Приборы
для измерений
физических параметров
для измерений
физических параметров
Автор:
Ащепков Максим Иванович
ученик 8 класса
Руководитель:
Чекменева Надежда Владимировна
учитель физики
с. Самарское, 2021 год
Литературное обозрение: для проведения исследования по данной теме необходимо было ознакомиться с принципом работы школьных приборов, микроконтроллера Arduino и с датчиками измерений.
Измерительные физические приборы: термометр, барометр и психрометр изучали на уроках физика по учебнику Перышкин А.В. / «Физика» для 7 и 8 кл., 2016г и проводили с ними практические работы.
Принцип работы микроконтроллера Arduino изучал по книге Ревич Ю. / «Азбука Электроники», 2018г. По данной литературе изучил разработку устройства, плату Arduino - Uno, устройство для измерения параметров – датчик, для снятия показаний – дисплей, для звуковой индикации пьезопищалку, для работы программирования необходимо загрузить библиотеки Arduino/ URL: https://github.com для датчика и дисплея после чего, подключить их к Arduino.Технические характеристики, способы подключения к микроконтроллеру и программирование датчика можно изучить по сайтам: Датчики /URL: http://www.electrolibrary.info/slovar/11-datchiki.html/, Датчик bme280/ URL: https://micro-pi.ru/bme280-давления-температуры-влажности/.
Принцип работы датчиков для измерения температуры и влажности воздуха изучили по пособию Смирнов И.А., Иванов А.В. «Методическое пособие к цифровой лаборатории «Экология»
Для проведения измерений необходимо закачать программу в компьютер или ноутбук, после чего датчик с проводным устройством соединить к ноутбуку и проводить измерения.
Введение
Актуальностью данной работы является изучение современных приборов для методики оценки параметров микроклимата. Как известно, влажность, температура и давление входят в категорию основных величин, показатели которых, позволяют человеку чувствовать себя хорошо. Для этого необходимо осуществлять постоянный контроль этих параметров. На основе микроконтроллера Arduino разработано устройство, позволяющее измерять параметры микроклимата, по приборам с методического пособия к цифровой лаборатории «Экология» и по школьным приборам в кабинете.
Гипотеза: предполагаю, что для более эффективного измерения физических величин можно использовать микроконтроллер.
Цель работы: изучить современные методы измерения физических параметров с помощью цифрового датчика и программной платформы Arduino, приборами с методического пособия к цифровой лаборатории «Экология», по школьным приборам в кабинете физики и выбрать эффективный метод измерения давления, влажности и температуры в классе.
Гипотеза: предполагаю, что для более эффективного измерения физических величин можно использовать микроконтроллер.
Цель работы: изучить современные методы измерения физических параметров с помощью цифрового датчика и программной платформы Arduino, приборами с методического пособия к цифровой лаборатории «Экология», по школьным приборам в кабинете физики и выбрать эффективный метод измерения давления, влажности и температуры в классе.
Задачи:
Изучить литературу по теме измерения физических параметров микроклимата и принципом работы изучаемых приборов.
Ознакомиться с программной платформой Arduino и датчиком BME280.
Собрать и запрограммировать систему для мониторинга параметров температуры, влажности и давления и вывести значения на индикатор.
Ознакомиться с принципом работы приборов по методическому пособию к цифровой лаборатории «Экология».
Рассмотреть принцип работы термометра, барометра, психрометра.
Проанализировать полученные результаты контроля необходимых параметров в кабинете физики.
1 Измерение температуры, влажности и давления
Одними из важнейших физических параметров, который чаще всего наблюдается и контролируется, является температура, влажность и давление. Необходимо контролировать данные параметры в местах, где мы постоянно находятся. Значение этих величин влияют на здоровье, самочувствие и работоспособность людей. До появления современных датчиков параметры микроклимата измерялись с помощью термометра, барометра, психрометра.
1.1 Прибор для измерения температуры
Термометр – это прибор для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха. Принцип действия термометра основан, на свойстве жидкости расширятся под действием тепла. Основы современного измерения заложил в 1592 г. Галилео Галилей. Конструкция его прибора была очень проста. Термоскоп-термометр показывал только изменение степени нагретости тела. Отсутствие шкалы делало его несовершенным из-за невозможности определить точное температурное значение. В начале XVIII века немецкий ученый Фаренгейт впервые изобрел современный измерительный прибор – ртутный термометр со стандартной шкалой. Позже Цельсий установил константы точки тающего льда и кипящей воды, на рисунке 1 представлены изображения термометров [6].
Рис. 1 – Термометр
1.2 Прибор для измерения давления
Атмосферное давление является силой, которая производит давление воздуха на поверхность земного шара и все ее предметы, находящиеся на ней. Барометр – прибор дляизмерения атмосферного давления (рисунок 2). Ртутный барометр был изобретён итальянским математиком и физиком Эванджелистой Торричелли в 1644 году, это была тарелка с налитой в неё ртутью и пробиркой (колбой), поставленной отверстием вниз [6].
Рис. 2 – Ртутный барометр, барометр – анероид
1.3 Прибор для измерения влажности
Влажность – показатель содержания воды в физических телах или средах. Для измерения влажности используются различные единицы, часто внесистемные. Психрометр – прибор для измерения влажности воздуха по разности температур (рисунок 3). Простейший психрометрсостоит из двух независимых термодатчиков, один из которых используется как сухой термометр, а другой – как влажный. С 1887 по 1892 Ричард Адольф Ассманн разрабатывал психрометр для точного измерения влажности воздуха и температуры [6].
Рис. 3 – Психрометр
2 Разработка устройства
Для разработки собственного устройства контроля физических параметров микроклимата понадобится датчик, микроконтроллер и индикатор, схема представлена на рисунке 4.
Рис. 4 – Устройство контроля температуры, давления и влажности
Управлением датчиком будет производиться с помощью микроконтроллера. В настоящее время существует множество микроконтроллеров, платформ для осуществления управления параметрами, но самый доступный для изучения школьников – это Arduino (рис. 5).
Arduino – это комбинация аппаратной и программной частей для простой разработки электроники. Аппаратная часть включает в себя большое количество видов плат Arduino со встроенными программируемыми микроконтроллерами, а также дополнительные модули. Программная часть состоит из среды разработки (программы для написания скетчей и прошивки микроконтроллеров АArduino), упрощенного языка программирования, огромного множества готовых функций и библиотек (рис. 6).
Arduino – это комбинация аппаратной и программной частей для простой разработки электроники. Аппаратная часть включает в себя большое количество видов плат Arduino со встроенными программируемыми микроконтроллерами, а также дополнительные модули. Программная часть состоит из среды разработки (программы для написания скетчей и прошивки микроконтроллеров АArduino), упрощенного языка программирования, огромного множества готовых функций и библиотек (рис. 6).
Рис. 5 – Плата Arduino Uno
Рассмотрим один из видов плат – Arduino Uno, он является самым популярным и доступным устройством. В ее основе лежит чип ATmega328P. Пины Ардуино используются для подключения внешних устройств и могут работать как в режиме входа, так и выхода. Для удобства работы разработчики распределили пины и каждый их них имеют свои назначения, также некоторые из них совмещают в себе несколько функций.
Рис. 6 – Программная среда Arduino IDE
Для того чтобы безошибочно подключить внешние устройства, необходимо изучить документацию [1] основные характеристики микроконтроллера представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики Arduino Uno
Главным элементом устройства измерения физических параметров микроклимата является датчик. Датчик – это средства измерений, содержащие не только первичные преобразователи, но и элементы измерительных систем, в которые включены эти преобразователи [3]. В настоящее время датчики реализуются на основе различных физических явлений и различных технологий. Это дает возможность делать их многофункциональными. Для контроля трех физических параметров выбран BME280 (рисунок 7). Он представляет собой интегрированный датчик окружающей среды, разработан для малогабаритных устройств с малым энергопотреблением. Производитель гарантирует, что датчик влажности имеет чрезвычайно быстрое время отклика, который поддерживает требования к рабочим характеристикам для новых приложений. Датчик давления – это абсолютный барометрический датчик давления, который показывает исключительно высокую точность. Он в основном используется для температурной компенсации датчиков давления и влажности, а также может быть использован для оценки температуры окружающей среды [4].
