Razumijevanje elektronskih senzora: 8 koraka

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

S namjerom da objasni rad uobičajenih industrijskih i kućnih senzora, ovaj "Instructable" vas uči kako koristiti komercijalno dostupne senzore u stvarnom svijetu koristeći praktične vježbe i eksperimente.

Ova lekcija će ukratko obuhvatiti krugove koji mogu osjetiti sljedeće:

• Promjene temperature
• Dodirnuti (kapacitivni kontakt sa kožom)
• Dodirnuti (prekidači i dugmad)
• Promene u svetlosti
• Promjene u zvuku
• Promjene u ubrzanju (kretanje i gravitacija)

Obuhvaćeni su i potrebni hardver i softver, gdje kupiti / preuzeti artikle, kako postaviti sklopove za numerički izlaz, kako čitati numerički izlaz i pozadinu rada svakog senzora.

Hajde da počnemo!

Korak 1: Temeljito testirano - Kupovina i preuzimanje okruženja

U cijelom Instructable -u ćete vidjeti da su detalji ove lekcije detaljno ispitani od strane tinejdžera koji su posjetili lokalni univerzitet u sklopu njihovog interesa za mehatroniku (robotika i proizvodnja)

Oreo kolačići su korisni, ali nisu obavezni

Ljudi iz Adafruit -a proizveli su ploču koju ćemo danas koristiti, nazvanu "Circuit Playground - Classic" i temeljno su testirali veliki broj načina korištenja uređaja. Neke od njih možete vidjeti na njihovoj stranici "Učenje" ovdje, koja otprilike približno prati ovaj Instruktivni laboratorijski eksperiment i pod-korake-zahvaljujući ovoj stranici "Uči" Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -i-bluetooth-niske energije

Dijelovi koji su vam potrebni su jednostavni, jeftini i laki za upotrebu za eksperimentatore iz širokog raspona dobnih skupina, čak i u srednjoj školi (možda 12 godina?)

1. Prvo kupite jedan ili više uređaja ovdje: https://www.adafruit.com/product/3000, a također i USB na Micro-B USB adapter za povezivanje s računalom ovdje https://www.adafruit.com/ proizvod/898. Ukupna cijena je ispod 40 USD s dostavom, ali možda će vam biti jeftinija.
2. Nakon što kupite i dobijete svoje jeftino Circuit Playground i USB kabel, morat ćete ga spojiti na osobno računalo (PC) koje ima integrirano razvojno okruženje (IDE) za uređaje tipa Arduino.
3. U ovom primjeru koristimo IDE arduino-1.8.4-windows, ali i drugi će raditi. Obavezno instalirajte sve upravljačke programe (u ovom slučaju adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Nakon što instalirate IDE, možete otvoriti IDE pod nazivom "Arduino"
5. Pod Datoteka-> Postavke umetnite sljedeći "Dodatni URL upravitelja ploče" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, zatim recite U redu, a zatim zatvorite i ponovo otvorite IDE
6. Sada spojite uređaj Circuit Playground s mikro USB -om. Pobrinite se da se uključi i pokrene zadani program "Circuit Playground Firmata" prikazivanjem duginih nizova svjetla. Možete testirati da prekidač u blizini priključka za napajanje baterije mijenja redoslijed i da jedno od dugmadi svira notu za svaku boju.
7. Morat ćete nabaviti biblioteku Circuit Playground, a zatim raspakirati biblioteku Circuit PLayground u mapu Documents -> Arduino -> libraries "Adafruit_CircuitPlayground -master". Nakon raspakiranja uklonite sufiks "-master" iz naziva mape. Zaustavite i ponovo pokrenite IDE i učitajte Vrstu ploče za igralište sa krugovima pod Alati -> Ploče -> Upravitelj ploče, a zatim potražite tip "Doprinosi" i ključne riječi "Adafruit AVR". Ovo će vam omogućiti da instalirate "Adafruit AVR ploče" (najnovija verzija) nakon čega biste trebali zaustaviti i ponovo pokrenuti IDE
8. Sada ste spremni za testiranje Circuit Playground -a s demo programom. Spojite se na Circuit Playground spojeno putem USB -a. Idite na Alati -> Ploče i provjerite jeste li odabrali Circuit Playground. Idite na Alati -> Portovi i provjerite jeste li odabrali odgovarajući COM port (onaj koji je spojen na USB Blaster). Preuzmite demo program na sljedeći način: Odaberite: Datoteke -> Primjeri -> Adafruit Circuit PLayground -> demo, a zatim kompajlirajte i otpremite (za sve to možete koristiti dugme "strelica usmjerena nadesno")
9. Testirajte demo program slijedeći ove korake: Provjerite da li Circuit Playground treperi u nizu duginih boja. Okrenite klizač i provjerite uzrokuje li sviranje nota (isključite ga, inače će zasmetati svima oko vas). Vidite da crvena LED lampica za preuzimanje treperi brzinu vremena.
10. Sada možete komunicirati s kružnim igralištem putem tekstualnog sučelja. Kliknite na dugme "Serijski monitor" u IDE -u. Izgleda poput lupe u gornjem desnom kutu prozora demo programa. Možda ćete htjeti isključiti automatsko pomicanje kako biste bolje vidjeli.

