CubeSat mit Arduino und Geigerzähler-Sensor bauen - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-13 06:56

Haben Sie sich jemals gefragt, ob der Mars radioaktiv ist oder nicht? Und wenn es radioaktiv ist, ist die Strahlenbelastung hoch genug, um als schädlich für den Menschen angesehen zu werden? Dies sind alles Fragen, von denen wir hoffen, dass sie von unserem CubeSat mit Arduino Geiger Counter beantwortet werden können.

Strahlung wird in Sievert gemessen, was die vom menschlichen Gewebe absorbierte Strahlungsmenge quantifiziert, aber aufgrund ihrer immensen Größe messen wir normalerweise in Millisievert (mSV). 100 mSV ist die niedrigste Jahresdosis, bei der ein Anstieg des Krebsrisikos erkennbar ist, und eine Einzeldosis von 10.000 mSV ist innerhalb von Wochen tödlich. Unsere Hoffnung besteht darin, festzustellen, wo diese Simulation den Mars auf der radioaktiven Skala landet.

Unser Physikunterricht begann mit der Untersuchung der Flugkräfte im ersten Quartal in einem Labor, in dem wir unser eigenes Flugzeug konstruierten und dann aus Styroporplatten bauten. Wir würden dann mit dem Start fortfahren, um Widerstand, Auftrieb, Schub und Gewicht des Flugzeugs zu testen. Nach dem ersten Datensatz würden wir dann Änderungen am Flugzeug vornehmen, um zu versuchen, die größtmögliche Entfernung zu erreichen.

Im zweiten Quartal konzentrierten wir uns auf den Bau einer Wasserrakete, um die im ersten Quartal gelernten Konzepte weiter zu beobachten und zu testen. Für dieses Projekt haben wir 2L Flaschen und andere Materialien verwendet, um unsere Rakete zu bauen. Wenn wir startbereit waren, füllten wir die Flaschen mit Wasser, gingen nach draußen, stellten die Rakete auf eine Startrampe, setzten das Wasser unter Druck und ließen los. Ziel war es, die Rakete möglichst weit in vertikaler Richtung abzuschießen und sicher herunterzufahren.

Unser drittes letztes „großes“Projekt war der Bau eines CubeSat, der einen Arduino und einen Sensor sicher zu unserem Klassenzimmermodell des Mars transportieren würde. Das Hauptziel dieses Projekts war es, die Menge an Radioaktivität auf dem Mars zu bestimmen und festzustellen, ob sie für den Menschen schädlich ist. Einige andere Nebenziele waren, einen CubeSat zu entwickeln, der dem Schütteltest standhält und in der Lage ist, alle notwendigen Materialien darin unterzubringen. Die Nebentore gehen Hand in Hand mit den Einschränkungen. Die Einschränkungen, die wir für dieses Projekt hatten, waren die Abmessungen des CubeSat, sein Gewicht und das Material, aus dem er gebaut wurde. Andere Einschränkungen, die nicht mit dem CubeSat zu tun hatten, waren die Zeit, die wir für den 3D-Druck hatten, da wir nur einen Tag Zeit hatten, um dies zu erledigen; Die verwendeten Sensoren waren auch eine Einschränkung, da es Sensoren gab, die die Klasse nicht zur Verfügung hatte oder nicht kaufen konnte. Darüber hinaus mussten wir den Shake-Test bestehen, um die Stabilität des CubeSat zu bestimmen und den Gewichtstest, um sicherzustellen, dass wir 1,3 kg nicht überschreiten.

-Juan

Schritt 1: Materialliste

3D-gedruckter CubeSat- Miniaturisierter Satellit, der die Abmessungen von 10 cm x 10 cm x 10 cm hat und nicht mehr als 1,3 kg wiegen kann. Hier legen wir alle unsere Drähte und Sensoren ab, dient als Raumsonde

Drähte - Wird verwendet, um den Geigerzähler und Arduino miteinander zu verbinden und sie funktionsfähig zu machen

Arduino - Wird verwendet, um den Code auf dem Geigerzähler auszuführen

Geigerzähler - Wird verwendet, um radioaktiven Zerfall zu messen, davon hängt unser gesamtes Projekt ab, um die Radioaktivität zu bestimmen

Batterien - Wird verwendet, um den Geigerzähler mit Strom zu versorgen, der den Arduino nach dem Anschließen mit Strom versorgt

Micro SD Reader - Wird verwendet, um die mit dem Geigerzähler gesammelten Daten zu sammeln und aufzuzeichnen

Schrauben - Wird verwendet, um die Ober- und Unterseite des CubeSat festzuziehen, um sicherzustellen, dass er nicht zusammenbricht

Uranerz - Radioaktives Material, das der Geigerzähler verwendet, um die Radioaktivität zu bestimmen

Computer - Wird verwendet, um den Code zu finden / zu erstellen, den Sie für das Arduino verwenden

USB-Kabel - Wird verwendet, um Ihr Arduino mit dem Computer zu verbinden und den Code auszuführen

Schritt 2: Erstellen Sie Ihren CubeSat

Das erste, was Sie brauchen, ist Ihr CubeSat.

(Wenn Sie eine detaillierte Erklärung wünschen, was ein CubeSat ist, schauen Sie unter

Wenn Sie Ihren CubeSat entwerfen, haben Sie zwei Hauptoptionen: Bauen Sie Ihren eigenen aus dem Material, das Sie haben, oder drucken Sie einen 3D-Druck.

Meine Gruppe entschied sich, unseren CubeSat in 3D zu drucken, also mussten wir nur "3D CubeSat" nachschlagen und fanden mehrere Vorlagen, aber wir entschieden uns, die Datei von der NASA-Website zu holen. Von dort aus müssen Sie die Datei herunterladen. Dann benötigen Sie ein Flash-Laufwerk, um die Datei zu entpacken und auf einen 3D-Drucker zu laden.

Von dort aus fahren Sie einfach fort und drucken den CubeSat in 3D, um mit den restlichen Schritten fortzufahren.

Bei der Erstellung unseres 3D-CubeSat-Modells haben wir festgestellt, dass unser Arduino und die Kabel nicht hineinpassen. Wir alle mussten eine Strategie entwickeln und herausfinden, wie wir alles hineinlegen. Wir mussten uns drehen und unsere Abdeckung oben und unten nach oben legen. Danach mussten wir Löcher bohren und in der Lage sein, die Nägel zu schrauben und die richtige Größe zu finden. Während wir alle Arduino, SD-Karte und alles hineinlegten, hatten wir "zu viel" Platz, also mussten wir ein paar Luftpolsterfolien hineinlegen Als wir testeten, ging es nicht überall hin, weil alles verkabelt und angeschlossen war.

Schritt 3: Skizzieren Sie Ihr Design

Sobald Sie alle Ihre Materialien erhalten haben, möchten Sie eine Skizze machen, wie Ihr Design aussehen wird.

Einige finden diesen Schritt nützlicher als andere, sodass er so detailliert oder einfach sein kann, wie Sie möchten, aber es ist gut, eine allgemeine Vorstellung davon zu bekommen, wie Sie alles organisieren werden.

Unsere Gruppe nutzte es persönlich, um eine Art Brainstorming zu machen, wie wir unsere Sensoren und alle Drähte organisieren würden, aber von da an fanden wir nicht viel Verwendung dafür, da wir ständig Dinge änderten und unsere Skizzen daher nur als Ausgangspunkt dienten, da wir es taten bleibe nicht wirklich bei ihnen.

Sobald Sie eine allgemeine Vorstellung davon haben, wie alles aussehen wird, können Sie zum nächsten Schritt übergehen

Schritt 4: Erfahren Sie, wie der Geigerzähler funktioniert

Nachdem uns der Geigerzähler geliefert wurde, mussten wir lernen, wie er funktioniert, da keiner von uns jemals einen benutzt hatte.

Das erste, was wir gelernt haben, ist, dass der Geigerzähler supersensibel ist. Die Sensoren auf der Rückseite würden bei jeder Berührung ein extrem lautes Geräusch machen, ebenso wie die Geigerröhre selbst. Wenn wir unseren Finger auf der Röhre ließen, gab es einen langen konstanten Piepton und wir nahmen unsere Finger ab und an und sie piepten entsprechend der Dauer unserer Finger auf der Röhre.

Dann haben wir den Geigerzähler mit Bananen getestet. Wir stellten fest, dass je näher das radioaktive Material am Geigerzähler war, desto mehr würde es ticken und umgekehrt.

Schritt 5: Werkzeuge/Sicherheitspraktiken

1. Als erstes wird ein CubeSat benötigt. Dazu benötigen Sie einen 3D-Drucker und die zu druckenden Dateien oder Sie können Ihre eigenen mit den Materialien erstellen, die Ihrer Meinung nach funktionieren. Denken Sie daran, dass der CubeSat 10 cm x 10 cm x 10 cm groß sein muss (überspringen Sie Teil 2, wenn Sie Ihren eigenen bauen)
2. Als nächstes müssen Sie Löcher in die Ober- und Unterschale des 3D-gedruckten CubeSat bohren, um Schrauben hineinzusetzen. Fahren Sie fort und schrauben Sie die untere Schale fest (stellen Sie sicher, dass Sie eine Schutzbrille tragen, um zu verhindern, dass Schmutz in Ihre Augen gelangt)
3. Holen Sie sich einige Batterien und legen Sie sie in einen Batteriesatz, dann verdrahten Sie die Batterien mit dem Geigerzähler und verdrahten Sie den Geigerzähler mit dem Arduino. Stellen Sie sicher, dass auch ein Micro-SD-Lesegerät angeschlossen ist.
4. Schalten Sie den Geigerzähler ein, um sicherzustellen, dass alles richtig funktioniert. Legen Sie alles in den CubeSat.
5. Testen Sie Ihren CubeSat, um sich zu vergewissern
6. Stellen Sie nach dem Sammeln Ihrer Daten sicher, dass nichts im CubeSat überhitzt. Wenn ja, ziehe es sofort aus und bewerte das Problem
7. Testen Sie alles, um zu überprüfen, ob Daten gesammelt werden
8. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Hände waschen, nachdem Sie sich mit dem Uran beschäftigt haben, das zum Sammeln von Daten verwendet wird

Schritt 6: Arduino verdrahten

Die einzige benötigte Stromversorgung sind AA-Batterien

Schließen Sie die Batterien direkt an den Geigerzähler an und verbinden Sie dann den VVC-Pin mit der positiven Säule des Steckbretts.

Führen Sie einen weiteren Draht auf derselben Säule im Steckbrett zum 5V-Steckplatz des Arduino. Dies wird den Arduino mit Strom versorgen.

Führen Sie dann ein Kabel vom 5V-Pin des Arduino zum SD-Kartenadapter.

Als nächstes verbinden Sie die VIN des Geigerzählers mit einem analogen Pin auf dem Arduino.

Danach verbinden Sie den GND mit der negativen Spalte auf dem Steckbrett.

Verdrahten Sie die negative Spalte mit dem GND auf Arduino.

SD-Karte zu Arduino:

Miso geht auf 11

Miso geht auf 12

SCK geht auf 13

CS geht auf 4

Schritt 7: Codierung

Der einfachste Weg, Arduino zu codieren, besteht darin, die ArduinoCC-App herunterzuladen, mit der Sie Code schreiben und auf Aduino hochladen können. Es war sehr schwer, einen vollständigen Code zu finden, der funktionieren würde. Zu Ihrem Glück beinhaltet unser Code die Aufzeichnung des CPM (Klicks pro Minute) und der Daten auf der SD-Karte.

Code:

#enthalten

#enthalten

/* * Geiger.ino * * Dieser Code interagiert mit dem Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE) Geigerzähler-Board

* und meldet Messwerte in CPM (Counts Per Minute). *

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

* Lizenz: MIT-Lizenz *

* Bitte frei mit Namensnennung verwenden. Dankeschön!

*

* * Bearbeitet** */

#define LOG_PERIOD 5000 //Logging-Zeitraum in Millisekunden, empfohlener Wert 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 //Maximale Protokollierungsdauer

flüchtige unsigned long counts = 0; // GM Tube-Events

unsigned long cpm = 0; // CPM

const unsigned int Multiplikator = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Berechnet/speichert CPM

unsigned lange vorherigeMillis; // Zeitmessung

const int pin = 3;

Leere tube_impulse () {

// Erfasst die Anzahl der Ereignisse vom Geigerzähler-Board counts++;

}

#enthalten

Datei meineDatei;

Leere Einrichtung () {

pinMode(10, AUSGANG);

SD.begin(4); // Öffnen Sie die serielle Kommunikation und warten Sie, bis der Port geöffnet ist:

Serial.begin(115200);

}

void loop() {// nach dem Setup passiert nichts

unsigned long currentMillis = millis();

if(currentMillis - previousMillis > LOG_PERIOD) {

vorherigeMillis = aktuelleMillis;

cpm = zählt * Multiplikator;

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

if(meineDatei) {

Serial.println (cpm);

meineDatei.println(cpm);

meineDatei.close();

}

zählt = 0;

PinMode (Pin, EINGANG); // Setzen Sie den Pin auf den Eingang zum Erfassen von GM Tube-Ereignissen Interrupts (); // Interrupts aktivieren (falls sie zuvor deaktiviert waren) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), tube_impulse, FALLING); // Definiere externe Interrupts

}

}

Das Bild, das wir haben, zeigt den ersten von uns verwendeten Code, der unvollständig war, also das erste unserer Probleme mit der Codierung. Von da an konnten wir mit dem Projekt nicht wirklich weitermachen, bis unsere Lehrer uns mit dem Code halfen. Dieser Code wurde von einem anderen Code abgeleitet, der nur mit dem Geigerzähler funktionierte, aber nicht, nachdem er mit der SD-Karte gepaart wurde.

