Một thiết bị đo áp suất đơn giản cho các mục đích giáo dục: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Dưới đây, bạn tìm thấy hướng dẫn xây dựng cho một thiết bị rất đơn giản và dễ chế tạo để chơi với các phép đo áp suất. Nó có thể sử dụng được cho trường học hoặc các Dự án liên quan đến STEM khác về luật khí, nhưng cũng có thể được điều chỉnh để tích hợp vào các thiết bị khác để đo lực hoặc trọng lượng. Mặc dù ngày nay có một số lượng lớn các thiết bị ngắt cảm biến để đo áp suất, nhưng tôi vẫn thiếu một thiết bị đơn giản và rẻ tiền để sử dụng các cảm biến này và sử dụng chúng cho mục đích giáo dục. bên trong của ống tiêm. Bộ ngắt được kết nối với bộ vi điều khiển bằng một bộ dây cáp đi qua đầu ra của ống tiêm. Đầu ra của ống tiêm được bịt kín bằng cách sử dụng keo nóng hoặc một số phương pháp khác, dẫn đến một thể tích không khí xác định bị giữ lại bên trong ống tiêm. Sau đó, cảm biến được kết nối với Arduino hoặc một bộ vi điều khiển khác. Khi pít tông của ống tiêm được di chuyển, thể tích và áp suất sẽ thay đổi. Các phép đo có thể được hiển thị trong thời gian thực bằng cách sử dụng màn hình nối tiếp hoặc máy vẽ nối tiếp của Arduino IDE.

Bước 1: Vật liệu được sử dụng

Một ống tiêm ống thông bằng nhựa 150 hoặc 250 ml - có sẵn trên internet hoặc tại một cửa hàng đồ kim khí hoặc vườn gần bạn với giá vài đô la hoặc Euro. Đây là một bộ dịch chuyển cấp độ đột phá 3V, với giá dưới 2 đô la mỗi chiếc. Phạm vi đo nằm giữa 650 và khoảng 1580 hPa. Cáp và breadboard: Tôi đã sử dụng cáp jumper dài để kết nối breakout với breadboard. Các dây cáp ít nhất phải dài bằng ống tiêm, nếu không việc kết nối dây cáp và đứt là rất khó. Bộ dịch chuyển mức 5 -> 3 V hai chiều: cần thiết để kết nối cảm biến trên với Arduino. Không bắt buộc nếu cảm biến của bạn bị đứt, ví dụ: như phiên bản Adafruit, đã được triển khai trên bo mạch hoặc bộ vi điều khiển của bạn đang hoạt động với logic 3V. Một bộ vi điều khiển: Tôi đã sử dụng phiên bản của Arduino Uno, MonkMakesDuino, nhưng bất kỳ phiên bản nào tương thích với Arduino đều hoạt động. Ngay cả Micro: bit cũng hoạt động nếu bạn làm theo hướng dẫn này từ Adafruit. Nhiều hơn về điều này sẽ được thảo luận trong một hướng dẫn riêng.

Một giá đỡ cho ống tiêm có thể hữu ích cho một số ứng dụng, nhưng không cần thiết.

Bước 2: Lắp ráp và ứng dụng

Thiết lập tất cả các phần trên breadboard của bạn. Kết nối bộ vi điều khiển và bộ chuyển mức, nếu cần. Trong trường hợp, hãy xác định một trong các đường nguồn trên bảng mạch của bạn là 5V, đường còn lại là 3V và kết nối chúng với các cổng 5V, 3V và tiếp đất của bộ vi điều khiển, sau đó kết nối các cổng 3V, 5V và GND của bộ chuyển mức. Bây giờ kết nối các cổng SDA (A4) và SCL (A5) của Arduino với hai cổng không nguồn ở phía 5V của bộ chuyển mức. Xin lưu ý rằng các cổng SDA và SDA khác nhau giữa các bộ vi điều khiển, vì vậy hãy kiểm tra xem của bạn. Hãy kết nối cảm biến của bạn bằng các loại cáp mà bạn sẽ sử dụng sau này với bộ chuyển mức. SDA và SCL của cảm biến đến các cổng tương ứng ở phía 3V của bộ dịch mức, các cổng Vin và Gnd của cảm biến đến 3V và nối đất. Nếu bạn muốn sử dụng tập lệnh được cung cấp, bạn không cần cài đặt thêm các thư viện cho Arduino IDE. Nếu bạn thích sử dụng tập lệnh Adafruit BMP280, hãy cài đặt BMP280 và thư viện cảm biến của chúng. Tải tập lệnh BMP280 và tải nó lên Arduino. Sử dụng Serial Monitor để kiểm tra xem bạn có nhận được dữ liệu hợp lý hay không. Nếu không, hãy kiểm tra các kết nối. Bây giờ hãy tắt bộ vi điều khiển và rút cáp kết nối cảm biến và bảng mạch chính. Bây giờ đặt các dây cáp qua đầu ra của ống tiêm. Nếu bạn sử dụng cáp jumper, có thể cần phải mở rộng ổ cắm hoặc rút ngắn nó một chút. Đảm bảo lần lượt vượt qua các đầu cái vào bên trong. Một I2C breakout cần bốn dây cáp, ưu tiên sử dụng những dây có màu sắc khác nhau. Bây giờ di chuyển phần vỡ đến đầu ra của ống tiêm. Chèn pít-tông và di chuyển nó đến vị trí chính giữa, xa hơn một chút so với vị trí nghỉ của mặt phẳng. Kết nối các dây cáp với bảng mạch và kiểm tra xem cảm biến có hoạt động hay không. Tắt bộ vi điều khiển và ngắt kết nối cảm biến, nhỏ một giọt keo nóng vào cuối ổ cắm. Cẩn thận hút một chút vật liệu vào và đảm bảo rằng phần cuối được bịt kín không khí. Để keo nguội và lắng xuống, sau đó kiểm tra lại xem keo có kín không. Nếu cần, hãy thêm một ít keo vào các lỗ còn lại. Kết nối cáp cảm biến với bảng mạch và khởi động vi điều khiển. Kích hoạt Serial Monitor để kiểm tra xem cảm biến có gửi các giá trị nhiệt độ và áp suất hay không. Bằng cách di chuyển pít-tông, bạn có thể thay đổi các giá trị áp suất. Nhưng cũng cần xem xét kỹ hơn các giá trị nhiệt độ khi bạn đẩy hoặc nhấn pít tông.

Đóng Serial Monitor và mở 'Serial Plotter', di chuyển pít-tông. Chơi!

Nếu được yêu cầu, bạn có thể điều chỉnh thể tích bằng cách tác dụng một chút lực vào các cạnh của ống tiêm gần khu vực của miếng đệm, để cho một chút không khí vào hoặc thoát ra.

Bước 3: Kết quả và Outlook

Với thiết bị được mô tả ở đây, bạn có thể chứng minh mối tương quan của lực nén và áp suất trong một thí nghiệm vật lý đơn giản. Vì ống tiêm đi kèm với một thang đo trên đó, ngay cả các thí nghiệm định lượng cũng dễ dàng thực hiện.

Theo định luật Boyle, [Thể tích * Áp suất] là không đổi đối với một chất khí ở nhiệt độ nhất định. Điều này có nghĩa là nếu bạn nén một thể tích khí nhất định gấp N, tức là thể tích cuối cùng là 1 / N, thì áp suất của nó cũng sẽ tăng gấp N, như: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Để biết thêm chi tiết, vui lòng xem bài viết trên Wikipedia về luật khí.

Vì vậy, bắt đầu từ các điểm nghỉ ngơi của ví dụ: V1 = 100 ml và P1 = 1000 hPa, nén đến khoảng 66 ml (tức là V2 = 2/3 V1) sẽ tạo ra áp suất khoảng 1500 hPa (P2 = 3/2 của P1). Kéo pít tông đến 125 ml (thể tích gấp 5/4 lần) sẽ tạo ra áp suất khoảng 800 hPa (áp suất 4/5). Các phép đo của tôi chính xác một cách đáng kinh ngạc đối với một thiết bị đơn giản như vậy.

Ngoài ra, bạn sẽ có ấn tượng xúc giác trực tiếp về lực cần thiết để nén hoặc giãn nở một lượng không khí tương đối nhỏ.

Nhưng chúng tôi cũng có thể thực hiện một số tính toán và kiểm tra chúng bằng thực nghiệm. Giả sử chúng ta nén không khí đến 1500 hPa, ở áp suất khí quyển cơ bản là 1000 hPa. Vì vậy, chênh lệch áp suất là 500 hPa, hoặc 50, 000 Pa. Đối với ống tiêm của tôi, đường kính (d) của pít-tông là khoảng 4 cm hoặc 0,04 mét.

Bây giờ bạn có thể tính toán lực cần thiết để giữ piston ở vị trí đó. Cho P = F / A (Áp suất là Lực chia cho Diện tích), hoặc biến đổi F = P * A. Đơn vị SI cho lực là "Newton" hoặc N, cho chiều dài "Mét" hoặc m và "Pascal 'hoặc Pa cho áp suất. 1 Pa là 1N trên mét vuông. Đối với một piston tròn, diện tích có thể được tính bằng cách sử dụng A = ((d / 2) ^ 2) * pi, mang lại 0,00125 mét vuông cho ống tiêm của tôi. Vậy 50, 000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. Trên Trái đất, 1 N tương ứng với trọng lượng 100 gr, vậy 63 N bằng khi giữ một quả nặng 6,3 kg.

Vì vậy, sẽ dễ dàng xây dựng một loại thang đo dựa trên các phép đo áp suất.

Vì cảm biến nhiệt độ cực kỳ nhạy cảm, người ta thậm chí có thể thấy ảnh hưởng của việc nén lên nhiệt độ. Tôi giả sử rằng nếu bạn sử dụng cảm biến BME280, cảm biến cũng có thể thực hiện các phép đo độ ẩm, bạn thậm chí có thể thấy ảnh hưởng của áp suất lên độ ẩm tương đối.

Máy vẽ nối tiếp của Arduino IDE cho phép hiển thị độc đáo các thay đổi áp suất trong thời gian thực, nhưng các giải pháp khác phức tạp hơn cũng có sẵn, ví dụ: bằng ngôn ngữ Xử lý.

Ngoài mục đích giáo dục, người ta cũng có thể sử dụng hệ thống cho một số ứng dụng trong thế giới thực, vì nó cho phép đo lường định lượng các lực đang cố gắng di chuyển pít-tông theo cách này hay cách khác. Vì vậy, bạn có thể đo trọng lượng đặt lên pít tông hoặc lực tác động lên pít tông hoặc chế tạo một công tắc kích hoạt đèn hoặc còi hoặc phát âm thanh sau khi đạt đến một giá trị ngưỡng nhất định. Hoặc bạn có thể chế tạo một nhạc cụ thay đổi tần số tùy thuộc vào cường độ lực tác dụng lên pít tông.

Bước 4: Tập lệnh

Tập lệnh mà tôi đã thêm ở đây là một bản sửa đổi của tập lệnh BME280 được tìm thấy trên trang web Banggood. Tôi chỉ tối ưu hóa các lệnh Serial.print để cho phép hiển thị chúng tốt hơn trong Arduino IDE Serial Plotter.

Tập lệnh Adafruit trông đẹp hơn, nhưng nó yêu cầu một số thư viện của chúng và nó không nhận dạng được cảm biến Banggood.