Spremni ste za eksperiment i povezivanje sa svim različitim senzorima!

Korak 2: Mjerenje temperature

Pogledajte vrijednost "temperature" na tekstualnom izlazu serijskog monitora. Imat će vrijednost sobne temperature negdje u 30 -ima. Izmerio sam 39,43 stepena Celzijusa.

Termistor koji se koristi za mjerenje temperature prikazan je na fotografiji. To je senzor A0 i ima grafiku termometra pored sebe.

Lagano stavite palac preko senzora temperature i zabilježite koliko je sekundi potrebno da se postigne najveća temperatura. Zabilježite ovo, kao i sljedeće:

Za postizanje maksimalne temperature prsta bilo je potrebno _ sekundi.

Koja je najviša temperatura koju je na kraju dosegao? _ C

Kolika je ova vrijednost u Fahrenheitu? _ F. SAVET: F = (C * 1.8) + 32

Je li ovo toplije ili hladnije od normalne tjelesne temperature? _

Bi li upotreba ovog termometra s nečijim palcem bila dobar pokazatelj vrućice da se utvrdi da li je bolestan?

Zašto? _

Termistor je posebna vrsta otpornika koji mijenja otpor prema temperaturi. Jedna od slika u ovom koraku prikazuje tipičnu shemu kruga termistora. ·

U prikazanom kolu, koje bi bilo očitanje na Voltmetru? _ SAVET: Upotrijebite pravilo razdjelnika napona Vout = (5V * R1 Ohm) / (R1 Ohm + Termistor Ohm)

Ako termistor ima ocjenu “1,5% promjene otpora po stupnju C” - koja će biti otpornost termistora ako temperatura poraste do 30 stupnjeva C? _ SAVJET: budući da se radi o promjeni od 5 stupnjeva, a svaki stupanj mijenja otpor za 1,5%, dobijamo ohm termistora = (5 * 0,015) + 10 000 Ohma

Na 32 stepena C, koje bi bilo očitanje na Voltmetru? _ SAVET: Sada je promena 7 stepeni.

Gdje se senzori temperature mogu koristiti u vrstama proizvodnje?

Korak 3: Kapacitivni senzor dodira

Fotografija prikazuje koji se od konektora (ili "jastučića") također mogu koristiti za otkrivanje dodira. Nazivaju se kapacitivnim senzorima dodira jer koriste ljudsko tijelo kao elektroničku komponentu zvanu kondenzator.

Iz sigurnosnih razloga želimo da električna struja bude vrlo niska. Iz tog razloga, svi vanjski priključci na jastučiće prolaze kroz otpornik od 1 Mega ohma u zajedničko područje (pin #30 čipa), tako da je ukupni otpor između bilo koja dva jastučića 2 mega oma.

• Ako je vršni napon između bilo koja dva jastučića 5 volti, a otpor 2 mega ohma, kolika bi bila struja koja prolazi između bilo koja dva jastučića ako su kratko spojeni? _ (NE Kratko ih spojite)
• "Capsense" su brojevi koje prikazuje tekstualno sučelje. U kojem slučaju su brojevi veći, kada se dodiruju senzori ili kada se ne dodiruju? _
• Snimite neke primjere brojeva kada se senzori NE dodiruju: _
• Snimite neke primjere brojeva kada se senzori dodiruju: _
• Koju razliku primjećujete kada se istovremeno dodirne više senzora? _
• Što se događa ako držite nešto metalno i dodirnete senzor s tim? _
• Što se događa ako držite nešto nemetalno i dodirnete senzor s tim? _
• Budući da kapacitivni senzori na dodir nemaju pokretnih dijelova, vrlo su otporni na vibracije. Također, mogu biti prekrivene vodootpornim zaštitnim premazom. Zašto bi ova dva aspekta mogla biti korisna u proizvodnom okruženju? _

Korak 4: Tradicionalna dugmad i klizni prekidači

Tipke i prekidači djeluju tako jednostavno i „svakodnevno“da ih uzimamo zdravo za gotovo kada je u pitanju njihova upotreba kao senzora. Tastatura je odličan primjer. Kada želimo brzo kucati, imati nekoliko „lažnih“pritisaka na tipke i imati dug životni vijek dugogodišnje upotrebe - mehanički prekidači (po jedan ispod svakog tastera na tastaturi) su pravi način.

