Демонстрационная модель линейного двухступенчатого электромагнитного ускорителя масс типа GaussGun (Пушка Гаусса) на микроконтроллере
|
Даты проведения с 2017-01-03 по 2017-06-09 |
| Таирова Светлана Евгеньевна | Лаборатория Идей |
В результате работы над проектом разработана принципиальная схема и собрана действующая модель электромагнитного ускорителя масс типа GaussGun (Пушка Гаусса) ЭМУМ – 1 на микроконтроллере. Проведены испытания установки, расчеты КПД установки.
| Принцип действия установки: магнитное поле катушки с током намагничивает предмет соответственно полюсам катушки и «затягивает» в себя «снаряд». В катушке «снаряд» начинает тормозить. В этот момент необходимо отключить ток в катушке, чтобы «снаряд» по инерции ее проскочил, и в определенный момент включить ток во второй катушке для «затягивания» катушки и т.д. Проблема – чтобы предмет в установке двигался с ускорением, необходимо вовремя произвести переключение соленоидов. Стандартный Gauss Gun состоит из катушки, нанизанной на ствол, по которому проходит снаряд. Так как мы решили ставить между катушками датчики, то ствол решили не использовать. Катушки и сенсорные модули для установки оптопары со сквозными отверстия для прохождения «наряда» изготовили на 3D – принтере. Диаметр медной проволоки для катушки 0,4 мм. Длина проволоки 12 м. Количество витков – 300. Диаметр входного отверстия 8,4 мм, длина 21 мм. «Снаряды» изготовили из стальных гвоздей. Размер снаряда 20 мм х 5 мм . Ширина сенсорного модуля 20 мм. Для управления ЭМУМ – 1 было решено использовать плату Arduino uno с микроконтроллером Atmega328p. Программы для микроконтроллера написаны на С++. Микроконтроллер обрабатывает сигналы оптических датчиков, производит отключение и включение тока в катушках, производит расчеты разности напряжения на батарее конденсатора, затраченной энергии, скорости «снаряда», кинетической энергии «снаряда», КПД. На микроконтроллер подается напряжение 12 В. Для электрического соединения катушек с батареей конденсаторов разработано устройство «коммутатор», которое обеспечивает протекание тока между катушками, датчиками и батареей конденсатора. Схема подключения реализована на самостоятельно изготовленной плате. На коммутаторы подается напряжение 12 В. Основной элемент коммутатора – два n – канальных полевых транзистора IRF540. Они будут осуществлять прерывание подачи тока на катушки и регулировать подачу тока в интервале до 66 А. В преобразователе происходит повышение напряжения с аккумуляторов. Напряжение ограничено встроенным делителем до 92 вольт. Затем ток поступает на конденсатор. Преобразователь выполнен в виде платы. Как и для коммутаторов, схема разработана авторами проекта. Устройство GaussShield позволяет подключать периферию ЭМУМ - 1 к микроконтроллеру. Оно соединяет выводы микроконтроллера с датчиками, коммутаторами, дисплеем, преобразователем. Делит напряжение на конденсаторах, позволяет микроконтроллеру вычислять напряжение на конденсаторе. Принципиальная схема и алгоритм работы GaussShield не имеет аналогов. Схемы всех устройств созданы в программах для автоматизированного проектирования электронных схем Fritzing и Proteus. Платы изготовлены с использованием лазерно – утюжного метода. Для вывода данных к плате Arduino uno подключается OLED I2C дисплей с размером 0,96” и разрешением 128*64 точек. Рабочее напряжение для данного устройства 5 В. ССЫЛКА для просмотра презентации https://drive.google.com/file/d/0B1afnvHIJ_1eSHk5Y... |
| Cоздана действующая модель двухступенчатого линейного электромагнитного ускорителя масс на микроконтроллере. Данное устройство демонстрирует использование нового вида ускорителя. Данное устройство можно применять при проведении различных экспериментов на уроках физики. |
Cобрать действующую модель электромагнитного ускорителя масс типа GaussGun (Пушка Гаусса) на микроконтроллере.
"1. Изучить информацию по данной теме.
2. Определить необходимый материал и условия для выполнения проекта.
3. Разработать принципиальную схему линейного двухступенчатого электромагнитного ускорителя масс на микроконтроллере.
4. Собрать действующую модель ЭМУМ - 1.
5. Провести апробацию устройства.
6. Определить область применения устройства с учетом его свойств по результатам апробации. "
Актуальность работы: существует необходимость создания новых видов ускорителей тел, в частности, для вывода спутников на орбиту Земли, перемещения в космосе при отсутствии трения, разработки новых видов оружия.
Разработана принципиальная схема и собрана действующая модель электромагнитного ускорителя масс типа GaussGun (Пушка Гаусса) ЭМУМ – 1 на микроконтроллере. Проведены испытания установки, расчеты КПД установки. Используя данную установку, мы провели опыты по определению индукции магнитного поля ЭМУМ – 1 с помощью датчика индукции магнитного поля VERNIER SensorDAQ; исследовали зависимость дальности полета тела и высоты подъема от угла вылета.
"Модель ЭМУМ – 1 можно использовать на уроках физики для следующих демонстраций:
1. магнитного поля проводника с током,
2. магнитного поля катушки с током,
3. намагничивания ферромагнетиков,
4. принципа действия электромагнитного ускорителя масс,
5. закона сохранения энергии,
6. закона сохранения импульса,
7. равноускоренного движения,
8. движения тела с горизонтальной скоростью и скоростью, направленной под углом к горизонту,
9. расчета КПД,
10. для обучения программированию микроконтроллера.
Дальнейшая работа над проектом будет направлена на доработку элементов и узлов установки, полную автоматизацию устройства, увеличение КПД установки, математическое описание, разработку сопутствующих устройств и указаний для проведения экспериментов. "
"Работа прибора
Необходимо убедиться, что выходное отверстие ускорителя не направлено на хрупкие предметы, животных или людей. Устанавливается «снаряд» в стартовый модуль. Включение прибора осуществляется при нажатии Главного переключателя. На дисплее выводится надпись “Press ACT to start”. Это является индикатором того, что устройство готово к работе. При нажатии на кнопку “ACT” происходит зарядка батареи конденсаторов через преобразователь. Процесс зарядки в режиме реального времени отображается на дисплее. Когда напряжение на конденсаторах достигает заданных в программе 90 В, микроконтроллер отключает преобразователь и включает первую катушку, происходит запуск «снаряда». Через 1.8 мс микроконтроллер отключает катушку. За это время, предположительно, «снаряд» полностью входит в катушку. Время было получено экспериментальным путем. - «снаряд» доходит до первого датчика, микроконтроллер запускает таймер.
Затем «снаряд» проходит первый датчик, микроконтроллер фиксирует время прохождения и включает вторую катушку. происходит запуск «снаряда» во второй катушке, которую микроконтроллер отключает через 1.5 мс. Данный промежуток времени также определен экспериментально. После этого «снаряд» проходит вторую оптопару, микроконтроллер фиксирует время прохождения. Установка готова к следующему выстрелу, а микроконроллер производит расчеты. Данные выводятся на дисплей.
Постоянные величины, вводимые в программу микроконтроллера
1. Длина снаряда L.
2. Масса снаряда m.
3. Емкость конденсатора С.
4. Граничное значение напряжения на батарее конденсаторов U."
О проекте
Проект опубликовал
