HackerBox 0035: Elektrochémia: 11 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Tento mesiac HackerBox Hackers skúmajú rôzne elektrochemické snímače a testovacie techniky na meranie fyzikálnych vlastností materiálov. Tento návod obsahuje informácie o tom, ako začať s HackerBoxom #0035, ktorý je možné zakúpiť tu do vypredania zásob. Tiež, ak by ste chceli dostávať HackerBox takto priamo do vašej schránky každý mesiac, prihláste sa na odber HackerBoxes.com a zapojte sa do revolúcie!

Témy a vzdelávacie ciele pre HackerBox 0035:

• Nakonfigurujte Arduino Nano na použitie s Arduino IDE
• Pripojte a kódujte modul OLED na zobrazenie meraní
• Vytvorte ukážku dychového analyzátora pomocou alkoholových senzorov
• Porovnajte plynové senzory, aby ste mohli vykonávať merania kvality vzduchu
• Stanovte kvalitu vody z celkových rozpustených tuhých látok (TDS)
• Vyskúšajte bezkontaktné a vodou ponoriteľné tepelné snímanie

HackerBoxes je služba mesačného predplatného pre elektroniku a počítačovú technológiu pre domácich majstrov. Sme nadšenci, tvorcovia a experimentátori. Sme snílkami snov. Hacknite planétu!

Krok 1: HackerBox 0035: obsah balenia

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128 x 64 pixelov I2C displej
• Merač kvality vody TDS-3
• Bezkontaktný teplotný modul GY-906
• MP503 Senzor znečistenia ovzdušia
• Vodotesná teplotná sonda DS18B20
• Modul senzora alkoholu MQ-3
• Modul snímača plynového nebezpečenstva MQ-135
• Modul vlhkosti a teploty DHT11
• Laserový modul KY-008
• Sada LED diód, 1K rezistorov a hmatových tlačidiel
• 400 -bodová „krištáľovo čistá“doska na chlieb
• Sada prepojovacích drôtov - 65 dielov
• Kábel MircoUSB
• Exkluzívne obtisky HackerBoxes

Pomôžu aj ďalšie veci:

• Spájkovačka, spájkovačka a základné spájkovacie nástroje
• Počítač na spustenie softvérových nástrojov

A čo je najdôležitejšie, budete potrebovať zmysel pre dobrodružstvo, kutilského ducha a hackerskú zvedavosť. Hardcore DIY elektronika nie je triviálna činnosť a HackerBoxes nie sú oslabené. Cieľom je pokrok, nie dokonalosť. Keď vytrváte a užívate si dobrodružstvo, veľká spokojnosť sa dá odvodiť z učenia sa novej technológie a dúfajme, že sa podarí realizovať niektoré projekty. Odporúčame urobiť každý krok pomaly, dbať na detaily a nebojte sa požiadať o pomoc.

Existuje množstvo informácií o súčasných a potenciálnych členoch v sekcii Časté otázky o HackerBoxes.

Krok 2: Elektrochémia

Elektrochémia (Wikipedia) je odvetvie fyzikálnej chémie, ktoré študuje vzťah medzi elektrinou ako merateľným a kvantitatívnym javom a konkrétnou chemickou zmenou alebo naopak. Chemické reakcie zahŕňajú elektrické náboje pohybujúce sa medzi elektródami a elektrolytom (alebo iónmi v roztoku). Elektrochémia sa teda zaoberá interakciou medzi elektrickou energiou a chemickými zmenami.

Najbežnejšími elektrochemickými zariadeniami sú batérie pre každý deň. Batérie sú zariadenia pozostávajúce z jedného alebo viacerých elektrochemických článkov s externým pripojením, ktoré slúžia na napájanie elektrických zariadení, ako sú baterky, smartfóny a elektrické autá.

Elektrochemické snímače plynu sú detektory plynu, ktoré merajú koncentráciu cieľového plynu oxidáciou alebo redukciou cieľového plynu na elektróde a meraním výsledného prúdu.

Elektrolýza je metóda, ktorá používa inak než spontánnu chemickú reakciu jednosmerný elektrický prúd (DC). Elektrolýza je komerčne dôležitá ako stupeň separácie prvkov z prirodzene sa vyskytujúcich zdrojov, ako sú rudy, pomocou elektrolytického článku.

Krok 3: Platforma mikrokontroléra Arduino Nano

Doska Arduino Nano alebo podobný mikrokontrolér je skvelou voľbou na prepojenie s elektrochemickými snímačmi a výstupmi displeja na počítač alebo video displej. Priložený modul Arduino Nano je dodávaný s kolíkovými konektormi, ale nie sú k modulu spájkované. Piny zatiaľ nechajte vypnuté. Vykonajte tieto počiatočné testy modulu Arduino Nano PRIOR na spájkovanie kolíkov záhlavia Arduino Nano. Všetko, čo je potrebné pre nasledujúcich pár krokov, je kábel microUSB a modul Nano, tak ako vychádzajú z vrecka.