Krug koji danas koristimo ima tri prekidača sa prekidima. To znači da kada otpustite dugme, oni se vraćaju u prvobitni položaj (zahvaljujući mehanizmu sa oprugom). Krug također ima senzor namijenjen kliznom prekidaču u dva položaja. Možda će biti potrebno malo napora da ga pomaknete, ali nemojte slomiti ploču pokušavajući to učiniti - klizite bočnije čvršće nego što pritisnete prema dolje. Ova vrsta senzora je vrlo stabilna. Stabilno znači da kada ga pomaknete u jedan ili drugi položaj, možete u potpunosti očekivati da ćete se moći udaljiti i vratiti dugo kasnije i očekivati da će i dalje biti u istom položaju, čak i ako je na vibrirajućoj površini itd.

Gdje ste vidjeli takav klizni prekidač u proizvodnji, pa čak ni u svojoj kući?

_

Pogledajte izlaz teksta i pronađite informacije o senzoru. U tom slučaju senzor možda neće prikazati broj, već nešto drugo.

Prekidač "klizni" trebao bi označavati njegov položaj. Koje vrijednosti senzor "klizanja" ima u dva položaja?

_

Nešto se drugo događa u jednom od dva položaja kliznika. Šta je to?

_

P. S. U znak ljubaznosti prema svima ostalima, pomaknite prekidač u položaj "manje dosadno" čim završite s ovim odjeljkom.

Korak 5: Senzori svjetla

Kao i temperaturni senzor, krug senzora svjetla na ploči "Circuit Playground" koristi krug razdjelnika napona - gdje se 5 volti koji pokreću uređaj sječe na dva dijela, senzorom i otpornikom fiksne vrijednosti. Umjesto „termistora“, svjetlosni senzor koristi „foto-tranzistor“koji mijenja otpor na osnovu količine svjetlosti koja ga udara. Možete vidjeti foto-tranzistor “A5” odmah do grafike oka na ploči.

Ako je svjetlosni senzor usmjeren prema stropu prostorije (prema svjetlima), vrijednost "Senzora svjetlosti" trebala bi biti u stotinama.

Koju vrijednost "Senzora svjetlosti" primjećujete kada je "oko" usmjereno prema stropu prostorije?

_

Šta ako usmjerite "oko" prema podu - koji broj promatrate? _

Šta ako usmjerite "oko" u različitim kutovima između stropa i poda? - Opišite šta ste zapazili, uključujući vrijednosti brojeva koje ste primijetili i šta ste učinili da dobijete te brojeve. _

Šta ako usmjerite senzor na bliski (ali ne dodirujući) komad tamne tkanine - koji broj promatrate? _

Pokrivajući ga (senzor blizu "oka") prstom trebalo bi smanjiti broj. Je li? _

Imajte na umu da je vaš prst poluproziran, pa ga jaka svjetla užarene LED diode mogu zasjati kroz vaš prst. Čime biste još mogli prikriti senzor da biste dobili manji broj? _

Senzori svjetla mogu biti pomalo izbirljivi - ne daju uvijek točno očitanje koje biste očekivali, a uvelike ovise o refleksivnosti, prozirnosti, kutu osvjetljenja i jačini osvjetljenja. Sistemi vizije u proizvodnji nastoje prevazići ova ograničenja strogom kontrolom ovih varijabli. Na primjer, skener za crtični kod može koristiti svijetlo fokusiranu jednobojnu lasersku traku kako bi minimizirao utjecaj sobnog osvjetljenja. U drugom primjeru, transportna traka sa kartonom za mlijeko koristi senzor svjetla u stilu "garažnih vrata", brojeći kutije mlijeka brojeći koliko je puta svjetlo dozvoljeno da prođe između njih.

Navedite drugačiji primjer iz proizvodnje, kuće ili posla u kojem se neke od ovih varijabli svjetlosti kontroliraju kako bi se dobio bolji rezultat senzora svjetla (osim primjera koje sam već spomenuo ovdje):

Korak 6: Senzor zvuka

Senzor zvuka na “Circuit Playground-u” zapravo je prilično sofisticiran mikro-elektro-mehanički sistem (MEMS) koji se ne može koristiti samo za otkrivanje audio nivoa, već i za obavljanje osnovne analize frekvencije. Možda ste vidjeli analizator spektra u muzičkom studiju ili aplikaciji za reprodukciju muzike - koji izgleda kao stupčasti grafikon sa niskim notama lijevo i višim notama s desne strane (baš kao što se prikazuje grafički ekvilajzer).

Vrijednost koja se prikazuje na očitavanju teksta je zapravo sirovi audio valni oblik. Morali bismo vremenom dodavati vrijednosti kako bismo pronašli ukupnu snagu zvuka (nivo zvučnog pritiska).

