Pochopenie elektronických senzorov: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Tento „návod“, ktorého cieľom je vysvetliť fungovanie bežných priemyselných a domácich senzorov, vás pomocou praktických cvičení a experimentov naučí používať komerčne dostupné senzory v praxi.

Táto lekcia sa stručne zaoberá obvodmi, ktoré môžu vnímať nasledujúce:

• Zmeny teploty
• Dotyk (kapacitný kontakt s pokožkou)
• Dotknutie sa (prepínače a tlačidlá)
• Zmeny vo svetle
• Zmeny zvuku
• Zmeny v zrýchlení (pohyb a gravitácia)

Zahrnutý je tiež hardvér a softvér, kde je možné položky kúpiť / stiahnuť, ako nastaviť obvody pre numerický výstup, ako čítať číselný výstup a ako fungujú jednotlivé snímače.

Začnime!

Krok 1: Dôkladne testované - nákup a stiahnutie prostredia

V celom Instructable uvidíte, že detaily tejto lekcie boli dôkladne testované tínedžermi navštevujúcimi miestnu univerzitu v rámci ich záujmu o mechatroniku (robotika a výroba)

Súbory cookie Oreo sú nápomocné, ale nie sú povinné

Ľudia z oblasti Adafruit vyrobili dosku, ktorú budeme dnes používať, nazývanú „Circuit Playground - Classic“, a dôkladne otestovali veľký počet spôsobov použitia zariadenia. Niektoré z nich môžete vidieť na ich stránke „Naučiť sa“, ktorá zhruba sleduje tento laboratórny experiment a čiastkové kroky s pokynmi-s láskavým dovolením na tejto stránke „Naučte sa“Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground a bluetooth s nízkou energiou

Potrebné diely sú jednoduché, lacné a ľahko použiteľné pre experimentátorov zo širokého spektra vekových skupín, dokonca už od strednej školy (asi 12 rokov?)

1. Najprv si kúpte jedno alebo viac zariadení tu: https://www.adafruit.com/product/3000 a tiež adaptér USB na Micro-B USB na pripojenie k počítaču tu https://www.adafruit.com/ výrobok/898. Celkové náklady sú s poštovným pod 40 dolárov, ale môže vás to stáť lacnejšie.
2. Hneď ako si kúpite a získate lacný obvodový kútik a kábel USB, budete ho musieť pripojiť k osobnému počítaču (PC) s integrovaným vývojovým prostredím (IDE) pre zariadenia typu Arduino.
3. V tomto prípade používame okná IDE arduino-1.8.4-windows, ale budú fungovať aj ostatné. Nezabudnite nainštalovať všetky ovládače (v tomto prípade adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Po inštalácii IDE môžete otvoriť IDE s názvom „Arduino“
5. V časti Súbor-> Predvoľby vložte nasledujúcu „dodatočnú adresu URL správcu rady“https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, potom povedzte OK a potom zatvorte a znova otvorte IDE.
6. Teraz pripojte zariadenie Circuit Playground k Micro USB. Ukážte dúhovú sekvenciu svetiel, že sa zapne a spustí predvolený program „Circuit Playground Firmata“. Môžete vyskúšať, či prepínač v blízkosti konektora napájania batérie obráti poradie a jedno z tlačidiel zahrá tón pre každú farbu.
7. Budete musieť získať knižnicu Circuit Playground Library a potom rozbaliť knižnicu Circuit PLayground do priečinka Dokumenty -> Arduino -> knižnice „Adafruit_CircuitPlayground -master“. Po rozbalení odstráňte z názvu priečinka príponu „-master“. Zastavte a reštartujte IDE a načítajte typ dosky s plošnými spojmi v časti Nástroje -> Dosky -> Správca dosky a potom vyhľadajte typ „Prispené“a kľúčové slová „Adafruit AVR“. To vám umožní nainštalovať „Adafruit AVR Boards“(najnovšia verzia), potom by ste mali zastaviť a reštartovať IDE.
8. Teraz ste pripravení otestovať Circuit Playground pomocou demo programu. Pripojte sa k obvodovému ihrisku pripojenému cez USB. Prejdite na Nástroje -> Dosky a uistite sa, že ste vybrali Okruhové ihrisko. Prejdite na Nástroje -> Porty a uistite sa, že ste vybrali príslušný port COM (ten, ktorý je pripojený k USB Blasteru). Stiahnite si demo program nasledovne: Vyberte: Súbory -> Príklady -> Adafruit Circuit PLayground -> demo a potom skompilovajte a nahrajte (na všetko môžete použiť tlačidlo „šípka smerujúca doprava“)
9. Demo program vyskúšajte podľa týchto krokov: Pozrite sa, že obvodové ihrisko bliká v dúhovom poradí. Otočte posúvač a zistíte, že sa prehrávajú noty (vypnite ho, inak to určite naštve všetkých okolo vás). Skontrolujte, či červená kontrolka sťahovania bliká rýchlosťou načasovania.
10. Teraz môžete komunikovať s obvodovým ihriskom prostredníctvom textového rozhrania. V IDE kliknite na tlačidlo „Sériový monitor“. Vyzerá to ako lupa v pravom hornom rohu okna ukážkového programu. Ak chcete získať lepší vzhľad, možno budete chcieť vypnúť automatické posúvanie.

Ste pripravení experimentovať a pripojiť sa k všetkým rôznym senzorom!

Krok 2: Snímanie teploty

Pozrite sa na hodnotu „teploty“na textovom výstupe sériového monitora. Niekde v 30. rokoch bude mať hodnotu izbovej teploty. Nameral som 39,43 stupňa Celzia.

Termistor používaný na meranie teploty je zobrazený na fotografii. Je to snímač A0 a vedľa neho je grafika teplomera.

Jemne priložte palec na snímač teploty a zaznamenajte, koľko sekúnd trvá dosiahnutie najvyššej teploty. Poznamenajte si to a tiež nasledujúce:

Dosiahnutie maximálnej teploty prsta trvalo _ sekúnd.

Akú najvyššiu teplotu nakoniec dosiahol? _ C

Aká je táto hodnota vo Fahrenheite? _ F. TIP: F = (C * 1,8) + 32

Je to teplejšie alebo chladnejšie ako normálna telesná teplota? _

Bolo by použitie tohto teplomeru s palcom niekoho dobrým indikátorom horúčky na zistenie, či je chorý?

Prečo? _

Termistor je špeciálny druh odporu, ktorý mení odpor podľa teploty. Jeden z obrázkov v tomto kroku ukazuje typickú schému zapojenia termistora. · ·

Aký by bol v zobrazenom obvode údaj na voltmetri? _ TIP: Použite pravidlo deliča napätia Vout = (5V * R1 ohmov) / (R1 ohmov + termistor ohmov)

Ak má termistor hodnotenie „1,5% zmena odporu na stupeň C“- aký bude odpor termistora, ak teplota stúpne na 30 stupňov C? _ TIP: Keďže ide o zmenu o 5 stupňov a každý stupeň mení odpor o 1,5%, dostaneme termistor ohmy = (5 * 0,015) + 10 000 ohmov

Aký by bol údaj pri 32 stupňoch C na voltmetri? _ TIP: Teraz je zmena o 7 stupňov.

Kde by mohli byť snímače teploty použité v typoch výroby?

Krok 3: Kapacitný dotykový senzor

Fotografia ukazuje, ktorý z konektorov (alebo „podložiek“) je možné použiť aj na detekciu dotyku. Hovorí sa im kapacitné dotykové senzory, pretože používajú ľudské telo ako elektronický komponent nazývaný kondenzátor.

Z dôvodu bezpečnosti chceme, aby bol akýkoľvek elektrický prúd veľmi nízky. Z tohto dôvodu všetky vonkajšie pripojenia k doštičkám prechádzajú cez odpor 1 Mega Ohm do spoločnej oblasti (pin #30 čipu), takže celkový odpor medzi akýmikoľvek dvoma podložkami je 2 Mega Ohmy.