Arduino Nano je miniaturizovaná doska Arduino s povrchovou montážou, ktorá je vhodná na doštičky a má integrované USB. Je úžasne plnohodnotný a ľahko sa hackuje.

Vlastnosti:

• Mikrokontrolér: Atmel ATmega328P
• Napätie: 5V
• Digitálne I/O piny: 14 (6 PWM)
• Analógové vstupné piny: 8
• Jednosmerný prúd na pin I/O: 40 mA
• Flash pamäť: 32 KB (2 kB pre bootloader)
• Pamäť SRAM: 2 kB
• EEPROM: 1 kB
• Taktovacia frekvencia: 16 MHz
• Rozmery: 17 mm x 43 mm

Tento konkrétny variant Arduino Nano je čierny dizajn Robotdyn. Rozhranie je prostredníctvom integrovaného portu MicroUSB, ktorý je kompatibilný s rovnakými káblami MicroUSB, aké sa používajú s mnohými mobilnými telefónmi a tabletmi.

Arduino Nanos má vstavaný čip USB/sériový most. V tomto konkrétnom variante je mostíkovým čipom CH340G. Všimnite si toho, že na rôznych typoch dosiek Arduino existujú rôzne ďalšie typy mostíkových čipov USB/Serial. Tieto čipy umožňujú USB portu vášho počítača komunikovať so sériovým rozhraním na procesorovom čipe Arduino.

Operačný systém počítača vyžaduje na komunikáciu s USB/sériovým čipom ovládač zariadenia. Ovládač umožňuje IDE komunikovať s doskou Arduino. Potrebný konkrétny ovládač zariadenia závisí od verzie operačného systému a tiež od typu USB/sériového čipu. Pre USB/sériové čipy CH340 sú k dispozícii ovládače pre mnoho operačných systémov (UNIX, Mac OS X alebo Windows). Výrobca CH340 dodáva tieto ovládače tu.

Keď prvýkrát zapojíte Arduino Nano do USB portu počítača, mala by sa rozsvietiť zelená kontrolka napájania a krátko po tom, čo začne modrá LED pomaly blikať. Stáva sa to preto, že v Nano je vopred nainštalovaný program BLINK, ktorý beží na úplne novom Arduino Nano.

Krok 4: Integrované vývojové prostredie Arduino (IDE)

Ak ešte nemáte nainštalované Arduino IDE, môžete si ho stiahnuť z Arduino.cc

Ak by ste chceli ďalšie úvodné informácie o práci v ekosystéme Arduino, odporúčame vám prečítať si pokyny pre štartovací workshop HackerBoxes.

Zapojte Nano do kábla MicroUSB a druhý koniec kábla do USB portu na počítači, spustite softvér Arduino IDE, vyberte príslušný USB port v IDE pod portom tools> port (pravdepodobne názov, v ktorom je „wchusb“)). Tiež zvoľte "Arduino Nano" v IDE pod nástrojmi> doska.

Nakoniec načítajte ukážkový kód:

Súbor-> Príklady-> Základy-> Žmurknutie

Toto je vlastne kód, ktorý bol vopred načítaný do Nano a mal by práve bežať, aby pomaly blikal modrý indikátor LED. Ak teda načítame tento ukážkový kód, nič sa nezmení. Namiesto toho trochu upravme kód.

Pri pohľade zblízka môžete vidieť, že program zapne LED diódu, počká 1 000 milisekúnd (jednu sekundu), vypne LED diódu, počká ďalšiu sekundu a potom to urobí znova - navždy.

Upravte kód zmenou oboch príkazov „oneskorenie (1000)“na „oneskorenie (100)“. Táto úprava spôsobí, že LED dióda bliká desaťkrát rýchlejšie, však?

Načítajme upravený kód do Nano kliknutím na tlačidlo UPLOAD (ikona šípky) tesne nad upraveným kódom. Informácie o stave nájdete nižšie pod kódom: „kompilácia“a potom „nahrávanie“. Nakoniec by IDE malo indikovať „nahrávanie je dokončené“a kontrolka LED by mala blikať rýchlejšie.

Ak áno, gratulujeme! Práve ste hackli svoj prvý kúsok vloženého kódu.

Keď sa už verzia s rýchlym blikaním načíta a spustí, prečo sa nezobrazí, či môžete kód znova zmeniť, aby LED dvakrát rýchlo zablikala, a potom počkajte niekoľko sekúnd, kým to zopakujete? Pokúsiť sa! Čo hovoríte na ďalšie vzory? Keď sa vám podarí vizualizovať požadovaný výsledok, kódovať ho a pozorovať, aby fungoval podľa plánu, urobili ste obrovský krok k tomu, aby ste sa stali kompetentným hardvérovým hackerom.