Ipak, ovaj MEMS uređaj može se koristiti za pokretanje radnji robota ili drugog uređaja kada su prisutni zvukovi ili kada se čuje određeni slijed zvukova. Osim toga, MEMS su izuzetno mali (to je uređaj ispod te male rupe na metalnoj kutiji, tik do grafike "uho" na ploči) i male snage. Ova kombinacija čini MEMS uređaje iznimno korisnim za akustičku, biomedicinsku, detekciju mikrotečnosti, mikrokirurške alate, senzore protoka plina i kemikalija itd.

Budući da je izlaz audio valni oblik (a ne nivo snage), vidjet ćete manji raspon vrijednosti kada su stvari tihe (~ 330 je sredina za savršeno tihu prostoriju) i šire zamahe za glasne zvukove (0 do 800 ili otprilike).

Snimite vrijednosti "Senzora zvuka" kada je prisutna samo pozadinska buka prostorije. Koju vrijednost promatrate? Od do _

Koju vrijednost primjećujete ako govorite normalnim tonom glasa - oko 2 stope udaljeni od senzora? Od do _

Dobivate li veći raspon vrijednosti govoreći ili neprestano puckajući prstima (ili pljeskajući)?

Da ili ne: _ Bes od pljeskanja/pucanja ide od _ do _

Zašto mislite da je to tako? _

Isprobajte druge vrste buke i zabilježite ono što opažate - ali nemojte dodirivati ploču: _

P. S. MEMS rade u oba smjera, a moguće je koristiti električnu energiju za pomicanje mikromehaničkih dijelova. Kompanija pod nazivom “Audio Pixels” radi na grupiranju ovih uređaja kako bi napravila savršeno ravni maleni zvučnik koji može usmjeriti zvuk u bilo kojem smjeru.

Korak 7: Akcelerometri

Akcelerometar je također vrsta MEMS -a, a jedan od ovih uređaja nalazi se na ploči „Circuit Playground“. Čip LIS3DH, blizu središta ploče pored grafike XYZ, daje mogućnost mjerenja ubrzanja u bilo kojem smjeru kao vektorski zbir ubrzanja u smjeru X, Y i Z.

Budući da je sila gravitacije identična sili koja se osjeća ubrzanjem (Einsteinova teorija relativnosti), čak i dok miruje ovdje na zemlji, uređaj mjeri ubrzanje od 9,8 metara u sekundi u sekundi (9,8 m/s2).

Uređaj možete rotirati da biste cijelu silu doveli u smjeru “X”.

Pokušajte nagnuti uređaj tako da svo ubrzanje bude u smjeru X (budite nježni s kratkim USB kabelom pri izvrtanju stvari). Koje ste vrijednosti primijetili? X: _ Y: _ Z: _

Sada nagnite uređaj tako da gotovo svu silu gravitacije (ubrzanje) dovede u smjeru Y. Koje ste vrijednosti primijetili? X: _ Y: _ Z: _

Konačno, postavite uređaj tako da se ubrzanje od gravitacije podijeli između smjerova X i Y i bude gotovo 0 u smjeru Z (negdje između prethodna dva položaja). Koje ste vrijednosti primijetili? X: _ Y: _ Z: _

Pomoću Pitagorine teoreme dodajte X i Y vektore ubrzanja iz prethodnog mjerenja. Negativne znakove možete zanemariti, što znači da je uređaj samo naopačke u tom smjeru. Koje je ukupno ubrzanje? _ Podsjetimo da je ukupno ubrzanje = √ (X2 + Y2).

POKUŠAJTE SLJEDEĆI EKSPERIMENT SAMO AKO STE TRODIMENZIONALNI! Nagnite uređaj tako da se ubrzanje od gravitacije podijeli između smjerova X, Y i Z. Koje ste vrijednosti primijetili?

X: _ Y: _ Z: _ Ukupno ubrzanje = _

Kao što vidite, akcelerometar (zahvaljujući sili gravitacije) može se koristiti i za mjerenje nagiba - ili položaja ploče. Ako ste gradili robotsku ruku s hvataljkom, gdje biste mogli staviti senzor akcelerometra i zašto? _

Osim nagiba i smjera središta zemlje, akcelerometri prirodno mogu mjeriti i ubrzanje. Lagano pomičite ploču naprijed -natrag (molimo vas da budete nježni s kratkim USB kabelom pri izvrtanju stvari). Koje ste vrijednosti primijetili?

Smjer pomaknut: _ X: _ Y: _ Z: _

Smjer pomaknut: _ X: _ Y: _ Z: _

Korak 8: Gotovi ste

Čestitamo na završetku svih ovih koraka i razumijevanju elektronskih senzora!

Ostavite komentar kako biste mi poslali povratne informacije o stvarima za koje mislite da bi ih trebalo poboljšati, a također me obavijestite ako ste smislili dodatnu upotrebu senzora za Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD