Sähköisten antureiden ymmärtäminen: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Tämä "Instructable" on tarkoitettu selittämään tavallisten teollisuus- ja kotitalousantureiden toimintaa, ja se opettaa sinulle, miten voit käyttää kaupallisesti saatavia antureita reaalimaailmassa käytännön harjoitusten ja kokeiden avulla.

Tämä oppitunti kattaa lyhyesti piirit, jotka voivat aistia seuraavaa:

• Lämpötilan muutokset
• Kosketus (kapasitiivinen ihokosketus)
• Kosketetaan (kytkimet ja painikkeet)
• Muutokset valossa
• Muutokset äänessä
• Kiihtyvyyden muutokset (liike ja painovoima)

Mukana ovat myös tarvittavat laitteistot ja ohjelmistot, mistä ostaa / ladata kohteita, kuinka asettaa piirit numeeriselle lähdölle, kuinka lukea numeerinen lähtö ja tausta kunkin anturin toiminnasta.

Aloitetaan!

Vaihe 1: perusteellisesti testattu - ympäristön ostaminen ja lataaminen

Näet koko Instructable -ohjelman, että tämän oppitunnin yksityiskohdat testattiin perusteellisesti paikallisessa yliopistossa vierailevien teini -ikäisten osana kiinnostukseen mekatroniikasta (robotiikka ja valmistus)

Oreo -evästeet ovat hyödyllisiä, mutta eivät pakollisia

Adafruit -ihmiset valmistivat tänään käytettävän levyn, nimeltään "Circuit Playground - Classic", ja he ovat testanneet perusteellisesti useita tapoja käyttää laitetta. Näet joitain näistä heidän "Opi" -sivullaan täällä, mikä seuraa suunnilleen tätä ohjeellista laboratoriokokeita ja alivaiheita-tämän Adafruitin "Opi" -sivun, https://learn.adafruit.com/circuit-playground, ansiosta -ja bluetooth-vähän energiaa

Tarvitsemasi osat ovat yksinkertaisia, halpoja ja helppokäyttöisiä monen ikäryhmän kokeilijoille, jopa nuorille kuin yläasteelle (ehkä 12 -vuotiaille?)

1. Osta ensin yksi tai useampi laite täältä: https://www.adafruit.com/product/3000 ja myös USB-Micro-B-USB-sovitin tietokoneeseen yhdistämistä varten täältä https://www.adafruit.com/ Tuote/898. Kokonaiskustannukset ovat alle 40 dollaria lähettämisen kanssa, mutta saatat löytää sen halvemmaksi.
2. Kun olet ostanut ja vastaanottanut halvan Circuit Playgroundin ja USB -kaapelin, sinun on liitettävä se tietokoneeseen (PC), jossa on integroitu kehitysympäristö (IDE) Arduino -tyyppisille laitteille.
3. Tässä esimerkissä käytämme IDE arduino-1.8.4-ikkunoita, mutta myös muut toimivat. Muista asentaa kaikki ohjaimet (tässä tapauksessa adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Kun olet asentanut IDE: n, voit avata IDE: n nimeltä "Arduino"
5. Lisää Tiedosto-> Asetukset-kohtaan seuraava "Hallituksen lisähallinnan URL-osoite" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, sano OK ja sulje ja avaa sitten IDE
6. Liitä nyt Circuit Playground -laite Micro USB -liitäntään. Varmista, että se käynnistyy ja suorittaa oletusohjelman "Circuit Playground Firmata" näyttämällä sateenkaaren valosarjan. Voit testata, että akun virtaliittimen lähellä oleva kytkin muuttaa järjestystä ja yksi painikkeista soittaa jokaisen värin.
7. Sinun on hankittava Circuit Playground -kirjasto ja purettava sitten Circuit PLayground -kirjasto Dokumentit -> Arduino -> kirjastojen kansioon "Adafruit_CircuitPlayground -master". Kun paketti on purettu, poista pääte "-master" kansion nimestä. Pysäytä ja käynnistä IDE uudelleen ja lataa Circuit Playground Board -tyyppi kohdasta Tools -> Boards -> Board Manager ja etsi sitten tyyppi "Contributed" ja avainsanat "Adafruit AVR". Tämän avulla voit asentaa "Adafruit AVR Boards" -laitteen (viimeisin versio), jonka jälkeen sinun on lopetettava ja käynnistettävä IDE
8. Nyt olet valmis testaamaan Circuit Playgroundia demo -ohjelmalla. Yhdistä Circuit Playgroundiin USB -liitännän kautta. Mene Työkalut -> Taulut ja varmista, että valitset Circuit Playground. Valitse Työkalut -> Portit ja varmista, että valitset sopivan COM -portin (USB Blaster -laitteeseen liitetyn). Lataa esittelyohjelma seuraavasti: Valitse: Tiedostot -> Esimerkit -> Adafruit Circuit PLayground -> demo ja käännä sitten ja lataa (voi tehdä "oikean osoittavan nuolen" -painikkeella kaiken)
9. Testaa demo -ohjelma seuraavasti: Tarkista, että Circuit Playground vilkkuu sateenkaarisarjassa. Käännä liukusäädintä ja katso, että se saa nuotit soimaan (sammuta se takaisin, muuten se varmasti ärsyttää kaikkia ympärilläsi olevia). Katso, että punainen latausvalo vilkkuu ajoitusnopeutta.
10. Nyt voit kommunikoida Circuit Playgroundin kanssa tekstiliitännän kautta. Napsauta "Serial Monitor" -painiketta IDE: ssä. Se näyttää suurennuslasilta demo -ohjelmaikkunan oikeassa yläkulmassa. Voit halutessasi poistaa automaattisen vierityksen käytöstä saadaksesi paremman ilmeen.

Olet valmis kokeilemaan ja muodostamaan yhteyden kaikkiin eri antureihin!

Vaihe 2: Lämpötilan tunnistaminen

Katso sarjamonitorin tekstilähdön "lämpötila" -arvoa. Huoneen lämpötila on jossain 30 -luvulla. Mittasin 39,43 astetta.

Lämpötilan mittaamiseen käytettävä termistori näkyy kuvassa. Se on anturi A0 ja sen vieressä on lämpömittarin kuva.

Laita peukalo varovasti lämpötila -anturin päälle ja kirjaa ylös, kuinka monta sekuntia kestää saavuttaa huippulämpötila. Merkitse tämä muistiin sekä seuraavat asiat:

Sormen maksimilämpötilan saavuttaminen kesti _ sekuntia.

Mikä on korkein lämpötila, jonka se lopulta saavutti? _ C.

Mikä tämä arvo on Fahrenheitissa? _ F. VIHJE: F = (C * 1,8) + 32

Onko tämä normaalia kehon lämpötilaa lämpimämpää tai viileämpää? _

Olisiko tämän lämpömittarin käyttäminen peukalon kanssa hyvä kuumeindikaattori kertomaan, ovatko he sairaita?

Miksi? _

Termistori on erityinen vastus, joka muuttaa vastusta lämpötilan mukaan. Yksi tämän vaiheen kuvista esittää tyypillisen termistoripiirikaavion. ·

Mikä olisi esitetyssä piirissä lukema volttimittarissa? _ VIHJE: Käytä jännitteenjakajasääntöä Vout = (5V * R1 ohmia) / (R1 ohmia + termistoriohmia)

Jos termistorin luokitus on”1,5%: n vastusmuutos C -astetta kohti” - mikä on termistorin vastus, jos lämpötila nousee 30 asteeseen? _ VIHJE: koska muutos on 5 astetta ja jokainen aste muuttaa vastusta 1,5%, saamme termistoriohmin = (5 * 0,015) + 10 000 ohmia

Mikä olisi volttimittarin lukema 32 ° C: ssa? _ VIHJE: Nyt muutos on 7 astetta.

Missä lämpötila -antureita voitaisiin käyttää valmistuksessa?

Vaihe 3: Kapasitiivinen kosketusanturi

Valokuva näyttää, mitä liittimistä (tai "tyynyistä") voidaan käyttää myös kosketuksen havaitsemiseen. Niitä kutsutaan kapasitiivisiksi kosketusantureiksi, koska ne käyttävät ihmiskehoa elektronisena komponenttina, jota kutsutaan kondensaattoriksi.

Turvallisuuden vuoksi haluamme, että sähkövirta on erittäin alhainen. Tästä syystä kaikki tyynyjen ulkoiset liitännät kulkevat 1 megaohmin vastuksen läpi yhteiseen alueeseen (sirun nasta 30), joten kahden tyynyn välinen kokonaisvastus on 2 megaohmia.

• Jos minkä tahansa kahden tyynyn välinen huippujännite on 5 volttia ja vastus on 2 megaohmia, mikä olisi virta, joka kulkee minkä tahansa kahden tyynyn välillä, jos ne ovat oikosulussa? _ (ÄLÄ oikosulje niitä)
• "Capsense" ovat numeroita, jotka näytetään tekstikäyttöliittymässä. Missä tapauksessa numerot ovat suurempia, kun antureita kosketetaan tai kun niihin ei koske? _
• Kirjaa esimerkkejä numeroista, kun antureita EI koske: _
• Kirjaa esimerkkejä numeroista, kun antureita kosketetaan: _
• Mitä eroa havaitset, kun useita antureita kosketetaan samanaikaisesti? _
• Mitä tapahtuu, jos pidät jotain metallista kiinni ja kosketat sitä anturilla? _
• Mitä tapahtuu, jos pidät kädessäsi jotain ei-metallista ja kosketat anturia sillä? _
• Koska kapasitiivisissa kosketusantureissa ei ole liikkuvia osia, ne kestävät hyvin tärinää. Ne voidaan myös peittää vedenpitävällä suojapinnoitteella. Miksi nämä kaksi näkökohtaa voivat olla hyödyllisiä tuotantoympäristössä? _

Vaihe 4: Perinteiset painikkeet ja liukusäätimet

Painonapit ja kytkimet vaikuttavat niin yksinkertaisilta ja "arkipäiviltä", että pidämme niitä itsestäänselvyytenä niiden käyttämisestä antureina. Näppäimistö on loistava esimerkki. Kun haluamme kirjoittaa nopeasti, saamme muutamia "vääriä" näppäinpainalluksia ja meillä on pitkä käyttöikä monien vuosien ajan - mekaaniset kytkimet (yksi näppäimistön jokaisen näppäimen alla) ovat oikea tapa edetä.

Nykyään käyttämässämme piirissä on kolme painikkeista "ajoittaista" kytkintä. Tämä tarkoittaa sitä, että kun päästät painikkeen irti, ne palaavat takaisin alkuperäiseen asentoonsa (jousikuormitetun mekanismin ansiosta). Piirissä on myös anturi, joka on omistettu kaksiasentoiselle liukukytkimelle. Sen liukuminen voi vaatia jonkin verran vaivaa, mutta älä riko levyä yrittäessäsi tehdä niin - liu'uta sivuttain lujemmin kuin painat alas. Tämäntyyppinen anturi on erittäin vakaa. Vakaa tarkoittaa sitä, että kun liu'utat sen yhteen tai toiseen asentoon, voit täysin odottaa, että pystyt kävelemään pois ja palaamaan pitkän ajan kuluttua ja odottamaan sen olevan edelleen samassa asennossa, vaikka se olisi tärisevällä pinnalla, jne.

Missä olet nähnyt tällaisen liukukytkimen valmistuksessa tai jopa kotisi?

_

Katso tekstin tulosta ja etsi anturitiedot. Tässä tapauksessa anturi ei ehkä anna numeroa, vaan jotain muuta.

"Liukukytkimen" pitäisi osoittaa sen sijainti. Mitä arvoja "liukueste" ottaa kahdessa asennossa?

_

Jotain muuta tapahtuu yhdessä kahdesta dian asennosta. Mikä tuo on?

_

P. S. Kaikkien muiden kohteliaisuutena liu'uta kytkin "vähemmän ärsyttävään" asentoon heti, kun olet suorittanut tämän osan.

Vaihe 5: Valoanturit

Kuten lämpötila -anturi, myös Circuit Playground -kortin valotunnistinpiiri käyttää jännitteenjakajapiiriä, jossa laitetta ohjaavat 5 volttia jaetaan kahteen osaan, anturin ja kiinteän arvon vastuksen avulla. Valotunnistin käyttää "termistorin" sijasta "valotransistoria", joka muuttaa vastusta sen valon määrän perusteella. Näet valotransistorin “A5” aivan piirilevyn silmän grafiikan vieressä.

Jos valoanturi on suunnattu huoneen kattoa kohti (valoja kohti), valotunnistimen arvon tulee olla satoja.

Mitä "valoanturin" arvoa havaitset, kun "silmä" osoittaa huoneen kattoa kohti?

_

Entä jos osoitat”silmän” lattiaa kohti - minkä luvun havaitset? _

Entä jos osoitat”silmän” eri kulmista katon ja lattian välille? - Kuvaile havaitsemiasi asioita, mukaan lukien havaitsemiesi lukujen arvot ja mitä olet tehnyt saadaksesi nämä luvut. _

Entä jos osoitat anturin lähellä olevaa (mutta ei koskettavaa) tummaa kangaspalaa - minkä luvun havaitset? _

Kun peität sen (anturi "silmän" lähellä) sormellasi, numeron pitäisi laskea. Tekee sen? _

Huomaa, että sormesi on puoliksi läpinäkyvä, joten hehkuvan LED-valon kirkkaat valot voivat sytyttää sen sormesi läpi. Mitä muuta voit käyttää anturin peittämiseen saadaksesi pienemmän numeron? _

Valoanturit voivat olla hieman hienovaraisia - eivät aina anna tarkkaa lukemaa, mitä odotat, ja riippuu suuresti heijastavuudesta, läpinäkyvyydestä, valaistuskulmasta ja valaistuksen kirkkaudesta. Valmistavat visiojärjestelmät pyrkivät ohittamaan nämä rajoitukset hallitsemalla näitä muuttujia tiukasti. Esimerkiksi viivakoodiskanneri voi käyttää kirkkaasti keskitettyä yksiväristä laserraitaa huoneen valaistuksen vaikutuksen minimoimiseksi. Toisessa esimerkissä maitokotelon kuljetinhihna käyttää "autotallin oven" -tyyppistä valoanturia, joka laskee maitopakkaukset laskemalla kuinka monta kertaa valon sallitaan kulkea niiden välillä.

Anna eri esimerkki valmistuksesta, kodista tai yrityksestä, jossa joitakin näistä valomuuttujista ohjataan paremman valotunnistustuloksen saamiseksi (tässä jo mainittujen esimerkkien lisäksi):

Vaihe 6: Äänianturi

Piirileikkikentän äänianturi on itse asiassa melko kehittynyt mikroelektromekaaninen järjestelmä (MEMS), jota ei voida käyttää vain äänitasojen havaitsemiseen, vaan se voi myös suorittaa perustaajuusanalyysin. Olet ehkä nähnyt spektrianalysaattorin näytön musiikkistudiossa tai musiikkisoitinsovelluksessa - joka näyttää pylväskaaviosta, jossa matalat nuotit vasemmalla ja korkeammat nuotit oikealla (aivan kuten graafinen taajuuskorjain).

Tekstin lukemassa näkyvä arvo on itse asiassa raakaääniaalto. Meidän olisi lisättävä arvot ajan mittaan löytääksemme äänen kokonaistehon (äänenpainetaso).

Tästä huolimatta tätä MEMS -laitetta voidaan käyttää käynnistämään robotin tai muun laitteen toimintaa, kun ääniä on läsnä tai kun tietty äänisarja kuuluu. Lisäksi MEMS -laitteet ovat erittäin pieniä (se on metallilaatikon pienen reiän alla oleva laite, joka on levyn "korvakuvan" vieressä) ja pienitehoisia. Tämä yhdistelmä tekee MEMS-laitteista erittäin hyödyllisiä akustisiin, biolääketieteellisiin, mikronesteiden havaitsemiseen, mikrokirurgisiin työkaluihin, kaasu- ja kemiallisiin virtausantureihin ja muihin.

Koska lähtö on äänen aaltomuoto (eikä tehotaso), näet arvojen pienemmän alueen, kun asiat ovat hiljaisia (~ 330 on keskellä täysin hiljaista huonetta) ja laajemmat heilut koville äänille (0-800 tai niin).

Tallenna”Äänianturi” -arvot, kun vain huoneen taustamelu on läsnä. Mitä arvoa sinä havaitset? _ - _

Mitä arvoa havaitset, jos puhut normaalilla äänellä - noin 2 metrin etäisyydellä anturista? _ - _

Saatko suuremman arvoalueen puhumalla tai napsauttamalla sormiasi (tai taputtaa) toistuvasti?

Kyllä tai ei: _

Miksi luulet sen olevan? _

Kokeile muunlaista melua ja tallenna havaitsemasi - mutta älä kosketa taulua: _

P. S. MEMS -laitteet toimivat molempiin suuntiin, ja sähköä voidaan käyttää mikromekaanisten osien siirtämiseen. Yritys nimeltä”Audio Pixels” pyrkii ryhmittelemään nämä laitteet yhteen tekemään täysin litteän pienen kaiuttimen, joka voi osoittaa äänen mihin tahansa suuntaan.

Vaihe 7: Kiihtyvyysmittarit

Kiihtyvyysmittari on myös MEMS -tyyppi, ja yksi näistä laitteista on Circuit Playground -kortilla. LIS3DH -siru, lähellä levyn keskustaa XYZ -grafiikan vieressä, antaa mahdollisuuden mitata kiihtyvyyttä mihin tahansa suuntaan kiihtyvyyden vektorisummana X-, Y- ja Z -suunnassa.

Koska painovoima on identtinen kiihtyvyydellä tuntuvan voiman kanssa (Einsteinin suhteellisuusteoria), laite mittaa kiihtyvyyden jopa 9,8 metriä sekunnissa sekunnissa (9,8 m/s2), vaikka se seisoo paikallaan maan päällä.

Voit kääntää laitetta saadaksesi koko voiman X -suuntaan.

Yritä kallistaa laitetta niin, että kaikki kiihdytykset ovat X -suunnassa (ole varovainen lyhyen USB -kaapelin kanssa, kun käännät asioita ympäri). Mitä arvoja noudatit? X: _ Y: _ Z: _

Kallista laitetta, niin saat lähes kaiken painovoiman (kiihtyvyyden) Y -suuntaan. Mitä arvoja noudatit? X: _ Y: _ Z: _

Sijoita laite lopuksi siten, että painovoiman kiihtyvyys jakautuu X- ja Y -suuntiin ja on lähes 0 Z -suunnassa (jossain kahden edellisen asennon välissä). Mitä arvoja noudatit? X: _ Y: _ Z: _

Käytä Pythagoraan lauseen avulla X- ja Y -kiihtyvyysvektoreita edellisestä mittauksesta. Voit jättää huomiotta negatiiviset merkit, se tarkoittaa, että laite on vain ylösalaisin tähän suuntaan. Mikä on kokonaiskiihtyvyys? _ Muista, että kokonaiskiihtyvyys = √ (X2 + Y2).

YRITÄ SEURAAVAA KOKEELTA VAIN KUIN OLET KOLMELIMITTAINEN! Kallista laitetta niin, että painovoiman kiihtyvyys jakautuu X-, Y- ja Z -suuntiin. Mitä arvoja noudatit?

X: _ Y: _ Z: _ kokonaiskiihtyvyys = _

Kuten näette, kiihtyvyysanturia (painovoiman ansiosta) voidaan käyttää myös kallistuksen - tai levyn aseman - mittaamiseen. Jos rakentaisit robottivarren tarttujalla, minne voisit sijoittaa kiihtyvyysanturin anturin ja miksi? _

Kallistuksen ja maan keskipisteen suunnan lisäksi kiihtyvyysmittarit voivat luonnollisesti mitata myös kiihtyvyyttä. Siirrä levyä varovasti edestakaisin (ole varovainen lyhyen USB -kaapelin kanssa, kun kierrät asioita ympäri). Mitä arvoja noudatit?

Suunta siirretty: _ X: _ Y: _ Z: _

Suunta siirretty: _ X: _ Y: _ Z: _

Vaihe 8: Olet valmis

Onnittelut kaikkien näiden vaiheiden suorittamisesta ja elektronisten antureiden ymmärtämisestä!

Jätä kommentti lähettääksesi minulle palautetta asioista, joita sinun mielestäsi olisi parannettava, ja kerro myös minulle, jos olet keksinyt Circuit Playground Classicin muita anturikäyttöjä!

Paul Nussbaum, tohtori