Come costruire CubeSat con Arduino e sensore contatore Geiger: 11 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ti sei mai chiesto se Marte sia radioattivo o meno? E se è radioattivo, i livelli di radiazioni sono abbastanza alti da essere considerati dannosi per l'uomo? Queste sono tutte domande a cui speriamo possano rispondere il nostro CubeSat con Arduino Geiger Counter.

La radiazione viene misurata in sievert, che quantifica la quantità di radiazione assorbita dai tessuti umani, ma a causa delle loro immense dimensioni di solito misuriamo in millisievert (mSV). 100 mSV è la dose annuale più bassa alla quale è evidente un aumento del rischio di cancro e una singola dose di 10.000 mSV è fatale in poche settimane. Le nostre speranze sono di determinare dove questa simulazione atterra su Marte sulla scala radioattiva.

La nostra lezione di fisica è iniziata studiando le forze del volo durante il primo trimestre attraverso un laboratorio in cui abbiamo progettato il nostro aeroplano e poi lo abbiamo creato con lastre di polistirolo. Procederemo quindi al lancio per testare resistenza, portanza, spinta e peso dell'aereo. Dopo la prima serie di dati, apporteremo modifiche all'aereo per cercare di ottenere la massima distanza possibile.

Quindi, nel secondo trimestre ci siamo concentrati sulla costruzione di un razzo ad acqua per osservare e testare ulteriormente i concetti appresi durante il primo trimestre. Per questo progetto abbiamo utilizzato bottiglie da 2 litri e altri materiali per costruire il nostro razzo. Quando eravamo pronti per il lancio, riempivamo le bottiglie d'acqua, uscivamo, posizionavamo il razzo su una piattaforma di lancio, pressurizzavamo l'acqua e rilasciavamo. L'obiettivo era lanciare il razzo il più lontano possibile in direzione verticale e farlo scendere in sicurezza.

Il nostro terzo "grande" progetto finale stava costruendo un CubeSat che avrebbe portato un Arduino e un sensore in modo sicuro al nostro modello di classe di Marte. L'obiettivo principale di questo progetto era determinare la quantità di radioattività su Marte e determinare se è dannosa per l'uomo. Alcuni altri obiettivi secondari erano creare un CubeSat che resistesse al test di scuotimento e fosse in grado di inserire tutti i materiali necessari al suo interno. Gli obiettivi secondari vanno di pari passo con i vincoli. I vincoli che abbiamo avuto per questo progetto erano le dimensioni del CubeSat, il suo peso e il materiale con cui è costruito. Altri vincoli non legati al CubeSat erano la quantità di tempo che avevamo per stampare in 3D poiché avevamo solo un giorno per farlo; i sensori che abbiamo usato erano anche un vincolo poiché c'erano sensori che la classe non aveva a disposizione o non poteva acquistare. Inoltre, abbiamo dovuto superare il test di vibrazione per determinare la stabilità del CubeSat e il test del peso per assicurarci di non superare 1,3 kg.

-Juan

Passaggio 1: elenco dei materiali

CubeSat stampato in 3D: satellite miniaturizzato che ha le dimensioni di 10 cm x 10 cm x 10 cm e non può pesare più di 1,3 kg. Qui è dove stiamo mettendo tutti i nostri cavi e sensori, funge da sonda spaziale

Fili: utilizzati per collegare il contatore Geiger e Arduino tra loro e farli funzionare

Arduino: utilizzato per eseguire il codice sul contatore Geiger

Contatore Geiger- Utilizzato per misurare il decadimento radioattivo, questo è ciò da cui dipende l'intero progetto per determinare la radioattività

Batterie- Utilizzato per alimentare il contatore Geiger che alimenterà l'Arduino una volta collegato

Lettore micro sd- Utilizzato per raccogliere e registrare i dati raccolti con il contatore Geiger

Viti: utilizzate per serrare la parte superiore e inferiore di CubeSat per garantire che non si rompa

Minerale di uranio: materiale radioattivo che è ciò che il contatore Geiger utilizza per determinare la radioattività

Computer: utilizzato per trovare/creare il codice che utilizzerai per Arduino

Cavo USB: utilizzato per collegare Arduino al computer ed eseguire il codice

Passaggio 2: costruisci il tuo CubeSat

La prima cosa di cui avrai bisogno è il tuo CubeSat.

(Se desideri una spiegazione dettagliata di cosa sia un CubeSat, controlla

Quando progetti il tuo CubeSat hai due opzioni principali, costruisci il tuo con qualsiasi materiale tu abbia o stampane uno in 3D.

Il mio gruppo ha deciso di stampare in 3D il nostro CubeSat, quindi tutto ciò che dovevamo fare era cercare "3D CubeSat" e abbiamo trovato diversi modelli, ma abbiamo deciso di prendere il file dal sito Web della NASA. Da lì dovrai scaricare il file; quindi, avrai bisogno di un'unità flash per decomprimere il file e caricarlo su una stampante 3D.

Da lì, vai avanti e stampa in 3D il CubeSat per procedere con il resto dei passaggi.

Durante la creazione del nostro modello CubeSat 3D ci siamo resi conto che il nostro Arduino e i cavi non si adattavano al suo interno. Dovevamo tutti creare una strategia e capire come mettere tutto dentro. Abbiamo dovuto ruotare e mettere la nostra copertura in alto e in basso a faccia in su. Dopodiché, abbiamo dovuto praticare dei fori ed essere in grado di avvitare i chiodi e trovare la giusta dimensione. Mentre mettevamo tutto Arduino, la scheda SD e tutto al suo interno, avevamo "troppo" spazio, quindi abbiamo dovuto aggiungere delle bolle d'aria all'interno così quando lo stavamo testando non andava ovunque perché era tutto cablato e connesso.

Passaggio 3: disegna il tuo design

Una volta ottenuti tutti i materiali, vorrai fare uno schizzo di come sarà il tuo design.

Alcuni trovano questo passaggio più utile di altri, quindi può essere dettagliato o semplice come preferisci, ma è bene avere un'idea generale di come organizzerai tutto.

Il nostro gruppo lo ha usato personalmente per fare una sorta di brainstorming su come organizzare i nostri sensori e tutti i cavi, ma da lì non abbiamo trovato molto utile perché cambiavamo continuamente le cose e quindi i nostri schizzi sono serviti solo come punto di partenza poiché non non restare davvero con loro.

Una volta che hai un'idea generale di come sarà tutto, puoi passare al passaggio successivo

Passaggio 4: scopri come funziona il contatore Geiger

Una volta ricevuto il contatore Geiger, abbiamo dovuto imparare come funzionava poiché nessuno di noi ne aveva mai usato uno.

La prima cosa che abbiamo imparato è che il contatore Geiger è super sensibile. I sensori sul retro emetterebbero un rumore estremamente forte, così come il tubo Geiger stesso ogni volta che ci toccavamo. Se teniamo il dito sul tubo emette un lungo segnale acustico costante e togliamo e riaccendiamo le dita e suonerà in base alla durata delle nostre dita sul tubo.

Quindi abbiamo testato il contatore Geiger usando le banane. Ci siamo resi conto che più il materiale radioattivo era vicino al contatore Geiger, più ticchettava e viceversa.

Passaggio 5: strumenti/pratiche di sicurezza

1. La prima cosa che serve è un CubeSat. Per farlo, avrai bisogno di una stampante 3D e dei file da stampare oppure puoi costruirne uno tuo usando qualsiasi materiale ritieni possa funzionare; ricorda, il CubeSat deve essere 10 cm x 10 cm x 10 cm (Salta la parte 2 se stai costruendo il tuo)
2. Successivamente sarà necessario praticare dei fori nei gusci superiore e inferiore del CubeSat stampato in 3D per inserire le viti. Vai avanti e avvita il guscio inferiore (assicurati di indossare occhiali per evitare che i detriti entrino negli occhi)
3. Prendi alcune batterie e mettile in un pacco batterie, quindi collega le batterie al contatore Geiger e collega il contatore Geiger all'Arduino. Assicurati che sia collegato anche un lettore Micro SD.
4. Accendi il contatore Geiger per assicurarti che tutto funzioni correttamente. Metti tutto all'interno del CubeSat.
5. Prova in volo il tuo CubeSat per essere sicuro
6. Dopo aver raccolto i tuoi dati, assicurati che nulla nel CubeSat si surriscaldi. Se c'è, scollegalo immediatamente e valuta il problema
7. Prova tutto per verificare se i dati vengono raccolti
8. Assicurati di lavarti le mani dopo aver avuto a che fare con l'uranio usato per raccogliere dati

Passaggio 6: cablaggio Arduino

L'unico alimentatore necessario sono le batterie AA

Collega le batterie direttamente al contatore Geiger, quindi collega il pin VVC alla colonna positiva della breadboard.

Esegui un altro filo sulla stessa colonna nella breadboard allo slot 5V su Arduino. Questo alimenterà Arduino.

Quindi, esegui un cavo dal pin 5V sull'arduino all'adattatore della scheda SD.

Quindi, collega il VIN sul contatore geiger a un pin analogico su Arduino.

Successivamente, collega il GND alla colonna negativa sulla breadboard.

Collega la colonna negativa a GND su Arduino.

Scheda SD su Arduino:

Il miso va all'11

Il miso va a 12

SCK va a 13

CS va a 4

Passaggio 7: codifica

Il modo più semplice per codificare Arduino è scaricare l'app ArduinoCC, che consente di scrivere codice e caricarlo su Aduino. Abbiamo avuto difficoltà a trovare un codice completo che funzionasse. Fortunatamente per te, il nostro codice include la registrazione del CPM (clic al minuto) e dei dati sulla scheda SD.

Codice:

#includere

#includere

/* * Geiger.ino * * Questo codice interagisce con la scheda contatore Geiger Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE)

* e riporta le letture in CPM (Conteggi per minuto). *

* Autore: Mark A. Heckler (@MkHeck, [email protected]) *

* Licenza: Licenza MIT *

* Si prega di utilizzare liberamente con attribuzione. Grazie!

*

* * Modificato** */

#define LOG_PERIOD 5000 //Periodo di registrazione in millisecondi, valore consigliato 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 //Periodo massimo di registrazione

conteggi lunghi senza segno volatile = 0; // Eventi GM Tube

cpm lungo senza segno = 0; // CPM

const unsigned int moltiplicatore = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Calcola/memorizza il CPM

unsigned long precedenteMillis; // Misurazione del tempo

const int pin = 3;

void tube_impulse() {

// Cattura il conteggio degli eventi dai conteggi della scheda contatore Geiger++;

}

#includere

File mioFile;

void setup() {

pinMode(10, USCITA);

SD.begin(4); // Apri le comunicazioni seriali e attendi che la porta si apra:

Serial.begin(115200);

}

void loop() { // non succede nulla dopo l'installazione

unsigned long currentMillis = millis();

if(Milliscorrente -Millisprecedente > LOG_PERIOD) {

precedenteMillis = correnteMillis;

cpm = conta * moltiplicatore;

mioFile=SD.open("test.txt", FILE_WRITE);

if(mioFile) {

Serial.println(cpm);

mioFile.println(cpm);

mioFile.close();

}

conteggi = 0;

pinMode(pin, INGRESSO); // Imposta il pin sull'input per catturare gli eventi di GM Tube interrupts(); // Abilita gli interrupt (nel caso fossero disabilitati in precedenza) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), tube_impulse, FALLING); // Definisce gli interrupt esterni

}

}

L'immagine che abbiamo è del primo codice che abbiamo usato che era incompleto, quindi quello è stato il primo dei nostri problemi con la codifica. Da lì in poi non potevamo davvero andare avanti con il progetto finché i nostri insegnanti non ci aiutavano con il codice. Questo codice è stato derivato da un altro codice che funzionava solo con il contatore Geiger, ma non una volta accoppiato con la scheda SD.

