HackerBox 0035: Elektrokemija: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Ovog mjeseca, HackerBox Hakeri istražuju različite elektrokemijske senzore i tehnike ispitivanja za mjerenje fizičkih svojstava materijala. Ovaj Instructable sadrži informacije za početak rada s HackerBox -om #0035, koji se može kupiti ovdje dok traju zalihe. Takođe, ako želite svakog mjeseca primati ovakav HackerBox u svoje poštansko sanduče, pretplatite se na HackerBoxes.com i pridružite se revoluciji!

Teme i ciljevi učenja za HackerBox 0035:

• Konfigurirajte Arduino Nano za upotrebu s Arduino IDE -om
• Ožičite i kodirajte OLED modul za prikaz mjerenja
• Napravite alkotest pomoću senzora za alkohol
• Uporedite senzore za gas kako biste izvršili merenje kvaliteta vazduha
• Odredite kvalitet vode iz ukupnih rastvorenih čvrstih materija (TDS)
• Testirajte beskontaktno i uronjeno u vodu termičko osjetljivost

HackerBoxes je mjesečna pretplatnička usluga za DIY elektroniku i računarsku tehnologiju. Mi smo hobisti, tvorci i eksperimentatori. Mi smo sanjari snova. HACK PLANET!

Korak 1: HackerBox 0035: Sadržaj kutije

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 I2C ekran 128x64 piksela
• TDS-3 Mjerač kvalitete vode
• GY-906 Beskontaktni temperaturni modul
• Senzor zagađenja kvalitete zraka MP503
• DS18B20 Vodonepropusna sonda za temperaturu
• Modul senzora alkohola MQ-3
• MQ-135 Modul senzora za plin opasnog zraka
• DHT11 Modul vlažnosti i temperature
• KY-008 Laserski modul
• Set LED dioda, 1K otpornika i taktilnih dugmadi
• Kristalna ploča sa 400 tačaka "Kristalno jasna"
• Komplet žičane spojnice - 65 komada
• MircoUSB kabel
• Ekskluzivne HackerBoxes naljepnice

Još neke stvari koje će vam biti od pomoći:

• Lemilica, lemljenje i osnovni alati za lemljenje
• Računar za pokretanje softverskih alata

Ono što je najvažnije, trebat će vam osjećaj avanture, DIY duh i znatiželja hakera. Hardcore DIY elektronika nije trivijalna potraga, a HackerBox -i nisu razvodnjeni. Cilj je napredak, a ne savršenstvo. Kad ustrajete i uživate u avanturi, veliko zadovoljstvo može se steći učenjem nove tehnologije i nadamo se da će neki projekti raditi. Predlažemo da svaki korak radite polako, vodeći računa o detaljima, i nemojte se bojati zatražiti pomoć.

U FAQ -u o HackerBox -ima postoji mnogo informacija za trenutne i buduće članove.

Korak 2: Elektrohemija

Elektrokemija (Wikipedia) je grana fizičke hemije koja proučava odnos između električne energije, kao mjerljive i kvantitativne pojave, te određene kemijske promjene ili obrnuto. Hemijske reakcije uključuju električne naboje koji se kreću između elektroda i elektrolita (ili iona u otopini). Tako se elektrokemija bavi interakcijom između električne energije i kemijske promjene.

Najčešći elektrokemijski uređaji su svakodnevne baterije. Baterije su uređaji koji se sastoje od jedne ili više elektrokemijskih ćelija s vanjskim priključcima za napajanje električnih uređaja poput svjetiljki, pametnih telefona i električnih automobila.

Elektrohemijski senzori plina su detektori plina koji mjere koncentraciju ciljnog plina oksidacijom ili redukcijom ciljnog plina na elektrodi i mjerenjem rezultirajuće struje.

Elektroliza je tehnika koja koristi istosmjernu električnu struju (DC) za pokretanje inače spontane kemijske reakcije. Elektroliza je komercijalno važna kao faza u odvajanju elemenata od prirodnih izvora, poput ruda, pomoću elektrolitičke ćelije.

Korak 3: Arduino Nano platforma za mikrokontroler

Arduino Nano ili slična ploča mikrokontrolera odličan je izbor za povezivanje s elektrokemijskim senzorima i prikazima izlaza na računaru ili video zaslonu. Uključeni Arduino Nano modul dolazi sa zaglavljima, ali nisu lemljeni na modulu. Za sada ostavite iglice isključene. Izvršite ova početna ispitivanja Arduino Nano modula PRIOR za lemljenje igala zaglavlja Arduino Nano. Sve što je potrebno za sljedećih nekoliko koraka je microUSB kabel i Nano modul čim izađe iz vrećice.

Arduino Nano je površinska montaža, minijaturna Arduino ploča prilagođena matičnoj ploči, s integriranim USB-om. Nevjerojatno je pun funkcija i lako se hakira.

Karakteristike:

• Mikrokontroler: Atmel ATmega328P
• Napon: 5V
• Digitalni I/O pinovi: 14 (6 PWM)
• Igle za analogni ulaz: 8
• DC struja po U/I pinu: 40 mA
• Flash memorija: 32 KB (2KB za pokretački program)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Takt: 16 MHz
• Dimenzije: 17 mm x 43 mm

Ova posebna varijanta Arduino Nano je dizajn crnog Robotdyna. Interfejs ima ugrađeni MicroUSB port koji je kompatibilan sa istim MicroUSB kablovima koji se koriste sa mnogim mobilnim telefonima i tabletima.

Arduino Nanos ima ugrađeni USB/serijski most čip. U ovoj varijanti, most čip je CH340G. Imajte na umu da se na raznim vrstama Arduino ploča koriste razne druge vrste USB/serijskih čipova za premošćavanje. Ovi čipovi omogućuju vam USB priključak računara za komunikaciju sa serijskim interfejsom na Arduinovom procesorskom čipu.

Operativni sistem računara zahteva upravljački program za komunikaciju sa USB/serijskim čipom. Upravljački program omogućava IDE -u da komunicira s Arduino pločom. Odgovarajući upravljački program uređaja koji ovisi o verziji OS -a, ali i o vrsti USB/serijskog čipa. Za CH340 USB/serijske čipove dostupni su upravljački programi za mnoge operativne sisteme (UNIX, Mac OS X ili Windows). Proizvođač CH340 opskrbljuje te upravljačke programe ovdje.

Kada prvi put priključite Arduino Nano u USB priključak vašeg računala, trebala bi se upaliti zelena lampica napajanja i ubrzo nakon toga plava LED lampica trebala bi početi polako treptati. To se događa jer je Nano unaprijed učitan BLINK programom, koji radi na potpuno novom Arduino Nano.

Korak 4: Arduino integrirano razvojno okruženje (IDE)

Ako još nemate instaliran Arduino IDE, možete ga preuzeti sa Arduino.cc

Ako želite dodatne uvodne informacije za rad u Arduino ekosistemu, predlažemo da provjerite upute za početnu radionicu HackerBoxes.

Priključite Nano u MicroUSB kabel, a drugi kraj kabela u USB priključak na računaru, pokrenite Arduino IDE softver, odaberite odgovarajući USB port u IDE -u pod Tools> port (vjerovatno naziv s "wchusb" u njemu). Također odaberite "Arduino Nano" u IDE -u pod alati> ploča.

Na kraju, učitajte dio primjera koda:

Datoteka-> Primjeri-> Osnove-> Treptanje

Ovo je zapravo kod koji je unaprijed učitan na Nano i trebao bi biti pokrenut sada kako bi polako trepnuo plavu LED diodu. U skladu s tim, ako učitamo ovaj primjer koda, ništa se neće promijeniti. Umjesto toga, hajde da malo promijenimo kod.

Ako pažljivo pogledate, možete vidjeti da program uključuje LED diodu, čeka 1000 milisekundi (jednu sekundu), isključuje LED, čeka još jednu sekundu, a zatim sve to radi - zauvijek.

Izmijenite kôd promjenom oba izraza "delay (1000)" u "delay (100)". Ova izmjena će uzrokovati da LED trepće deset puta brže, zar ne?

Učitajmo izmijenjeni kôd u Nano klikom na dugme UPLOAD (ikona strelice) neposredno iznad vašeg izmijenjenog koda. Informacije ispod o statusu pogledajte ispod koda: "sastavljanje", a zatim "postavljanje". Na kraju, IDE bi trebao pokazati "Uploading Complete" i vaša LED dioda bi trebala brže treptati.

Ako je tako, čestitam! Upravo ste hakirali svoj prvi komad ugrađenog koda.

Nakon što se vaša verzija sa brzim treptajem učita i pokrene, zašto ne biste provjerili možete li ponovo promijeniti kôd kako bi LED dioda brzo trepnula dvaput, a zatim pričekati nekoliko sekundi prije nego što ponovite? Pokušati! Šta kažete na neke druge obrasce? Jednom kada uspijete vizualizirati željeni ishod, kodirati ga i promatrati kako radi kako je planirano, napravili ste ogroman korak ka tome da postanete kompetentan haker hardvera.

