúng tôi liên tục thay đổi mọi thứ và vì vậy các bản phác thảo của chúng tôi chỉ đóng vai trò là điểm khởi đầu kể từ khi chúng tôi không làm không thực sự gắn bó với họ.

Khi bạn có ý tưởng chung về mọi thứ sẽ như thế nào, bạn có thể chuyển sang bước tiếp theo

Bước 4: Tìm hiểu cách hoạt động của bộ đếm Geiger

Khi chúng tôi nhận được Geiger Counter được giao cho chúng tôi, chúng tôi phải tìm hiểu cách hoạt động của nó vì chưa ai trong chúng tôi từng sử dụng.

Điều đầu tiên chúng tôi biết được là Geiger Counter siêu nhạy. Các cảm biến ở mặt sau sẽ phát ra tiếng ồn cực lớn cũng như chính ống Geiger bất cứ khi nào chúng tôi chạm vào. Nếu chúng tôi giữ ngón tay trên ống, nó sẽ phát ra một tiếng bíp dài liên tục và chúng tôi lấy ngón tay ra liên tục và nó sẽ phát ra tiếng bíp theo khoảng thời gian ngón tay của chúng tôi trên ống.

Sau đó, chúng tôi đã thử nghiệm Geiger Counter bằng cách sử dụng chuối. Chúng tôi nhận ra rằng chất phóng xạ càng gần Máy đếm Geiger, nó sẽ tích càng nhiều và ngược lại.

Bước 5: Công cụ / Thực hành An toàn

1. Điều đầu tiên cần thiết là một CubeSat. Để làm được điều đó, bạn sẽ cần một máy in 3d và các tệp để in hoặc bạn có thể tự xây dựng bằng bất kỳ vật liệu nào bạn cảm thấy sẽ hiệu quả; hãy nhớ rằng CubeSat phải có kích thước 10cm x 10cm x 10cm (Bỏ qua phần 2 nếu bạn đang xây dựng của riêng mình)
2. Tiếp theo, bạn sẽ cần phải khoan các lỗ trên vỏ trên và dưới của CubeSat in 3d để đặt vít vào đó. Tiếp tục và vặn phần vỏ dưới cùng (Đảm bảo rằng bạn đang đeo kính bảo hộ để tránh bất kỳ mảnh vỡ nào bay vào mắt)
3. Lấy một số pin và đặt chúng vào một bộ pin, sau đó đấu dây pin vào Bộ đếm Geiger và nối Bộ đếm Geiger với Arduino. Đảm bảo rằng đầu đọc Micro SD cũng được kết nối.
4. Bật Geiger Counter để đảm bảo mọi thứ hoạt động bình thường. Đặt mọi thứ bên trong CubeSat.
5. Kiểm tra chuyến bay CubeSat của bạn để đảm bảo
6. Sau khi thu thập dữ liệu của bạn, hãy đảm bảo rằng không có gì trong CubeSat quá nóng. Nếu có, hãy rút phích cắm ngay lập tức và kiểm tra vấn đề
7. Kiểm tra mọi thứ để kiểm tra xem dữ liệu có đang được thu thập hay không
8. Đảm bảo rửa tay sau khi xử lý Uranium được sử dụng để thu thập dữ liệu

Bước 6: Nối dây Arduino

Nguồn điện duy nhất cần thiết là pin AA

Kết nối thẳng pin với Geiger Counter, sau đó đấu dây chân VVC vào cột dương của bảng mạch.

Chạy một dây khác trên cùng một cột trong breadboard đến khe cắm 5V trên Arduino. Điều này sẽ cung cấp năng lượng cho Arduino.

Sau đó, chạy một dây từ chân 5V trên arduino đến bộ chuyển đổi Thẻ SD.

Tiếp theo, nối số VIN trên bộ đếm geiger vào một chân tương tự trên Arduino.

Sau đó, đấu dây GND vào cột âm trên breadboard.

Nối cột âm với GND trên Arduino.

Thẻ SD cho Arduino:

Miso lên 11

Miso đến 12

SCK đi đến 13

CS chuyển đến 4

Bước 7: Mã hóa

Cách dễ nhất để viết mã Arduino là tải xuống ứng dụng ArduinoCC, cho phép bạn viết mã và tải nó lên Aduino. Chúng tôi đã rất khó khăn trong việc tìm kiếm một đoạn mã hoàn chỉnh có thể hoạt động được. Thật may mắn cho bạn, mã của chúng tôi bao gồm ghi lại CPM (số nhấp chuột mỗi phút) và dữ liệu trên thẻ SD.

Mã số:

#bao gồm

#bao gồm

/ * * Geiger.ino * * Mã này tương tác với bảng mạch bộ đếm Geiger của Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE)

* và báo cáo số lần đọc trong CPM (Số lần mỗi phút). *

* Tác giả: Mark A. Heckler (@MkHeck, [email protected]) *

* Giấy phép: Giấy phép MIT *

* Vui lòng sử dụng tự do với ghi công. Cảm ơn bạn!