Krok 5: Kolíky záhlavia a OLED na spájkovacej doske

Teraz, keď je váš vývojový počítač nakonfigurovaný na načítanie kódu do Arduino Nano a Nano bolo testované, odpojte kábel USB od Nano a pripravte sa na spájkovanie kolíkov záhlavia. Ak je to vaša prvá noc v bojovom klube, musíte spájkovať! Existuje veľa skvelých sprievodcov a videí online napríklad o spájkovaní. Ak máte pocit, že potrebujete ďalšiu pomoc, pokúste sa nájsť miestnu skupinu tvorcov alebo hackerský priestor vo vašej oblasti. Amatérske rádiokluby sú tiež vždy vynikajúcim zdrojom skúseností s elektronikou.

Pripojte dve jednoradové hlavičky (po pätnásť pinov) k modulu Arduino Nano. Šesťpinový konektor ICSP (sériové programovanie v obvode) nebude v tomto projekte použitý, takže tieto kolíky nechajte vypnuté. Po dokončení spájkovania starostlivo skontrolujte spájkovacie mostíky a/alebo studené spájkovacie spoje. Nakoniec zapojte Arduino Nano späť do kábla USB a overte, či všetko stále funguje správne.

Na prepojenie OLED k Nano vložte obidva do bezspájkovacej dosky ako je znázornené na obrázku a zapojte ich medzi sebou podľa tejto tabuľky:

OLED…. NanoGND….. GNDVCC…..5VSCL….. A5SDA ….. A4

Ak chcete poháňať OLED displej, nainštalujte do Arduino IDE ovládač OLED displeja SSD1306, ktorý nájdete tu.

Otestujte OLED displej tak, že načítate príklad ssd1306/snowflakes a naprogramujete ho do Nano.

Ďalšie príklady z knižnice SDD1306 sú užitočné na preskúmanie použitia OLED displeja.

Krok 6: Ukážka senzora alkoholu a dychového analyzátora MQ-3

Senzor alkoholového plynu MQ-3 (technický list) je lacný polovodičový senzor, ktorý dokáže detekovať prítomnosť alkoholových plynov v koncentráciách od 0,05 mg/l do 10 mg/l. Snímacím materiálom použitým v MQ-3 je SnO2, ktorý vykazuje rastúcu vodivosť, keď je vystavený zvyšujúcim sa koncentráciám alkoholových plynov. MQ-3 je vysoko citlivý na alkohol s veľmi malou krížovou citlivosťou na dym, pary alebo benzín.

Tento modul MQ-3 poskytuje hrubý analógový výstup vzhľadom na koncentráciu alkoholu. Modul je tiež vybavený komparátorom LM393 (údajový list) na prahovú hodnotu digitálneho výstupu.

Modul MQ-3 je možné pripojiť k Nano podľa tejto tabuľky:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… nepoužité

Demo kód z videa.

UPOZORNENIE: Tento projekt je iba vzdelávacou ukážkou. Nie je to lekársky nástroj. Nie je kalibrovaný. V žiadnom prípade nie je určené na stanovovanie hladín alkoholu v krvi na vyhodnotenie zákonných alebo bezpečnostných limitov. Nebuď hlúpy. Nepi a šoféruj. Príďte živí!

Krok 7: Detekcia ketónov

Ketóny sú jednoduché zlúčeniny, ktoré obsahujú karbonylovú skupinu (dvojitá väzba uhlík-kyslík). Mnoho ketónov je dôležitých v priemysle aj v biológii. Bežný acetón je najmenší ketón.

Dnes mnohí poznajú ketogénnu diétu. Ide o diétu, ktorá je založená na konzumácii vysokého obsahu tukov, bielkovín a málo uhľohydrátov. To núti telo spaľovať tuky, nie sacharidy. Sacharidy obsiahnuté v potravinách sa zvyčajne premieňajú na glukózu, ktorá sa potom transportuje po tele a je obzvlášť dôležitá pre podporu mozgových funkcií. Ak je však v strave málo uhľohydrátov, pečeň premieňa tuky na mastné kyseliny a ketolátky. Ketónové telieska prechádzajú do mozgu a nahrádzajú glukózu ako zdroj energie. Zvýšená hladina ketolátok v krvi má za následok stav známy ako ketóza.