Korak 5: Igle zaglavlja i OLED na lemilnoj ploči bez lemljenja

Sada kada je vaš razvojni računar konfiguriran za učitavanje koda na Arduino Nano i Nano je testiran, odspojite USB kabel od Nano -a i pripremite se za lemljenje zaglavlja. Ako vam je to prva noć u borilačkom klubu, morate lemiti! Na internetu postoji mnogo sjajnih vodiča i video zapisa o lemljenju (na primjer). Ako smatrate da vam je potrebna dodatna pomoć, pokušajte pronaći lokalnu grupu proizvođača ili prostor za hakere u vašem području. Takođe, radio -amaterski klubovi uvijek su odlični izvori iskustva u elektronici.

Lemite dva jednoredna zaglavlja (po petnaest pinova svaki) na Arduino Nano modul. Šest pin ICSP (in-circuit serijsko programiranje) konektor neće se koristiti u ovom projektu, pa samo ostavite te pinove isključenima. Kada je lemljenje završeno, pažljivo provjerite ima li lemnih mostova i/ili spojeva hladnog lemljenja. Konačno, priključite Arduino Nano na USB kabel i provjerite radi li sve i dalje ispravno.

Za spajanje OLED -a na Nano umetnite oboje u lemljenu ploču kako je prikazano i ožičite između njih prema ovoj tablici:

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

Za pogon OLED ekrana, instalirajte SSD1306 OLED upravljački program za ekran koji se nalazi ovdje u Arduino IDE.

Testirajte OLED ekran učitavanjem primjera ssd1306/pahuljica i programiranjem u Nano.

Drugi primjeri iz biblioteke SDD1306 korisni su za istraživanje korištenja OLED zaslona.

Korak 6: Demonstracija senzora alkohola i alkotestora MQ-3

Senzor alkoholnog plina MQ-3 (tehnički list) je jeftin poluvodički senzor koji može otkriti prisutnost alkoholnih plinova u koncentracijama od 0,05 mg/L do 10 mg/L. Senzorni materijal koji se koristi u MQ-3 je SnO2, koji pokazuje povećanu vodljivost kada je izložen povećanju koncentracija alkoholnih plinova. MQ-3 je visoko osjetljiv na alkohol s vrlo malo unakrsne osjetljivosti na dim, paru ili benzin.

Ovaj modul MQ-3 pruža neobrađeni analogni izlaz u odnosu na koncentraciju alkohola. Modul također sadrži LM393 (tablični list) komparator za prag digitalnog izlaza.

Modul MQ-3 može se spojiti na Nano prema ovoj tablici:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Ne koristi se

Demo kôd iz videa.

UPOZORENJE: Ovaj projekat je samo edukativna demonstracija. To nije medicinski instrument. Nije kalibrirano. Ni na koji način nema namjeru odrediti razinu alkohola u krvi radi procjene zakonskih ili sigurnosnih granica. Ne budi glup. Nemojte piti i voziti. Stići živ!

Korak 7: Otkrivanje ketona

Ketoni su jednostavni spojevi koji sadrže karbonilnu skupinu (dvostruka veza ugljik-kisik). Mnogi ketoni važni su i u industriji i u biologiji. Uobičajeni otapalo aceton je najmanji keton.

Danas je mnogima poznata ketogena dijeta. To je dijeta koja se zasniva na konzumiranju masti, dovoljnih proteina i malo ugljikohidrata. To tjera tijelo da sagorijeva masti, a ne ugljikohidrate. Uobičajeno, ugljikohidrati sadržani u hrani pretvaraju se u glukozu, koja se zatim prenosi po tijelu i posebno je važna za poticanje moždane funkcije. Međutim, ako u prehrani ima malo ugljikohidrata, jetra pretvara masti u masne kiseline i ketonska tijela. Ketonska tijela prelaze u mozak i zamjenjuju glukozu kao izvor energije. Povišen nivo ketonskih tijela u krvi dovodi do stanja poznatog kao ketoza.

Primjer projekta otkrivanja ketona

Još jedan primjer projekta otkrivanja ketona

Poređenje senzora za gas MQ-3 sa TGS822

Korak 8: Mjerenje kvalitete zraka

Do zagađenja zraka dolazi kada se u atmosferu unesu štetne ili prevelike količine tvari, uključujući plinove, čestice i biološke molekule. Zagađenje može uzrokovati bolesti, alergije, pa čak i smrt ljudi. Također može nanijeti štetu drugim živim organizmima, poput životinja, usjeva hrane i okoliša općenito. Ljudska aktivnost i prirodni procesi mogu uzrokovati zagađenje zraka. Zagađenje zraka u zatvorenim prostorima i loša kvaliteta gradskog zraka navedeni su kao dva od najvećih svjetskih problema toksičnog zagađenja.

Možemo usporediti rad dva različita senzora kvalitete zraka (ili opasnosti od zraka). To su MQ-135 (podatkovni list) i MP503 (podatkovni list).

MQ-135 je osjetljiv na metan, okside dušika, alkohole, benzen, dim, CO2 i druge molekule. Njegov interfejs je identičan interfejsu MQ-3.

MP503 je osjetljiv na formaldehid, benzen, ugljični monoksid, vodik, alkohol, amonijak, dim cigarete, mnoge mirise i druge molekule. Njegov interfejs je prilično jednostavan, pruža dva digitalna izlaza za označavanje četiri nivoa koncentracija zagađivača. Zadani konektor na MP503 ima muško zaglavlje omotano plastikom, koje se može ukloniti i zamijeniti standardnim 4-pinskim zaglavljem (isporučuje se u vrećici) za upotrebu s lemljenim pločama, DuPont kratkospojnicima ili sličnim uobičajenim konektorima.

Korak 9: Mjerenje kvaliteta vode

TDS-3 Tester kvalitete vode

Ukupne otopljene čvrste tvari (TDS) predstavljaju ukupnu količinu pokretnih iona, uključujući minerale, soli ili metale otopljene u određenoj količini vode. TDS, koji se temelji na vodljivosti, izražava se u dijelovima na milion (ppm) ili miligramima po litru (mg/L). Otopljene čvrste supstance uključuju bilo koji prisutni provodljivi anorganski element osim molekula čiste vode (H2O) i suspendovanih čvrstih materija. EPA maksimalni nivo zagađivača TDS -a za ljudsku potrošnju je 500 ppm.

Uzimanje TDS mjerenja

1. Skinite zaštitni poklopac.
2. Uključite TDS mjerač. Prekidač za uključivanje/isključivanje nalazi se na ploči.
3. Uronite mjerač u vodu/otopinu do max. nivo uronjenosti (2”).
4. Lagano promiješajte mjerač kako biste uklonili mjehuriće zraka.
5. Sačekajte dok se prikaz ne stabilizuje. Nakon što se očitanje stabilizuje (približno 10 sekundi), pritisnite dugme HOLD da vidite očitavanje iz vode.
6. Ako mjerač prikazuje simbol „x10“koji treperi, pomnožite očitanje s 10.
7. Nakon upotrebe otresite višak vode sa mjerača. Vratite poklopac.

Izvor: Potpuno uputstvo

Eksperiment: Napravite svoj vlastiti jednostavan TDS mjerač (projekt sa video zapisom ovdje) koji se može kalibrirati i testirati na TDS-3.

Korak 10: Toplinsko otkrivanje

GY-906 Beskontaktni modul senzora temperature

GY-906 toplinski senzorski modul opremljen je MLX90614 (detalji). Ovo je jednostavan za korištenje, ali vrlo snažan jednozonski infracrveni termometar, koji može osjetiti temperaturu objekta između -70 i 380 ° C. Za komunikaciju koristi I2C sučelje, što znači da samo trebate posvetiti dvije žice sa svog mikrokontrolera za povezivanje s njim.

Demo projekt termo-sensinga.

Još jedan projekat sa termo senzorom.

DS18B20 Senzor temperature otporan na vodu

Jednožilni temperaturni senzor DS18B20 (detalji) može mjeriti temperaturu od -55 ℃ do 125 ℃ sa tačnošću od ± 5.

Korak 11: HAKNITE PLANETU

Ako ste uživali u ovom Instructable -u i želite da vam svaki mjesec na sandučić padne cool kutija sa elektronikom i projektima računalne tehnologije, pridružite se revoluciji surfanjem na HackerBoxes.com i pretplatom na našu mjesečnu kutiju iznenađenja.

Javite se i podijelite svoj uspjeh u komentarima ispod ili na Facebook stranici HackerBoxes. Svakako nas obavijestite ako imate pitanja ili trebate pomoć oko bilo čega. Hvala vam što ste dio HackerBox -a!