JustAPendulum: ลูกตุ้มดิจิตอลโอเพนซอร์ส: 13 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

JustAPendulum เป็นลูกตุ้มโอเพนซอร์สที่ใช้ Arduino ซึ่งวัดและคำนวณระยะเวลาการสั่นเพื่อค้นหาความเร่งโน้มถ่วงของโลก (~9, 81 ม./วินาที²) ประกอบด้วย Arduino UNO แบบโฮมเมดที่ใช้อะแดปเตอร์ USB-to-serial เพื่อสื่อสารกับคอมพิวเตอร์ของคุณ JustAPendulum มีความแม่นยำสูงและมีตัวช่วย (เขียนใน Visual Basic. NET) ซึ่งจะแสดงตำแหน่งของมวล ตาราง และกราฟพร้อมการวัดแบบอย่างในแบบเรียลไทม์ การตัดด้วยเลเซอร์ทั้งหมดและทำเองที่บ้าน ใช้งานง่ายมาก เพียงกดปุ่มแล้วปล่อยให้มวลตกลงมา กระดานจะคำนวณทุกอย่าง เหมาะสำหรับการทดสอบในชั้นเรียนฟิสิกส์!

หน้าหลักของโครงการ: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

ทำเองเป็นแนวทาง

วิดีโอ YouTube

ขั้นตอนที่ 1: ฟิสิกส์เบื้องหลัง

นี่คือสูตรทั้งหมดที่ใช้ใน JustAPendulum ฉันจะไม่สาธิตพวกเขา แต่ถ้าคุณอยากรู้ ข้อมูลนี้หาได้ง่ายในหนังสือฟิสิกส์ทุกเล่ม ในการคำนวณความเร่งโน้มถ่วงของโลก ลูกตุ้มเพียงวัดระยะเวลาการแกว่ง (T) จากนั้นใช้สูตรต่อไปนี้ในการคำนวณ (g):

และอันนี้เพื่อคำนวณข้อผิดพลาดสัมบูรณ์เหนือความเร่ง:

l คือความยาวของเส้นลวดของลูกตุ้ม ต้องตั้งค่าพารามิเตอร์นี้จากโปรแกรม Companion (ดูด้านล่าง) 0.01m คือข้อผิดพลาดในการวัดความยาว (ความรู้สึกของไม้บรรทัดถือว่า 1 ซม.) ในขณะที่ 0.001s คือความแม่นยำของนาฬิกาของ Arduino

ขั้นตอนที่ 2: Galileo Galilei และสูตรนี้

สูตรนี้เป็นครั้งแรก (บางส่วน) ที่กาลิเลโอ กาลิเลอีค้นพบเมื่อราวปี ค.ศ. 1602 ซึ่งเป็นผู้ตรวจสอบการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มเป็นประจำ ทำให้ใช้ลูกตุ้มเป็นเครื่องบอกเวลาที่แม่นยำที่สุดจนถึงปี 1930 เมื่อมีการประดิษฐ์ออสซิลเลเตอร์แบบควอตซ์ ตามด้วยนาฬิกาอะตอมหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ตามที่นักเรียนคนหนึ่งของกาลิเลโอกล่าว กาลิเลโอกำลังเข้าร่วมพิธีมิสซาในเมืองปิซา เมื่อเขาสังเกตเห็นว่าลมทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเล็กน้อยของโคมระย้าที่แขวนอยู่ในโบสถ์ เขาเฝ้ามองดูการเคลื่อนที่ของโคมระย้า และเขาสังเกตเห็นว่าแม้ว่าลมจะหยุดและระยะการกลับไปกลับมาที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่ไปนั้นสั้นลง แต่เวลาที่โคมระย้าใช้เพื่อทำให้การสั่นนั้นดูเหมือนจะคงที่ เขาจับเวลาการแกว่งของโคมระย้าด้วยการเต้นของชีพจรที่ข้อมือเป็นประจำและตระหนักว่าเขาคิดถูก ไม่ว่าระยะทางจะเดินทางเท่าใด เวลาที่ใช้จะเท่าเดิมเสมอ หลังจากวัดและศึกษาเพิ่มเติม เขาก็พบว่า

ค่า π สองครั้ง เหมือนกับในสมการก่อนหน้านี้ เปลี่ยนนิพจน์ตามสัดส่วนให้เป็นสมการจริง แต่นั่นเกี่ยวข้องกับกลวิธีทางคณิตศาสตร์ที่กาลิเลโอไม่มี

ขั้นตอนที่ 3: การใช้งาน

โปรดทราบว่าก่อนใช้เซ็นเซอร์ลูกตุ้มดิจิตอลจะต้องสอบเทียบและปรับความยาวสายไฟ วาง JustAPendulum ไว้ใต้ลูกตุ้ม (แนะนำสูงขั้นต่ำ 1 ม.) และตรวจสอบให้แน่ใจว่ามวลบดบังเซ็นเซอร์ทั้งสามเมื่อสั่น เซ็นเซอร์ทำงานได้ดีขึ้นในสภาพแสงน้อย ดังนั้นให้ปิดไฟ เปิดสวิตช์บนกระดาน หน้าจอ "พร้อม" จะปรากฏขึ้น นี่คือโครงสร้างเมนู:

• ปุ่มซ้าย: ในการเริ่มการวัด ให้วางลูกบอลไปทางขวาแล้วกดปุ่ม Arduino ตรวจจับตำแหน่งลูกโดยอัตโนมัติและเริ่ม

  • “กำลังเริ่ม… op: x ms” จะปรากฏขึ้น

    • ซ้าย: คำนวณความเร่งโน้มถ่วง
    • ขวา: กลับไปที่หน้าจอหลัก

• ปุ่มขวา: แสดงการกำหนดค่า

  • ขวา: ใช่
  • ซ้าย: ไม่

ขั้นตอนที่ 4: สหาย

สหายของ JustAPendulum คือโปรแกรม Visual Basic. NET (เขียนใน Visual Studio 2015) ที่อนุญาตให้ผู้ใช้ตรวจสอบลูกตุ้มแบบเรียลไทม์จากคอมพิวเตอร์ จะแสดงค่าและข้อผิดพลาดล่าสุด มีตารางและกราฟเพื่อแสดงการวัดที่ผ่านมา และมีเครื่องมือสำหรับสอบเทียบเซ็นเซอร์และกำหนดความยาวของสายไฟ ประวัติสามารถส่งออกไปยัง Excel ได้

ดาวน์โหลดได้ที่นี่

ขั้นตอนที่ 5: การปรับเทียบเซ็นเซอร์

ไปที่แท็บขั้นสูง เปิด "จอภาพ ADC" และสังเกตว่าค่าที่แสดงเปลี่ยนไปตามตำแหน่งของลูกบอล พยายามหาเกณฑ์ที่ยอมรับได้: ด้านล่างหมายความว่าไม่มีมวลระหว่างเครื่องตรวจจับ ขณะที่ด้านบนจะระบุว่ามวลกำลังผ่านระหว่างเครื่องตรวจจับ หากค่าไม่เปลี่ยนแปลง แสดงว่าอาจมีแสงสว่างมากเกินไปในห้อง ดังนั้นให้ปิดไฟ จากนั้นกดปุ่ม "การปรับเทียบด้วยตนเอง" เขียนในช่องข้อความเกณฑ์ที่คุณตัดสินใจแล้วกด Enter

ขั้นตอนที่ 6: การเปลี่ยนความยาวของสาย

ในการปรับความยาวของเส้นลวดให้กดปุ่ม "Wire length" และป้อนค่า จากนั้นตั้งค่าข้อผิดพลาดในการวัด: หากคุณวัดด้วยเทปวัดความไวควรเป็น 1 มม. ค่าทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำของไมโครคอนโทรลเลอร์ ATmega328P

ขั้นตอนที่ 7: กล่องเลเซอร์คัท

ตัดโครงสร้างนี้จากไม้อัด (หนา 4 มม.) ด้วยเครื่องตัดเลเซอร์ จากนั้นประกอบ วางส่วนประกอบบนแผง และแก้ไขด้วยตะปูและกาวไวนิล ดาวน์โหลดไฟล์ DXF/DWG ที่ด้านล่างของหน้านี้ (ออกแบบด้วย AutoCAD 2016)

ขั้นตอนที่ 8: โครงสร้าง

หากคุณไม่มีลูกตุ้ม คุณสามารถสร้างลูกตุ้มด้วยตัวเองโดยเริ่มจากตัวอย่างนี้ ไม้อัดขนาด 27, 5·16·1 ซม. เฝือกขนาด 5·27 5·2 ซม. และไม้เรียวก็เพียงพอแล้ว จากนั้นใช้ห่วง ลวดตกปลา และลูกตุ้มเพื่อเติมเต็มลูกตุ้ม

โครงการ AutoCAD

ขั้นตอนที่ 9: มวล

ฉันไม่มีมวลเหล็ก (น่าจะดีกว่านี้) ดังนั้นฉันจึงสร้างลูกบอลด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และฉันเพิ่มแหวนเพื่อแขวนไว้กับลวด ยิ่งหนักและบางลง (ดูนาฬิกาลูกตุ้ม: มวลจะแบนเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียดสีกับอากาศ) มันก็จะแกว่งนานขึ้น

ดาวน์โหลดลูกบอล 3 มิติ

ขั้นตอนที่ 10: PCB

นี่เป็นวิธีที่ถูกกว่าในการสร้าง PCB แบบโฮมเมดโดยใช้ของที่มีต้นทุนต่ำเท่านั้น:

• เครื่องพิมพ์เลเซอร์ (600 dpi หรือดีกว่า)
• กระดาษภาพถ่าย
• แผงวงจรเปล่า
• กรดมูริเอติก (>10% HCl)
• ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (สารละลาย 10%)
• เตารีดผ้า
• อะซิโตน
• ขนเหล็ก
• แว่นตานิรภัยและถุงมือ
• โซเดียมไบคาร์บอเนต
• น้ำส้มสายชู
• ผ้ากระดาษ

ขั้นตอนแรกคือการทำความสะอาด PCB เปล่าด้วยขนเหล็กและน้ำ ถ้าทองแดงออกซิไดซ์เล็กน้อย คุณควรล้างด้วยน้ำส้มสายชูก่อน จากนั้นใช้กระดาษชำระชุบอะซิโตนด้านทองแดงขัดด้านทองแดงเพื่อขจัดสิ่งสกปรกที่เหลืออยู่ ถูทุกส่วนของกระดานอย่างแม่นยำ อย่าสัมผัสทองแดงด้วยมือ!

พิมพ์ไฟล์ PCB.pdf ที่ด้านล่างของหน้านี้โดยใช้เครื่องพิมพ์เลเซอร์ และอย่าใช้นิ้วแตะมัน ตัด จัดแนวรูปภาพที่ด้านทองแดงแล้วกดด้วยเตารีด (ต้องร้อนแต่ไม่มีไอระเหย) ประมาณห้านาที ปล่อยให้กระดาษเย็นสนิท จากนั้นนำกระดาษออกอย่างช้าๆ และระมัดระวังใต้น้ำ หากไม่มีผงหมึกบนทองแดง ให้ทำซ้ำตามขั้นตอน ใช้เครื่องหมายถาวรขนาดเล็กเพื่อแก้ไขการเชื่อมต่อที่ขาดหายไป

ตอนนี้ได้เวลาใช้กรดในการกัด PCB ในกล่องพลาสติกใส่กรด muriatic สามแก้วและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์หนึ่งอัน คุณยังสามารถลองใช้ในปริมาณที่เท่ากันเพื่อการแกะสลักที่ทรงพลังยิ่งขึ้น ใส่ PCB ลงในสารละลาย (ให้ความสนใจกับมือและดวงตาของคุณ) แล้วรอประมาณสิบนาที เมื่อแกะสลักเสร็จแล้ว นำกระดานออกจากสารละลายแล้วล้างใต้น้ำ ใส่โซเดียมไบคาร์บอเนตสองช้อนลงในกรดเพื่อทำให้สารละลายเป็นกลางและโยนลงในโถสุขภัณฑ์ (หรือนำไปที่ศูนย์รวบรวมขยะ)

ขั้นตอนที่ 11: อิเล็กทรอนิกส์

ชิ้นส่วนที่จำเป็น:

• ATMEGA328P MCU
• ตัวเก็บประจุ 2x 22 pF
• ตัวเก็บประจุ 3x 100 uF
• 2x 1N4148 ไดโอด
• 7805ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าทีวี
• ตัวต้านทาน 6x 10K
• ตัวต้านทาน 220R 2x
• คริสตัลออสซิลเลเตอร์ 16 MHz
• พินเฮด
• อะแดปเตอร์ USB เป็นซีเรียล
• ตัวปล่อยอินฟราเรดด้านข้าง 940nm และเครื่องตรวจจับ IR (ฉันซื้อจาก Sparkfun)
• แบตเตอรี่ 9V และที่ใส่แบตเตอรี่
• จอ LCD 16x2
• 2 ปุ่ม
• โพเทนชิออมิเตอร์และทริมเมอร์
• สายไฟ สายไฟและสายไฟ

เมื่อคุณซื้อและรวบรวมส่วนประกอบแล้ว ให้เลือกเครื่องบัดกรีและบัดกรีทั้งหมด! จากนั้นแก้ไข PCB ในกล่อง ต่อสายไฟทั้งหมดเข้ากับ LCD, อะแดปเตอร์ USB เป็นซีเรียล, โพเทนชิออมิเตอร์ และทริมเมอร์ (สำหรับความสว่างและคอนทราสต์ของจอแสดงผล) อ้างถึงแผนผัง รุ่น PCB ในขั้นตอนก่อนหน้า และไฟล์ Eagle CAD ที่ด้านล่างของหน้านี้เพื่อวางชิ้นส่วนและสายไฟทั้งหมดอย่างถูกต้อง

โครงการ Eagle CAD

ขั้นตอนที่ 12: เซ็นเซอร์

เพิ่มเซ็นเซอร์ตามที่แสดงในรูปภาพ จากนั้นทำฝาครอบ (ฉันใช้เครื่องมือหมุนเพื่อแกะสลักจากเฝือกไม้) เพื่อปิดและป้องกัน จากนั้นเชื่อมต่อเข้ากับกระดานหลัก

ขั้นตอนที่ 13: คุณพร้อมแล้ว

เริ่มใช้มัน! สนุก!