Izmerite tlak z mikrofonom: bit: 5 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Naslednja navodila opisujejo enostavno izdelano in poceni napravo za izvajanje meritev tlaka in dokazujejo Boyleov zakon z uporabo micro: bita v kombinaciji s senzorjem tlaka/temperature BMP280.

Medtem ko je bila ta kombinacija brizge/senzorja tlaka že opisana v enem od mojih prejšnjih navodil, kombinacija z micro: bit ponuja nove priložnosti, npr. za projekte učilnic.

Poleg tega je število opisov aplikacij, v katerih se mikro: bit uporablja v kombinaciji s senzorjem, ki ga poganja I2C, doslej precej omejeno. Upam, da je to navodilo lahko izhodišče za druge projekte.

Naprava omogoča kvantitativne meritve zračnega tlaka in prikaz rezultatov na matriki LED: micro: bit ali na povezanem računalniku za poznejšo uporabo funkcij serijskega monitorja ali serijskega ploterja Arduino IDE. Poleg tega imate povratne informacije, saj boste sami pritisnili ali potegnili bat brizge in s tem začutili potrebno moč.

Zaslon vam privzeto omogoča oceno tlaka glede na indikator nivoja, prikazan na LED matriki. Serijski ploter Arduino IDE omogoča enako, vendar z veliko boljšo ločljivostjo (glej video). Na voljo so tudi bolj dovršene rešitve, npr. v jeziku za obdelavo. Na matriki LED lahko prikažete tudi natančne izmerjene vrednosti tlaka in temperature po pritisku tipk A oziroma B, vendar je serijski monitor Arduino IDE veliko hitrejši, kar omogoča prikaz vrednosti v skoraj realnem času.

Skupni stroški in tehnična znanja, potrebna za izdelavo naprave, so precej nizki, zato bi lahko bil to lep učilniški projekt pod nadzorom učitelja. Poleg tega je naprava lahko orodje za projekte STEM s poudarkom na fiziki ali pa se uporablja v drugih projektih, kjer se sila ali teža pretvori v digitalno vrednost.

Načelo je bilo uporabljeno za izdelavo zelo preprostega mikro: bit dive-o-meter, naprave za merjenje, kako globoko se potapljate.

Dodatek 27. maj 2018:

Ker je Pimoroni razvil knjižnico MakeCode za senzor BMP280, mi je to dalo priložnost za razvoj skripta, ki bi se uporabljal za tukaj opisano napravo. Skript in ustrezno datoteko HEX najdete v zadnjem koraku tega navodila. Če ga želite uporabiti, naložite datoteko HEX na svoj micro: bit. Ni potrebe po posebni programski opremi, za urejanje skripta pa lahko uporabite spletni urejevalnik MakeCode.

Korak: Uporabljeni materiali

• Micro: bit, moj sem dobil od Pimoronija - 13,50 GBP
• Kitronic Edge Connector za micro: bit - prek Pimoronija - 5 GBP, Opomba: Pimorini zdaj ponuja ročno prijazen robni priključek, imenovan pin: bit z zatiči na vratih I2C.
• 2 x 2 -polni nosilni trakovi
• Baterija ali LiPo za mikro: bit (ni nujno, vendar koristno), kabel baterije s stikalom (dito) - Pimoroni
• mostični kabli za priključitev senzorjev na robni priključek
• dolgi (!) mostični kabli za senzor, vsaj tako dolgi kot brizga,, f/f ali f/m
• BMP280 senzor tlaka in temperature - Banggood - 5 USD za tri enote Merilno območje za ta senzor je med 550 in 1537 hPa.
• 150 ml plastična brizga za kateter z gumijastim tesnilom - Amazon ali trgovine s strojno opremo in vrtom - približno 2 - 3 USD
• pištola za vroče lepilo/vroče lepilo
• spajkalnik
• računalnik z nameščenim Arduino IDE

2. korak: Navodila za montažo

Spajkalne glave do preloma tipala BMP280.

Dva 2 -polna naslova spajkajte na priključka 19 in 20 na priključku Edge (glejte sliko).

Priključite micro: bit na konektor Edge in računalnik.

Pripravite programsko opremo in micro: bit, kot je opisano v navodilih Adafruit micro: bit. Temeljito jih preberite.

Namestite potrebne knjižnice v Arduino IDE.

Odprite skript BMP280, priložen v poznejšem koraku.

Senzor priključite na robni konektor. GND na 0V, VCC na 3V, SCL na pin 19, SDA na pin 20.

Naložite skript v micro: bit.

Preverite, ali senzor daje razumne podatke, vrednosti tlaka naj bodo okoli 1020 hPa, prikazane na serijskem monitorju. V tem primeru najprej preverite kable in povezave, nato namestitev programske opreme in popravite.

Izklopite mikro: bit, odstranite senzor.

Kable dolgih mostov speljite skozi odprtino brizge. V primeru, da boste morali razširiti odprtino. Pazite, da se kabli ne poškodujejo.

Senzor priključite na mostične kable. Preverite, ali so povezave pravilne in dobre. Priključite na micro: bit.

Preverite, ali senzor deluje pravilno. Previdno povlecite kable in senzor premaknite na vrh brizge.

Vstavite bat in ga premaknite nekoliko dlje od želenega položaja za počitek (100 ml).

Na konec odprtine za brizgo dodajte vroče lepilo in bat pomaknite nekoliko nazaj. Preverite, ali je brizga tesno zaprta, sicer dodajte še vročega lepila. Vroče lepilo ohladimo.

Še enkrat preverite, ali senzor deluje. Če premaknete bat, bi se morale številke v serijskem monitorju in na zaslonu micro: bit spremeniti.

Po potrebi lahko prilagodite glasnost brizge tako, da jo stisnete blizu tesnila in premaknete bat.

3. korak: Nekaj teorije in nekaj praktičnih meritev

S tukaj opisano napravo lahko v preprostih fizikalnih poskusih dokažete korelacijo kompresije in tlaka. Ker na brizgi prihaja merilo velikosti "ml", je tudi kvantitativne poskuse enostavno izvesti.

Teorija, ki stoji za tem: V skladu z Boyleovim zakonom je [prostornina * tlak] konstantna vrednost za plin pri dani temperaturi.

To pomeni, da če dano količino plina stisnete N-krat, to je, da je končna prostornina 1/N-krat originalna, se bo njen tlak N-krat povečal, kot: P0*V0 = P1*V1 = kons t. Za več podrobnosti si oglejte članek Wikipedia o zakonih o plinu. Na morski gladini je barometrični tlak običajno v območju 1010 hPa (hekto Pascal).

Torej začeti na počivališčih npr. V0 = 100 ml in P0 = 1000 hPa, bo stiskanje zraka na približno 66 ml (t.j. V1 = 2/3 * V0) povzročilo tlak okoli 1500 hPa (P1 = 3/2 od P0). Z vlečenjem bata na 125 ml (5/4 -kratna prostornina) nastane tlak okoli 800 hPa (tlak 4/5). Meritve so za tako preprosto napravo presenetljivo natančne.

Naprava vam omogoča neposreden haptični vtis, koliko sile je potrebno za stiskanje ali razširjanje relativno majhne količine zraka v brizgi.

Lahko pa tudi izvedemo nekaj izračunov in jih eksperimentalno preverimo. Predpostavimo, da zrak stisnemo na 1500 hPa pri bazalnem barometričnem tlaku 1000 hPa. Razlika tlaka je torej 500 hPa ali 50 000 Pa. Za mojo brizgo je premer (d) bata približno 4 cm ali 0,04 metra.

Zdaj lahko izračunate silo, potrebno za držanje bata v tem položaju. Glede na P = F/A (tlak je sila deljena s površino) ali preoblikovano F = P*A. Enota SI za silo je "Newton" N, za dolžino "Meter" m in 1 Pa je 1N na kvadratni meter. Za okrogel bat lahko površino izračunamo z A = ((d/2)^2)*pi, kar daje 0,00125 kvadratnih metrov za mojo brizgo. Torej

50, 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N.

Na Zemlji 1 N korelira s težo 100 gr, zato je 63 N enako, da ima težo 6,3 kg.

To je mogoče enostavno preveriti z uporabo tehtnice. Brizgo z batom potisnite na tehtnico, dokler ne dosežete tlaka približno 1500 hPa, nato preberite lestvico. Ali pritiskajte, dokler tehtnica ne pokaže približno 6-7 kg, nato pritisnite gumb "A" in preberite vrednost, prikazano na LED matriki micro: bit. Izkazalo se je, da ocena na podlagi zgornjih izračunov ni bila slaba. Tlak nekoliko nad 1500 hPa je povezan z prikazano "težo" približno 7 kg na telesni lestvici (glej slike). Ta koncept lahko tudi obrnete in z napravo sestavite preprosto digitalno tehtnico, ki temelji na meritvah tlaka.

Upoštevajte, da je zgornja meja senzorja približno 1540 hPa, zato morebitnega tlaka nad tem ni mogoče izmeriti in lahko poškoduje senzor.

Poleg izobraževalnih namenov lahko sistem uporabimo tudi za nekatere aplikacije v resničnem svetu, saj omogoča količinsko merjenje sil, ki poskušajo tako ali drugače premakniti bat. Tako lahko izmerite težo, ki je nameščena na bat, ali udarno silo, ki udari v bat. Ali pa sestavite stikalo, ki aktivira luč ali brenčalo ali predvaja zvok, ko je dosežena določena mejna vrednost. Lahko pa zgradite glasbeni inštrument, ki spreminja frekvenco glede na moč sile, ki deluje na bat. Ali pa ga uporabite kot kontroler igre. Uporabite svojo domišljijo in se igrajte!

4. korak: Skript MicroPython

V prilogi najdete moj skript BMP280 za micro: bit. Je izpeljanka skripta BMP/BME280, ki sem ga našel nekje na spletnem mestu Banggood, v kombinaciji z Adafrutovo knjižnico Microbit. Prvi omogoča uporabo senzorja Banggood, drugi poenostavlja upravljanje LED zaslona 5x5. Zahvaljujem se razvijalcem obeh.

Skript privzeto prikaže rezultate meritev tlaka v 5 korakih na LED: 5x5 LED prikazovalniku micro: bit, kar omogoča spremembe z majhno zamudo. Natančne vrednosti se lahko prikažejo vzporedno na serijskem monitorju Arduino IDE ali pa se prikaže podrobnejši graf na ploterju Arduino IDE.

Če pritisnete gumb A, se izmerjene vrednosti tlaka prikažejo na matriki LED: 5x5 mikro: bit. Če pritisnete gumb B, se prikažejo vrednosti temperature. Čeprav to omogoča branje natančnih podatkov, bistveno upočasni merilne cikle.

Prepričan sem, da obstajajo veliko bolj elegantni načini programiranja nalog in izboljšanja scenarija. Vsaka pomoč je dobrodošla.

#vključi xxx

#include Adafruit_Microbit_Matrix microbit; #define BME280_ADDRESS 0x76 unsigned long int hum_raw, temp_raw, pres_raw; podpisano dolgo int t_fine; uint16_t dig_T1; int16_t dig_T2; int16_t dig_T3; uint16_t dig_P1; int16_t dig_P2; int16_t dig_P3; int16_t dig_P4; int16_t dig_P5; int16_t dig_P6; int16_t dig_P7; int16_t dig_P8; int16_t dig_P9; int8_t dig_H1; int16_t dig_H2; int8_t dig_H3; int16_t dig_H4; int16_t dig_H5; int8_t dig_H6; // vsebniki za izmerjene vrednosti int value0; int vrednost1; int vrednost2; int vrednost3; int vrednost4; // ------------------------------------------------ -------------------------------------------------- ------------------ void setup () {uint8_t osrs_t = 1; // Temperaturno preveliko vzorčenje x 1 uint8_t osrs_p = 1; // Nadzorčenje tlaka x 1 uint8_t osrs_h = 1; // preveliko vzorčenje vlažnosti x 1 način uint8_t = 3; // Običajen način uint8_t t_sb = 5; // Tstandby 1000ms uint8_t filter = 0; // filtriranje uint8_t spi3w_en = 0; // 3-žični SPI Onemogoči uint8_t ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | način; uint8_t config_reg = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en; uint8_t ctrl_hum_reg = osrs_h; pinMode (PIN_BUTTON_A, INPUT); pinMode (PIN_BUTTON_B, INPUT); Serial.begin (9600); // Serial.println ("Temperatura [stopinja C]"); // Serial.print ("\ t"); Serial.print ("Tlak [hPa]"); // glava Wire.begin (); writeReg (0xF2, ctrl_hum_reg); writeReg (0xF4, ctrl_meas_reg); writeReg (0xF5, config_reg); readTrim (); // microbit.begin (); // microbit.print ("x"); zamuda (1000); } // ----------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------- void loop () {double temp_act = 0.0, press_act = 0.0, hum_act = 0.0; podpisana dolga int temp_cal; brez podpisa dolga int press_cal, hum_cal; int N; // nastavimo mejne vrednosti za LED matrični prikaz, v hPa dvojno max_0 = 1100; dvojni max_1 = 1230; dvojni max_2 = 1360; dvojni max_3 = 1490; readData (); temp_cal = calibration_T (temp_raw); press_cal = calibration_P (pres_raw); hum_cal = calibration_H (hum_raw); temp_act = (dvojno) temp_cal / 100,0; press_act = (dvojno) press_cal / 100,0; hum_act = (dvojno) hum_cal / 1024,0; microbit.clear (); // ponastavi matriko LED /* Serial.print ("PRESS:"); Serial.println (press_act); Serial.print ("hPa"); Serial.print ("TEMP:"); Serial.print ("\ t"); Serial.println (temp_act); */ if (! digitalRead (PIN_BUTTON_B)) {// prikaz vrednosti v številkah zamuja pri merjenju krogov microbit.print ("T:"); microbit.print (temp_act, 1); microbit.print ("" C "); // Serial.println (""); } else if (! digitalRead (PIN_BUTTON_A)) {microbit.print ("P:"); microbit.print (press_act, 0); microbit.print ("hPa"); } else {// prikaz vrednosti tlaka kot slikovnih pik ali črt na določeni ravni // 5 korakov: 1490 hPa // pragovi, določeni z max_n vrednostmi if (press_act> max_3) {(N = 0); // zgornja vrstica} else if (press_act> max_2) {(N = 1); } else if (press_act> max_1) {(N = 2); } else if (press_act> max_0) {(N = 3); } else {(N = 4); // osnovna vrstica} // Serial.println (N); // za razvojne namene // microbit.print (N); // kot linija // microbit.drawLine (N, 0, 0, 4, LED_ON); // premaknemo vrednosti v vrednost naslednje vrstice4 = vrednost3; vrednost3 = vrednost2; vrednost2 = vrednost1; vrednost1 = vrednost0; vrednost0 = N; // risanje slike, stolpec za stolpcem microbit.drawPixel (0, value0, LED_ON); // kot Pixel: stolpec, vrstica. 0, 0 levi zgornji kot microbit.drawPixel (1, vrednost1, LED_ON); microbit.drawPixel (2, vrednost2, LED_ON); microbit.drawPixel (3, vrednost3, LED_ON); microbit.drawPixel (4, vrednost4, LED_ON); } // pošiljanje podatkov na serijski monitor in ploter // Serial.println (press_act); // pošiljanje vrednosti na serijska vrata za številski prikaz, neobvezno

Serial.print (press_act); // pošilja vrednost na serijska vrata za ploter

// narišemo indikatorske črte in popravimo prikazano območje Serial.print ("\ t"); Serijski.tisk (600); Serial.print ("\ t"); Serial.print (1100), Serial.print ("\ t"); Serial.println (1600); zamuda (200); // Merimo trikrat na sekundo} // ---------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- - // za senzor bmp/bme280 je potrebno naslednje, naj ostane prazno readTrim () {uint8_t data [32], i = 0; // Popravi 2014/Wire.beginTransmission (BME280_ADDRESS); Wire.write (0x88); Wire.endTransmission (); Wire.requestFrom (BME280_ADDRESS, 24); // Popravi 2014/while (Wire.available ()) {data = Wire.read (); i ++; } Wire.beginTransmission (BME280_ADDRESS); // Dodaj 2014/Wire.write (0xA1); // Dodaj 2014/Wire.endTransmission (); // Dodaj 2014/Wire.requestFrom (BME280_ADDRESS, 1); // Dodaj 2014/data = Wire.read (); // Dodaj 2014/i ++; // Dodaj 2014/Wire.beginTransmission (BME280_ADDRESS); Wire.write (0xE1); Wire.endTransmission (); Wire.requestFrom (BME280_ADDRESS, 7); // Popravi 2014/while (Wire.available ()) {data = Wire.read (); i ++; } dig_T1 = (podatki [1] << 8) | podatki [0]; dig_P1 = (podatki [7] << 8) | podatki [6]; dig_P2 = (podatki [9] << 8) | podatki [8]; dig_P3 = (podatki [11] << 8) | podatki [10]; dig_P4 = (podatki [13] << 8) | podatki [12]; dig_P5 = (podatki [15] << 8) | podatki [14]; dig_P6 = (podatki [17] << 8) | podatki [16]; dig_P7 = (podatki [19] << 8) | podatki [18]; dig_T2 = (podatki [3] << 8) | podatki [2]; dig_T3 = (podatki [5] << 8) | podatki [4]; dig_P8 = (podatki [21] << 8) | podatki [20]; dig_P9 = (podatki [23] << 8) | podatki [22]; dig_H1 = podatki [24]; dig_H2 = (podatki [26] << 8) | podatki [25]; dig_H3 = podatki [27]; dig_H4 = (podatki [28] << 4) | (0x0F & podatki [29]); dig_H5 = (podatki [30] 4) & 0x0F); // Popravi 2014/dig_H6 = podatki [31]; // Popravi 2014/} void writeReg (uint8_t reg_address, uint8_t data) {Wire.beginTransmission (BME280_ADDRESS); Wire.write (reg_address); Wire.write (podatki); Wire.endTransmission (); }

void readData ()

{int i = 0; uint32_t podatki [8]; Wire.beginTransmission (BME280_ADDRESS); Wire.write (0xF7); Wire.endTransmission (); Wire.requestFrom (BME280_ADDRESS, 8); while (Wire.available ()) {data = Wire.read (); i ++; } pres_raw = (podatki [0] << 12) | (podatki [1] 4); temp_raw = (podatki [3] << 12) | (podatki [4] 4); hum_raw = (podatki [6] << 8) | podatki [7]; }

podpisana dolga int kalibracija_T (podpisana dolga int adc_T)

{podpisani dolgi int var1, var2, T; var1 = ((((adc_T >> 3) - ((podpisan dolgi int) dig_T1 11; var2 = (((((adc_T >> 4) - ((podpisan dolg int) dig_T1)) * ((adc_T >> 4) - ((podpisana dolga int) dig_T1))) >> 12) * ((podpisana dolga int) dig_T3)) >> 14; t_fine = var1 + var2; T = (t_fine * 5 + 128) >> 8; vrnitev T;} brez podpisa dolga int calibration_P (podpisana dolga int adc_P) {podpisana dolga int var1, var2; brez podpisa dolga int P; var1 = (((podpisana dolga int) t_fine) >> 1) - (podpisana dolga int) 64000; var2 = (((var1 >> 2) * (var1 >> 2)) >> 11) * ((podpisana dolga int) dig_P6); var2 = var2 + ((var1 * ((podpisana dolga int) dig_P5)) 2) + ((((podpisana dolga int) dig_P4) 2) * (var1 >> 2)) >> 13)) >> 3) + ((((podpisana dolga int) dig_P2) * var1) >> 1)) >> 18; var1 = ((((32768+var1))*((podpisana dolga int) dig_P1)) >> 15); če (var1 == 0) {vrne 0; } P = (((brez podpisa dolga int) (((podpisana dolga int) 1048576) -adc_P)-(var2 >> 12)))*3125; če (P <0x80000000) {P = (P << 1) / ((brez podpisa dolga int) var1); } else {P = (P / (unsigned long int) var1) * 2; } var1 = ((((podpisana dolga int) dig_P9) * ((podpisana dolga int) (((P >> 3) * (P >> 3)) >> 13))) >> 12; var2 = (((podpisana dolga int) (P >> 2)) * ((podpisana dolga int) dig_P8)) >> 13; P = (brez podpisa dolga int) ((podpisana dolga int) P + ((var1 + var2 + dig_P7) >> 4)); vrnitev P; } nepodpisana dolga int kalibracija_H (podpisana dolga int adc_H) {podpisana dolga int v_x1; v_x1 = (t_fine - ((podpisana dolga int) 76800)); v_x1 = (((((adc_H << 14) -(((podpisana dolga int) dig_H4) 15) * ((((((v_x1 * ((podpisana dolga int) dig_H6)) >> 10) * (((v_x1 * ((podpisan dolg int) dig_H3)) >> 11) + ((podpisan dolgi int) 32768))) >> 10) + ((podpisan dolgi int) 2097152)) * ((podpisan dolg int) dig_H2) + 8192) >> 14)); v_x1 = (v_x1 - (((((v_x1 >> 15) * (v_x1 >> 15)) >> 7) * ((podpisano dolgo int) dig_H1)) >> 4)); v_x1 = (v_x1 419430400? 419430400: v_x1); return (nepodpisana dolga int) (v_x1 >> 12);}

5. korak: Skripti MakeCode/JavaScript

Pimoroni je pred kratkim izdal enviro: bit, ki je opremljen s senzorjem tlaka BMP280, svetlobno/barvnim senzorjem in mikrofonom MEMS. Ponujajo tudi knjižnico MicroPython in MakeCode/JavaScript.

Kasneje sem napisal MakeCode skript za senzor tlaka. Ustrezno šestnajstiško datoteko lahko kopirate neposredno v svoj micro: bit. Koda je prikazana spodaj in jo je mogoče spremeniti s spletnim urejevalnikom MakeCode.

To je različica skripta za mikro: bitni potopni meter. Privzeto prikazuje razliko tlaka kot stolpčni graf. S pritiskom na gumb A nastavite referenčni tlak, s pritiskom na gumb B se prikaže razlika med dejanskim in referenčnim tlakom v hPa.

Poleg osnovne različice črtne kode najdete tudi "X", navpično različico in "L" različico, namenjeno olajšanju branja.

naj stolpec = 0

naj ostane = 0 naj vrstica = 0 pusti števec = 0 naj delta = 0 pusti ref = 0 pusti Is = 0 Is = 1012 basic.showLeds (` # # # # # #… # #. #. #… # # # # # # # `) Ref = 1180 basic.clearScreen () basic.forever (() => {basic.clearScreen () if (input.buttonIsPressed (Button. A)) {Ref = envirobit.getPressure () basic.showLeds (` #. #. #. #. #. #. # # # # #. #. #. #. #. #. #`) basic.pause (1000)} else if (input.buttonIsPressed (Button. B)) {basic.showString ("" + Delta + "hPa") basic.pause (200) basic.clearScreen ()} else {Is = envirobit.getPressure () Delta = Is - Ref Meter = Math.abs (Delta) if (Meter> = 400) {Row = 4} else if (Meter> = 300) {Row = 3} else if (Meter> = 200) {Row = 2} else if (Meter> = 100) {Row = 1} else {vrstica = 0} ostane = števec - vrstica * 100 če (ostane>> 80) {stolpec = 4} drugače če (ostane>> 60) {stolpec = 3} drugače če (ostane>> 40) {stolpec = 2 } else if (continue> = 20) {Column = 1} else {Column = 0} for (let ColA = 0; ColA <= stolpec; ColA ++) {led.plot (ColA, Vrstica)} basic.pause (500)}})