Conjunto de péndulo de precisión: Interfaces eléctricas

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Interfaces eléctricas

Esta sección describe los componentes eléctricos utilizados para operar el aparato experimental. Como resumen, cada lanzador consta de:

  • una Raspberry Pi (o computadora con Linux): hace la interfaz entre el microcontrolador y el humano (por ejemplo, conexión directa a una consola) o servidor de laboratorio electrónico a través de Internet.
  • un microcontrolador (dsPic): hace la interfaz entre los componentes eléctricos (incluido el motor paso a paso) y la computadora.
  • Componentes eléctricos complementarios: láser, microinterruptor, fotopuerta (también conocido como fotodiodo), bombilla, sensor de temperatura y pantalla de 7 dígitos.

consulte Partes para obtener una descripción detallada. Estos componentes son la interfaz entre el aparato experimental y el microcontrolador, al tiempo que proporcionan formas de controlar el péndulo y capacidades de medición.

Consulte la subsección Conexiones para obtener detalles sobre cómo conectar los componentes eléctricos.

Comparación en el error de dispersión entre un fotodetector de fotodiodo (StDev = 0.002) o LDR (StDev = 0.006) debido a la velocidad de respuesta.

La alineación de fotopuerta / fotodiodo y láser se describe en la subsección Fotopuerta y alineación láser. En particular, se han elegido fotodiodos debido a sus características de transición más rápidas, lo que reduce la fluctuación general de la fotopuerta y, en consecuencia, el error aleatorio.

Esto se debe realizar solo después de que se haya encendido el microcontrolador, lea primero la sección Consola de interfaz a microcontrolador.

Partes

Esta subsección presenta una descripción de las diferentes partes eléctricas del experimento.

  • 'Raspberry Pi (RPi)' : Dispositivo que ejecuta Linux para permitir la conexión remota al experimento, así como una forma fácil de interactuar con el microcontrolador. El presente microcontrolador y las correspondientes conexiones de cable plano están diseñados para la Raspberry Pi 3 modelo B, que tiene las siguientes conexiones de pin-out como se describe en https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio. La Raspberry Pi también se usa para alimentar el microcontrolador, por lo que se debe usar una fuente de alimentación de +5 V con al menos 2.5 A.
Rpi.png Rpi ps 1.png Rpi ps 2.png
  • Tarjeta SD: La tarjeta SD viene con el sistema operativo Linux y todos los programas adicionales necesarios. Debe ser una tarjeta industrial con especificaciones sólidas.
  • Placa de microcontrolador: Esta placa contiene un microcontrolador (dsPic33F) así como todos los componentes periféricos necesarios para el control del experimento. La placa se puede alimentar mediante el cable plano conectado a la Raspberry Pi o mediante una conexión USB (se utiliza un puente integrado para seleccionar la fuente de alimentación, la posición predeterminada corresponde a la del cable plano / fuente Raspberry). La placa contiene 4 LED: 2 rojos, 1 azul y 1 verde. Los LED rojos indican si la alimentación está conectada a la placa. Mirando las cifras a continuación, el LED rojo de la izquierda corresponde al +5 V que alimenta la placa del microcontrolador. El LED rojo de la derecha corresponde a la potencia de +12 V que se utiliza para alimentar el motor paso a paso. Los LED azul y verde (LED en la parte superior de la figura) se utilizan para la salida de información de tiempo de ejecución por el microcontrolador. El LED azul (izquierdo) se enciende cuando se presiona el microinterruptor, es decir, cuando la pala está en el origen. El LED verde (derecho) se enciende cuando la puerta fotoeléctrica está activa (conduciendo), es decir, cuando está encendida por el láser. Los LED azul y verde también se utilizan para otros dos casos: (i) en el arranque y (ii) para indicar que el microcontrolador está en un estado de error. En el arranque, los LED parpadean 5 veces con un período de 400 ms y con estados alternos (cuando el LED azul está ENCENDIDO, el LED verde está APAGADO y viceversa). Para indicar un estado de error, los LED parpadean durante un período de aproximadamente 2 s.
Dspic board closed.png Dspic board open.png Dspic board closed LEDs.jpg Dspic board LEDs blue.jpg Dspic board LEDs green.jpg
  • Webcam: La cámara web se utiliza para proporcionar transmisión de video en vivo durante la ejecución del experimento. Está conectado a la Raspberry Pi mediante un cable USB. El RPi realiza la codificación y luego la envía a través de Internet.
Webcam.png
  • Bombilla: La bombilla consta de una bombilla LED de 12 V ubicada encima del lanzador. Esta bombilla se enciende durante la ejecución del experimento para iluminar el péndulo y el lanzador (especialmente útil si el experimento se realiza durante la noche).
Light bulb.png
  • Motor paso a paso: El motor paso a paso es parte del lanzador y es controlado por el microcontrolador a través de un controlador de puente cuádruple 1/2 H. El motor paso a paso es responsable del desplazamiento de la pala.
Step motor 1.png Step motor 2.png
  • Microinterruptor: El microinterruptor se encuentra en el origen, cerca de los 0 cm de la escala métrica del lanzador. Se utiliza para indicar al microcontrolador que la pala llegó al origen y no puede avanzar más hacia atrás (fin de curso).
Ms 1.png Ms 2.png
  • Láser: El láser se encuentra aproximadamente en el centro del lanzador. Junto con la fotopuerta / fotodiodo, el láser se utiliza para medir el período de oscilación y la ubicación de la pala. Este láser tiene una regulación para el enfoque, se puede ajustar girando la lente.
Laser 1 crop.jpg Laser 2 crop.jpeg Laser 3 crop.jpeg
  • Foto-puerta (también conocida como fotodiodo): La foto-puerta se encuentra en frente del láser. La bobina viaja entre ellos interrumpiendo la luz láser periódicamente, lo que resulta en un cambio de estado en el pin de entrada del microcontrolador. Entonces es posible medir el período del péndulo y la velocidad de la sacudida conociendo de antemano su diámetro. NOTA : Evite la luz solar directa o áreas extremadamente luminosas frente a él.
Ph gate 1.jpg Ph gate 2 crop.jpg
  • Sensor de temperatura: En la caja DB25 se encuentra un sensor de temperatura para medir la temperatura ambiente. La temperatura ambiente influye en la longitud del péndulo. Por tanto, es importante controlar esta cantidad para realizar mediciones de alta precisión.
Temp sensor 1.jpg Temp sensor 2 crop.jpg
  • Pantalla: La pantalla de 7 dígitos muestra el número total acumulado de oscilaciones. Consta de 8 dígitos, cada uno de los cuales muestra 7 segmentos. Algunas de las versiones de la placa del microcontrolador permiten la conexión de la pantalla directamente en la placa desde fuera de la caja.
Display loose crop.jpg Display fixed crop.jpg
  • Fuente de alimentación: El motor paso a paso requiere una fuente de alimentación externa de +12 V capaz de proporcionar 2 A.
Ps 1 crop.jpg Ps 2 crop.jpg Ps 3 crop.jpg
  • Botón de inicio: El botón de inicio permite iniciar localmente un experimento con una configuración predefinida (desplazamiento inicial de 10 cm, 20 oscilaciones). Un cronómetro externo como complemento para dar tiempo.
Push button crop.jpg

Conexiones

Esta subsección muestra cómo se conectan los componentes y los cables entre sí.

  • 'RPi' : La Raspberry Pi se conecta a lo siguiente:
    • Fuente de alimentación (mediante conector micro USB)
    • Internet (mediante cable Ethernet)
    • Cámara web (mediante cable USB)
    • Placa de microcontrolador (a través de un cable plano dedicado)
Rpi connections.jpg
  • Cable plano dedicado: este cable establece la conexión entre la placa del microcontrolador (dsPic), el RPi y la pantalla. En el lado del microcontrolador, el cable tiene un conector DB25.
Flat cable DB25 crop.jpg

En el lado RPi, el cable como un conector de 2x20 pines para asegurar una conexión correcta, ver figuras a continuación.

Flat cable rpi 1 crop.jpg Flat cable rpi 2 crop.jpg Flat cable rpi 3 crop.jpg

At the display end, the connector consist of a 1x5 connector. Please ensure that the connector side is correct before connecting to the display: the VCC pin of the display connects to the wire that is highlighted in this case with a blue trace. See figure below for illustration. Some versions allow the display to be connected directly on the micro-controller box. In such cases, the display should be connected as shown on the right hand side, see figure below.

Flat cable display crop.jpg Display fixed crop.jpg
  • 'Microcontrolador' : La placa dsPic se conecta a lo siguiente:
    • Fuente de alimentación de +12 V para alimentar el motor paso a paso
    • RPi (a través del cable plano)
    • Componentes eléctricos (a través de varios cables dedicados)
Dspic board closed crop connections.jpg
  • 'Multicable dedicado' : El multicable conecta la placa dsPic con los componentes eléctricos utilizados para realizar el experimento. En el extremo de la placa dsPic, el cable tiene un conector DB25 como se muestra en la siguiente figura.
Multi cable DB25 crop.jpg

En el extremo de la bombilla, el microinterruptor, el láser y la puerta fotoeléctrica, el cable múltiple tiene un conector de 2 pines como se muestra en las siguientes figuras:

Multi cable light bulb crop.jpg Multi cable ms crop.jpg Multi cable laser crop.jpg Multi cable photogate crop.jpg

En el extremo del motor paso a paso, el cable múltiple tiene un conector de 4 pines. Este es el único conector de 4 pines y, por lo tanto, no se identifica como los restantes. Consulte la figura siguiente para obtener una ilustración.

Multi cable step motor crop.jpg

El botón de inicio y el sensor de temperatura están conectados directamente al conector DB25, por lo que no se necesitan conectores intermedios.

Push button crop.jpg Temp sensor 2 crop.jpg

Fotopuerta y alineación láser

La fotopuerta y la alineación láser solo se pueden realizar una vez que el microcontrolador se ha encendido y se está comunicando con una consola. Consulte la subsección Consola de interfaz a microcontrolador sobre cómo encender el microcontrolador y cómo controlar el láser. La alineación consiste en apuntar el láser al agujero de la estructura de la fotopuerta, como se muestra a continuación en la figura de la izquierda. La orientación del láser se puede ajustar utilizando los 3 tornillos de su estructura de soporte de sujeción, figura en el medio.

El procedimiento para la alineación consta de lo siguiente:

  1. Encienda el láser usando el comando "láser on"
  2. Verifique con la ayuda de una hoja blanca si la dimensión de enfoque del láser es inferior a 1 mm mediante el fotodiodo; en caso contrario, se ajustará atornillando el láser.
  3. Si es necesario, ajuste la orientación del láser para que su luz entre en el orificio de la estructura de la puerta fotoeléctrica (figura a la izquierda). En la figura de la derecha se muestra un ejemplo de desalineación.
  4. Realice la Prueba láser y fotopuerta
Laser in photogate crop.jpg Laser structure 3 screws crop.jpg Laser out photogate crop.jpg

Pruebas eléctricas

  • Pruebe el microinterruptor con la ayuda de un multímetro (ohmímetro). Cuando se suelta debe presentar una impedancia muy alta (orden de MOhm) y cuando se presiona debe presentar una impedancia muy baja (como una derivación, ~ 0 Ohm). Realizar la medición en el microinterruptor y en los pines DB25: entre pines no. 3 y 4.
  • Compruebe el voltaje de la fuente de alimentación del motor paso a paso para asegurarse de que no sea superior a +12 V.

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