• Ak je špičkové napätie medzi akýmikoľvek dvoma podložkami 5 voltov a odpor je 2 mega ohmy, aký by bol prúd, ktorý prechádza medzi akýmikoľvek dvoma podložkami, ak sú skratované? _ (NEZKratujte ich)
• „Capsense“sú čísla, ktoré sa zobrazujú v textovom rozhraní. V akom prípade sú čísla vyššie, keď sa dotýkate senzorov alebo keď sa ich nedotýkate? _
• Zaznamenajte si niekoľko príkladov čísel, keď sa NEDOTÝKAJETE senzorov: _
• Zaznamenajte si niekoľko príkladov čísel, keď sa dotýkate senzorov: _
• Aký rozdiel pozorujete, keď sa dotknete viacerých senzorov súčasne? _
• Čo sa stane, ak držíte niečo kovové a dotknete sa tým senzora? _
• Čo sa stane, ak držíte niečo nekovové a dotknete sa tým senzora? _
• Pretože kapacitné dotykové snímače nemajú žiadne pohyblivé časti, sú veľmi odolné voči vibráciám. Tiež môžu byť pokryté vodotesným ochranným povlakom. Prečo môžu byť tieto dva aspekty užitočné vo výrobnom prostredí? _

Krok 4: Tradičné tlačidlá a posuvné prepínače

Tlačidlá a prepínače sa zdajú byť také jednoduché a „každodenné“, že ich považujeme za samozrejmé, pokiaľ ide o ich použitie ako senzorov. Klávesnica je skvelým príkladom. Ak chceme písať rýchlo, niekoľko „falošných“stlačení klávesov a dlhá životnosť, ktorú používame mnoho rokov - mechanické prepínače (jeden pod každým klávesom na klávesnici) sú tou správnou cestou.

Okruh, ktorý dnes používame, má tri tlačidlové „prerušované“prepínače. To znamená, že keď tlačidlo pustíte, vrátia sa do svojej pôvodnej polohy (vďaka pružinovému mechanizmu). Okruh má tiež snímač vyhradený pre dvojpolohový posuvný spínač. Jeho posunutie môže vyžadovať určité úsilie, ale nerozlomte dosku, aby ste to urobili - posuňte bokom pevnejšie, ako tlačíte nadol. Tento typ snímača je veľmi stabilný. Stabilný znamená, že akonáhle ho posuniete do jednej alebo druhej polohy, môžete úplne očakávať, že budete môcť odísť a vrátiť sa o dlho neskôr a očakávať, že bude stále v rovnakej polohe, aj keď je na vibrujúcom povrchu., atď.

Kde ste videli taký posuvný spínač vo výrobe, alebo dokonca vo vašom dome?

_

Pozrite sa na textový výstup a nájdite informácie o senzore. V tomto prípade snímač nemusí vydávať číslo, ale niečo iné.

Prepínač „Posuvník“by mal naznačovať jeho polohu. Aké hodnoty nadobúda „posuvný“snímač v týchto dvoch polohách?

_

V jednej z dvoch polôh snímky sa stane niečo iné. Čo je to?

_

P. S. Zo zdvorilosti pre všetkých ostatných, prosím, presuňte prepínač do polohy „menej otravné“, hneď ako s touto sekciou skončíte.

Krok 5: Svetelné senzory

Rovnako ako teplotný senzor, obvod svetelného senzora na doske „Circuit Playground“používa obvod deliča napätia - kde 5 voltov poháňajúcich zariadenie je rozdelené na dve časti, senzor a rezistor s pevnou hodnotou. Namiesto „termistora“používa svetelný senzor „foto-tranzistor“, ktorý mení odpor v závislosti od množstva svetla, ktoré naň dopadá. Foto-tranzistor „A5“môžete vidieť hneď vedľa grafiky oka na doske plošných spojov.

