JustAPendulum: Con lắc kỹ thuật số nguồn mở: 13 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

JustAPendulum là một con lắc mã nguồn mở dựa trên Arduino dùng để đo và tính toán chu kỳ dao động để tìm gia tốc trọng trường của Trái đất (~ 9, 81 m / s²). Nó chứa Arduino UNO tự chế sử dụng bộ điều hợp USB-to-serial để giao tiếp với máy tính của bạn. JustAPendulum có độ chính xác cao và có một đồng hành (được viết bằng Visual Basic. NET), trong thời gian thực, sẽ hiển thị cho bạn vị trí của khối lượng và một bảng và một biểu đồ với tất cả các phép đo tiền lệ. Hoàn toàn được cắt bằng laser và tự chế, rất dễ sử dụng: chỉ cần nhấn một nút và để khối lượng rơi xuống và bảng sẽ tính toán mọi thứ. Lý tưởng cho các bài kiểm tra trong các lớp học vật lý!

Trang chính của dự án: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Tự mình làm hướng dẫn

Video trên YouTube

Bước 1: Vật lý đằng sau nó

Đây là tất cả các công thức được sử dụng trong JustAPendulum. Tôi sẽ không chứng minh chúng, nhưng nếu bạn tò mò, bạn có thể dễ dàng tìm thấy thông tin này trong mọi cuốn sách vật lý. Để tính gia tốc trọng trường của Trái Đất, con lắc chỉ cần đo chu kỳ dao động (T), sau đó sử dụng công thức sau để tính (g):

và cái này để tính toán sai số tuyệt đối trên gia tốc:

l là chiều dài dây của con lắc. Tham số này phải được đặt từ chương trình Companion (xem bên dưới). 0,01m là sai số đo chiều dài (độ nhạy của thước được giả định là 1 cm), trong khi 0,001s là độ chính xác của đồng hồ Arduino.

Bước 2: Galileo Galilei và Công thức này

Công thức này được Galileo Galilei phát hiện lần đầu tiên (một phần) vào khoảng năm 1602, người đã nghiên cứu về chuyển động đều đặn của các con lắc, làm cho các con lắc được sử dụng như một cỗ máy đo thời gian chính xác nhất cho đến năm 1930 khi máy tạo dao động thạch anh được phát minh, tiếp theo là đồng hồ nguyên tử sau Thế chiến 2. Theo một trong những học sinh của Galileo, Galileo đang tham dự một thánh lễ ở Pisa thì nhận thấy rằng gió làm chuyển động rất nhẹ của một chiếc đèn chùm treo trong nhà thờ. Anh ta tiếp tục nhìn vào chuyển động của chiếc đèn chùm và anh ta nhận thấy rằng mặc dù cơn gió dừng lại và quãng đường di chuyển qua lại của con lắc ngắn lại, nhưng thời gian mà chiếc đèn chùm tạo ra dao động dường như không đổi. Anh định thời gian lắc lư của đèn chùm bằng nhịp đập đều đặn của mạch ở cổ tay và nhận ra mình đã đúng: bất kể quãng đường di chuyển, thời gian trôi qua luôn bằng nhau. Sau nhiều lần đo lường và nghiên cứu, anh ấy phát hiện ra rằng

Hai lần π, như trong phương trình trước, biến biểu thức tỷ lệ thành một phương trình đúng - nhưng điều đó liên quan đến một phép toán học mà Galileo không có.

Bước 3: Cách sử dụng

Xin lưu ý rằng trước khi sử dụng các cảm biến con lắc kỹ thuật số phải được hiệu chỉnh và điều chỉnh độ dài dây. Đặt JustAPendulum bên dưới một con lắc (khuyến nghị cao tối thiểu 1m) và đảm bảo rằng khối lượng che khuất tất cả ba cảm biến khi dao động. Cảm biến hoạt động tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu, vì vậy hãy tắt đèn. Bật bảng. Màn hình “Sẵn sàng” sẽ xuất hiện. Đây là cấu trúc menu:

• Nút trái: để bắt đầu đo, đưa bóng sang phải và nhấn nút. Arduino tự động phát hiện vị trí bóng và bắt đầu.

  • “Đang bắt đầu… o.p.: X ms” được hiển thị

    • Còn lại: tính gia tốc trọng trường
    • Phải: quay lại màn hình chính

• Nút bên phải: hiển thị cấu hình

  • Đúng: vâng
  • Còn lại: không

Bước 4: Người đồng hành

Bạn đồng hành của JustAPendulum là chương trình Visual Basic. NET (được viết trong Visual Studio 2015) cho phép người dùng theo dõi con lắc trong thời gian thực từ máy tính. Nó hiển thị các giá trị và lỗi cuối cùng, có bảng và đồ thị để hiển thị các phép đo trong quá khứ và có các công cụ để hiệu chỉnh các cảm biến và để thiết lập chiều dài của dây. Lịch sử cũng có thể được xuất sang Excel.

Tải về tại đây

Bước 5: Hiệu chỉnh cảm biến

Chuyển sang tab Nâng cao, bật “Màn hình ADC” và quan sát các giá trị hiển thị thay đổi như thế nào tùy thuộc vào vị trí của quả bóng. Cố gắng tìm ra ngưỡng có thể chấp nhận được: dưới đây nghĩa là không có khối lượng giữa các máy dò, trong khi ở trên nó cho biết khối lượng đang đi qua giữa chúng. Nếu các giá trị không thay đổi, có thể có quá nhiều ánh sáng trong phòng, vì vậy hãy tắt đèn. Sau đó, nhấn nút “Hiệu chuẩn thủ công”. Viết vào hộp văn bản ngưỡng bạn đã quyết định và nhấn enter.