*

* * Đã chỉnh sửa ** * /

#define LOG_PERIOD 5000 // Khoảng thời gian ghi nhật ký tính bằng mili giây, giá trị được đề xuất 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 // Khoảng thời gian ghi nhật ký tối đa

số lượng dài không dấu dễ bay hơi = 0; // Sự kiện GM Tube

cpm dài không dấu = 0; // CPM

const unsigned int nhân = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Tính toán / lưu trữ CPM

unsigned long trước đóMillis; // Đo thời gian

const int pin = 3;

void tube_impulse () {

// Chụp số sự kiện từ bảng đếm số đếm Geiger ++;

}

#bao gồm

Tệp myFile;

void setup () {

pinMode (10, OUTPUT);

SD.begin (4); // Mở giao tiếp nối tiếp và đợi cổng mở:

Serial.begin (115200);

}

void loop () {// không có gì xảy ra sau khi thiết lập

unsigned long currentMillis = millis ();

if (currentMillis - beforeMillis> LOG_PERIOD) {

beforeMillis = currentMillis;

cpm = số đếm * số nhân;

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

if (myFile) {

Serial.println (cpm);

myFile.println (cpm);

myFile.close ();

}

số đếm = 0;

pinMode (pin, INPUT); // Đặt ghim thành đầu vào để bắt các sự kiện GM Tube interrupts (); // Kích hoạt ngắt (trong trường hợp chúng đã bị vô hiệu hóa trước đó) attachmentInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin), tube_impulse, FALLING); // Xác định ngắt bên ngoài

}

}

Hình ảnh chúng tôi có là đoạn mã đầu tiên chúng tôi sử dụng, nó chưa hoàn thiện nên đó là lần đầu tiên chúng tôi gặp vấn đề với mã hóa. Từ đó trở đi, chúng tôi thực sự không thể tiếp tục với dự án cho đến khi các giáo viên của chúng tôi giúp chúng tôi viết mã. Mã này được lấy từ một mã khác chỉ hoạt động với Bộ đếm Geiger nhưng không phải khi nó được ghép nối với thẻ SD.

Bước 8: Mã kiểm tra

Sau khi có mã, hãy tiếp tục và kiểm tra mã để đảm bảo rằng bạn có thể thu thập dữ liệu.

Đảm bảo tất cả các cài đặt đều chính xác, vì vậy hãy kiểm tra các cổng và dây của bạn để đảm bảo mọi thứ đều chính xác.

Khi bạn đã kiểm tra mọi thứ, hãy chạy mã và xem dữ liệu bạn nhận được.

Cũng lưu ý các đơn vị cho bức xạ bạn đang thu thập vì sẽ xác định bức xạ thực tế đang được phát ra.

Bước 9: Kiểm tra CubeSat của bạn

Khi bạn đã tìm ra mã của mình và tất cả hệ thống dây điện của bạn đã hoàn thành, bước tiếp theo của bạn là lắp mọi thứ bên trong CubeSat và kiểm tra nó để đảm bảo không có gì bị hỏng trong lần thử nghiệm cuối cùng của bạn.

Bài kiểm tra đầu tiên bạn sẽ cần phải hoàn thành là bài kiểm tra bay. Lấy thứ gì đó để treo CubeSat của bạn và quay nó để kiểm tra xem nó có bay ra hay không và để đảm bảo nó quay đúng hướng.

Khi bạn đã hoàn thành bài kiểm tra sơ bộ đầu tiên, bạn sẽ cần phải hoàn thành hai bài kiểm tra rung lắc. Thử nghiệm đầu tiên sẽ mô phỏng sự hỗn loạn mà CubeSat sẽ trải qua khi ra khỏi bầu khí quyển của trái đất và thử nghiệm rung lắc thứ hai sẽ mô phỏng sự hỗn loạn trong không gian.

Hãy chắc chắn rằng tất cả các bộ phận của bạn vẫn đồng nhất với nhau và không có gì bị hỏng.

Bước 10: Kiểm tra và kết quả cuối cùng

Dữ liệu được thu thập trên bảng ở các khoảng cách khác nhau từ bộ đếm geiger

Khoảng thu thập là 5 giây 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Trước khi thử nghiệm cuối cùng, chúng tôi đã thu thập dữ liệu bằng cách bật Máy đếm Geiger và đặt chất phóng xạ ở các khoảng cách khác nhau. Số càng cao thì Máy đếm Geiger càng gần chất phóng xạ.

Dữ liệu được thu thập trong quá trình thử nghiệm thực tế

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

Đối với thử nghiệm thực tế của chúng tôi, chất phóng xạ hóa ra nằm quá xa so với Máy đếm Geiger để nó có thể đo được.

Dữ liệu có nghĩa là gì? Bằng cách sử dụng biểu đồ đọc, chúng ta có thể xác định rằng con số càng cao thì bức xạ càng nguy hiểm đối với con người. Và vì vậy, dựa trên thử nghiệm của chúng tôi, sao Hỏa hoàn toàn phù hợp với con người!

Đáng buồn thay, thực tế thường đáng thất vọng. Bức xạ của sao Hỏa thực sự là 300 mSv, cao hơn 15 lần so với những gì một công nhân nhà máy hạt nhân tiếp xúc hàng năm.

Các dữ liệu khác cho chuyến bay của chúng tôi bao gồm:

Fc: 3.101 Newton

Ac: 8.072 m / s ^ 2

V: 2.107 m / s

m:.38416 kg

P: 1,64 giây

F:.609 Hz

Bước 11: Sự cố / Mẹo / Nguồn

Vấn đề chính mà chúng tôi gặp phải là tìm mã hoạt động cho Geiger và thẻ SD, vì vậy nếu bạn gặp vấn đề tương tự, hãy sử dụng mã của chúng tôi làm cơ sở. Một lựa chọn khác là truy cập các diễn đàn Arduino và yêu cầu trợ giúp ở đó (hãy sẵn sàng trả tiền, tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy rằng mọi người ít có khả năng giúp đỡ nếu không có tiền bồi thường).

Một điều mà chúng tôi muốn khuyên những người khác là hãy thử và tìm cách để Geiger Counter càng gần với bức xạ càng tốt để có thể nhận được nhiều dữ liệu được chứng nhận hơn.

Dưới đây là các nguồn chúng tôi tham khảo cho bất kỳ ai quan tâm:

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

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

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