Ak svetelný senzor smeruje k stropu miestnosti (k svetlám), hodnota „svetelného senzora“by mala byť stovky.

Akú hodnotu „svetelného senzora“pozorujete, keď „oko“smeruje k stropu miestnosti?

_

Čo keď nasmerujete „oko“na podlahu - aké číslo pozorujete? _

Čo keď nasmerujete „oko“medzi strop a podlahu v rôznych uhloch? - Popíšte, čo ste pozorovali, vrátane hodnôt čísel, ktoré ste pozorovali, a čo ste urobili, aby ste tieto čísla získali. _

Čo keby ste senzor nasmerovali na blízky (ale nedotýkajúci sa) kus tmavej látky - aké číslo pozorujete? _

Zakrytím prstom (snímač v blízkosti „oka“) prstom by ste mali číslo znížiť. Áno? _

Váš prst je polopriehľadný, takže jasné svetlá svietiacej diódy LED ho môžu prostredníctvom prsta rozžiariť. Čo iného by ste mohli použiť na zakrytie senzora, aby ste získali nižšie číslo? _

Svetelné senzory môžu byť trochu vyberavé - nie vždy poskytujú presné hodnoty, ktoré by ste očakávali, a výrazne závisia od odrazivosti, priehľadnosti, uhla osvetlenia a jasu osvetlenia. Výrobné systémy videnia sa snažia prekonať tieto obmedzenia prísnou kontrolou týchto premenných. Skener čiarových kódov môže napríklad používať svetelný jednofarebný laserový prúžok na zaostrenie, aby minimalizoval vplyv osvetlenia miestnosti. V inom prípade dopravný pás kartónu na mlieko používa svetelný senzor v štýle „garážových brán“, pričom počíta kartóny na mlieko spočítaním toho, koľkokrát medzi nimi svetlo prejde.

Uveďte iný príklad z výroby, domova alebo podnikania, kde sú niektoré z týchto svetelných premenných riadené, aby sa dosiahol lepší výsledok svetelného senzora (okrem príkladov, ktoré som už spomenul):

Krok 6: Zvukový senzor

Zvukový senzor na „obvodovom ihrisku“je v skutočnosti dosť sofistikovaný mikroelektronický mechanický systém (MEMS), ktorý možno použiť nielen na detekciu úrovní zvuku, ale môže vykonávať aj základnú frekvenčnú analýzu. V aplikácii hudobného štúdia alebo hudobného prehrávača ste mohli vidieť displej analyzátora spektra - ktorý vyzerá ako stĺpcový graf s nízkymi tónmi vľavo a vyššími notami vpravo (rovnako ako sa zobrazuje grafický ekvalizér).

Hodnota, ktorá sa zobrazuje na odčítanom texte, je v skutočnosti nespracovaný zvukový priebeh. Hodnoty by sme museli časom sčítať, aby sme zistili celkový výkon zvuku (hladina akustického tlaku).

Napriek tomu môže byť toto zariadenie MEMS použité na spustenie akcií robota alebo iného zariadenia, ak sú prítomné zvuky alebo je počuť konkrétny sled zvukov. MEMS sú navyše extrémne malé (je to zariadenie pod týmto malým otvorom v kovovej skrinke, hneď vedľa „ušnej“grafiky na doske) a majú nízky výkon. Vďaka tejto kombinácii sú zariadenia MEMS mimoriadne užitočné pre akustické, biomedicínske, detekciu mikro tekutín, mikrochirurgické nástroje, snímače prietoku plynu a chemikálií a ďalšie.

Pretože výstupom je zvukový priebeh (a nie úroveň výkonu), uvidíte menší rozsah hodnôt, keď sú veci ticho (~ 330 je stred pre dokonale tichú miestnosť) a širšie výkyvy pre hlasné zvuky (0 až 800 alebo tak).

Zaznamenajte hodnoty „Zvukového senzora“, ak je v miestnosti prítomný iba hluk pozadia. Akú hodnotu si všímate? Od do _

Akú hodnotu pozorujete, ak hovoríte normálnym tónom - asi 2 stopy od senzora? Od do _

Dosiahnete vyšší rozsah hodnôt rečou alebo opakovaným lusknutím prstov (alebo tlieskaním)?

Áno alebo nie: _ Zúrivosť za tlieskanie/lusknutie prechádza z _ do _

Prečo si to myslíš? _

Skúste iné druhy hluku a zaznamenajte, čo pozorujete - neklepajte však na nástenku: _

P. S. MEMS pracujú v oboch smeroch a na pohyb mikro mechanických častí je možné použiť elektrickú energiu. Spoločnosť s názvom „Audio Pixels“pracuje na zoskupení týchto zariadení, aby vytvorili dokonale plochý malý reproduktor, ktorý dokáže nasmerovať zvuk akýmkoľvek smerom.

Krok 7: Akcelerometre

Akcelerometer je tiež typom MEMS a jedno z týchto zariadení je k dispozícii na doske „Circuit Playground“. Čip LIS3DH, blízko stredu dosky vedľa grafiky XYZ, dáva možnosť zmerať zrýchlenie v ľubovoľnom smere ako vektorový súčet zrýchlenia v smere X, Y a Z.

Pretože gravitačná sila je totožná so silou pociťovanou zrýchlením (Einsteinova teória relativity), aj keď stojí na zemi, zariadenie meria zrýchlenie 9,8 metra za sekundu za sekundu (9,8 m/s2).

Zariadenie môžete otáčať, aby ste celú silu dostali v smere „X“.

Pokúste sa nakloniť zariadenie tak, aby bolo všetko zrýchlenie v smere X (pri otáčaní vecí buďte opatrní s krátkym káblom USB). Aké hodnoty ste dodržali? X: _ Y: _ Z: _

Teraz nakloňte zariadenie tak, aby získalo takmer všetku gravitačnú silu (zrýchlenie) v smere Y. Aké hodnoty ste dodržali? X: _ Y: _ Z: _

Nakoniec umiestnite zariadenie tak, aby bolo gravitačné zrýchlenie rozdelené medzi smery X a Y a bolo takmer 0 v smere Z (niekde medzi predchádzajúcimi dvoma polohami). Aké hodnoty ste dodržali? X: _ Y: _ Z: _

Pomocou Pythagorovej vety pridajte vektory X a Y zrýchlenia z predchádzajúceho merania. Negatívne znaky môžete ignorovať, to znamená, že zariadenie je v tomto smere len hore nohami. Aké je celkové zrýchlenie? _ Pripomeňme, že celkové zrýchlenie = √ (X2 + Y2).

SNAŽTE SA O ĎALŠÍ EXPERIMENT, IBA AK SOM TROJROZMERNÝ! Nakloňte zariadenie tak, aby bolo gravitačné zrýchlenie rozdelené medzi smery X, Y a Z. Aké hodnoty ste dodržali?

X: _ Y: _ Z: _ Celkové zrýchlenie = _

Ako vidíte, akcelerometer (vďaka gravitačnej sile) je možné použiť aj na meranie náklonu - alebo polohy dosky. Ak by ste stavali rameno robota s chápadlom, kam by ste mohli umiestniť senzor akcelerometra a prečo? _

Okrem náklonu a smeru stredu zeme môžu akcelerometre prirodzene merať aj zrýchlenie. Jemne pohybujte doskou tam a späť (pri otáčaní vecí buďte opatrní s krátkym káblom USB). Aké hodnoty ste dodržali?

Smer bol posunutý: _ X: _ Y: _ Z: _

Smer bol posunutý: _ X: _ Y: _ Z: _

Krok 8: Hotovo

Blahoželáme vám k dokončeniu všetkých týchto krokov a k porozumeniu elektronických senzorov!

Zanechajte komentár a pošlite mi spätnú väzbu k veciam, ktoré by ste si mali myslieť, že je potrebné zlepšiť, a dajte mi tiež vedieť, ak ste prišli s ďalším používaním senzorov hry Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD