Perangkat Pengukuran Tekanan Sederhana untuk Tujuan Pendidikan: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Di bawah ini Anda menemukan petunjuk pembuatan untuk perangkat yang sangat sederhana dan mudah dibuat untuk dimainkan dengan pengukuran tekanan. Ini mungkin dapat digunakan untuk sekolah atau Proyek terkait STEM lainnya tentang undang-undang gas, tetapi juga dapat disesuaikan untuk diintegrasikan ke dalam perangkat lain untuk mengukur gaya atau berat. Meskipun ada banyak sensor breakout untuk pengukuran tekanan yang tersedia akhir-akhir ini, saya kehilangan perangkat sederhana dan murah untuk bermain dengan sensor ini dan menggunakannya untuk tujuan pendidikan. Konstruksi saya pada dasarnya terdiri dari jarum suntik plastik besar dan sensor breakout ditempatkan bagian dalam spuit. Breakout terhubung ke mikrokontroler dengan satu set kabel melalui outlet jarum suntik. Outlet jarum suntik disegel kedap udara menggunakan lem panas, atau beberapa metode lain, sehingga volume udara yang ditentukan terperangkap di dalam jarum suntik. Sensor kemudian dihubungkan ke Arduino, atau mikrokontroler lain. Ketika plunger spuit digerakkan, volume dan tekanan akan berubah. Pengukuran dapat ditampilkan secara real time menggunakan monitor serial atau plotter serial Arduino IDE.

Langkah 1: Bahan yang Digunakan

Jarum suntik kateter plastik 150 atau 250 ml - tersedia melalui internet atau di toko perangkat keras atau taman di dekat Anda dengan harga beberapa $ atau Euro. Sensor tekanan breakout - Saya menggunakan sensor BMP280 (suhu dan tekanan) murah yang saya beli di Banggood. Ini adalah breakout 3V tanpa shifter level, masing-masing dengan harga kurang dari $2. Rentang pengukuran terletak antara 650 dan sekitar 1580 hPa. Kabel dan papan tempat memotong roti: Saya menggunakan kabel jumper panjang untuk menghubungkan pelarian dengan papan tempat memotong roti. Kabel harus setidaknya sepanjang jarum suntik, jika tidak menghubungkan kabel dan pemutusan sangat sulit. Pengalih level 5 -> 3 V dua arah: diperlukan untuk menghubungkan sensor di atas ke Arduino. Tidak diperlukan jika sensor Anda breakout, mis. sebagai versi Adafruit, sudah ada yang diimplementasikan di papan, atau mikrokontroler Anda bekerja dengan logika 3V. Mikrokontroler: Saya menggunakan versi Arduino Uno, MonkMakesDuino, tetapi semua Arduino yang kompatibel seharusnya berfungsi. Bahkan Micro:bit berfungsi jika Anda mengikuti instruksi dari Adafruit ini. Lebih lanjut tentang ini akan dibahas dalam instruksi terpisah yang akan datang.

Tempat untuk jarum suntik mungkin berguna untuk beberapa aplikasi, tetapi tidak diperlukan. Arduino IDE.

Langkah 2: Perakitan dan Aplikasi

Siapkan semua bagian di papan tempat memotong roti Anda. Hubungkan mikrokontroler dan pemindah level, jika diperlukan. Dalam hal ini, tentukan salah satu rel daya pada papan tempat memotong roti Anda sebagai 5V, yang lain sebagai 3V dan hubungkan masing-masing dengan port 5V, 3V, dan ground mikrokontroler, lalu sambungkan port 3V, 5V, dan GND pada level shifter. Sekarang hubungkan port SDA (A4) dan SCL (A5) Arduino dengan dua port non-daya dari sisi 5V dari level shifter. Harap dicatat bahwa port SDA dan SDA berbeda antara mikrokontroler, jadi silakan periksa milik Anda. Hubungkan sensor Anda menggunakan kabel yang akan Anda gunakan nanti dengan pemindah level. SDA dan SCL sensor ke port yang sesuai di sisi 3V dari level shifter, port Vin dan Gnd sensor ke 3V dan ground. Jika Anda ingin menggunakan skrip yang disediakan, instalasi pustaka lebih lanjut ke Arduino IDE tidak diperlukan. Jika Anda lebih suka menggunakan skrip Adafruit BMP280, instal BMP280 dan pustaka sensornya. Muat skrip BMP280 dan unggah ke Arduino. Gunakan Serial Monitor untuk memeriksa apakah Anda menerima data yang wajar. Jika tidak, periksa koneksi. Sekarang matikan mikrokontroler, dan cabut kabel penghubung sensor dan papan tempat memotong roti. Sekarang masukkan kabel melalui outlet jarum suntik. Jika Anda menggunakan kabel jumper, mungkin perlu melebarkan stopkontak, atau sedikit memendekkannya. Pastikan untuk memasukkan ujung betina ke dalam, satu demi satu. Breakout I2C membutuhkan empat kabel, sebaiknya gunakan kabel dengan warna berbeda. Kemudian sambungkan kembali breakout dan kabel, dan periksa apakah koneksi berfungsi, seperti di atas. Sekarang pindahkan breakout ke ujung outlet spuit. Masukkan pendorong dan pindahkan ke posisi tengah, sedikit lebih jauh dari posisi istirahat yang direncanakan. Sambungkan kabel ke papan tempat memotong roti dan periksa apakah sensor berfungsi. Matikan mikrokontroler dan lepaskan sensor. Tambahkan setetes besar lem panas ke ujung stopkontak. Sedot sedikit bahan dengan hati-hati dan pastikan ujungnya tertutup rapat. Biarkan lem menjadi dingin dan mengendap, lalu periksa kembali apakah lemnya kedap udara. Jika perlu, tambahkan lem lagi ke lubang yang tersisa. Sambungkan kabel sensor ke papan tempat memotong roti dan nyalakan mikrokontroler. Aktifkan Serial Monitor untuk memeriksa apakah sensor mengirimkan nilai suhu dan tekanan. Dengan menggerakkan plunger, Anda dapat mengubah nilai tekanan. Tetapi perhatikan juga nilai suhu saat Anda menekan atau menekan plunger.

Tutup Serial Monitor dan buka 'Serial Plotter , pindahkan plunger. Mainkan!

Jika diperlukan, Anda dapat memperbaiki volume dengan menerapkan sedikit kekuatan ke sisi jarum suntik di dekat area paking, membiarkan masuk atau keluar sedikit udara.

Langkah 3: Hasil dan Outlook

Dengan perangkat yang dijelaskan di sini, Anda dapat menunjukkan korelasi kompresi dan tekanan dalam eksperimen fisika sederhana. Karena jarum suntik dilengkapi dengan skala di atasnya, bahkan percobaan kuantifikasi pun mudah dilakukan.

Menurut hukum Boyle, [Volume * Tekanan] adalah konstan untuk gas pada suhu tertentu. Ini berarti jika Anda memampatkan volume tertentu gas N kali lipat, yaitu volume akhir adalah 1/N, tekanannya akan naik N kali lipat juga, sebagai: P1*V1=P2*V2= const.

Untuk detail lebih lanjut, silakan lihat artikel Wikipedia tentang undang-undang gas.

Jadi mulai dari titik istirahat mis. V1=100 ml dan P1=1000 hPa, kompresi hingga sekitar 66 ml (yaitu V2=2/3 dari V1) akan menghasilkan tekanan sekitar 1500 hPa (P2= 3/2 dari P1). Menarik plunger hingga 125 ml (volume 5/4 kali lipat) memberikan tekanan sekitar 800 hPa (tekanan 4/5). Pengukuran saya sangat tepat untuk perangkat yang begitu sederhana.

Selain itu, Anda akan memiliki kesan haptic langsung berapa banyak gaya yang diperlukan untuk mengompresi atau mengembangkan jumlah udara yang relatif kecil.

Tetapi kami juga dapat melakukan beberapa perhitungan dan memeriksanya secara eksperimental. Asumsikan kita memampatkan udara hingga 1500 hPa, pada tekanan barometrik basal 1000 hPa. Jadi perbedaan tekanannya adalah 500 hPa, atau 50.000 Pa. Untuk spuit saya, diameter (d) piston sekitar 4 cm atau 0,04 meter.

Sekarang Anda dapat menghitung gaya yang dibutuhkan untuk menahan piston pada posisi tersebut. Diketahui P = F/A (Tekanan adalah Gaya dibagi Luas), atau ditransformasikan F = P*A. Satuan SI untuk gaya adalah "Newton" atau N, untuk panjang "Meter" atau m, dan "Pascal' atau Pa untuk tekanan. 1 Pa adalah 1N per meter persegi. Untuk piston bulat, luas dapat dihitung menggunakan A = ((d/2)^2)*pi, yang memberikan 0,00125 meter persegi untuk jarum suntik saya. Jadi 50.000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Di Bumi, 1 N berkorelasi dengan berat 100 gr, jadi 63 N sama dengan menahan beban 6,3 kg.

Jadi akan mudah untuk membangun semacam skala berdasarkan pengukuran tekanan.

Karena sensor suhu sangat sensitif, orang bahkan dapat melihat efek kompresi pada suhu. Saya berasumsi bahwa jika Anda akan menggunakan sensor BME280, yang juga dapat melakukan pengukuran kelembaban, Anda bahkan dapat melihat efek tekanan pada kelembaban relatif.

Plotter serial Arduino IDE memungkinkan untuk menampilkan perubahan tekanan dengan baik secara real time, tetapi solusi lain yang lebih rumit juga tersedia, mis. dalam bahasa Pemrosesan.

Selain tujuan pendidikan, seseorang juga dapat menggunakan sistem untuk beberapa aplikasi dunia nyata, karena memungkinkan untuk mengukur kekuatan secara kuantitatif yang mencoba menggerakkan plunger dengan satu atau lain cara. Jadi, Anda dapat mengukur berat yang ditempatkan pada plunger atau gaya tumbukan pada plunger, atau membuat sakelar yang mengaktifkan lampu atau buzzer atau memutar suara setelah nilai ambang tertentu tercapai. Atau Anda dapat membuat alat musik yang mengubah frekuensi tergantung pada kekuatan gaya yang diterapkan pada pendorong.

Langkah 4: Skrip

Skrip yang saya tambahkan di sini adalah modifikasi dari skrip BME280 yang ditemukan di situs web Banggood. Saya baru saja mengoptimalkan perintah Serial.print untuk memungkinkan menampilkannya dengan lebih baik di Arduino IDE Serial Plotter.

Skrip Adafruit terlihat lebih bagus, tetapi memerlukan beberapa perpustakaan mereka dan tidak mengenali sensor Banggood.