جهاز قياس ضغط بسيط للأغراض التعليمية: 4 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

ستجد أدناه تعليمات بناء لجهاز بسيط للغاية وسهل الإنشاء للعب بقياسات الضغط. قد تكون قابلة للاستخدام للمدارس أو غيرها من المشاريع ذات الصلة بالعلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات بشأن قوانين الغاز ، ولكن يمكن أيضًا تكييفها لدمجها في أجهزة أخرى لقياس القوى أو الوزن. في حين أن هناك عددًا كبيرًا من اختراق أجهزة الاستشعار لقياسات الضغط المتاحة هذه الأيام ، فقد كنت أفتقد جهازًا بسيطًا ورخيصًا للعب بهذه المستشعرات واستخدامها للأغراض التعليمية. يتكون بنائي بشكل أساسي من حقنة بلاستيكية كبيرة وكسر جهاز استشعار موضوعة داخل المحقنة. يتم توصيل الكسر بمتحكم دقيق بواسطة مجموعة من الكابلات تمر عبر مخرج المحقنة. يتم إغلاق مخرج المحقنة بإحكام باستخدام الغراء الساخن ، أو بطريقة أخرى ، مما يؤدي إلى احتباس حجم محدد من الهواء داخل المحقنة ، ثم يتم توصيل المستشعر بـ Arduino ، أو متحكم دقيق آخر. عندما يتم تحريك مكبس المحقنة ، سيتغير الحجم والضغط. يمكن عرض القياسات في الوقت الفعلي باستخدام الشاشة التسلسلية أو الراسمة التسلسلية لـ Arduino IDE.

الخطوة 1: المواد المستخدمة

حقنة قسطرة بلاستيكية بسعة 150 أو 250 مل - متوفرة عبر الإنترنت أو في متجر للأجهزة أو الحدائق بالقرب منك مقابل بضعة دولارات أو يورو. كسر مستشعر الضغط - استخدمت مستشعر BMP280 رخيص (درجة الحرارة والضغط) اشتريته في Banggood. هذا هو 3V اختراق بدون مستوى ناقل الحركة ، بأقل من 2 دولار لكل منهما. يتراوح نطاق القياس بين 650 وحوالي 1580 hPa الكابلات واللوح: لقد استخدمت كبلات توصيل طويلة لتوصيل الفتحة بلوح التجارب. يجب أن تكون الكابلات بطول المحقنة على الأقل ، وإلا فإن توصيل الكابلات والكسر يكون صعبًا للغاية. غير مطلوب إذا اندلع المستشعر ، على سبيل المثال كإصدار Adafruit ، تم تطبيقه بالفعل على متن الطائرة ، أو أن وحدة التحكم الدقيقة لديك تعمل بمنطق 3V. حتى Micro: bit يعمل إذا اتبعت هذه التعليمات من Adafruit. ستتم مناقشة المزيد حول هذا الأمر في تعليمات منفصلة.

قد يكون حامل الحقنة مفيدًا لبعض التطبيقات ، لكنه ليس ضروريًا.

الخطوة 2: التجميع والتطبيق

قم بإعداد جميع الأجزاء على لوح التجارب. قم بتوصيل المتحكم الدقيق ومبدل المستوى ، إذا لزم الأمر. في هذه الحالة ، حدد أحد قضبان الطاقة على اللوح الخاص بك على أنه 5 فولت ، والآخر 3 فولت وقم بتوصيلهما بمنافذ 5 فولت و 3 فولت والمنافذ الأرضية على التوالي ، ثم قم بتوصيل منافذ 3 فولت و 5 فولت و GND لمحول المستوى. الآن قم بتوصيل منفذي SDA (A4) و SCL (A5) في Arduino بمنفذي غير مزود بالطاقة من الجانب 5V من ناقل الحركة. يرجى ملاحظة أن منفذي SDA و SDA يختلفان بين وحدات التحكم الدقيقة ، لذا يرجى التحقق من ذلك. قم بتوصيل المستشعر باستخدام الكابلات التي ستستخدمها لاحقًا مع محول المستوى. SDA و SCL من المستشعر إلى المنافذ المقابلة في الجانب 3V من مستوى ناقل الحركة ، ومنافذ Vin و Gnd من المستشعر إلى 3V والأرض. إذا كنت ترغب في استخدام البرنامج النصي المقدم ، فلن تكون هناك حاجة إلى تثبيت المزيد من المكتبات على Arduino IDE. إذا كنت تفضل استخدام البرنامج النصي Adafruit BMP280 ، فقم بتثبيت BMP280 ومكتبات المستشعرات ، وحمل البرنامج النصي BMP280 وقم بتحميله على Arduino ، استخدم Serial Monitor للتحقق مما إذا كنت تتلقى بيانات معقولة. إذا لم يكن كذلك ، فتحقق من التوصيلات ، والآن قم بإيقاف تشغيل وحدة التحكم الدقيقة ، وافصل الكابلات التي تربط المستشعر واللوح. الآن ضع الكابلات في مخرج المحقنة. إذا كنت تستخدم كبلات توصيل ، فقد يكون من الضروري توسيع المخرج أو تقصيره قليلاً. تأكد من تمرير الأطراف الأنثوية بالداخل ، واحدة تلو الأخرى. يحتاج كسر I2C إلى أربعة كبلات ، يفضل استخدام كبلات بألوان مختلفة ، ثم أعد توصيل الكبلات والكابلات وتحقق من أن التوصيلات تعمل كما هو مذكور أعلاه. الآن انقل الكسر إلى نهاية مخرج المحقنة. أدخل المكبس وانقله إلى وضع مركزي ، بعيدًا قليلاً عن وضع السكون المخطط ، قم بتوصيل الكابلات بلوحة التجارب وتحقق مما إذا كان المستشعر يعمل. أوقف تشغيل الميكروكونترولر وافصل المستشعر ، ثم أضف قطرة كبيرة من الغراء الساخن إلى نهاية المنفذ. قم بامتصاص القليل من المادة بعناية وتأكد من أن الطرف مغلق بإحكام الهواء. اترك الصمغ يبرد ويستقر ، ثم تحقق مرة أخرى من إحكام الهواء. إذا لزم الأمر ، أضف المزيد من الغراء إلى الثقوب المتبقية ، وصّل كبلات المستشعر بلوحة التجارب وابدأ تشغيل الميكروكونترولر ، ثم قم بتنشيط Serial Monitor للتحقق مما إذا كان المستشعر يرسل قيم درجة الحرارة والضغط. عن طريق تحريك المكبس ، يمكنك تغيير قيم الضغط. ولكن ألق نظرة فاحصة أيضًا على قيم درجة الحرارة عند الضغط أو الضغط على المكبس.

أغلق شاشة Serial Monitor وافتح "Serial Plotter" ، حرك المكبس. العب!

إذا لزم الأمر ، يمكنك تصحيح الحجم عن طريق تطبيق القليل من القوة على جوانب المحقنة بالقرب من منطقة الحشية ، مما يسمح بدخول أو إخراج القليل من الهواء.

الخطوة 3: النتائج والتوقعات

باستخدام الجهاز الموصوف هنا ، يمكنك إثبات الارتباط بين الضغط والضغط في تجربة فيزيائية بسيطة. نظرًا لأن المحقنة تأتي بمقياس عليها ، فمن السهل إجراء القياس الكمي للتجارب.

وفقًا لقانون بويل ، يكون [الحجم * الضغط] ثابتًا للغاز عند درجة حرارة معينة. هذا يعني أنك إذا ضغطت حجمًا معينًا من الغاز N-fold ، أي أن الحجم النهائي هو 1 / N ، فإن ضغطه سيرتفع N- أضعاف أيضًا ، مثل: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

لمزيد من التفاصيل ، يرجى إلقاء نظرة على مقالة ويكيبيديا حول قوانين الغاز.