Schritt 8: Testcode

Sobald Sie Ihren Code haben, testen Sie den Code, um sicherzustellen, dass Sie Daten sammeln können.

Stellen Sie sicher, dass alle Einstellungen korrekt sind, also überprüfen Sie Ihre Ports und Ihre Kabel, um sicherzustellen, dass alles korrekt ist.

Nachdem Sie alles überprüft haben, führen Sie den Code aus und sehen Sie sich die Daten an, die Sie erhalten.

Notieren Sie sich auch die Einheiten für die Strahlung, die Sie sammeln, da sie die tatsächlich emittierte Strahlung bestimmen.

Schritt 9: Testen Sie Ihren CubeSat

Sobald Sie Ihre Codierung herausgefunden haben und alle Ihre Kabel fertig sind, besteht Ihr nächster Schritt darin, alles in den CubeSat zu passen und zu testen, um sicherzustellen, dass beim letzten Test nichts auseinanderfällt.

Der erste Test, den Sie absolvieren müssen, ist der Flugtest. Holen Sie sich etwas, an dem Sie Ihren CubeSat aufhängen können, und drehen Sie ihn, um zu testen, ob er abfliegt oder nicht und um sicherzustellen, dass er sich in die richtige Richtung dreht.

Nachdem Sie den ersten Vortest abgeschlossen haben, müssen Sie zwei Schütteltests durchführen. Der erste Test simuliert die Turbulenzen, die der CubeSat beim Verlassen der Erdatmosphäre erfahren würde, und der zweite Shake-Test simuliert die Turbulenzen im Weltraum.

Stellen Sie sicher, dass alle Ihre Teile zusammenbleiben und nichts auseinanderfällt.

Schritt 10: Abschließende Tests und Ergebnisse

Auf dem Tisch gesammelte Daten in unterschiedlichen Entfernungen vom Geigerzähler

Sammelintervalle bei 5 Sekunden 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Vor unseren letzten Tests sammelten wir Daten, indem wir den Geigerzähler anstellten und das radioaktive Material in verschiedenen Abständen platzierten. Je höher die Zahl, desto näher war der Geigerzähler am radioaktiven Material.

Während des eigentlichen Tests gesammelte Daten

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

Für unsere tatsächlichen Tests stellte sich heraus, dass das radioaktive Material zu weit vom Geigerzähler entfernt war, um es überhaupt messen zu können.

Was bedeuten die Daten? Anhand der Messwerttabelle können wir feststellen, dass die Strahlung für den Menschen umso gefährlicher ist, je höher die Zahl ist. Wir können dann Klick pro Minute in mSV umrechnen, die die tatsächlichen Einheiten für Strahlung sind. Und so ist der Mars, basierend auf unserem Experiment, für den Menschen vollkommen sicher!

Leider ist die Realität oft enttäuschend. Die Mars-Strahlung beträgt tatsächlich 300 mSv, was 15x höher ist als das, was ein Arbeiter eines Kernkraftwerks jährlich ausgesetzt ist.

Weitere Daten für unseren Flug sind:

Fc: 3.101 Newton

Wechselstrom: 8,072 m/s^2

V: 2,107 m/s

m:.38416 kg

P: 1,64 Sekunden

F:.609 Hz

Schritt 11: Probleme/Tipps/Quellen

Das Hauptproblem, das wir hatten, war, den Code zu finden, der für den Geiger und die SD-Karte funktionieren würde. Wenn Sie also das gleiche Problem haben, können Sie unseren Code als Basis verwenden. Eine andere Möglichkeit wäre, in die Arduino-Foren zu gehen und dort um Hilfe zu bitten (sei bereit zu zahlen, da wir festgestellt haben, dass die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass die Leute helfen, wenn es keine Entschädigung gibt).

Eine Sache, die wir anderen raten würden, ist, einen Weg zu finden, damit der Geigerzähler so nah wie möglich an der Strahlung ist, um mehr zertifizierte Daten zu erhalten.

Hier sind die Quellen, die wir für alle Interessierten konsultiert haben:

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

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

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