كيفية بناء CubeSat باستخدام مستشعر عداد جيجر واردوينو: 11 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

هل تساءلت يومًا عما إذا كان المريخ مشعًا أم لا؟ وإذا كانت مشعة ، فهل مستويات الإشعاع عالية بما يكفي لاعتبارها ضارة بالبشر؟ هذه كلها أسئلة نأمل أن يجيب عليها CubeSat مع Arduino Geiger Counter.

يُقاس الإشعاع بالسيفرت ، والذي يحدد كمية الإشعاع التي تمتصها الأنسجة البشرية ، ولكن نظرًا لحجمها الهائل ، فإننا عادةً ما نقيس بالميلي سيفرت (mSV). 100 ملي سيفرت هي أقل جرعة سنوية تظهر فيها أي زيادة في خطر الإصابة بالسرطان ، والجرعة الواحدة من 10000 ملي سيفرت تكون قاتلة في غضون أسابيع. آمالنا هي تحديد المكان الذي تهبط فيه هذه المحاكاة إلى المريخ على المستوى الإشعاعي.

بدأ فصل الفيزياء بدراسة قوى الطيران خلال الربع الأول من خلال مختبر صممنا فيه طائرتنا الخاصة ثم صنعناها من ألواح الستايروفوم. سنشرع بعد ذلك في الانطلاق لاختبار قوة السحب والرفع والدفع ووزن الطائرة. بعد المجموعة الأولى من البيانات ، سنقوم بعد ذلك بإجراء تغييرات على المستوى لمحاولة الحصول على أبعد مسافة ممكنة.

ثم ركزنا في الربع الثاني على بناء صاروخ مائي لمزيد من مراقبة واختبار المفاهيم التي تعلمناها خلال الربع الأول. في هذا المشروع ، استخدمنا قناني 2 لتر ومواد أخرى لبناء صاروخنا. عندما كنا مستعدين للإطلاق ، كنا نملأ الزجاجات بالماء ، ونخرج ، ونضع الصاروخ على منصة الإطلاق ، ونضغط على الماء ثم نطلقه. كان الهدف هو إطلاق الصاروخ لأبعد مسافة ممكنة في اتجاه رأسي وإسقاطه بأمان.

كان مشروعنا "الكبير" الثالث الأخير هو بناء CubeSat الذي سيحمل Arduino وجهاز استشعار بأمان إلى نموذج الفصول الدراسية الخاص بنا للمريخ. كان الهدف الرئيسي لهذا المشروع هو تحديد مقدار النشاط الإشعاعي في المريخ وتحديد ما إذا كان ضارًا بالبشر. كانت بعض الأهداف الجانبية الأخرى هي إنشاء CubeSat يتحمل اختبار الاهتزاز ويكون قادرًا على احتواء جميع المواد اللازمة بداخله. الأهداف الجانبية تسير جنبا إلى جنب مع القيود. كانت القيود التي كانت لدينا لهذا المشروع هي أبعاد CubeSat ، ووزنه ، والمواد التي تم بناؤها منها. كانت القيود الأخرى غير المتعلقة بـ CubeSat هي مقدار الوقت الذي كان علينا فيه الطباعة ثلاثية الأبعاد نظرًا لأن لدينا يومًا واحدًا فقط لإنجازها ؛ كانت المستشعرات التي استخدمناها أيضًا قيدًا نظرًا لوجود مستشعرات لم يكن الصف متوفرًا بها أو لم يتمكنوا من شرائها. علاوة على ذلك ، كان علينا اجتياز اختبار الاهتزاز لتحديد ثبات CubeSat واختبار الوزن للتأكد من أننا لم نتجاوز 1.3 كجم.

-خوان

الخطوة 1: قائمة المواد

CubeSat بطباعة ثلاثية الأبعاد- قمر صناعي مصغر بأبعاد 10 سم × 10 سم × 10 سم ولا يزيد وزنه عن 1.3 كجم. هذا هو المكان الذي نضع فيه جميع أسلاكنا وأجهزة الاستشعار ، تعمل كمسبار فضائي

الأسلاك- تُستخدم لتوصيل عداد جيجر وأردوينو ببعضهما البعض وجعلهما يعملان

Arduino- يستخدم لتشغيل الكود على عداد جيجر

عداد جيجر- يستخدم لقياس الاضمحلال الإشعاعي ، وهذا ما يعتمد عليه مشروعنا بأكمله لتحديد النشاط الإشعاعي

البطاريات- تُستخدم لتشغيل عداد جيجر الذي سيعمل على تشغيل Arduino بمجرد توصيله

Micro sd Reader- يستخدم لجمع وتسجيل البيانات التي تم جمعها باستخدام عداد جيجر

البراغي- تُستخدم لربط الجزء العلوي والسفلي من CubeSat لضمان عدم انهياره

خام اليورانيوم - مادة مشعة وهو ما يستخدمه عداد جيجر لتحديد النشاط الإشعاعي

الكمبيوتر - يُستخدم للعثور على / إنشاء الكود الذي ستستخدمه في Arduino

سلك USB- يستخدم لتوصيل Arduino بالكمبيوتر وتشغيل الكود

الخطوة 2: بناء CubeSat الخاص بك

أول شيء ستحتاجه هو CubeSat الخاص بك.

(إذا كنت ترغب في الحصول على شرح مفصل لما هو CubeSat الذي يمكنك الخروج منه

عند تصميم CubeSat لديك خياران رئيسيان ، قم ببناء الخيار الخاص بك من أي مادة لديك أو الطباعة ثلاثية الأبعاد.

قررت مجموعتي طباعة CubeSat ثلاثية الأبعاد الخاصة بنا ، لذلك كل ما كان علينا فعله هو البحث عن "3D CubeSat" ووجدنا عدة قوالب ولكننا قررنا الحصول على الملف من موقع NASA الإلكتروني. من هناك ستحتاج إلى تنزيل الملف ؛ بعد ذلك ، ستحتاج إلى محرك أقراص فلاش لفك ضغط الملف وتحميله على طابعة ثلاثية الأبعاد.

من هناك ، ما عليك سوى المضي قدمًا وطباعة CubeSat ثلاثية الأبعاد لمتابعة بقية الخطوات.

عند إنشاء نموذج 3D CubeSat الخاص بنا ، أدركنا أن Arduino والأسلاك الخاصة بنا لن تتناسب مع داخله. كان علينا جميعًا إنشاء إستراتيجية ومعرفة كيفية وضع كل شيء في الداخل. كان علينا التدوير ووضع الغطاء العلوي والسفلي لأعلى. بعد ذلك ، كان علينا أن نحفر ثقوبًا وأن نكون قادرين على تثبيت المسامير وإيجاد الحجم المناسب. أثناء وضع كل بطاقات Arduino و SD وكل شيء بداخلها ، كان لدينا مساحة "كبيرة جدًا" لذلك كان علينا إضافة بعض لفات الفقاعات بالداخل. عندما كنا نختبرها لن تذهب إلى كل مكان لأنها كانت سلكية ومتصلة.

الخطوة 3: ارسم التصميم الخاص بك

بمجرد حصولك على جميع المواد الخاصة بك ، سترغب في عمل رسم تخطيطي للشكل الذي سيبدو عليه تصميمك.

يجد البعض هذه الخطوة مفيدة أكثر من غيرها ، لذا يمكن أن تكون مفصلة أو واضحة كما تريد ، ولكن من الجيد الحصول على فكرة عامة عن كيفية تنظيم كل شيء.

استخدمته مجموعتنا شخصيًا لنوع من العصف الذهني حول كيفية تنظيم أجهزة الاستشعار لدينا وجميع الأسلاك ، ولكن من هناك لم نجد فائدة كبيرة لها لأننا كنا نغير الأشياء باستمرار ، وبالتالي فإن رسوماتنا كانت بمثابة نقطة انطلاق فقط لأننا لم نفعل ذلك. لا تتمسك بهم حقًا.

بمجرد أن يكون لديك فكرة عامة عما سيبدو عليه كل شيء ، يمكنك الانتقال إلى الخطوة التالية

الخطوة 4: تعرف على كيفية عمل عداد جايجر

بمجرد أن حصلنا على عداد جيجر الذي تم تسليمه إلينا ، كان علينا أن نتعلم كيف يعمل حيث لم يستخدم أي منا واحدًا على الإطلاق.

أول شيء تعلمناه هو أن عداد جيجر حساس للغاية. ستصدر المستشعرات الموجودة في الخلف ضوضاء عالية للغاية بالإضافة إلى أنبوب جيجر نفسه كلما لمسنا. إذا أبقينا إصبعنا على الأنبوب ، فسيصدر صوتًا واحدًا ثابتًا طويلاً ونخلع أصابعنا وتشغيلها وسيصدر صوتًا وفقًا لمدة أصابعنا على الأنبوب.

ثم اختبرنا عداد جيجر باستخدام الموز. لقد أدركنا أنه كلما اقتربت المادة المشعة من عداد جايجر ، كلما زادت توتيرها والعكس صحيح.

الخطوة 5: الأدوات / ممارسات السلامة

1. أول ما نحتاجه هو CubeSat. لتحقيق ذلك ، ستحتاج إلى طابعة ثلاثية الأبعاد وملفات للطباعة أو يمكنك إنشاء طابعتك الخاصة باستخدام أي مواد تشعر أنها ستعمل ؛ تذكر ، يجب أن يكون CubeSat بحجم 10 سم × 10 سم × 10 سم (تخطي الجزء 2 إذا كنت تقوم ببناء القمر الصناعي الخاص بك)
2. بعد ذلك ، ستحتاج إلى حفر ثقوب في الغلافين العلوي والسفلي لـ CubeSat المطبوع ثلاثي الأبعاد لوضع البراغي فيه. انطلق وقم بلف الغطاء السفلي (تأكد من أنك ترتدي نظارات واقية لمنع دخول أي حطام إلى عينيك)
3. احصل على بعض البطاريات وضعها في حزمة بطارية ، ثم قم بتوصيل البطاريات إلى عداد جيجر وقم بتوصيل عداد جيجر بأردوينو. تأكد من توصيل قارئ Micro SD أيضًا.
4. قم بتشغيل عداد جيجر للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح. ضع كل شيء داخل CubeSat.
5. قم باختبار رحلة CubeSat للتأكد
6. بعد جمع البيانات الخاصة بك ، تأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة أي شيء في CubeSat. إذا كان هناك ، افصله على الفور وقم بتقييم المشكلة
7. اختبر كل شيء للتحقق من جمع البيانات
8. تأكد من غسل يديك بعد التعامل مع اليورانيوم المستخدم في جمع البيانات

الخطوة 6: توصيل الأسلاك اردوينو

مصدر الطاقة الوحيد المطلوب هو بطاريات AA

قم بتوصيل البطاريات مباشرة إلى عداد جيجر ، ثم قم بتوصيل دبوس VVC بالعمود الموجب للوح.

قم بتشغيل سلك آخر على نفس العمود في اللوح إلى الفتحة 5V في Arduino. سيؤدي ذلك إلى تشغيل اردوينو.

بعد ذلك ، قم بتشغيل سلك من دبوس 5V الموجود على اردوينو إلى محول بطاقة SD.

بعد ذلك ، قم بتوصيل VIN على عداد جيجر إلى دبوس تمثيلي على Arduino.

بعد ذلك ، قم بتوصيل GND بالعمود السالب على اللوح.

قم بتوصيل العمود السالب بـ GND على Arduino.

بطاقة SD إلى Arduino:

يذهب ميسو إلى 11

يذهب ميسو إلى 12

يذهب SCK إلى 13

يذهب CS إلى 4

الخطوة 7: البرمجة

أسهل طريقة لترميز Arduino هي تنزيل تطبيق ArduinoCC ، والذي يسمح لك بكتابة التعليمات البرمجية وتحميلها إلى Aduino. لقد واجهنا صعوبة كبيرة في العثور على رمز كامل من شأنه أن يعمل. من حسن حظك أن الكود الخاص بنا يتضمن تسجيل التكلفة لكل ألف ظهور (النقرات في الدقيقة) والبيانات الموجودة على بطاقة SD.

الشفرة:

#يشمل

#يشمل

/ * * Geiger.ino * * هذا الرمز يتفاعل مع Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE) لوحة عداد جيجر

* وتقارير القراءات في CPM (حساب في الدقيقة). *

* المؤلف: Mark A. Heckler (MkHeck، [email protected]) *

* الترخيص: ترخيص MIT *

* الرجاء الاستخدام بحرية مع الإسناد. شكرا لك!

*

* * معدلة ** * /

#define LOG_PERIOD 5000 // فترة التسجيل بالمللي ثانية ، القيمة الموصى بها 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 // أقصى فترة تسجيل

التهم الطويلة غير الموقعة المتقلبة = 0 ؛ // أحداث GM Tube

cpm طويلة بدون توقيع = 0 ؛ // CPM

مضاعف int غير الموقعة = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD ؛ // يحسب / يخزن CPM

غير موقعة منذ فترة طويلة ميليس. // قياس الوقت

دبوس كثافة العمليات = 3 ؛

tube_impulse باطل () {

// يلتقط عدد الأحداث من عدّاد لوحة جيجر ++ ؛

}

#يشمل

ملف myFile ؛

الإعداد باطل() {

pinMode (10 ، الإخراج) ؛

SD.begin (4) ، // افتح الاتصالات التسلسلية وانتظر حتى يفتح المنفذ:

Serial.begin (115200) ؛

}

حلقة باطلة () {// لا شيء يحدث بعد الإعداد

تيار طويل بدون توقيع ميليس = ميلي () ؛

إذا (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

PreviousMillis = CurrentMillis ؛

cpm = التهم * المضاعف ؛

myFile = SD.open ("test.txt" ، FILE_WRITE) ؛

إذا (ملفي) {

Serial.println (cpm) ؛

myFile.println (cpm) ؛

myFile.close () ،

}

التهم = 0 ؛

pinMode (دبوس ، المدخلات) ؛ // تعيين دبوس للإدخال لالتقاط مقاطعات أحداث GM Tube () ؛ // تمكين المقاطعات (في حالة تعطيلها مسبقًا) إرفاق Interrupt (digitalPinToInterrupt (pin) ، tube_impulse ، FALLING) ؛ // تحديد المقاطعات الخارجية

}

}

الصورة التي لدينا هي أول رمز استخدمناه والذي كان غير مكتمل ، لذا كانت هذه أول مشاكلنا مع الترميز. من هناك ، لم نتمكن من المضي قدمًا في المشروع حتى ساعدنا مدرسونا في الكود. تم اشتقاق هذا الرمز من رمز آخر يعمل مع عداد جيجر وحده ولكن ليس بمجرد إقرانه ببطاقة SD.

الخطوة 8: اختبار الرمز

بمجرد حصولك على الكود الخاص بك ، قم باختبار الرمز للتأكد من أنه يمكنك جمع البيانات.

تأكد من صحة جميع الإعدادات ، لذا تحقق من المنافذ والأسلاك الخاصة بك للتأكد من صحة كل شيء.

بمجرد التحقق من كل شيء ، قم بتشغيل الكود وشاهد البيانات التي تحصل عليها.

لاحظ أيضًا وحدات الإشعاع التي تجمعها حيث ستحدد الإشعاع الفعلي المنبعث.

الخطوة 9: اختبر CubeSat الخاص بك

بمجرد الانتهاء من تحديد الترميز الخاص بك وإتمام جميع الأسلاك الخاصة بك ، فإن خطوتك التالية هي ملاءمة كل شيء داخل CubeSat واختباره للتأكد من عدم تفكك أي شيء في الاختبار النهائي.

الاختبار الأول الذي ستحتاج إلى إكماله هو اختبار الطيران. احصل على شيء لتعليق CubeSat منه وقم بتدويره لاختبار ما إذا كان سيطير أم لا وللتأكد من أنه يدور في الاتجاه الصحيح.

بمجرد الانتهاء من الاختبار الأولي الأول ، ستحتاج إلى إكمال اختبارين للاهتزاز. سيحاكي الاختبار الأول الاضطراب الذي سيشهده CubeSat للخروج من الغلاف الجوي للأرض ، وسيحاكي اختبار الاهتزاز الثاني الاضطراب في الفضاء.

تأكد من أن جميع أجزائك بقيت معًا وأن لا شيء ينهار.

الخطوة 10: الاختبار النهائي والنتائج

تم جمع البيانات على الطاولة على مسافات مختلفة بعيدًا عن عداد جيجر

فترات التحصيل في 5 ثوان 0 72 24 36 48612348 60 48 48 24 36 36

قبل الاختبار النهائي ، قمنا بجمع البيانات عن طريق تشغيل عداد جيجر ووضع المواد المشعة على مسافات مختلفة. كلما زاد الرقم كلما اقترب عداد جيجر من المادة المشعة.

البيانات التي تم جمعها أثناء الاختبار الفعلي

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

بالنسبة للاختبار الفعلي الذي أجريناه ، تبين أن المادة المشعة بعيدة جدًا عن عداد جيجر حتى تتمكن من قياسها.

ماذا تعني البيانات؟ حسنًا ، باستخدام مخطط القراءات ، يمكننا تحديد أنه كلما زاد الرقم زادت خطورة الإشعاع على البشر ، ويمكننا بعد ذلك تحويل Click Per Minute إلى mSV وهي الوحدات الفعلية للإشعاع. وهكذا ، بناءً على تجربتنا ، فإن المريخ آمن تمامًا للبشر!

للأسف ، غالبًا ما تكون الحقيقة مخيبة للآمال. يبلغ إشعاع المريخ في الواقع 300 ملي سيفرت وهو أعلى بـ 15 مرة مما يتعرض له عامل محطة نووية سنويًا.

تشمل البيانات الأخرى لرحلتنا ما يلي:

Fc: 3.101 نيوتن

تيار متردد: 8.072 م / ث ^ 2

الخامس: 2.107 م / ث

م: 38416 كجم

السابق: 1.64 ثانية

F: 609 هرتز

الخطوة 11: المشاكل / النصائح / المصادر

كانت المشكلة الرئيسية التي واجهتنا هي العثور على الكود الذي سيعمل مع Geiger وبطاقة SD ، لذا إذا كانت لديك نفس المشكلة ، فلا تتردد في استخدام الكود الخاص بنا كقاعدة. هناك خيار آخر يتمثل في الذهاب إلى منتديات Arduino وطلب المساعدة هناك (كن مستعدًا للدفع ولكن نظرًا لأننا لاحظنا أنه من غير المرجح أن يساعد الناس إذا لم يكن هناك تعويض).

أحد الأشياء التي ننصح بها للآخرين هو محاولة إيجاد طريقة ليكون عداد جيجر أقرب ما يمكن من الإشعاع حتى يتمكن من الحصول على المزيد من البيانات المعتمدة.

فيما يلي المصادر التي استشرناها لأي شخص مهتم:

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

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

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