HackerBox 0035: Sähkökemia: 11 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Tässä kuussa HackerBox Hackers tutkii erilaisia sähkökemiallisia antureita ja testausmenetelmiä materiaalien fysikaalisten ominaisuuksien mittaamiseksi. Tämä ohjekirja sisältää tietoja HackerBox #0035: n käytön aloittamisesta. Voit ostaa sen täältä, kun tavaraa riittää. Lisäksi, jos haluat saada tällaisen HackerBoxin postilaatikkoosi joka kuukausi, tilaa HackerBoxes.com ja liity vallankumoukseen!

HackerBox 0035: n aiheet ja oppimistavoitteet:

• Määritä Arduino Nano käytettäväksi Arduino IDE: n kanssa
• Kytke ja koodaa OLED -moduuli mittausten näyttämiseksi
• Rakenna alkometrin demo alkoholianturien avulla
• Vertaa kaasun antureita ilmanlaadun mittaamiseen
• Määritä veden laatu liukenevien kiintoaineiden kokonaismäärästä (TDS)
• Testaa kontaktiton ja veteen upotettava lämpöanturi

HackerBoxes on kuukausittainen tilauslaatikkopalvelu DIY -elektroniikalle ja tietotekniikalle. Olemme harrastajia, tekijöitä ja kokeilijoita. Olemme unelmien haaveilijoita. HACK PLANET!

Vaihe 1: HackerBox 0035: Laatikon sisältö

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pikselin I2C -näyttö
• TDS-3 vedenlaadun mittari
• GY-906 kontaktiton lämpötilamoduuli
• MP503 ilmanlaadun saastumisanturi
• DS18B20 vedenpitävä lämpötila -anturi
• MQ-3-alkoholianturimoduuli
• MQ-135 ilmanvaarakaasuanturimoduuli
• DHT11 Kosteus- ja lämpötilamoduuli
• KY-008-lasermoduuli
• Joukko LED -valoja, 1K -vastuksia ja kosketuspainikkeita
• 400 pisteen "kristallinkirkas" leipälauta
• Hyppyjohtosarja - 65 kpl
• MircoUSB -kaapeli
• Ainutlaatuiset HackerBoxes -tarrat

Muutamia muita asioita, joista on apua:

• Juotosrauta, juote ja perusjuottotyökalut
• Tietokone ohjelmistotyökalujen suorittamiseen

Mikä tärkeintä, tarvitset seikkailutunnetta, DIY -henkeä ja hakkereiden uteliaisuutta. Hardcore DIY -elektroniikka ei ole vähäpätöinen harrastus, eikä HackerBoxeja kastella. Tavoitteena on edistyminen, ei täydellisyys. Kun jatkat ja nautit seikkailusta, voit saada paljon tyydytystä uuden tekniikan oppimisesta ja toivottavasti joidenkin projektien toimivuudesta. Suosittelemme, että otat jokaisen askeleen hitaasti, huomioi yksityiskohdat ja älä pelkää pyytää apua.

HackerBoxesin usein kysytyissä kysymyksissä on runsaasti tietoa nykyisille ja tuleville jäsenille.

Vaihe 2: Sähkökemia

Sähkökemia (Wikipedia) on fysikaalisen kemian haara, joka tutkii sähkön suhdetta mitattavana ja kvantitatiivisena ilmiönä ja tiettyä kemiallista muutosta tai päinvastoin. Kemiallisiin reaktioihin liittyy sähkövarauksia, jotka liikkuvat elektrodien ja elektrolyytin (tai ionien liuoksessa) välillä. Siten sähkökemia käsittelee sähköenergian ja kemiallisen muutoksen vuorovaikutusta.

Yleisimmät sähkökemialliset laitteet ovat päivittäiset paristot. Akut ovat laitteita, jotka koostuvat yhdestä tai useammasta sähkökemiallisesta kennosta ja joissa on ulkoiset liitännät sähkölaitteiden, kuten taskulamppujen, älypuhelimien ja sähköautojen, virransyöttöön.

Sähkökemialliset kaasuanturit ovat kaasunilmaisimia, jotka mittaavat kohdekaasun pitoisuutta hapettamalla tai pelkistämällä kohdekaasua elektrodilla ja mittaamalla tuloksena olevan virran.

Elektrolyysi on tekniikka, joka käyttää tasavirtaa (DC) muutoin ei-spontaanin kemiallisen reaktion ajamiseen. Elektrolyysi on kaupallisesti tärkeä vaihe elementtien erottamisessa luonnossa esiintyvistä lähteistä, kuten malmeista, käyttämällä elektrolyysikennoa.

Vaihe 3: Arduino Nano -mikrokontrollerialusta

Arduino Nano tai vastaava mikrokortti on loistava valinta sähkökemiallisten antureiden ja näyttölähtöjen liittämiseen tietokoneeseen tai videonäyttöön. Mukana tulevassa Arduino Nano -moduulissa on otsatapit, mutta niitä ei ole juotettu moduuliin. Jätä nastat toistaiseksi pois. Suorita nämä Arduino Nano -moduulin ensimmäiset testit ENNEN Arduino Nanon otsikkotappien juottamista. Seuraavia paria vaihetta varten tarvitaan vain microUSB -kaapeli ja Nano -moduuli juuri sellaisena kuin se tulee pussista.

Arduino Nano on pinta-asennettava, leipälautaystävällinen, pienikokoinen Arduino-levy, jossa on integroitu USB. Se on hämmästyttävän monipuolinen ja helppo hakata.

Ominaisuudet:

• Mikro -ohjain: Atmel ATmega328P
• Jännite: 5V
• Digitaaliset I/O -nastat: 14 (6 PWM)
• Analogiset tulonastat: 8
• DC -virta per I/O -nasta: 40 mA
• Flash -muisti: 32 kt (2 kt käynnistyslataimelle)
• SRAM: 2 kt
• EEPROM: 1 kt
• Kellotaajuus: 16 MHz
• Mitat: 17 x 43 mm

Tämä Arduino Nanon muunnelma on musta Robotdyn -muotoilu. Käyttöliittymä on sisäisen MicroUSB-portin kautta, joka on yhteensopiva samojen MicroUSB-kaapeleiden kanssa, joita käytetään monissa matkapuhelimissa ja tableteissa.

Arduino Nanosissa on sisäänrakennettu USB/Serial Bridge -siru. Tässä tietyssä versiossa siltapiiri on CH340G. Huomaa, että erityyppisissä Arduino -levyissä käytetään erilaisia USB-/sarjasiltapiirejä. Näiden sirujen avulla tietokoneen USB -portti voi kommunikoida Arduinon suoritinpiirin sarjaliitännän kanssa.

Tietokoneen käyttöjärjestelmä vaatii laiteohjaimen kommunikoidakseen USB-/sarjapiirin kanssa. Kuljettaja sallii IDE: n kommunikoida Arduino -kortin kanssa. Tarvittava laiteajuri riippuu sekä käyttöjärjestelmän versiosta että USB-/sarjapiirin tyypistä. CH340 USB-/sarjapiireille on saatavana ohjaimia monille käyttöjärjestelmille (UNIX, Mac OS X tai Windows). CH340: n valmistaja toimittaa nämä ohjaimet täällä.

Kun liität Arduino Nanon ensimmäisen kerran tietokoneen USB -porttiin, vihreän virran merkkivalon pitäisi syttyä ja pian sen jälkeen, kun sininen LED -valo alkaa vilkkua hitaasti. Tämä johtuu siitä, että Nano on esiladattu BLINK-ohjelmalla, joka toimii uudella Arduino Nanolla.

Vaihe 4: Arduinon integroitu kehitysympäristö (IDE)

Jos sinulla ei vielä ole Arduino IDE: tä asennettuna, voit ladata sen osoitteesta Arduino.cc

Jos haluat lisätietoa Arduinon ekosysteemissä työskentelystä, suosittelemme tutustumaan HackerBoxes Starter Workshopin ohjeisiin.

Liitä Nano MicroUSB -kaapeliin ja kaapelin toinen pää tietokoneen USB -porttiin, käynnistä Arduino IDE -ohjelmisto, valitse sopiva USB -portti IDE: stä kohdasta Työkalut> portti (todennäköisesti nimi, jossa on "wchusb"). Valitse myös "Arduino Nano" IDE: stä kohdasta Työkalut> taulu.

Lataa lopuksi esimerkikoodi:

Tiedosto-> Esimerkit-> Perusteet-> Vilkkuu

Tämä on itse asiassa koodi, joka oli esiladattu nanolle, ja sen pitäisi toimia juuri nyt, jotta sininen LED vilkkuu hitaasti. Näin ollen, jos lataamme tämän esimerkkikoodin, mikään ei muutu. Muokataan sen sijaan koodia hieman.

Tarkasti katsottuna näet, että ohjelma kytkee LED -valon päälle, odottaa 1000 millisekuntia (yksi sekunti), sammuttaa LED -valon, odottaa toisen sekunnin ja tekee sitten kaiken uudelleen - ikuisesti.

Muokkaa koodia vaihtamalla molemmat "delay (1000)" -lausekkeet tilaan "delay (100)". Tämä muutos saa LED -valon vilkkumaan kymmenen kertaa nopeammin, eikö?

Ladataan muokattu koodi nanoon napsauttamalla UPLOAD -painiketta (nuolikuvake) juuri muokatun koodisi yläpuolella. Katso koodin alta tilatiedot: "kokoaminen" ja sitten "lataaminen". Lopulta IDE: n pitäisi osoittaa "Lataus valmis" ja LED -valon pitäisi vilkkua nopeammin.

Jos näin on, onnittelut! Olet juuri hakkeroinut ensimmäisen upotetun koodin.

Kun nopea vilkkuva versio on ladattu ja käynnissä, miksi et katso, voitko vaihtaa koodin uudelleen niin, että LED-valo vilkkuu nopeasti kahdesti ja odota sitten muutama sekunti ennen toistamista? Kokeile! Entä muut mallit? Kun olet onnistunut visualisoimaan halutun tuloksen, koodaamaan sen ja havaitsemaan sen toimivan suunnitellusti, olet ottanut valtavan askeleen kohti pätevää laitteistohakkeria.

Vaihe 5: Otsatapit ja OLED Solderless Breadboardilla

Nyt kun kehitystietokoneesi on määritetty lataamaan koodi Arduino Nano -laitteeseen ja Nano on testattu, irrota USB -kaapeli nanosta ja valmistaudu juottamaan otsikkotappeja. Jos tämä on ensimmäinen iltasi taisteluklubissa, sinun on juotettava! Verkossa on paljon hienoja oppaita ja videoita juottamisesta (esimerkiksi). Jos sinusta tuntuu, että tarvitset lisäapua, yritä löytää alueeltasi paikallinen tekijäryhmä tai hakkeritila. Myös radioamatööriklubit ovat aina erinomaisia elektroniikkakokemuksen lähteitä.

Juotos kaksi yksirivistä otsikkoa (kukin viisitoista nastaa) Arduino Nano -moduuliin. Kuuden nastan ICSP (in-circuit serial programming) -liitintä ei käytetä tässä projektissa, joten jätä nastat pois. Kun juotos on valmis, tarkista huolellisesti juotosillat ja/tai kylmäjuotosliitokset. Lopuksi kytke Arduino Nano takaisin USB -kaapeliin ja tarkista, että kaikki toimii edelleen oikein.

Jos haluat liittää OLEDin nanoon, työnnä molemmat juotottomaan leipälevyyn kuvan mukaisesti ja lanka niiden väliin tämän taulukon mukaisesti:

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

Jos haluat ajaa OLED -näyttöä, asenna täältä löytyvä SSD1306 OLED -näytönohjain Arduino IDE: hen.

Testaa OLED -näyttö lataamalla esimerkki ssd1306/snowflakes ja ohjelmoimalla se Nano -laitteeseen.

Muita esimerkkejä SDD1306 -kirjastosta on hyödyllistä tutkia OLED -näytön käyttöä.

Vaihe 6: MQ-3-alkoholianturin ja alkometrin esittely

MQ-3-alkoholikaasuanturi (tietolomake) on edullinen puolijohdetunnistin, joka voi havaita alkoholikaasujen esiintymisen pitoisuuksilla 0,05 mg/l-10 mg/l. MQ-3: ssa käytetty anturimateriaali on SnO2, jonka johtavuus kasvaa, kun se altistuu kasvaville alkoholikaasupitoisuuksille. MQ-3 on erittäin herkkä alkoholille, ja se on hyvin vähäinen ristiinherkkyys savulle, höyrylle tai bensiinille.

Tämä MQ-3-moduuli tarjoaa raa'an analogilähdön suhteessa alkoholipitoisuuteen. Moduulissa on myös LM393 (datasheet) -vertailija, joka rajoittaa digitaalisen lähdön.

MQ-3-moduuli voidaan kytkeä nanoon tämän taulukon mukaisesti:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Ei käytössä

Demokoodi videosta.

VAROITUS: Tämä projekti on vain opettavainen esittely. Se ei ole lääketieteellinen väline. Sitä ei ole kalibroitu. Sitä ei ole tarkoitettu millään tavalla määrittämään veren alkoholipitoisuuksia lakisääteisten tai turvallisuusrajojen arvioimiseksi. Älä ole tyhmä. Älä juo ja aja. Saavu elävänä!

Vaihe 7: Ketonien havaitseminen

Ketonit ovat yksinkertaisia yhdisteitä, jotka sisältävät karbonyyliryhmän (hiili-happi-kaksoissidos). Monet ketonit ovat tärkeitä sekä teollisuudessa että biologiassa. Yleisin liuotin asetoni on pienin ketoni.

Nykyään monet tuntevat ketogeenisen ruokavalion. Se on ruokavalio, joka perustuu runsaasti rasvaa, riittävästi proteiinia ja vähän hiilihydraatteja. Tämä pakottaa kehon polttamaan rasvoja eikä hiilihydraatteja. Normaalisti ruoan sisältämät hiilihydraatit muutetaan glukoosiksi, joka kuljetetaan sitten ympäri kehoa ja on erityisen tärkeä aivotoiminnan edistämisessä. Kuitenkin, jos ruokavaliossa on vähän hiilihydraatteja, maksa muuntaa rasvan rasvahapoiksi ja ketonikappaleiksi. Ketonikehot siirtyvät aivoihin ja korvaavat glukoosin energialähteenä. Kohonnut ketonikappaleiden määrä veressä johtaa tilaan, joka tunnetaan ketoosina.

Esimerkki ketonien tunnistamisprojektista

Toinen esimerkki ketonien tunnistamisprojektista

MQ-3: n ja TGS822-kaasuanturien vertailu

Vaihe 8: Ilmanlaadun mittaus

Ilman saastuminen tapahtuu, kun haitallisia tai liiallisia määriä aineita, mukaan lukien kaasut, hiukkaset ja biologiset molekyylit, johdetaan ilmakehään. Saastuminen voi aiheuttaa sairauksia, allergioita ja jopa kuoleman ihmisille. Se voi myös vahingoittaa muita eläviä organismeja, kuten eläimiä, ruokakasveja ja ympäristöä yleensä. Sekä ihmisen toiminta että luonnolliset prosessit voivat aiheuttaa ilmansaasteita. Sisäilman saastuminen ja huono kaupunkien ilmanlaatu on lueteltu kahdeksi maailman pahimmista myrkyllisistä saastumisongelmista.

Voimme verrata kahden eri ilmanlaadun (tai ilmanvaaran) anturin toimintaa. Nämä ovat MQ-135 (tietolomake) ja MP503 (tietolomake).

MQ-135 on herkkä metaanille, typen oksideille, alkoholeille, bentseenille, savulle, CO2: lle ja muille molekyyleille. Sen käyttöliittymä on identtinen MQ-3-liitännän kanssa.

MP503 on herkkä formaldehydikaasulle, bentseenille, hiilimonoksidille, vedylle, alkoholille, ammoniakille, tupakansavulle, monille hajuille ja muille molekyyleille. Sen käyttöliittymä on melko yksinkertainen ja tarjoaa kaksi digitaalista lähtöä neljän epäpuhtauspitoisuuden tason osoittamiseen. MP503: n oletusliittimessä on muovinen koteloitu urosliitin, joka voidaan irrottaa ja korvata tavallisella 4-nastaisella otsikolla (toimitetaan pussissa) käytettäväksi juottamattomien leipälevyjen, DuPont-hyppyjohtimien tai vastaavien yleisten liittimien kanssa.

Vaihe 9: Veden laadun tunnistaminen

TDS-3 Vedenlaatutesteri

Liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärä (TDS) on liikkuvien varautuneiden ionien kokonaismäärä, mukaan lukien mineraalit, suolat tai metallit, jotka on liuotettu tiettyyn tilavuuteen vettä. Johtavuuteen perustuva TDS ilmaistaan miljoonasosina (ppm) tai milligrammoina litrassa (mg/L). Liuennut kiinteät aineet sisältävät kaikki johtavat epäorgaaniset alkuaineet, jotka eivät ole puhtaan veden molekyylejä (H2O) ja suspendoituneita kiintoaineita. EPA: n suurin saastuttava TDS -taso ihmisravinnoksi on 500 ppm.

TDS -mittausten ottaminen

1. Poista suojakorkki.
2. Kytke TDS -mittari päälle. ON/OFF -kytkin sijaitsee paneelissa.
3. Upota mittari veteen/liuokseen max. upotustaso (2”).
4. Sekoita mittaria kevyesti ilmakuplien poistamiseksi.
5. Odota, kunnes näyttö vakautuu. Kun lukema on vakiintunut (noin 10 sekuntia), paina HOLD -painiketta nähdäksesi lukeman vedestä.
6. Jos mittari näyttää vilkkuvaa x10 -symbolia, kerro lukema 10: llä.
7. Ravista käytön jälkeen ylimääräinen vesi mittarista. Vaihda korkki.

Lähde: Koko käyttöohje

Kokeilu: Rakenna oma yksinkertainen TDS-mittari (projekti videolla), joka voidaan kalibroida TDS-3: n kanssa ja testata sitä vastaan.

Vaihe 10: Lämpöanturi

GY-906 Kosketukseton lämpötila-anturimoduuli

GY-906-lämpöanturimoduuli on varustettu MLX90614: llä (yksityiskohdat). Tämä on helppokäyttöinen, mutta erittäin tehokas yhden vyöhykkeen infrapunalämpömittari, joka pystyy havaitsemaan esineiden lämpötilat välillä -70 ja 380 ° C. Se käyttää I2C -rajapintaa kommunikoidakseen, mikä tarkoittaa, että sinun tarvitsee vain käyttää kaksi johtoa mikrokontrolleristasi liitäntään sen kanssa.

Demo lämpöanturiprojekti.

Toinen lämpöanturihanke.

DS18B20 Vedenpitävä lämpötila -anturi

Yhden langan lämpötila -anturi DS18B20 (yksityiskohdat) voi mitata lämpötilan välillä -55 ℃ -125 ℃ ± 5: n tarkkuudella.

Vaihe 11: HACK PLANET

Jos olet nauttinut tästä Instructable -ohjelmasta ja haluat, että postilaatikkoosi saapuu viileä laatikko hakkeroitavia elektroniikka- ja tietotekniikkaprojekteja joka kuukausi, liity vallankumoukseen selaamalla HackerBoxes.com -sivustoa ja tilaamalla kuukausittainen yllätyslaatikko.

Ota yhteyttä ja jaa menestyksesi alla olevissa kommenteissa tai HackerBoxesin Facebook -sivulla. Kerro meille toki, jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset apua missä tahansa. Kiitos, että olet osa HackerBoxesia!