Como Construir CubeSat Com Arduino e Sensor Contador Geiger: 11 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Já se perguntou se Marte é radioativo ou não? E se for radioativo, os níveis de radiação são altos o suficiente para serem considerados prejudiciais aos humanos? Todas essas são perguntas que esperamos possam ser respondidas por nosso CubeSat com Arduino Geiger Counter.

A radiação é medida em sieverts, que quantifica a quantidade de radiação absorvida pelos tecidos humanos, mas devido ao seu imenso tamanho geralmente medimos em milisieverts (mSV). 100 mSV é a menor dose anual na qual qualquer aumento no risco de câncer é evidente, e uma dose única de 10.000 mSV é fatal em semanas. Nossa esperança é determinar onde esta simulação pousa em Marte na escala radioativa.

Nossa aula de física começou estudando as forças de vôo durante o primeiro trimestre em um laboratório no qual projetamos nosso próprio avião e depois o criamos com placas de isopor. Em seguida, procederíamos ao lançamento para testar o arrasto, a sustentação, o empuxo e o peso do avião. Após o primeiro conjunto de dados, faríamos alterações no avião para tentar obter a maior distância possível.

Então, no segundo trimestre, nos concentramos em construir um foguete de água para observar e testar os conceitos que aprendemos durante o primeiro trimestre. Para este projeto, usamos garrafas de 2 litros e outros materiais para construir nosso foguete. Quando estávamos prontos para o lançamento, enchíamos as garrafas com água, saíamos, colocávamos o foguete em uma plataforma de lançamento, pressurizávamos a água e soltávamos. O objetivo era lançar o foguete o mais longe possível na direção vertical e descer com segurança.

Nosso terceiro “grande” projeto final foi construir um CubeSat que carregaria um Arduino e um sensor com segurança para nosso modelo de sala de aula de Marte. O principal objetivo deste projeto era determinar a quantidade de radioatividade em Marte e determinar se ela é prejudicial aos humanos. Alguns outros objetivos colaterais eram criar um CubeSat que resistisse ao teste de vibração e fosse capaz de encaixar todos os materiais necessários dentro dele. Os gols colaterais andam lado a lado com as restrições. As restrições que tivemos para este projeto foram as dimensões do CubeSat, quanto pesa e o material do qual é construído. Outras restrições não relacionadas ao CubeSat foram a quantidade de tempo que tínhamos para imprimir em 3D, já que só tínhamos um dia para concluí-la; os sensores que usamos também foram uma restrição, pois havia sensores que a classe não tinha disponíveis ou não poderia comprar. Além disso, tivemos que passar no teste de agitação para determinar a estabilidade do CubeSat e no teste de peso para garantir que não ultrapassamos 1,3 kg.

-Juan

Etapa 1: Lista de Materiais

CubeSat impresso em 3D - satélite miniaturizado que tem as dimensões de 10cm x 10cm x 10cm e não pode pesar mais que 1,3Kg. É aqui que colocamos todos os nossos fios e sensores, serve como uma sonda espacial

Fios- Usados para conectar o Contador Geiger e o Arduino um ao outro e fazê-los funcionar

Arduino- usado para executar o código no contador Geiger

Contador Geiger - usado para medir a decadência radioativa, é disso que todo o nosso projeto depende para determinar a radioatividade

Baterias - Usadas para alimentar o Contador Geiger, que alimentará o Arduino uma vez conectado

Leitor Micro SD - Usado para coletar e registrar os dados coletados com o Contador Geiger

Parafusos - Usados para apertar as partes superior e inferior do CubeSat para garantir que não se quebre

Minério de urânio - material radioativo que é o que o Contador Geiger usa para determinar a radioatividade

Computador- usado para encontrar / criar o código que você usará para o Arduino

Cabo USB - usado para conectar seu Arduino ao computador e executar o código

Etapa 2: Crie seu CubeSat

A primeira coisa de que você vai precisar é o seu CubeSat.

(Se desejar uma explicação detalhada sobre o que é um CubeSat, verifique

Ao projetar seu CubeSat, você tem duas opções principais: construa o seu próprio com qualquer material que você tiver ou imprima um em 3D.

Meu grupo decidiu imprimir em 3D nosso CubeSat, então tudo que tivemos que fazer foi procurar "3D CubeSat" e encontramos vários modelos, mas decidimos pegar o arquivo do site da NASA. De lá, você precisará baixar o arquivo; então, você vai precisar de um pen drive para descompactar o arquivo e carregá-lo em uma impressora 3D.

A partir daí, basta ir em frente e imprimir em 3D o CubeSat para prosseguir com o restante das etapas.

Ao criar nosso modelo CubeSat 3D, percebemos que nosso Arduino e os cabos não caberiam dentro dele. Todos nós tivemos que criar uma estratégia e descobrir como colocar tudo dentro. Tivemos que girar e colocar a parte superior e inferior da capa voltadas para cima. Depois disso, tivemos que fazer furos e aparafusar os pregos e encontrar o tamanho certo. Ao colocar todo o Arduino, cartão SD e tudo nele, tínhamos espaço “demais”, então tivemos que adicionar alguns envoltórios de bolha dentro, quando estávamos testando, ele não ia a todos os lugares porque estava todo cabeado e conectado.

Etapa 3: esboce seu design

Depois de obter todos os materiais, você vai querer fazer um esboço de como será a aparência do seu projeto.

Alguns acham esta etapa mais útil do que outras, por isso pode ser tão detalhada ou simples quanto você quiser, mas é bom ter uma ideia geral de como você vai organizar tudo.

Nosso grupo o usou pessoalmente para pensar em como organizaríamos nossos sensores e todos os fios, mas a partir daí não achamos muito uso para ele, pois estávamos constantemente mudando as coisas e, portanto, nossos esboços serviram apenas como um ponto de partida, já que não o fizemos realmente não ficar com eles.

Depois de ter uma ideia geral de como tudo ficará, você pode seguir para a próxima etapa

Etapa 4: Aprenda como funciona o contador Geiger

Assim que recebemos o contador Geiger, tivemos que aprender como funcionava, pois nenhum de nós jamais o havia usado.

A primeira coisa que aprendemos é que o Contador Geiger é super sensível. Os sensores na parte traseira fariam um ruído extremamente alto, assim como o próprio tubo Geiger sempre que tocávamos. Se mantivéssemos nosso dedo no tubo, ele emitiria um bipe longo e constante e tirávamos nossos dedos e voltávamos a tocar e ele emitia um bipe de acordo com a duração de nossos dedos no tubo.

Em seguida, testamos o Contador Geiger usando bananas. Percebemos que quanto mais próximo o material radioativo estava do Contador Geiger, mais ele marcava e vice-versa.

Etapa 5: Ferramentas / Práticas de Segurança

1. A primeira coisa necessária é um CubeSat. Para fazer isso, você precisará de uma impressora 3D e dos arquivos a serem impressos ou pode construir o seu próprio usando qualquer material que achar que funcionará; lembre-se, o CubeSat deve ter 10 cm x 10 cm x 10 cm (pule a parte 2 se você estiver construindo o seu próprio)
2. Em seguida, você precisará fazer furos nas camadas superior e inferior do CubeSat impresso em 3D para colocar os parafusos nele. Vá em frente e aparafuse o casco inferior (certifique-se de estar usando óculos de proteção para evitar que qualquer resíduo entre em seus olhos)
3. Pegue algumas baterias e coloque-as em um pacote de bateria, em seguida, conecte as baterias ao Contador Geiger e conecte o Contador Geiger ao Arduino. Certifique-se de que um leitor Micro SD também esteja conectado.
4. Ligue o Contador Geiger para certificar-se de que tudo está funcionando corretamente. Coloque tudo dentro do CubeSat.
5. Teste o voo do seu CubeSat para ter certeza
6. Depois de coletar seus dados, certifique-se de que nada no CubeSat esteja superaquecendo. Se houver, desconecte-o imediatamente e avalie o problema
7. Teste tudo para verificar se os dados estão sendo coletados
8. Certifique-se de lavar as mãos depois de lidar com o urânio usado para coletar dados

Etapa 6: Fiação do Arduino

A única fonte de alimentação necessária são pilhas AA

Conecte as baterias diretamente ao contador Geiger e, em seguida, conecte o pino VVC à coluna positiva da placa de ensaio.

Passe outro fio na mesma coluna da placa de ensaio para o slot de 5 V no Arduino. Isso irá alimentar o Arduino.

Em seguida, passe um fio do pino de 5 V no arduino ao adaptador do cartão SD.

Em seguida, conecte o VIN no contador Geiger a um pino analógico no Arduino.

Depois disso, conecte o GND à coluna negativa da placa de ensaio.

Conecte a coluna negativa ao GND do Arduino.

Cartão SD para Arduino:

Miso vai para 11

Miso vai para 12

SCK vai para 13

CS vai para 4

Etapa 7: codificação

A maneira mais fácil de codificar o Arduino é fazer o download do aplicativo ArduinoCC, que permite escrever o código e carregá-lo no Aduino. Tivemos muita dificuldade em encontrar um código completo que funcionasse. Para sua sorte, nosso código inclui o registro do CPM (cliques por minuto) e dos dados no cartão SD.

Código:

#incluir

#incluir

/ * * Geiger.ino * * Este código interage com a placa de contador Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE) Geiger

* e relata leituras em CPM (contagens por minuto). *

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

* Licença: Licença MIT *

* Use livremente com atribuição. Obrigado!

*

* * Editado ** * /

#define LOG_PERIOD 5000 // Período de registro em milissegundos, valor recomendado 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 // Período máximo de registro

contagens longas não sinalizadas voláteis = 0; // Eventos GM Tube

cpm longo sem sinal = 0; // CPM

multiplicador int sem sinal const = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Calcula / armazena CPM

unsigned long previousMillis; // Medição de tempo

const int pin = 3;

void tube_impulse () {

// Captura a contagem de eventos das contagens do painel do contador Geiger ++;

}

#incluir

Arquivo meuArquivo;

void setup () {

pinMode (10, SAÍDA);

SD.begin (4); // Abra as comunicações seriais e espere a porta abrir:

Serial.begin (115200);

}

void loop () {// nada acontece após a configuração

currentMillis longo sem sinal = millis ();

if (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

anteriorMillis = currentMillis;

cpm = contagens * multiplicador;

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

if (meuArquivo) {

Serial.println (cpm);

meuArquivo.println (cpm);

meuArquivo.close ();

}

contagens = 0;

pinMode (pin, INPUT); // Defina o pino como entrada para capturar eventos do GM Tube interrupts (); // Habilita interrupções (no caso de terem sido desabilitadas anteriormente) attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin), tube_impulse, FALLING); // Definir interrupções externas

}

}

A imagem que temos é do primeiro código que usamos que estava incompleto, então esse foi o primeiro de nossos problemas com a codificação. Daí em diante, não podíamos realmente seguir em frente com o projeto até que nossos professores nos ajudassem com o código. Este código foi derivado de outro código que funcionou com o Contador Geiger sozinho, mas não depois que foi emparelhado com o cartão SD.

Etapa 8: Código de teste

Depois de ter seu código, vá em frente e teste-o para ter certeza de que pode coletar dados.

Certifique-se de que todas as configurações estejam corretas, então verifique suas portas e fios para ter certeza de que tudo está correto.

Depois de verificar tudo, execute o código e veja os dados que está obtendo.

Observe também as unidades para a radiação que você está coletando, pois isso determinará a radiação real que está sendo emitida.

Etapa 9: Teste seu CubeSat

Depois de definir o código e fazer toda a fiação, a próxima etapa é encaixar tudo dentro do CubeSat e testá-lo para ter certeza de que nada vai desmoronar no teste final.

O primeiro teste que você precisa fazer é o teste de vôo. Pegue algo para pendurar seu CubeSat e gire-o para testar se ele vai voar ou não e para ter certeza de que gira na direção certa.

Depois de concluir o primeiro teste preliminar, você precisará concluir dois testes de agitação. O primeiro teste simulará a turbulência que o CubeSat experimentaria ao sair da atmosfera terrestre e o segundo teste de agitação simularia a turbulência no espaço.

Certifique-se de que todas as suas partes fiquem juntas e que nada se desintegre.

Etapa 10: Teste Final e Resultados

Dados coletados na mesa em diferentes distâncias do contador Geiger

Intervalos de coleta em 5 segundos 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Antes do nosso teste final, coletamos dados ligando o Contador Geiger e colocando o material radioativo a diferentes distâncias. Quanto maior o número, mais próximo o Contador Geiger estava do material radioativo.

Dados coletados durante o teste real

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

Para o nosso teste real, o material radioativo acabou ficando muito longe do Contador Geiger para que pudesse ser medido.

O que significam os dados? Bem, usando o gráfico de leituras, podemos determinar que quanto maior o número, mais perigosa é a radiação para os humanos. Podemos então transformar o clique por minuto em mSV, que são as unidades reais de radiação. E assim, com base em nosso experimento, Marte está perfeitamente salvo para os humanos!

Infelizmente, a realidade costuma ser decepcionante. A radiação de Marte é na verdade 300 mSv, 15 vezes maior do que o que um trabalhador de uma usina nuclear é exposto anualmente.

Outros dados do nosso voo incluem:

Fc: 3,101 Newtons

Ac: 8,072 m / s ^ 2

V: 2,107 m / s

m: 0,38416 kg

P: 1,64 segundos

F: 0,609 Hz

Etapa 11: Problemas / Dicas / Fontes

O principal problema que tivemos foi encontrar o código que funcionaria para o Geiger e o cartão SD, portanto, se você tiver o mesmo problema, fique à vontade para usar nosso código como base. Outra opção seria ir aos fóruns do Arduino e pedir ajuda lá (esteja pronto para pagar, pois notamos que as pessoas estão menos propensas a ajudar se não houver compensação).

Uma coisa que aconselharíamos aos outros é tentar encontrar uma maneira de o Contador Geiger ficar o mais próximo possível da radiação para poder obter mais dados certificados.

Aqui estão as fontes que consultamos para todos os interessados:

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

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

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