لذا فالبدء من نقطة استراحة مثل V1 = 100 ml و P1 = 1000 hPa ، سيؤدي الضغط إلى حوالي 66 ml (أي V2 = 2/3 of V1) إلى ضغط يبلغ حوالي 1500 hPa (P2 = 3/2 of P1). سحب المكبس إلى 125 مل (حجم 5/4 أضعاف) يعطي ضغطًا يبلغ حوالي 800 hPa (ضغط 4/5). كانت قياساتي دقيقة بشكل مذهل لمثل هذا الجهاز البسيط.

بالإضافة إلى ذلك ، سيكون لديك انطباع لمسي مباشر عن مقدار القوة المطلوبة لضغط أو توسيع كمية صغيرة نسبيًا من الهواء.

ولكن يمكننا أيضًا إجراء بعض العمليات الحسابية والتحقق منها تجريبيًا. لنفترض أننا نضغط الهواء إلى 1500 hPa ، عند ضغط بارومتري قاعدي 1000 hPa. إذن ، فرق الضغط هو 500 هكتو باسكال ، أو 50 ألف باسكال.بالنسبة للحقنة الخاصة بي ، يبلغ قطر المكبس (د) حوالي 4 سم أو 0.04 متر.

يمكنك الآن حساب القوة المطلوبة لتثبيت المكبس في هذا الوضع. بالنظر إلى P = F / A (الضغط هو القوة مقسومًا على المنطقة) ، أو المحول F = P * A. وحدة SI للقوة هي "نيوتن" أو N ، لطول "متر" أو م ، و "باسكال" أو باسكال للضغط. 1 باسكال هي 1N لكل متر مربع. بالنسبة للمكبس الدائري ، يمكن حساب المساحة باستخدام A = ((d / 2) ^ 2) * pi ، والتي تعطي 0.00125 متر مربع لحقنتي. لذا 50.000 Pa * 0.00125 m ^ 2 = 63 N. على الأرض ، 1 N يرتبط بوزن 100 غرام ، لذا 63 N تساوي حمل وزن 6.3 كجم.

لذلك سيكون من السهل بناء نوع من الميزان يعتمد على قياسات الضغط.

نظرًا لأن مستشعر درجة الحرارة حساس للغاية ، يمكن للمرء أن يرى تأثير الضغط على درجة الحرارة. أفترض أنك إذا كنت ستستخدم مستشعر BME280 ، والذي يمكنه أيضًا إجراء قياسات الرطوبة ، فقد ترى تأثيرات الضغط على الرطوبة النسبية.

يسمح الراسم التسلسلي لـ Arduino IDE بعرض تغييرات الضغط بشكل جيد في الوقت الفعلي ، ولكن تتوفر أيضًا حلول أخرى أكثر تفصيلاً ، على سبيل المثال في لغة المعالجة.

بجانب الأغراض التعليمية ، يمكن للمرء أيضًا استخدام النظام لبعض تطبيقات العالم الحقيقي ، لأنه يسمح بالقياس الكمي للقوى التي تحاول تحريك المكبس بطريقة أو بأخرى. لذلك يمكنك قياس الوزن الموضوع على المكبس أو قوة التأثير على المكبس ، أو بناء مفتاح ينشط الضوء أو الجرس أو يصدر صوتًا بعد الوصول إلى قيمة حدية معينة. أو يمكنك بناء آلة موسيقية تغير التردد اعتمادًا على قوة القوة المطبقة على المكبس.

الخطوة 4: البرنامج النصي

البرنامج النصي الذي أضفته هنا هو تعديل للبرنامج النصي BME280 الموجود على موقع Banggood ، لقد قمت للتو بتحسين أوامر Serial.print للسماح بعرضها بشكل أفضل في Arduino IDE Serial Plotter.

يبدو نص Adafruit أجمل ، لكنه يتطلب بعض مكتباتهم ولا يتعرف على مستشعر Banggood.