วิธีสร้าง CubeSat ด้วย Arduino และ Geiger Counter Sensor: 11 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

เคยสงสัยหรือไม่ว่าดาวอังคารมีกัมมันตภาพรังสีหรือไม่? และถ้าเป็นกัมมันตภาพรังสี ระดับรังสีสูงพอที่จะเป็นอันตรายต่อมนุษย์หรือไม่? ทั้งหมดนี้เป็นคำถามที่เราหวังว่าจะสามารถตอบได้โดย CubeSat ของเราด้วย Arduino Geiger Counter

การแผ่รังสีมีหน่วยเป็นซีเวิร์ต ซึ่งวัดปริมาณรังสีที่เนื้อเยื่อของมนุษย์ดูดกลืน แต่เนื่องจากขนาดมหึมา เราจึงมักวัดเป็นมิลลิซีเวิร์ต (mSV) 100 mSV คือขนาดยารายปีที่ต่ำที่สุดที่ความเสี่ยงต่อมะเร็งเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และปริมาณ 10,000 mSV เพียงครั้งเดียวอาจถึงแก่ชีวิตได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ ความหวังของเราคือการพิจารณาว่าการจำลองนี้ลงจอดที่ใดบนดาวอังคารในระดับกัมมันตภาพรังสี

ชั้นเรียนฟิสิกส์ของเราเริ่มต้นด้วยการศึกษาแรงของการบินในช่วงไตรมาสแรกผ่านห้องแล็บที่เราออกแบบเครื่องบินของเราเองแล้วสร้างมันขึ้นมาจากแผ่นโฟม จากนั้นเราจะดำเนินการเปิดตัวเพื่อทดสอบการลาก การยก แรงขับ และน้ำหนักของเครื่องบิน หลังจากข้อมูลชุดแรก เราจะทำการเปลี่ยนแปลงเครื่องบินเพื่อพยายามให้ได้ระยะทางที่ไกลที่สุด

จากนั้นในไตรมาสที่สอง เรามุ่งเน้นไปที่การสร้างจรวดน้ำเพื่อสังเกตและทดสอบแนวคิดที่เราได้เรียนรู้ในช่วงไตรมาสแรกเพิ่มเติม สำหรับโครงการนี้ เราใช้ขวดขนาด 2 ลิตรและวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างจรวดของเรา เมื่อเราพร้อมที่จะปล่อย เราจะเติมน้ำลงในขวด ออกไปข้างนอก วางจรวดบนแท่นปล่อย อัดแรงดันน้ำแล้วปล่อย เป้าหมายคือการปล่อยจรวดให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ในแนวตั้งและปล่อยให้มันตกลงมาอย่างปลอดภัย

โครงการ "ใหญ่" สุดท้ายที่สามของเราคือการสร้าง CubeSat ที่จะนำ Arduino และเซ็นเซอร์ไปยังแบบจำลองห้องเรียนของดาวอังคารได้อย่างปลอดภัย เป้าหมายหลักของโครงการนี้คือการกำหนดปริมาณกัมมันตภาพรังสีในดาวอังคารและตรวจสอบว่าเป็นอันตรายต่อมนุษย์หรือไม่ เป้าหมายด้านอื่น ๆ คือการสร้าง CubeSat ที่ทนต่อการทดสอบการสั่นไหวและสามารถใส่วัสดุทั้งหมดที่จำเป็นภายในได้ เป้าหมายข้างเคียงไปด้วยกันกับข้อจำกัด ข้อจำกัดที่เรามีสำหรับโครงการนี้คือขนาดของ CubeSat น้ำหนักเท่าไหร่ และวัสดุที่ใช้สร้าง ข้อจำกัดอื่นๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับ CubeSat คือระยะเวลาที่เราต้องพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากเรามีเวลาเพียงวันเดียวในการทำให้เสร็จ เซ็นเซอร์ที่เราใช้ก็เป็นข้อจำกัดเช่นกัน เนื่องจากมีเซ็นเซอร์ที่คลาสนี้ไม่มีอยู่หรือหาซื้อไม่ได้ ยิ่งไปกว่านั้น เราต้องผ่านการทดสอบการสั่นเพื่อตรวจสอบความเสถียรของ CubeSat และการทดสอบน้ำหนักเพื่อให้แน่ใจว่าเราไม่เกิน 1.3 กก.

-ฮวน

ขั้นตอนที่ 1: รายการวัสดุ

CubeSat ที่พิมพ์ 3 มิติ - ดาวเทียมย่อขนาดซึ่งมีขนาด 10 ซม. x 10 ซม. x 10 ซม. และมีน้ำหนักไม่เกิน 1.3 กก. นี่คือที่ที่เราวางสายไฟและเซ็นเซอร์ทั้งหมดของเรา ทำหน้าที่เป็นโพรบอวกาศ

สายไฟ- ใช้เพื่อเชื่อมต่อ Geiger Counter และ Arduino เข้าด้วยกันและทำให้พวกมันทำงาน

Arduino- ใช้เพื่อรันโค้ดบน Geiger Counter

Geiger Counter- ใช้ในการวัดการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี นี่คือสิ่งที่โครงการทั้งหมดของเราพึ่งพาเพื่อกำหนดกัมมันตภาพรังสี

แบตเตอรี่- ใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับตัวนับ Geiger ซึ่งจะจ่ายพลังงานให้กับ Arduino เมื่อเชื่อมต่อแล้ว

Micro sd Reader- ใช้เพื่อรวบรวมและบันทึกข้อมูลที่รวบรวมด้วย Geiger Counter

สกรู- ใช้เพื่อขันด้านบนและด้านล่างของ CubeSat ให้แน่นเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่พัง

แร่ยูเรเนียม- วัสดุกัมมันตภาพรังสีซึ่ง Geiger Counter ใช้เพื่อกำหนดกัมมันตภาพรังสี

คอมพิวเตอร์- ใช้เพื่อค้นหา/สร้างรหัสที่คุณจะใช้สำหรับ Arduino

สาย USB- ใช้เพื่อเชื่อมต่อ Arduino ของคุณกับคอมพิวเตอร์และเรียกใช้รหัส

ขั้นตอนที่ 2: สร้าง CubeSat ของคุณ

สิ่งแรกที่คุณจะต้องมีคือ CubeSat ของคุณ

(หากคุณต้องการคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการชำระเงินของ CubeSat

เมื่อออกแบบ CubeSat ของคุณ คุณมีสองตัวเลือกหลัก สร้างของคุณเองจากวัสดุใดก็ตามที่คุณมีหรือการพิมพ์ 3 มิติ

กลุ่มของฉันตัดสินใจพิมพ์ 3 มิติ CubeSat ของเรา ดังนั้นสิ่งที่เราต้องทำคือค้นหา "3D CubeSat" และเราพบเทมเพลตหลายแบบ แต่เราตัดสินใจคว้าไฟล์จากเว็บไซต์ NASA จากนั้นคุณจะต้องดาวน์โหลดไฟล์ จากนั้น คุณจะต้องใช้แฟลชไดรฟ์เพื่อคลายซิปไฟล์และโหลดไปยังเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

จากนั้น ให้พิมพ์ 3D CubeSat เพื่อดำเนินการตามขั้นตอนที่เหลือ

เมื่อสร้างโมเดล 3D CubeSat เราพบว่า Arduino และสายไฟของเราไม่พอดีกับมัน เราทุกคนต้องสร้างกลยุทธ์และหาวิธีใส่ทุกอย่างไว้ข้างใน เราต้องหมุนและหงายหน้าบนและล่างขึ้น หลังจากนั้นเราต้องเจาะรูและสามารถขันตะปูได้และหาขนาดที่เหมาะสม ในขณะที่ใส่ Arduino, SD card และทุกอย่างในนั้น เรามีพื้นที่ "มากเกินไป" เราจึงต้องเพิ่มแผ่นกันกระแทกเข้าไปข้างใน เมื่อเราทำการทดสอบ มันจะไม่ไปทุกที่เพราะมันมีสายและเชื่อมต่ออยู่ทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 3: ร่างการออกแบบของคุณ

เมื่อคุณได้วัสดุทั้งหมดแล้ว คุณจะต้องร่างภาพว่าการออกแบบของคุณจะเป็นอย่างไร

บางคนพบว่าขั้นตอนนี้มีประโยชน์มากกว่าขั้นตอนอื่นๆ ดังนั้นจึงสามารถมีรายละเอียดหรือเรียบง่ายเท่าที่คุณต้องการ แต่คุณควรเข้าใจภาพรวมว่าคุณจะจัดระเบียบทุกอย่างอย่างไร

กลุ่มของเราใช้มันเป็นการส่วนตัวเพื่อระดมความคิดว่าเราจะจัดระเบียบเซ็นเซอร์และสายไฟทั้งหมดอย่างไร แต่จากที่นั่นเราไม่พบประโยชน์มากนักเนื่องจากเราเปลี่ยนแปลงสิ่งต่างๆ อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นภาพร่างของเราจึงเป็นจุดเริ่มต้นเท่านั้นเนื่องจากเราไม่ได้ ไม่ยึดติดกับพวกเขาจริงๆ

เมื่อคุณมีความคิดทั่วไปแล้วว่าทุกอย่างจะออกมาเป็นอย่างไร คุณสามารถไปยังขั้นตอนถัดไปได้

ขั้นตอนที่ 4: เรียนรู้ว่าตัวนับ Geiger ทำงานอย่างไร

เมื่อเราได้รับ Geiger Counter ที่ส่งมาให้เรา เราต้องเรียนรู้ว่ามันทำงานอย่างไร เนื่องจากไม่มีใครเคยใช้มาก่อน

สิ่งแรกที่เราเรียนรู้คือ Geiger Counter นั้นไวมาก เซ็นเซอร์ที่ด้านหลังจะส่งเสียงดังมาก เช่นเดียวกับท่อไกเกอร์เองทุกครั้งที่เราสัมผัส ถ้าเราเอานิ้วจิ้มไปที่ท่อ มันจะส่งเสียงบี๊บยาวๆ หนึ่งครั้ง และเราถอดนิ้วออกแล้วเปิดใหม่ และจะมีเสียงบี๊บตามระยะเวลาที่นิ้วของเราอยู่บนท่อ

จากนั้นเราทดสอบ Geiger Counter โดยใช้กล้วย เราตระหนักว่ายิ่งวัสดุกัมมันตภาพรังสีอยู่ใกล้ตัวนับ Geiger มากเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งเกิดการขีดข่วนและในทางกลับกัน

ขั้นตอนที่ 5: เครื่องมือ/แนวทางปฏิบัติด้านความปลอดภัย

1. สิ่งแรกที่จำเป็นคือ CubeSat ในการทำเช่นนั้น คุณจะต้องมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติและไฟล์ต่างๆ เพื่อพิมพ์ หรือคุณสามารถสร้างของคุณเองโดยใช้วัสดุใดๆ ที่คุณรู้สึกว่าจะใช้งานได้ โปรดจำไว้ว่า CubeSat ต้องมีขนาด 10 ซม. x 10 ซม. x 10 ซม. (ข้ามส่วนที่ 2 หากคุณสร้างเอง)
2. ถัดไป คุณจะต้องเจาะรูที่เปลือกด้านบนและด้านล่างของ CubeSat ที่พิมพ์ 3 มิติเพื่อใส่สกรูเข้าไป ไปข้างหน้าและขันเปลือกด้านล่าง (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณสวมแว่นตาเพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกเข้าตา)
3. นำแบตเตอรี่มาใส่ในชุดแบตเตอรี่ จากนั้นต่อแบตเตอรี่เข้ากับ Geiger Counter และต่อ Geiger Counter เข้ากับ Arduino ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ต่อเครื่องอ่าน Micro SD ไว้ด้วย
4. เปิด Geiger Counter เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานอย่างถูกต้อง ใส่ทุกอย่างลงใน CubeSat
5. ทดสอบเที่ยวบิน CubeSat ของคุณเพื่อให้แน่ใจว่า
6. หลังจากรวบรวมข้อมูลของคุณแล้ว ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีสิ่งใดใน CubeSat ที่มีความร้อนสูงเกินไป หากมีให้ถอดปลั๊กทันทีและประเมินปัญหา
7. ทดสอบทุกอย่างเพื่อตรวจสอบว่ามีการรวบรวมข้อมูลหรือไม่
8. อย่าลืมล้างมือหลังจากจัดการกับยูเรเนียมที่ใช้ในการรวบรวมข้อมูล

ขั้นตอนที่ 6: การเดินสายไฟ Arduino

แหล่งจ่ายไฟที่จำเป็นเท่านั้นคือแบตเตอรี่ AA

ต่อแบตเตอรี่เข้ากับตัวนับ Geiger จากนั้นต่อสายพิน VVC เข้ากับคอลัมน์บวกของเขียงหั่นขนม

เรียกใช้สายอื่นบนคอลัมน์เดียวกันในเขียงหั่นขนมไปยังสล็อต 5V บน Arduino สิ่งนี้จะเพิ่มพลังให้กับ Arduino

จากนั้นเรียกใช้สายไฟจากพิน 5V บน Arduino ไปยังอะแดปเตอร์การ์ด SD

ถัดไป ต่อ VIN บนตัวนับ geiger กับพินอะนาล็อกบน Arduino

หลังจากนั้นให้ต่อ GND เข้ากับคอลัมน์ลบบนเขียงหั่นขนม

ต่อคอลัมน์ลบกับ GND บน Arduino

การ์ด SD ไปยัง Arduino:

มิโซะไปถึง11

มิโซะไปที่12

SCK ไปที่13

CS ไปที่4

ขั้นตอนที่ 7: การเข้ารหัส

วิธีที่ง่ายที่สุดในการโค้ด Arduino คือการดาวน์โหลดแอป ArduinoCC ซึ่งช่วยให้คุณเขียนโค้ดและอัปโหลดไปยัง Aduino เรามีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการค้นหารหัสที่สมบูรณ์ที่จะใช้งานได้ โชคดีสำหรับคุณ รหัสของเรารวมถึงการบันทึก CPM (คลิกต่อนาที) และข้อมูลในการ์ด SD

รหัส:

#รวม

#รวม

/* * Geiger.ino * * รหัสนี้โต้ตอบกับกระดานเคาน์เตอร์ของ Geiger ของ Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE)

* และรายงานการอ่านเป็น CPM (นับต่อนาที) *

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

* ใบอนุญาต: ใบอนุญาต MIT *

* โปรดใช้โดยอิสระพร้อมแสดงที่มา ขอขอบคุณ!

*

** * แก้ไข ** */

#define LOG_PERIOD 5000 //ระยะเวลาการบันทึกเป็นมิลลิวินาที ค่าที่แนะนำ 15000-60000

#define MAX_PERIOD 60000 //ระยะเวลาการบันทึกสูงสุด

การนับแบบยาวที่ไม่ได้ลงนามแบบผันผวน = 0; // กิจกรรม GM Tube

cpm แบบยาวที่ไม่ได้ลงนาม = 0; // CPM

ตัวคูณ int ที่ไม่ได้ลงชื่อ const = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // คำนวณ/จัดเก็บ CPM

นานก่อนหน้าที่ไม่ได้ลงนามนานMillis; // การวัดเวลา

const int pin = 3;

เป็นโมฆะ tube_impulse () {

// นับจำนวนเหตุการณ์จากเคาน์เตอร์ Geiger ++;

}

#รวม

ไฟล์ myFile;

การตั้งค่าเป็นโมฆะ () {

โหมดพิน (10, เอาต์พุต);

SD.begin(4); // เปิดการสื่อสารแบบอนุกรมและรอให้พอร์ตเปิด:

Serial.begin(115200);

}

void loop() {// ไม่มีอะไรเกิดขึ้นหลังจากตั้งค่า

ไม่ได้ลงนามยาว currentMillis = millis();

if(currentMillis - PreviousMillis > LOG_PERIOD) {

มิลลิวินาทีก่อนหน้า = ปัจจุบันมิลลิวินาที;

cpm = นับ * ตัวคูณ;

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

ถ้า (myFile) {

Serial.println (cpm);

myFile.println (cpm);

myFile.close();

}

นับ = 0;

pinMode(พิน, INPUT); // ตั้งค่าพินเป็นอินพุตสำหรับจับเหตุการณ์ GM Tube ขัดจังหวะ (); // เปิดใช้งานการขัดจังหวะ (ในกรณีที่ถูกปิดใช้งานก่อนหน้านี้) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), tube_impulse, FALLING); // กำหนดอินเตอร์รัปต์ภายนอก

}

}

ภาพที่เรามีคือรหัสแรกที่เราใช้ซึ่งไม่สมบูรณ์ นั่นคือปัญหาแรกของเราในการเขียนโค้ด จากนั้นเราไม่สามารถดำเนินการโครงการต่อไปได้จนกว่าครูของเราจะช่วยเราด้วยรหัส รหัสนี้มาจากรหัสอื่นที่ทำงานร่วมกับ Geiger Counter เพียงอย่างเดียว แต่ไม่ใช่เมื่อจับคู่กับการ์ด SD

ขั้นตอนที่ 8: รหัสทดสอบ

เมื่อคุณมีรหัสแล้ว ให้ทดสอบรหัสเพื่อให้แน่ใจว่าคุณสามารถรวบรวมข้อมูลได้

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการตั้งค่าทั้งหมดถูกต้อง ตรวจสอบพอร์ตและสายไฟของคุณเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างถูกต้อง

เมื่อคุณตรวจสอบทุกอย่างแล้ว ให้รันโค้ดและดูข้อมูลที่คุณได้รับ

นอกจากนี้ ให้สังเกตหน่วยของรังสีที่คุณกำลังรวบรวม ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดรังสีจริงที่ปล่อยออกมา

ขั้นตอนที่ 9: ทดสอบ CubeSat ของคุณ

เมื่อคุณเข้าใจการเข้ารหัสแล้วและการเดินสายทั้งหมดของคุณเสร็จเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนต่อไปของคุณคือใส่ทุกอย่างใน CubeSat และทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีสิ่งใดที่จะแตกสลายในการทดสอบครั้งสุดท้ายของคุณ

การทดสอบครั้งแรกที่คุณต้องทำคือการทดสอบการบิน หาอะไรมาแขวน CubeSat ของคุณและหมุนเพื่อทดสอบว่ามันจะบินออกไปหรือไม่ และเพื่อให้แน่ใจว่ามันจะหมุนไปในทิศทางที่ถูกต้อง

เมื่อคุณเสร็จสิ้นการทดสอบเบื้องต้นครั้งแรกแล้ว คุณจะต้องทำการทดสอบการสั่นสองครั้งให้เสร็จสิ้น การทดสอบครั้งแรกจะจำลองความปั่นป่วนที่ CubeSat จะได้รับจากชั้นบรรยากาศของโลก และการทดสอบการสั่นสะเทือนครั้งที่สองจะจำลองความปั่นป่วนในอวกาศ

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนทั้งหมดของคุณอยู่ด้วยกันและไม่มีอะไรแตกหัก

ขั้นตอนที่ 10: การทดสอบขั้นสุดท้ายและผลลัพธ์

ข้อมูลที่รวบรวมบนโต๊ะในระยะทางต่าง ๆ จากเคาน์เตอร์ไกเกอร์

ช่วงเวลาการรวบรวมที่ 5 วินาที 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

ก่อนการทดสอบครั้งสุดท้าย เราได้รวบรวมข้อมูลโดยเปิดเครื่องนับ Geiger และวางวัสดุกัมมันตภาพรังสีในระยะทางที่ต่างกัน ยิ่งตัวเลขสูงเท่าไร ตัวนับ Geiger ก็จะยิ่งใกล้กับวัสดุกัมมันตภาพรังสีมากขึ้นเท่านั้น

ข้อมูลที่รวบรวมระหว่างการทดสอบจริง

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

สำหรับการทดสอบจริงของเรา พบว่าวัสดุกัมมันตภาพรังสีอยู่ไกลจากตัวนับไกเกอร์เกินกว่าจะวัดได้

ข้อมูลหมายถึงอะไร? เมื่อใช้แผนภูมิการอ่าน เราจะสามารถระบุได้ว่ายิ่งจำนวนรังสีมากเท่าใด อันตรายต่อมนุษย์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จากนั้นเราสามารถแปลงคลิกต่อนาทีเป็น mSV ซึ่งเป็นหน่วยจริงของรังสี จากการทดลองของเรา ดาวอังคารก็ช่วยชีวิตมนุษย์ได้อย่างสมบูรณ์แบบ!

น่าเศร้าที่ความเป็นจริงมักจะน่าผิดหวัง รังสีของดาวอังคารจริง ๆ แล้ว 300 mSv ซึ่งสูงกว่าที่คนงานโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้รับ 15 เท่าทุกปี

ข้อมูลอื่นๆ สำหรับเที่ยวบินของเราประกอบด้วย:

Fc: 3.101 นิวตัน

กระแสไฟฟ้า: 8.072 ม./วินาที^2

V: 2.107 ม./วินาที

ม.:.38416 กก.

ป: 1.64 วินาที

F:.609 เฮิรตซ์

ขั้นตอนที่ 11: ปัญหา/เคล็ดลับ/แหล่งข้อมูล

ปัญหาหลักที่เราพบคือการค้นหาโค้ดที่ใช้ได้กับ Geiger และการ์ด SD ดังนั้นหากคุณมีปัญหาเดียวกัน อย่าลังเลที่จะใช้โค้ดของเราเป็นฐาน อีกทางเลือกหนึ่งคือไปที่ฟอรัม Arduino และขอความช่วยเหลือที่นั่น (พร้อมที่จะจ่ายอย่างไรก็ตามเนื่องจากเราสังเกตเห็นว่าผู้คนมักไม่ค่อยช่วยเหลือหากไม่มีค่าตอบแทน)

สิ่งหนึ่งที่เราจะแนะนำสำหรับคนอื่นๆ คือการพยายามหาวิธีให้ Geiger Counter อยู่ใกล้กับการแผ่รังสีมากที่สุด เพื่อให้ได้ข้อมูลที่ผ่านการรับรองมากขึ้น

นี่คือแหล่งข้อมูลที่เราปรึกษาสำหรับผู้ที่สนใจ:

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

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

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