Czujka szczelinowa

Na ostatnich zajęciach za pomocą czujki szczelinowej i wahadła wyznaczaliśmy wartość g (przyspieszenia ziemskiego). Podzieliliśmy się na dwie grupy, z których każda miała inny pomysł na stworzenie mechanizmu oraz napisanie odpowiedniego programu.

Zasada działania czujki jest bardzo prosta. Na wyjściu cyfrowym OUT z modułu czujki pojawia się sygnał wysoki, jeśli szczelina jest przesłonięta, oraz sygnał niski, gdy szczelina jest odsłonięta. Wahadło wykonując swoje ruchy harmoniczne będzie przechodziło przez szczelinę zasłaniając ją – my musimy zmierzyć czas pomiędzy tymi sygnałami.

Wahadła

Jedna grupa korzystała ze specjalnego statywu, na którym przymocowała cały mechanizm składający się ze sznurka i nakrętki na śrubkę. Ułatwiło to pracę i zminimalizowało niepewności pomiarowe.

Druga grupa musiała wykazać się inwencją twórczą i improwizacją.

Podłączanie czujki

Czujnik łączymy z Arduino za pomocą trzech kabelków. Vcc podłączamy do napięcia 5V, GND do GND, a OUT to dowolny pin cyfrowy, który jest niezbędny do przekazywania informacji.

Kod programu

int czujka=5;
unsigned long t1,t2;

void setup(){
 Serial.begin(9600);
 pinMode(czujka, INPUT);
 Serial.println("jestem gotowy! ");
 Serial.print(millis());
  t1=millis();
  Serial.println(sizeof(t1));
}
int i=1;

void loop(){
 if(digitalRead(czujka)==1)
 {t2=millis();
 Serial.print(i);
 Serial.print(" ");

 Serial.println(t2-t1);
 t1=t2;
 i++;

 delay(200);
}
}

Czujnik podłączyliśmy do cyfrowego pinu nr 5, można to zmienić w pierwszej linijce kodu.

Dążąc do wyznacznia wartości przyspieszenia ziemskiego, musimy poznać okres drgań wahadła. W tym celu napisaliśmy program korzystający z funkcji millis (więcej informacji znajduje się w jej manualu). Używamy jej dwa razy: za pierwszym razem w linii #9 zapamiętujemy jej wartość do zmiennej t1 (czyli czas włączenia programu Arduino), natomiast w linii #16 przypisujemy jej wartość do zmiennej t2 w celu późniejszego obliczenia różnicy pomiędzy nimi. Różnica ta oznacza czas pomiędzy dwoma następującymi po sobie przesłonięciami czujki, czyli momentem przejścia przez „bramkę” i ponownego powrotu. Pamiętajmy, że nie jest jeszcze okres wahadła (okres to czas pełenego ruchu „tam i spowrotem”) dlatego obrabiając dane pamiętamy o mnożeniu tych czasów przez dwa. W linii #21 równamy wartości zmiennych t1 i t2, dzięki czemu w następnej iteracji pętli zostanie obliczona różnica pomiędzy kolejnymi dwoma ruchami wahadła. W przypadku braku tej linii, otrzymywane wyniki byłyby różnicą czasu danego ruchu wahadła i czasu od włączenia Arduino (uruchomienia programu). Wypisane wartości sprawdzaliśmy w Monitorze szeregowym, podobnie jak w przypadku przycisku.

Istotna jest linia #24 powyższego kodu – te opóźnienie (dobrane metodą prób-i-błędów) potrzebne jest po to, aby otrzymać tylko jedną informację o przesłonięciu czujki naszym wahadłem. Gdy nie ma tej linii, to w czasie przejścia przez szczelinę wahadła czujka „produkuje” setki zdarzeń, które są nam zbyteczne (a nawet przeszkadzają).

Wyznaczanie wartości g

Po otrzymaniu wielu pomiarów, w celu dalszych obliczeń użyliśmy arkusza kalkulacyjnego. Skorzystaliśmy ze wzoru: G=(4π²)*L/T², przy czym G to przyspieszenie ziemskie, L to długość wahadła, a T to okres drgań. Wykonaliśmy obliczenia (w programie LibreOffice Calc), a wyniki wyszły nam dość imponujące. Średnia wartość pomiarów dała nam wynik 9,73(±0,12)m/s²,  przy czym ogólnie przyjęta wartość to 9,81m/s².

 (c) Ewelina 2017