Рис.7 – Модуль датчика BME280
Для подключения датчика к микроконтроллеру выведены контакты. Характеристики датчик для изучения представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Рабочие характеристики датчика
Для считывания информации подключим дисплей OLED-SSD1306 (рисунок 8). Характеристики дисплея представлены в таблице 3. Дисплей подключаем по интерфейсу I2C, используя 4 провода.
Рис. 8 – OLED дисплей
Таблица 3 – Характеристики SSD1306
Для звуковой индикации используется пьезопищалка (зуммер), представленный на рисунке 9. Звуковая индикация используется для уведомления при повышенном или пониженном значениях одного из измеряемых показателей (температуры, влажности или давления).
Пьезоизлучатель (пьезопищалка) – это электроакустическое устройство воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект [8]. Принцип действия его основан на том, что под действием электрического поля возникает механическое движение мембраны, которое и вызывает слышимые нами звуковые волны.
Пьезоизлучатель (пьезопищалка) – это электроакустическое устройство воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект [8]. Принцип действия его основан на том, что под действием электрического поля возникает механическое движение мембраны, которое и вызывает слышимые нами звуковые волны.
Рис. 9 – Пассивный зуммер
Пьезоизлучатель имеет 2 вывода, подключение модуля пьезоэлемента к плате выглядит достаточно просто, потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным выводом, один вывод подключаем к земле (GND), а второй – к любому цифровому пину с функцией ШИМ (PWM). В данном случае положительный вывод излучателя подключён к выводу D3. Для работы программирования необходимо загрузить библиотеки для датчика и дисплея после чего, подключить их к Arduino. Все необходимые библиотеки скачиваем с сайта [2]. После того, как собрали все и запрограммировали можно начать снимать показания с дисплея и заполнять таблицы для проведения исследований (рисунок 10).
Рис. 10 – Устройство для контроля температуры, влажности и давления
3 Изучение методического пособия к цифровой лаборатории «Экология»
Экологический мониторинг, или мониторинг окружающей среды, – это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Одним из направлений экологического мониторинга является школьный экологический мониторинг. Школьный экологический мониторинг – часть системы экологического образования, направленная на формирование экологических знаний, умений, навыков и мировоззрения на базе практической деятельности, включающая наблюдения за состоянием окружающей среды своей местности [7].
Основные приборы для измерения физических величин это датчики: измерения температуры, влажности. Датчики работают по отработанной программе, которая скачивается в ноутбук. Подключая датчики к ноутбуку, они регистрируют измеряемую величину.
Основные приборы для измерения физических величин это датчики: измерения температуры, влажности. Датчики работают по отработанной программе, которая скачивается в ноутбук. Подключая датчики к ноутбуку, они регистрируют измеряемую величину.
4 Обработка полученных результатов
Для проверки полученных результатов в течение дня снимали показания с устройства, измеряющего температуру, давление и влажность воздуха по описанным методикам и указанными приборами [Таб.4].
По проведенному исследованию измерений важных показателей климата в учебном кабинете выяснили, что более быстро можно измерить по микроконтроллеру Arduino. По датчикам измерения снимаются через определенное время 3-5 мин. По лабораторным приборам показания величин по точности не совпадают и с этими приборами надо дополнительно поработать, до снятия показаний.
По проведенному исследованию измерений важных показателей климата в учебном кабинете выяснили, что более быстро можно измерить по микроконтроллеру Arduino. По датчикам измерения снимаются через определенное время 3-5 мин. По лабораторным приборам показания величин по точности не совпадают и с этими приборами надо дополнительно поработать, до снятия показаний.
Таблица 4 – Показания изучаемых параметров по изученным методикам
Выводы
При выполнении данной работы, выдвинутая гипотеза эффективного измерения физических величин можно использовать микроконтроллер, подтвердилась. Поставленная цель и необходимые задачи были выполнены.
В результате работы были изучены современные методы оценки физических параметров с помощью цифрового датчика и программной платформы Arduino, по методическому пособию к цифровой лаборатории «Экология» и старые методы измерения величин микроклимата.
Для этого была изучена теоретическая литература. При изучении материалов, рассматривались такие понятие как, термометр, барометр, психрометр, цифровые датчики (BME280), отладочная плата Arduino Uno и программная среда Arduino IDE, датчики для измерения величин. С помощью современных средств реализованы устройства для измерений. Измерять физические параметры с помощью цифрового датчика намного удобнее, так как разработанное программное обеспечение позволяет без сбоев и с высокой точностью измерять параметры. Данный современный метод экономит время для измерения, что ускоряет процесс исследований.
В процессе работы научился применять программную платформу Arduino для программирования различных модулей и работать по программе «Эврика». Практическая значимость работы заключается в том, что данные устройства на данный момент используются в кабинете физики и позволяют проверить точные значения изучаемых величин т.к. от них зависит самочувствие учеников. Если показатели температуры, влажности сильно отличаются от значений, прописанных в СанПиН, то необходимо принять соответствующие процедуры: закрыть шторы, открыть форточку, увлажнить поверхности в классе.
В результате работы были изучены современные методы оценки физических параметров с помощью цифрового датчика и программной платформы Arduino, по методическому пособию к цифровой лаборатории «Экология» и старые методы измерения величин микроклимата.
Для этого была изучена теоретическая литература. При изучении материалов, рассматривались такие понятие как, термометр, барометр, психрометр, цифровые датчики (BME280), отладочная плата Arduino Uno и программная среда Arduino IDE, датчики для измерения величин. С помощью современных средств реализованы устройства для измерений. Измерять физические параметры с помощью цифрового датчика намного удобнее, так как разработанное программное обеспечение позволяет без сбоев и с высокой точностью измерять параметры. Данный современный метод экономит время для измерения, что ускоряет процесс исследований.
В процессе работы научился применять программную платформу Arduino для программирования различных модулей и работать по программе «Эврика». Практическая значимость работы заключается в том, что данные устройства на данный момент используются в кабинете физики и позволяют проверить точные значения изучаемых величин т.к. от них зависит самочувствие учеников. Если показатели температуры, влажности сильно отличаются от значений, прописанных в СанПиН, то необходимо принять соответствующие процедуры: закрыть шторы, открыть форточку, увлажнить поверхности в классе.
Список используемых источников
1. Arduino Uno/ URL: www.hcomp.ru/downloads/arduino /UNOr3/
arduino_uno_r3_RUS.pdf/ (дата обращения 10.11.2019)
2. Библиотеки для Arduino/ URL: github.com/ (дата обращения 10.11.2019)
3. Датчики /URL: www.electrolibrary.info/slovar/11-datchiki.html/ (дата обращения 04.11.2020)
4. Датчик bme280/ URL: micro-pi.ru/bme280-давления-температуры-влажности/(дата обращения 10.11.2020)
5. Перышкин А. В. / «Физика» для 7 и 8 кл., 2016 г.
6. Ревич Ю. / «Азбука Электроники», 2018 г.
7. Смирнов И. А., Иванов А. В. «Методическое пособие к цифровой лаборатории «Экология»
8. Требования к микроклимату помещений в образовательных учреждениях регулируются санитарными правилами для дошкольных организаций — СанПиН 2.4.1.3049−13″, для общеобразовательных учреждений.
https://soltau.ru/index.php/arduino/item/357-how-connect-buzze
arduino_uno_r3_RUS.pdf/ (дата обращения 10.11.2019)
2. Библиотеки для Arduino/ URL: github.com/ (дата обращения 10.11.2019)
3. Датчики /URL: www.electrolibrary.info/slovar/11-datchiki.html/ (дата обращения 04.11.2020)
4. Датчик bme280/ URL: micro-pi.ru/bme280-давления-температуры-влажности/(дата обращения 10.11.2020)
5. Перышкин А. В. / «Физика» для 7 и 8 кл., 2016 г.
6. Ревич Ю. / «Азбука Электроники», 2018 г.
7. Смирнов И. А., Иванов А. В. «Методическое пособие к цифровой лаборатории «Экология»
8. Требования к микроклимату помещений в образовательных учреждениях регулируются санитарными правилами для дошкольных организаций — СанПиН 2.4.1.3049−13″, для общеобразовательных учреждений.
https://soltau.ru/index.php/arduino/item/357-how-connect-buzze
