مراقب اتزان دولاب دوار منخفض السرعة: مشاريع تخرج Arduino وESP32

إذا تحرك حامل صغير أثناء دوران دولاب، يصعب معرفة هل السبب كتلة غير موزعة أم قاعدة مرتخية أم قراءة ضوضاء. يمكن لفريق مشاريع تخرج Arduino وميكاترونكس بناء مراقب منخفض السرعة يسجل تسارع الحامل، ويضع علامة مرجعية عند زاوية واحدة كل دورة. الفكرة جهاز قياس وتعليم، لا آلة توازن تلقائي: يلاحظ الطالب هل قمة الاهتزاز تتكرر في موضع زاوي متقارب، ثم يقارن خط الأساس بتغيير كتلة اختبار صغيرة داخل غطاء مغلق.

التمييز بين الدوران والاهتزاز

يحتاج تحليل عدم الاتزان إلى معرفة طور الحركة، لا إلى رقم تسارع منفرد. ثبت حساس تسارع ثلاثي المحاور على قاعدة الدوار، وضع علامة ضوئية أو مغناطيسية على محور الدوران مع حساس يخرج نبضة واحدة كل دورة. يسجل المتحكم وقت النبضة وقراءات التسارع مع طابع زمني. عند سرعة منخفضة يمكن مقارنة القيم قرب الزاوية المرجعية بين دورات متتالية ورسم مقدار الاهتزاز مقابل زاوية الدوران.

يستخدم ADXL345 خرجاً رقمياً عبر I2C أو SPI، لكن مدى القياس ومعدل أخذ العينات والتوصيل يجب أن تطابق إعدادات اللوحة الفعلية. لا تخلط بين تسارع الجاذبية وتغيرات الاهتزاز؛ ثبّت اتجاه الحساس وسجل قراءة ساكنة قبل تشغيل الدوار. ضع في التقرير أن الاهتزاز قد ينتج أيضاً من عدم استواء القاعدة أو احتكاك المحور أو تذبذب المحرك.

المكونات والتوصيلات

تحتاج دولاباً صغيراً خفيفاً من مادة سليمة، ومحوراً منخفض السرعة، ومحركاً مناسباً مع متحكم سرعة، وحاملاً ثابتاً، وغلافاً شفافاً مقفلاً حول الأجزاء الدوارة، وحساس تسارع، ومتحكم مثل Arduino أو ESP32، وحساس علامة ضوئية أو مغناطيسية، ومصدر تيار مستمر محدود التيار. ثبت حساس التسارع على الحامل لا على جزء مرن، واستخدم I2C مع مقاومات السحب المطلوبة على الجهد المنطقي الصحيح. إذا كانت وحدة الحساس 3.3 فولت فلا توصل إشارات 5 فولت مباشرة دون توافق موثق.

غذِّ المحرك من مصدر منفصل ملائم، ولا تمرر تياره عبر منظم لوحة المتحكم. استخدم مشغل محرك مصنف للجهد والتيار، واربط الأرضي المشترك إذا تطلبت إشارة التحكم ذلك. يجب ألا يفتح الغطاء خلال التشغيل، وأن يوقف مفتاح مستقل المحرك عند رفعه. يمكن للحساس المرجعي أن يرسل نبضة إلى مدخل المقاطعة، لكن احتفظ بمعالجة السجلات خارج روتين المقاطعة: خزّن الوقت أو ارفع علماً فقط ثم اكتب البيانات في الحلقة الرئيسية.

بروتوكول البناء والقياس

قبل الطاقة، افحص استقامة المحور ومسامير التثبيت وتوازن الغطاء. لف الدولاب يدوياً وهو مفصول للتأكد من عدم احتكاكه. شغله عند أقل سرعة متاحة من خلف حاجز، ولا تضع اليد بالقرب منه. سجل اهتزاز القاعدة والمحرك وهو يعمل دون دولاب بوصفه خط أساس أولي، ثم سجل عدة دورات للدولاب الأصلي عند سرعة ثابتة. أوقف الطاقة قبل إضافة أي كتلة صغيرة، وثبتها بمسمار أو حامل مصمم لذلك لا بشريط لاصق.

اجمع ثلاث حالات: المحرك والقاعدة بلا دوران، الدوار الأصلي، والدوار مع كتلة اختبار معلومة ومثبتة بإحكام. كرر القراءة عند السرعة نفسها وسجل عدد الدورات، واتجاه الحساس، وتردد أخذ العينات، وموضع العلامة، وكتلة الاختبار ونصف قطرها. لا تغير السرعة والكتلة معاً؛ وإلا تعذر معرفة سبب تغير الاهتزاز. إذا كان هناك عدم تطابق بين نبض المرجع والقراءات، خفّض السرعة وارفع معدل أخذ العينات ضمن حدود المتحكم والحساس بدلاً من استنتاج الطور من نقاط قليلة.

مثال معالجة مقترح

للتوضيح فقط، إذا كانت علامة الدوران تسجل 10 نبضات في 5 ثوانٍ، فالسرعة المتوسطة تساوي دورتين في الثانية أو 120 دورة في الدقيقة. لا يعني هذا أن النظام المقترح سيحافظ تلقائياً على تلك السرعة؛ يجب حسابها من النبضات وبيان التذبذب. قسم كل دورة إلى 12 نافذة زاوية، واحسب متوسط مقدار التسارع في النافذة عبر دورات متعددة. أظهر القيم الخام وعدد العينات، وقارن موضع القمة بين الحالة المرجعية وحالة كتلة الاختبار.

لا تحوّل أصغر قيمة اهتزاز مباشرة إلى ادعاء أن الدوار متزن؛ فقد تكون القاعدة أو الحساس غير مثبتين، أو يكون معدل العينة منخفضاً، أو تتغير سرعة المحرك. العينة الرقمية المقترحة مجرد طريقة عرض. النتائج الحقيقية لا تكتب إلا بعد اختبار موثق، مع ذكر الأدوات المستخدمة وخطأ القياس.

التحقق وحالات الإخفاق

تحقق من حساس التسارع وهو ساكن بمقارنة اتجاه الجاذبية مع وضعه الميكانيكي، ثم حرك الحامل ببطء يدوياً ولاحظ تغير المحاور. افحص حساس العلامة بإدارة المحور يدوياً وتأكد من نبضة واحدة لكل دورة. قارن حساب السرعة من فترة النبضات بعداد مستقل أو تصوير بطيء ذي معدل معلوم إن توفر. خط الأساس يشمل ضوضاء المحرك والحامل دون تأثير كتلة الاختبار.

من الأعطال الشائعة نبضات متعددة من حساس العلامة بسبب سطح عاكس أو تداخل مغناطيسي، وانقطاع I2C عند اهتزاز الأسلاك، وارتخاء الحساس، وتشبّع مجال القياس. ضع الأسلاك في مسار مثبت بعيد عن المحور، واستخدم موصلات مقفلة. إذا أظهرت البيانات قفزات غير معقولة، احتفظ بها وافحص العتاد قبل تطبيق مرشح. لا تعالج قراءة مشبعة على أنها قياس دقيق.

احتواء الحركة ونطاق النتائج

غط الدوار بالكامل بمادة شفافة مقاومة للصدمات ومثبتة ببراغٍ، وثبت القاعدة على سطح عمل، واستخدم مزوداً محدود التيار ومفتاح إيقاف في المتناول. ابدأ بكتلة صغيرة جداً، ووازن الغطاء نفسه، ولا تتجاوز سرعة منخفضة يحددها تقييم الفريق ومتانة الأجزاء. لا تستخدم مطبوعات متشققة أو دولاباً معدنياً مرتجلاً أو محوراً مكشوفاً. لا تفتح الحاجز ولا تقترب من الدوار أثناء الحركة؛ افصل التغذية وانتظر توقفه الكامل.

يمكن أن يتضمن تسليم مشاريع التخرج رسماً ميكانيكياً، مخطط توصيل، إعدادات أخذ العينات، ملف بيانات خام، وبرنامجاً يعرض الاهتزاز حسب الطور مع حدود واضحة. اربط نطاق التنفيذ بخدمة مشاريع التخرج، واستعن بخدمة Arduino والأجهزة المتصلة عند الحاجة. النتيجة تعليمية لدولاب صغير محروس؛ لا تستخدمها لإقرار سلامة مروحة أو مركبة أو آلة صناعية.

للمقارنة مع المنهج والمواصفات المنشورة، راجع Analog Devices ADXL345 Data Sheet، Arduino Language Reference: attachInterrupt()؛ استند إلى هذه المراجع في تحديد طريقة القياس وحدود المكونات، ولا تعتبرها نتائج اختبار لهذا النموذج المقترح.