Príklad projektu snímania ketónov

Ďalší príklad projektu na snímanie ketónov

Porovnanie plynových senzorov MQ-3 vs. TGS822

Krok 8: Snímanie kvality vzduchu

K znečisteniu ovzdušia dochádza, keď sa do atmosféry zavádza škodlivé alebo nadmerné množstvo látok vrátane plynov, častíc a biologických molekúl. Znečistenie môže ľuďom spôsobiť choroby, alergie a dokonca aj smrť. Môže tiež poškodiť iné živé organizmy, ako sú zvieratá, potravinárske plodiny a životné prostredie vo všeobecnosti. Ľudská činnosť aj prírodné procesy môžu vytvárať znečistenie ovzdušia. Znečistenie vnútorného vzduchu a zlá kvalita ovzdušia v mestách sú uvedené ako dva z najhorších problémov toxického znečistenia na svete.

Môžeme porovnať činnosť dvoch rôznych senzorov kvality ovzdušia (alebo nebezpečenstva ovzdušia). Jedná sa o MQ-135 (údajový list) a MP503 (údajový list).

MQ-135 je citlivý na metán, oxidy dusíka, alkoholy, benzén, dym, CO2 a ďalšie molekuly. Jeho rozhranie je identické s rozhraním MQ-3.

MP503 je citlivý na formaldehydový plyn, benzén, oxid uhoľnatý, vodík, alkohol, amoniak, cigaretový dym, mnoho pachov a ďalšie molekuly. Jeho rozhranie je pomerne jednoduché a poskytuje dva digitálne výstupy na označenie štyroch úrovní koncentrácií znečisťujúcich látok. Predvolený konektor na modeli MP503 má plastovú zahalenú zásuvku, ktorú je možné odstrániť a nahradiť štandardným 4-kolíkovým konektorom (dodáva sa vo vrecku) na použitie s bezspájkovými doskami, prepojkami DuPont alebo podobnými bežnými konektormi.

Krok 9: Snímanie kvality vody

TDS-3 Tester kvality vody

Celkové rozpustené tuhé látky (TDS) je celkové množstvo mobilných nabitých iónov vrátane minerálov, solí alebo kovov rozpustených v danom objeme vody. TDS, ktorý je založený na vodivosti, je vyjadrený v častiach na milión (ppm) alebo miligramoch na liter (mg/L). Rozpustené tuhé látky zahrnujú akýkoľvek prítomný vodivý anorganický prvok iný ako molekuly čistej vody (H2O) a suspendované pevné látky. Maximálna hladina kontaminantov EPA v TDS pre ľudskú spotrebu je 500 ppm.

Vykonávanie meraní TDS

1. Odstráňte ochranný kryt.
2. Zapnite merač TDS. Vypínač ON/OFF je umiestnený na paneli.
3. Ponorte merač do vody/roztoku až na max. úroveň ponorenia (2”).
4. Mierne miešajte, aby sa odstránili všetky vzduchové bubliny.
5. Počkajte, kým sa displej stabilizuje. Hneď ako sa údaj stabilizuje (približne 10 sekúnd), stlačením tlačidla HOLD sa hodnoty odčítajú z vody.
6. Ak merací prístroj zobrazuje blikajúci symbol „x10“, vynásobte hodnotu číslom 10.
7. Po použití z glukometra odstráňte prebytočnú vodu. Vymeňte uzáver.

Zdroj: Úplný návod

Experiment: Zostavte si svoj vlastný jednoduchý merač TDS (projekt s videom tu), ktorý je možné kalibrovať a testovať podľa TDS-3.

Krok 10: Tepelné snímanie

Bezkontaktný modul snímača teploty GY-906

Modul tepelného snímania GY-906 je vybavený MLX90614 (podrobnosti). Jedná sa o ľahko použiteľný, ale veľmi výkonný jednozónový infračervený teplomer, ktorý dokáže snímať teploty predmetov od -70 do 380 ° C. Na komunikáciu používa rozhranie I2C, čo znamená, že na prepojenie s ním potrebujete venovať iba dva vodiče z vášho mikrokontroléra.

Demo projekt tepelného snímania.

Ďalší projekt tepelného snímania.

Vodotesný snímač teploty DS18B20

Jednodrátový snímač teploty DS18B20 (detaily) môže merať teplotu od -55 ℃ do 125 ℃ s presnosťou ± 5.

Krok 11: Hacknite planétu

Ak sa vám tento návod páčil a chceli by ste, aby sa vám do schránky každý mesiac spustila skvelá škatuľka hacknuteľných projektov elektroniky a počítačovej techniky, pripojte sa k revolúcii tak, že prejdete na stránku HackerBoxes.com a prihlásite sa na odber nášho mesačného boxu s prekvapením.

Oslovte a podeľte sa o svoj úspech v komentároch nižšie alebo na facebookovej stránke HackerBoxes. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete s čímkoľvek pomôcť, určite nám dajte vedieť. Ďakujeme, že ste súčasťou HackerBoxes!