Bước 6: Thay đổi chiều dài dây

Để điều chỉnh độ dài của dây, nhấn nút “Độ dài dây” và nhập giá trị. Sau đó đặt sai số đo: nếu bạn đo bằng thước dây thì độ nhạy phải là 1 mm. Tất cả các giá trị sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ của vi điều khiển ATmega328P.

Bước 7: Hộp cắt laser

Cắt cấu trúc này từ ván ép (dày 4 mm) bằng máy cắt la-de, sau đó gia công nó, đặt các thành phần lên các tấm và cố định chúng bằng một số đinh và keo vinilic. Tải xuống tệp DXF / DWG ở cuối trang này (được thiết kế bằng AutoCAD 2016).

Bước 8: Cấu trúc

Nếu bạn không có con lắc, bạn có thể tự tạo một con lắc bắt đầu từ ví dụ này (nó là bản sao chính xác của cái tôi đã tạo). Một miếng ván ép 27, 5 · 16 · 1 cm, một thanh nẹp 5 · 27, 5 · 2 cm và một thanh là đủ. Sau đó sử dụng vòng, dây câu và một quả bóng để hoàn thành con lắc.

Dự án AutoCAD

Bước 9: Thánh lễ

Tôi không có khối lượng bằng sắt (tất nhiên sẽ tốt hơn), vì vậy tôi đã làm một quả bóng bằng máy in 3D và thêm một chiếc vòng để treo nó vào dây. Càng nặng, càng mỏng (xem đồng hồ quả lắc: khối lượng nằm phẳng để tránh ma sát với không khí) thì dao động càng dài.

Tải xuống bóng 3D

Bước 10: PCB

Đây là phương pháp ít tốn kém hơn để tạo ra một PCB tự chế chỉ bằng những thứ giá rẻ:

• Máy in laser (600 dpi trở lên)
• Giấy ảnh
• Bảng mạch trống
• Axit Muriatic (> 10% HCl)
• Hydrogen peroxide (dung dịch 10%)
• Bàn ủi quần áo
• Axeton
• Len thép
• Kính bảo hộ và găng tay
• Natri bicacbonat
• Giấm
• Khăn giấy

Bước đầu tiên là làm sạch PCB trống bằng len thép và nước. Nếu đồng xuất hiện một chút ôxy hóa, bạn nên rửa nó bằng giấm trước đó. Sau đó, chà mặt đồng bằng khăn giấy tẩm axeton để loại bỏ bụi bẩn còn sót lại. Chà chính xác từng phần của bảng. Không chạm tay vào đồng!

In tệp PCB.pdf ở cuối trang này bằng máy in laser và không chạm vào tệp bằng ngón tay. Cắt nó, căn chỉnh hình ảnh trên mặt đồng và ép với bàn ủi quần áo (bàn ủi phải nóng nhưng không có hơi) trong khoảng năm phút. Để giấy thật nguội, sau đó lấy giấy ra thật chậm và cẩn thận dưới vòi nước. Nếu không có mực trên đồng, hãy lặp lại quy trình; Sử dụng một điểm đánh dấu cố định nhỏ để sửa một số kết nối bị thiếu.

Bây giờ đã đến lúc sử dụng axit để khắc PCB. Trong một hộp nhựa đặt ba ly axit muriatic và một ly hydro peroxit; bạn cũng có thể thử với số lượng bằng nhau để có cách khắc mạnh mẽ hơn. Cho PCB vào dung dịch (chú ý đến tay và mắt của bạn) và đợi khoảng 10 phút. Khi quá trình khắc hoàn thành, lấy bảng ra khỏi dung dịch và rửa dưới nước. Cho hai thìa natri bicacbonat vào axit để trung hòa dung dịch rồi vứt vào nhà vệ sinh (hoặc mang đến trung tâm thu gom rác thải).

Bước 11: Điện tử

Các bộ phận cần thiết:

• ATMEGA328P MCU
• Tụ điện 2x 22 pF
• Tụ điện 3x 100 uF
• 2x 1N4148 điốt
• Bộ điều chỉnh điện áp 7805TV
• Điện trở 6x 10K
• 2x điện trở 220R
• Bộ dao động tinh thể 16 MHz
• Đầu ghim
• Bộ chuyển đổi USB-to-serial
• Bộ phát hồng ngoại nhìn từ bên 940nm và bộ dò hồng ngoại (tôi đã mua chúng từ Sparkfun)
• Pin 9V và giá đỡ pin
• Màn hình LCD 16x2
• 2 nút
• Một chiết áp và một tông đơ
• Dây điện, dây điện và dây điện

Bây giờ bạn đã mua và thu thập các thành phần, hãy chọn một người hàn và hàn tất cả chúng! Sau đó, cố định PCB trong hộp, kết nối tất cả các dây với màn hình LCD, bộ chuyển đổi USB-to-serial, chiết áp và tông đơ (đối với độ sáng và độ tương phản của màn hình). Tham khảo sơ đồ, mô hình PCB trong bước trước và đến tệp Eagle CAD ở cuối trang này để đặt chính xác tất cả các bộ phận và dây.

Dự án CAD Eagle

Bước 12: Cảm biến

Thêm các cảm biến như trong hình, sau đó tạo một số nắp (tôi đã sử dụng một công cụ quay để khắc chúng từ một thanh nẹp gỗ) để che và bảo vệ chúng. Sau đó kết nối chúng với bảng mạch chính.

Bước 13: Bạn đã sẵn sàng

Bắt đầu sử dụng nó! Thưởng thức!