Jednoduché zariadenie na meranie tlaku na vzdelávacie účely: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Nasleduje návod na stavbu veľmi jednoduchého a ľahko zostaviteľného zariadenia na hranie s meraním tlaku. Môže byť použiteľný pre školy alebo iné projekty súvisiace s STEM o plynových zákonoch, ale môže byť tiež upravený tak, aby bol integrovaný do iných zariadení na meranie síl alebo hmotnosti. Aj keď je v dnešnej dobe k dispozícii veľký počet výpadkov senzorov na meranie tlaku, chýbalo mi jednoduché a lacné zariadenie na hranie s týmito senzormi a ich použitie na vzdelávacie účely. Moja konštrukcia sa v zásade skladá z veľkej plastovej striekačky a umiestneného senzora. vnútri striekačky. Breakout je spojený s mikrokontrolérom pomocou sady káblov, ktoré prechádzajú výstupom injekčnej striekačky. Výstup injekčnej striekačky je vzduchotesne uzavretý horúcim lepidlom alebo iným spôsobom, čo vedie k zachyteniu definovaného objemu vzduchu vo vnútri striekačky. Senzor sa potom pripojí k Arduinu alebo inému mikrokontroléru. Keď sa piest injekčnej striekačky pohne, zmení sa objem a tlak. Merania je možné zobrazovať v reálnom čase pomocou sériového monitora alebo sériového plotra Arduino IDE.

Krok 1: Použitý materiál

150 alebo 250 ml plastová katéterová striekačka - k dispozícii na internete alebo v obchode s hardvérom alebo v záhradách vo vašom okolí za niekoľko dolárov alebo eur. Prerušenie snímača tlaku - použil som lacný snímač teploty a tlaku BMP280, ktorý som kúpil v Banggoode. Jedná sa o 3V prelomový bezúrovňový radič, za menej ako 2 $ za kus. Rozsah merania leží medzi 650 a asi 1580 hPa. Káble a nepájivé pole: Na prepojenie priechodky s doskou som použil dlhé prepojovacie káble. Káble by mali byť aspoň také dlhé ako striekačka, inak je prepojenie káblov a pretrhnutie veľmi ťažké. Obousmerný 5 -> 3 V prevodník úrovne: potrebný na pripojenie vyššie uvedeného senzora k Arduinu. Nevyžaduje sa, ak sa váš snímač rozbije, napr. verzia Adafruit má už jednu implementovanú na palube alebo váš mikrokontrolér pracuje s logikou 3 V. Mikrokontrolér: Použil som verziu Arduino Uno, MonkMakesDuino, ale mala by fungovať akákoľvek kompatibilná s Arduino. Dokonca aj bit Micro: bit funguje, ak budete postupovať podľa týchto pokynov od spoločnosti Adafruit. Podrobnejšie o tom bude prediskutované v samostatnom pokyne pre nadchádzajúcich.

Držiak na injekčnú striekačku môže byť pre niektoré aplikácie nápomocný, ale nie je potrebný. Arduino IDE.

Krok 2: Montáž a aplikácia

Nastavte všetky diely na doske. V prípade potreby pripojte mikrokontrolér a radič úrovne. V prípade definujte jednu z napájacích koľajničiek na doske ako 5 V, druhú ako 3 V a prepojte ich s 5 V, 3 V a uzemňovacím portom mikrokontroléra a potom pripojte 3 V, 5 V a GND porty radiča úrovne. Teraz prepojte porty SDA (A4) a SCL (A5) Arduina s dvoma portami bez napájania na 5V strane radiča úrovne. Upozorňujeme, že porty SDA a SDA sa medzi mikrokontrolérmi líšia, preto si overte svoje. Pripojte svoj senzor pomocou káblov, ktoré neskôr použijete s radičom úrovne. SDA a SCL snímača do príslušných portov na 3V strane radiča úrovne, porty Vin a Gnd snímača na 3V a uzemnenie. Ak chcete použiť poskytnutý skript, nie je potrebná inštalácia ďalších knižníc do Arduino IDE. Ak dávate prednosť použitiu skriptu Adafruit BMP280, nainštalujte si ich knižnice BMP280 a senzory. Vložte skript BMP280 a nahrajte ho do Arduina. Pomocou sériového monitora skontrolujte, či dostávate rozumné údaje. Ak nie, skontrolujte pripojenia. Teraz vypnite mikrokontrolér a odpojte káble spájajúce snímač a dosku. Teraz prevlečte káble cez výstup injekčnej striekačky. Ak používate prepojovacie káble, môže byť potrebné zásuvku rozšíriť alebo trochu skrátiť. Dbajte na to, aby ste ženské konce prechádzali dovnútra, jeden po druhom. I2C breakout potrebuje štyri káble, prednostne používajte tie v rôznych farbách. Potom znova zapojte prerušovacie káble a káble a skontrolujte, či pripojenia fungujú, ako je uvedené vyššie. Teraz presuňte únik na výstupný koniec striekačky. Zasuňte piest a presuňte ho do stredovej polohy, o niečo ďalej ako je hobľovaná pokojová poloha. Pripojte káble k doske a skontrolujte, či snímač funguje. Vypnite mikrokontrolér a odpojte snímač. Na koniec zásuvky pridajte veľkú kvapku horúceho lepidla. Opatrne nasajte trochu materiálu a uistite sa, že koniec je vzduchotesne uzavretý. Nechajte lepidlo vychladnúť a usadiť, potom znova skontrolujte, či je vzduchotesné. Ak je to potrebné, do zvyšných otvorov pridajte trochu lepidla. Pripojte káble snímača k doske a spustite mikrokontrolér. Aktivujte sériový monitor a skontrolujte, či snímač odosiela hodnoty teploty a tlaku. Pohybom piestu môžete meniť hodnoty tlaku. Ale tiež sa bližšie pozrite na hodnoty teploty, keď stlačíte alebo stlačíte piest.

Zatvorte sériový monitor a otvorte „Sériový ploter“, pohnite piestom a hrajte!

Ak je to potrebné, objem môžete opraviť trochou sily po stranách striekačky v blízkosti tesnenia a vpustením alebo vypustením vzduchu.

Krok 3: Výsledky a výhľad

Tu opísaným zariadením môžete demonštrovať koreláciu kompresie a tlaku v jednoduchom fyzikálnom experimente. Keďže injekčná striekačka obsahuje mierku, je ľahké vykonať aj kvantifikačné experimenty.

Podľa Boylovho zákona je [objem * tlak] pre plyn pri danej teplote konštantný. To znamená, že ak stlačíte daný objem plynu N-násobne, t.j. konečný objem je 1/N, jeho tlak sa zvýši aj N-násobne, ako napríklad: P1*V1 = P2*V2 = konšt.

Viac informácií nájdete v článku Wikipedie o zákonoch o plyne.

Počínajúc bodmi odpočinku napr. V1 = 100 ml a P1 = 1 000 hPa, kompresia na približne 66 ml (t. J. V2 = 2/3 V1) bude mať za následok tlak približne 1 500 hPa (P2 = 3/2 P1). Vytiahnutím piestu na 125 ml (5/4 -násobný objem) získate tlak približne 800 hPa (4/5 tlak). Moje merania boli na také jednoduché zariadenie prekvapivo presné.

Navyše budete mať priamy haptický dojem, aká veľká sila je potrebná na stlačenie alebo roztiahnutie relatívne malého množstva vzduchu.

Môžeme však tiež vykonať niektoré výpočty a experimentálne ich skontrolovať. Predpokladajme, že stlačíme vzduch na 1 500 hPa pri bazálnom barometrickom tlaku 1 000 hPa. Rozdiel tlaku je teda 500 hPa alebo 50 000 Pa. V prípade mojej striekačky je priemer (d) piestu asi 4 cm alebo 0,04 metra.

Teraz môžete vypočítať silu potrebnú na udržanie piestu v tejto polohe. Dané P = F/A (tlak je sila delená plochou) alebo transformované F = P*A. Jednotka SI pre silu je „Newton“alebo N, pre dĺžku „meter“alebo m a „Pascal“alebo Pa pre tlak. 1 Pa je 1 N na meter štvorcový. Pri okrúhlom pieste je možné plochu vypočítať pomocou A = ((d/2)^2) * pi, čo dáva mojej striekačke 0,00125 štvorcových metrov. Takže 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Zemi 1 N koreluje s hmotnosťou 100 gr, takže 63 N sa rovná hmotnosti 6,3 kg.

Bolo by teda ľahké postaviť akúsi stupnicu na základe meraní tlaku.

Pretože je teplotný senzor extrémne citlivý, je dokonca vidieť vplyv kompresie na teplotu. Predpokladám, že ak by ste použili snímač BME280, ktorý môže vykonávať aj meranie vlhkosti, môžete dokonca vidieť účinky tlaku na relatívnu vlhkosť.

Sériový plotter Arduino IDE umožňuje pekne zobraziť zmeny tlaku v reálnom čase, ale k dispozícii sú aj ďalšie, prepracovanejšie riešenia, napr. v jazyku spracovania.

Okrem vzdelávacích účelov je možné systém používať aj pre niektoré aplikácie v reálnom svete, pretože umožňuje kvantitatívne merať sily, ktoré sa pokúšajú pohybovať piestom jedným alebo druhým spôsobom. Môžete teda zmerať hmotnosť umiestnenú na pieste alebo nárazovú silu na piest alebo postaviť spínač, ktorý aktivuje svetlo alebo bzučiak alebo spustí zvuk po dosiahnutí určitej prahovej hodnoty. Alebo môžete postaviť hudobný nástroj, ktorý mení frekvenciu v závislosti od sily sily pôsobiacej na piest.

Krok 4: Skript

Skript, ktorý som sem pridal, je modifikáciou skriptu BME280, ktorý sa nachádza na webových stránkach Banggood. Práve som optimalizoval objednávky Serial.print, aby ich bolo možné lepšie zobraziť v sériovom plotri Arduino IDE.

Skript Adafruit vyzerá krajšie, ale vyžaduje niektoré z ich knižníc a nerozpoznáva snímač Banggood.