Montagem do Pêndulo de Precisão: Interfaces elétricas

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Interfaces elétricas

Esta secção descreve os componentes elétricos usados para operar o aparato experimental. De forma geral, cada lançador consiste em:

  • um Raspberry Pi (ou computador com Linux): faz a interface entre o microcontrolador e o Homem (por exemplo, por conexão direta a uma consola) ou servidor de e-lab via Internet.
  • um microcontrolador (dsPic): faz a interface entre os componentes elétricos (incluindo o motor de passo) e o computador.
  • componentes elétricos complementares: laser, microinterruptor, sensor fotoeléctrico (também conhecido como fotodiodo), lâmpada, sensor de temperatura e display de 7 dígitos.

Consulte Elementos para uma descrição detalhada. Estes componentes são a interface entre o aparato experimental e o microcontrolador, ao mesmo tempo que fornecem tanto formas de controlar o pêndulo como recursos de medição.

Veja a subsecção Conexões para detalhes sobre como conectar os componentes elétricos.

Comparação do erro de dispersão entre um fotodiodo (StDev = 0,002) e um fotodetector LDR (StDev = 0,006) devido à taxa de variação.

O sensor fotoeléctrico/fotodiodo e o alinhamento do laser são descritos na subseção Fotodiodo e alinhamento do laser. Mais particularmente, os fotodiodos foram escolhidos devido às suas características de transição mais rápida, reduzindo o seu jitter geral e, consequentemente, o erro aleatório.

Isto deve ser executado somente após ter sido ligado o microcontrolador. Leia a secção Consola de interface para o microcontrolador primeiro.

Elementos

Esta subsecção descreve os diferentes elementos elétricos da experiência:

  • Raspberry Pi (RPi): Dispositivo que executa o Linux para permitir a conexão remota com a experiência, bem como uma forma simples de interagir com o microcontrolador. O microcontrolador e as conexões dos cabos planos correspondentes são projetados para o Raspberry Pi 3 modelo B, que possui as conexões de pinagem conforme descrito em https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio. O Raspberry Pi também é usado para alimentar o microcontrolador, como tal, deve ser usada uma fonte de alimentação de +5 V com pelo menos 2,5 A.
Rpi.png Rpi ps 1.png Rpi ps 2.png
  • Cartão SD: O cartão SD vem com o sistema operacional Linux e todos os programas adicionais necessários. Deve ser um cartão industrial com especificações robustas.
  • Placa do microcontrolador: Esta placa contem um microcontrolador (dsPic33F) tal como todos os componentes periféricos necessários para o controlo da experiência. A placa pode ser alimentada usando um cabo plano conectado ao Raspberry Pi ou por uma conexão USB (um jumper integrado é usado para selecionar a fonte de alimentação, a posição padrão corresponde à do cabo plano/fonte Raspberry). A placa contem 4 LEDs: 2 vermelhos, 1 azul e 1 verde. Os LEDs vermelhos indicam se a alimentação está conectada à placa. Observando as figuras abaixo, o LED vermelho da esquerda corresponde aos +5V que alimentam a placa do microcontrolador. O LED vermelho da direita corresponde aos +12V que alimentam o motor de passo. Os LEDs azul e verde (no topo da figura) são usados para a saída de informação pelo microcontrolador durante o tempo de execução da experiência. O LED azul (esquerda) acende quando o microinterruptor é pressionado, i.e., quando a pá está na posição de origem. O LED verde (direita) acende quando fotodiodo está activo (a conduzir), i.e., quando é acionado pelo laser. Os LEDs azul e verde também são usados ​​para dois outros casos: (i) no arranque e (ii) para indicar que o microcontrolador está em estado de erro. No arranque, os LEDs piscam 5 vezes com um período de 400ms e em estados alternados (quando o LED azul está LIGADO, o LED verde está DESLIGADO e vice-versa). Para indicar um estado de erro, os LEDs piscam por um período de cerca de 2s.
Dspic board closed.png Dspic board open.png Dspic board closed LEDs.jpg Dspic board LEDs blue.jpg Dspic board LEDs green.jpg
  • Webcam: A webcam é usada para fornecer streaming de vídeo ao vivo durante a execução da experiência. É conectada ao Raspberry Pi por meio de um cabo USB. O RPi realiza a codificação e envia esta informação pela Internet.
Webcam.png
  • Lâmpada: A lâmpada consiste numa lâmpada LED de 12 V localizada acima do lançador. Esta lâmpada acende durante a execução da experiência para iluminar o pêndulo e o lançador (especialmente útil se a experiência for realizada durante a noite).
Light bulb.png
  • Motor de passo: O motor de passo é parte do lançador e é controlado pelo microcontrolador através de um quad 1/2 H bridge driver. O motor de passo é responsável pelo deslocamento da pá.
Step motor 1.png Step motor 2.png
  • Microinterruptor: O microinterruptor está localizado na origem, próximo dos 0cm da escala métrica do lançador. É usado para indicar ao microcontrolador que a pá atingiu a origem e não pode avançar mais no sentido inverso (fim do seu percurso).
Ms 1.png Ms 2.png
  • Laser: O laser está localizado aproximadamente no centro do lançador. Em conjunto com o fotodiodo, o laser é usado para medir o período de oscilação bem como a localização da pá. Este laser possui uma regulação para o foco, pode ser ajustado girando a lente.
Laser 1 crop.jpg Laser 2 crop.jpeg Laser 3 crop.jpeg
  • Sensor fotoeléctrico (também conhecido como fotodiodo): Está localizado na frente do laser. O pêndulo viaja entre estes interrompendo a luz do laser periodicamente, o que resulta numa mudança de estado no pino de entrada do microcontrolador. Assim, sabendo o seu diâmetro de antemão, é possível medir o período do pêndulo e a sua velocidade. NOTA : Evite a luz solar direta ou áreas extremamente luminosas na frente deste sensor.
Ph gate 1.jpg Ph gate 2 crop.jpg
  • Sensor de temperatura: Está localizado na caixa DB25 para medir a temperatura ambiente. A temperatura ambiente influencia o comprimento do pêndulo. Portanto, é importante monitorizá-la para medições de alta precisão.
Temp sensor 1.jpg Temp sensor 2 crop.jpg
  • Display: O display de 7 dígitos mostra o número total acumulado de oscilações. Consiste em 8 dígitos, cada um deles com um display de 7 segmentos. Algumas das versões da placa do microcontrolador permitem a ligação do display diretamente à placa a partir do exterior da caixa.
Display loose crop.jpg Display fixed crop.jpg
  • Fonte de alimentação: O motor de passo requer uma fonte de alimentação externa de +12V capaz de fornecer 2A.
Ps 1 crop.jpg Ps 2 crop.jpg Ps 3 crop.jpg
  • Botão Iniciar: Permite iniciar localmente uma experiência com uma configuração predefinida (deslocamento inicial de 10 cm, 20 oscilações). Deve ser usado um cronómetro externo como complemento para fornecer o tempo.
Push button crop.jpg