Passaggio 8: codice di prova

Una volta che hai il tuo codice, vai avanti e prova il codice per assicurarti di poter raccogliere dati.

Assicurati che tutte le impostazioni siano corrette, quindi controlla le porte e i cavi per assicurarti che tutto sia corretto.

Una volta che hai controllato tutto, esegui il codice e vedi i dati che stai ricevendo.

Nota anche le unità per la radiazione che stai raccogliendo in quanto determineranno la radiazione effettiva che viene emessa.

Passaggio 9: prova il tuo CubeSat

Una volta che hai capito la tua codifica e tutto il tuo cablaggio è stato fatto, il tuo prossimo passo è inserire tutto all'interno del CubeSat e testarlo per assicurarti che nulla vada in pezzi durante il test finale.

Il primo test che dovrai completare è il test di volo. Prendi qualcosa a cui appendere il tuo CubeSat e fallo girare per verificare se volerà via o meno e per assicurarti che ruoti nella giusta direzione.

Una volta completato il primo test preliminare, dovrai completare due test di agitazione. Il primo test simulerà la turbolenza che il CubeSat sperimenterebbe uscendo dall'atmosfera terrestre e il secondo test di scossa simulerebbe la turbolenza nello spazio.

Assicurati che tutte le tue parti siano rimaste insieme e che nulla sia andato in pezzi.

Passaggio 10: test finali e risultati

Dati raccolti su tavola a diverse distanze dal contatore geiger

Intervalli di raccolta a 5 secondi 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Prima dei nostri test finali abbiamo raccolto i dati accendendo il contatore Geiger e posizionando il materiale radioattivo a diverse distanze. Più alto è il numero, più il contatore Geiger era vicino al materiale radioattivo.

Dati raccolti durante i test effettivi

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Per i nostri test effettivi, il materiale radioattivo si è rivelato troppo lontano dal contatore Geiger per poterlo misurare.

Cosa significano i dati? Bene, usando il grafico delle letture possiamo determinare che più alto è il numero, più pericolosa è la radiazione per l'uomo. Possiamo quindi trasformare Click Per Minute in mSV che sono le unità effettive per le radiazioni. E quindi, in base al nostro esperimento, Marte è perfettamente salvo per gli umani!

Purtroppo, la realtà è spesso deludente. La radiazione di Marte è in realtà di 300 mSv, che è 15 volte superiore a quella a cui è esposto ogni anno un lavoratore di una centrale nucleare.

Altri dati per il nostro volo includono:

Fc: 3.101 Newton

Ac: 8,072 m/s^2

V: 2.107 m/s

m:.38416 kg

P: 1,64 secondi

FA: 0,609 Hz

Passaggio 11: problemi/suggerimenti/fonti

Il problema principale che abbiamo avuto è stato trovare il codice che avrebbe funzionato per il Geiger e la scheda SD, quindi se hai lo stesso problema sentiti libero di utilizzare il nostro codice come base. Un'altra opzione sarebbe quella di andare sui forum di Arduino e chiedere aiuto lì (sii pronto a pagare comunque poiché abbiamo notato che le persone hanno meno probabilità di aiutare se non c'è compenso).

Una cosa che consigliamo agli altri è di cercare di trovare un modo per il contatore Geiger di essere il più vicino possibile alla radiazione per poter ottenere più dati certificati.

Ecco le fonti che abbiamo consultato per chiunque fosse interessato:

www.space.com/24731-mars-radiation-curiosi…

www.cooking-hacks.com/documentation/tutori…

community.blynk.cc/t/geiger-counter/27703/…