En enkel trykkmåler for pedagogiske formål: 4 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Nedenfor finner du byggeinstruksjoner for en veldig enkel og lett å bygge enhet for å leke med trykkmålinger. Det kan være nyttig for skoler eller andre STEM -relaterte prosjekter om gasslover, men kan også tilpasses for å bli integrert i andre enheter for å måle krefter eller vekt. Selv om det er et stort antall sensorbrudd for trykkmålinger tilgjengelig i disse dager, manglet jeg en enkel og billig enhet for å leke med disse sensorene og bruke dem til utdanningsformål. Min konstruksjon består i utgangspunktet av en stor plastsprøyte og en sensorutbrudd plassert innsiden av sprøyten. Utbruddet er koblet til en mikrokontroller med et sett med kabler som går gjennom utløpet på sprøyten. Utløpet til sprøyten er forseglet lufttett med varmt lim eller annen metode, noe som resulterer i at et definert volum luft blir fanget inne i sprøyten. Sensoren kobles deretter til en Arduino eller en annen mikrokontroller. Når stempelet på sprøyten flyttes, vil volum og trykk endres. Målingene kan vises i sanntid ved hjelp av den serielle skjermen eller serieplotteren til Arduino IDE.

Trinn 1: Materialer som brukes

En 150 eller 250 ml plastkatetersprøyte - tilgjengelig via internett eller i en maskinvare- eller hagebutikk i nærheten av deg for noen få dollar eller euro. En trykksensorbrudd - jeg brukte en billig BMP280 (temperatur og trykk) sensor jeg kjøpte på Banggood. Dette er en 3V breakout uten nivåskifter, for mindre enn 2 $ hver. Måleområdet ligger mellom 650 og ca 1580 hPa. Kabler og brødbrett: Jeg brukte lange hoppekabler for å koble utbruddet med et brødbrett. Kablene bør være minst like lange som sprøyten, ellers er det veldig vanskelig å koble til kabler og bryte. En toveis 5 -> 3 V nivåskifter: nødvendig for å koble sensoren ovenfor til en Arduino. Ikke nødvendig hvis sensoren din bryter ut, f.eks. som Adafruit -versjonen, har en allerede implementert ombord, eller din mikrokontroller jobber med en 3V -logikk. En mikrokontroller: Jeg brukte en versjon av Arduino Uno, MonkMakesDuino, men enhver Arduino -kompatibel burde fungere. Selv Micro: bit fungerer hvis du følger denne instruksjonen fra Adafruit. Mer om dette vil bli diskutert i en kommende separat instruksjonsbok.

En holder til sprøyten kan være nyttig for noen applikasjoner, men er ikke nødvendig. Arduino IDE.

Trinn 2: Montering og påføring

Sett opp alle delene på brødbrettet. Koble til mikrokontroller og nivåskifter, om nødvendig. I tilfelle definerer du en av strømskinnene på brødbrettet ditt som 5V, den andre som 3V og kobler dem til henholdsvis mikrokontrollerens 5V, 3V og bakkeporter, og deretter kobler du 3V, 5V og GND portene til nivåskifteren. Koble nå SDA (A4) og SCL (A5) portene på Arduino med to ikke-strømporter på 5V siden av nivåskifteren. Vær oppmerksom på at SDA- og SDA -porter er forskjellige mellom mikrokontrollere, så sjekk for din. Koble til sensoren din ved hjelp av kablene du vil bruke senere med nivåskifteren. SDA og SCL for sensoren til de tilsvarende portene på 3V -siden av nivåskifteren, Vin- og Gnd -portene på sensoren til 3V og bakken. Hvis du vil bruke det medfølgende skriptet, er det ikke nødvendig å installere flere biblioteker til Arduino IDE. Hvis du foretrekker å bruke Adafruit BMP280 -skriptet, installerer du BMP280- og sensorbibliotekene. Last BMP280 -skriptet og last det opp til Arduino. Bruk Serial Monitor for å sjekke om du mottar rimelige data. Hvis ikke, sjekk tilkoblingene. Slå nå av mikrokontrolleren, og koble fra kablene som kobler sensoren og brødbrettet. Sett nå kablene gjennom uttaket på sprøyten. Hvis du bruker startkabler, kan det være nødvendig å utvide uttaket, eller forkorte det litt. Sørg for å passere hunnendene inne, en etter en. En I2C -breakout trenger fire kabler, fortrinnsvis bruk dem i forskjellige farger. Koble deretter til breakout og kabler igjen, og kontroller at tilkoblingene fungerer, som ovenfor. Flytt nå utbruddet til utløpsenden av sprøyten. Sett inn stempelet og flytt det til en midtstilling, litt lenger enn den høvlede hvilestillingen. Koble kablene til brødbrettet og sjekk om sensoren fungerer. Slå av mikrokontrolleren og koble fra sensoren. Legg en stor dråpe varmt lim til enden av uttaket. Suge litt av materialet forsiktig inn og sørg for at enden er forseglet lufttett. La limet avkjøle og sette seg, og sjekk igjen om det er lufttett. Hvis nødvendig, tilsett litt mer lim i de gjenværende hullene. Koble sensorkablene til brødbrettet og start mikrokontrolleren. Aktiver Serial Monitor for å kontrollere om sensoren sender temperatur- og trykkverdier. Ved å flytte stemplet kan du endre trykkverdiene. Men se også nærmere på temperaturverdiene når du trykker eller trykker på stemplet.

Lukk seriell monitor og åpne 'Serial Plotter', flytt på stemplet. Spill!

Om nødvendig kan du korrigere volumet ved å påføre litt kraft på sprøyten på siden av pakningen, slik at du slipper inn eller ut litt luft.

Trinn 3: Resultater og Outlook

Med enheten beskrevet her, kan du demonstrere sammenhengen mellom kompresjon og trykk i et enkelt fysikkeksperiment. Siden sprøyten har en skala på den, er selv kvantifiseringseksperimenter enkle å utføre.

I følge Boyles lov er [Volum * Trykk] konstant for en gass ved en gitt temperatur. Dette betyr at hvis du komprimerer et gitt gassvolum N-fold, dvs. det endelige volumet er 1/N, vil trykket også stige N-ganger, som: P1*V1 = P2*V2 = const.

For mer informasjon, ta en titt på Wikipedia -artikkelen om gasslover.

Så starter ved en hvilepunkter på f.eks. V1 = 100 ml og P1 = 1000 hPa, en komprimering til ca. 66 ml (dvs. V2 = 2/3 av V1) vil resultere i et trykk på ca. 1500 hPa (P2 = 3/2 av P1). Å trekke stempelet til 125 ml (5/4 ganger volum) gir et trykk på omtrent 800 hPa (4/5 trykk). Målingene mine var forbløffende presise for en så enkel enhet.

I tillegg vil du ha et direkte haptisk inntrykk av hvor mye kraft som kreves for å komprimere eller utvide en relativt liten mengde luft.

Men vi kan også utføre noen beregninger og kontrollere dem eksperimentelt. Anta at vi komprimerer luften til 1500 hPa, ved et basal barometrisk trykk på 1000 hPa. Så trykkforskjellen er 500 hPa, eller 50 000 Pa. For sprøyten min er diameteren (d) på stempelet omtrent 4 cm eller 0,04 meter.

Nå kan du beregne kraften som kreves for å holde stemplet i den posisjonen. Gitt P = F/A (Trykk er kraft delt på område), eller transformert F = P*A. SI -enheten for kraft er "Newton" eller N, for lengden "Meter" eller m, og "Pascal 'eller Pa for trykk. 1 Pa er 1N per kvadratmeter. For et rundt stempel kan arealet beregnes med A = ((d/2)^2) * pi, som gir 0,00125 kvadratmeter for sprøyten min. Så 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. På jorden korrelerer 1 N til en vekt på 100 gr, så 63 N er lik å holde en vekt på 6,3 kg.

Så det ville være enkelt å bygge en slags skala basert på trykkmålinger.

Siden temperatursensoren er ekstremt følsom, kan man til og med se effekten av komprimering på temperaturen. Jeg antar at hvis du bruker BME280 -sensoren, som også kan utføre fuktighetsmålinger, kan du til og med se effekten av trykk på relativ fuktighet.

Med serieplotteren til Arduino IDE kan du trygt vise trykkendringene i sanntid, men andre, mer forseggjorte løsninger er også tilgjengelige, f.eks. på behandlingsspråket.

Ved siden av utdanningsformål kan man også bruke systemet til noen virkelige applikasjoner, ettersom det gjør det mulig å kvantitativt måle krefter som prøver å bevege stempelet på en eller annen måte. Så du kan måle en vekt som er plassert på stempelet eller en slagkraft på stemplet, eller bygge en bryter som aktiverer et lys eller en summer eller spiller en lyd etter at en viss terskelverdi er nådd. Eller du kan bygge et musikkinstrument som endrer frekvensen avhengig av kraften som brukes på stempelet.

Trinn 4: Skriptet

Skriptet jeg la til her er en modifikasjon av BME280 -skriptet som ble funnet på Banggood -nettstedet. Jeg har nettopp optimalisert Serial.print -bestillingene slik at de kan vises bedre i Arduino IDE Serial Plotter.

Adafruit -skriptet ser bedre ut, men det krever noen av bibliotekene deres, og det gjenkjenner ikke Banggood -sensoren.