Conexões

Esta subsecção mostra como estão conectados entre si os componentes e os cabos.

  • RPi: O Raspberry Pi liga-se aos elementos seguintes:
    • Fonte de alimentação (via conector micro USB)
    • Internet (via cabo Ethernet)
    • Webcam (via cabo USB)
    • Placa do microcontrolador (via cabo plano dedicado)
Rpi connections.jpg
  • Cabo plano dedicado: Estabelece a ligação entre a placa do microcontrolador (dsPic), o RPi e o monitor. No lado do microcontrolador, o cabo possui um conector DB25.
Flat cable DB25 crop.jpg

No lado do RPi, o cabo é um conector de 2x20 pinos para garantir uma conexão correta, como se pode observar nas figuras abaixo.

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

Na extremidade do display, o conector é um conector 1x5. Certifique-se de que o lado do conector é o correto antes de ligar ao display: o pino VCC do display conecta-se ao fio que está destacado (neste caso, com um traço azul). A figura abaixo, do lado esquerdo, ilustra o referido. Algumas versões permitem que o monitor seja conectado diretamente à caixa do microcontrolador. Nesses casos, o display deve ser conectado conforme se pode observar abaixo, no lado direito.

Flat cable display crop.jpg Display fixed crop.jpg
  • Micro-controlador: A placa dsPic conecta-se aos seguintes elementos:
    • Fonte de alimentação de +12 V para alimentar o motor de passo
    • RPi (via cabo plano)
    • Componentes elétricos (via multicabo dedicado)
Dspic board closed crop connections.jpg
  • Multi-cabo dedicado: O multi-cabo conecta a placa dsPic aos componentes elétricos usados para realizar a experiência. O cabo possui um conector DB25 na extremidade da placa dsPic conforme mostrado na figura abaixo.
Multi cable DB25 crop.jpg

Na extremidade da lâmpada, do micro-interruptor, do laser e do sensor fotoelétrico, o multicabo tem um conector de 2 pinos, conforme mostrado nas figuras seguintes:

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

Na extremidade do motor de passo, o multicabo possui um conector de 4 pinos. Visto que este é o único conector de 4 pinos, não é identificado como os restantes, como se pode observar na figura abaixo:

Multi cable step motor crop.jpg

O botão Iniciar e o sensor de temperatura são conectados diretamente ao conector DB25. Desta forma, não são necessários conectores intermediários.

Push button crop.jpg Temp sensor 2 crop.jpg

Fotodiodo e alinhamento do laser

O fotodiodo e o alinhamento do laser só podem ser executados depois de o microcontrolador ser ligado e estiver a comunicar com uma consola. Consulte a subsecção Consola de interface para o microcontrolador para saber como ligar o microcontrolador e como controlar o laser. Como se pode observar na figura abaixo, à esquerda, o alinhamento consiste em apontar o laser para dentro do orifício da estrutura do sensor fotoelétrico. A orientação do laser pode ser ajustada utilizando os 3 parafusos da estrutura de suporte, como ilustra a seguinte figura ao centro.

O procedimento para o alinhamento consiste no seguinte:

  1. Ligue o laser usando o comando "Laser on"
  2. Verifique com a ajuda de um lençol branco se a dimensão do foco do laser está abaixo de 1mm no fotodíodo; caso contrário, deve ser ajustado aparafusando o laser.
  3. Se necessário, ajuste a orientação do laser de forma a que o feixe entre no orifício do sensor fotoelétrico (figura à esquerda). A figura à direita mostra um exemplo de desalinhamento.
  4. Realize o Teste do laser e do sensor fotoeléctrico
Laser in photogate crop.jpg Laser structure 3 screws crop.jpg Laser out photogate crop.jpg

Testes elétricos

  • Teste o microinterruptor com a ajuda de um multímetro (ohmímetro): quando pressionado, deve apresentar uma impedância muito baixa (~ 0 Ohm). Em caso contrário, deve apresentar uma impedância muito alta (ordem de MOhm), e realize a medição tanto no microinterruptor e como nos pinos DB25 (entre os pinos nº3 e 4)
  • Verifique a tensão da fonte de alimentação do motor de passo para garantir que não é superior a +12 V.
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Ligações