Elektroniese sensors verstaan: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Hierdie "Instructable", wat bedoel is om die werking van algemene industriële en huishoudelike sensors te verduidelik, leer u hoe u kommersieel beskikbare sensors kan gebruik in 'n werklike wêreldwye implementering met behulp van praktiese oefeninge en eksperimente.

Hierdie les dek kortliks kringe wat die volgende kan aanvoel:

• Veranderinge in temperatuur
• Word aangeraak (kapasitiewe velkontak)
• Word aangeraak (skakelaars en knoppies)
• Veranderinge in die lig
• Veranderinge in klank
• Veranderinge in versnelling (beweging en swaartekrag)

Daarbenewens word hardeware en sagteware benodig, waar om die items te koop / af te laai, hoe om die stroombane vir numeriese uitset op te stel, hoe om die numeriese uitset te lees en 'n agtergrond oor hoe elke sensor werk.

Laat ons begin!

Stap 1: Deeglik getoets - die aankoop en aflaai van die omgewing

In die instruksies sal u sien dat die besonderhede van hierdie les deeglik getoets is deur tieners wat 'n plaaslike universiteit besoek as deel van hul belangstelling in megatronika (robotika en vervaardiging)

Oreo -koekies is nuttig, maar nie nodig nie

Die Adafruit -mense het die bord vervaardig wat ons vandag gaan gebruik, die 'Circuit Playground - Classic' genoem, en hulle het 'n groot aantal maniere om die toestel te gebruik, deeglik getoets. U kan 'n paar hiervan op hul 'Leer'-bladsy hier sien, wat hierdie instruksie-laboratoriumeksperiment en substappe redelik grof volg-met vergunning van hierdie' Leer'-bladsy van Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -en-bluetooth-lae-energie

Die onderdele wat u benodig, is eenvoudig, goedkoop en maklik om te gebruik vir eksperimenteerders uit 'n wye verskeidenheid ouderdomsgroepe, selfs so jonk as die middelbare skool (miskien 12 jaar oud?)

1. Koop eers een of meer van die toestelle hier: https://www.adafruit.com/product/3000 en ook 'n USB na Micro-B USB-adapter om aan te sluit op u rekenaar hier https://www.adafruit.com/ produk/898. Die totale koste is onder $ 40 met aflewering, maar u kan dit goedkoper vind.
2. Nadat u u goedkoop kringloopbaan en USB -kabel gekoop en ontvang het, moet u dit aansluit op 'n persoonlike rekenaar (rekenaar) met 'n geïntegreerde ontwikkelingsomgewing (IDE) vir toestelle van die Arduino -tipe.
3. In hierdie voorbeeld gebruik ons die IDE arduino-1.8.4-vensters, maar ander sal ook werk. Maak seker dat u alle bestuurders installeer (in hierdie geval, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Nadat u die IDE geïnstalleer het, kan u IDE genaamd "Arduino" oopmaak
5. Onder lêer-> Voorkeure voeg die volgende "Addisionele raadbestuurder-URL" in https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, sê dan OK en sluit dan en maak die IDE weer oop
6. Koppel nou die Circuit Playground -toestel met die Micro USB. Kyk dat dit die standaardprogram "Circuit Playground Firmata" aanskakel en bestuur deur 'n reënboogreeks ligte te vertoon. U kan toets dat die skakelaar naby die batteryaansluiting die volgorde omkeer en dat een van die knoppies 'n noot speel vir elke kleur.
7. U moet die Circuit Playground -biblioteek kry en dan die Circuit PLayground -biblioteek uitpak in die gids Dokumente -> Arduino -> biblioteke "Adafruit_CircuitPlayground -master." Sodra u die rits losgemaak het, verwyder die agtervoegsel "-master" uit die lêernaam. Stop en herbegin die IDE en laai die tipe speelbordbord onder Tools -> Boards -> Board Manager en soek dan na die tipe "Bydrae" en die sleutelwoorde "Adafruit AVR". Hiermee kan u die "Adafruit AVR Boards" (nuutste weergawe) installeer, waarna u die IDE moet stop en weer begin
8. Nou is u gereed om die Circuit Playground met 'n demo -program te toets. Koppel aan die Circuit Playground wat via USB gekoppel is. Gaan na Tools -> Boards en maak seker dat u Circuit Playground kies. Gaan na Tools -> Ports en maak seker dat u die toepaslike COM -poort kies (die een wat aan die USB Blaster gekoppel is). Laai 'n demo -program soos volg af: Kies: lêers -> voorbeelde -> Adafruit Circuit PLayground -> demo en stel dan op en laai op (kan die "pyltjie na regs wys" -knoppie gebruik om alles te doen)
9. Toets die demo -program deur die volgende stappe te volg: Kyk dat die Circuit Playground in die reënboogvolgorde flikker. Draai die skuifknoppie en kyk of dit notas laat speel (skakel dit weer af, anders sal dit sekerlik almal rondom u irriteer). Kyk dat die rooi aflaai -LED die tydsberekeningstempo knipper.
10. Nou kan u via die teksinterface met die Circuit Playground kommunikeer. Klik op die "Serial Monitor" -knoppie in die IDE. Dit lyk soos 'n vergrootglas regs bo in die demo -programvenster. U wil outomaties blaai uitskakel om beter te kyk.

U is gereed om te eksperimenteer en aan te sluit by al die verskillende sensors!

Stap 2: Temperatuur waarneem

Kyk na die 'temperatuur' -waarde op die teksuitset van u seriële monitor. Dit sal iewers in die 30's 'n kamertemperatuurwaarde hê. Ek het 39,43 grade Celsius gemeet.

Die termistor wat gebruik word om temperatuur te meet, word op die foto getoon. Dit is sensor A0 en 'n grafiek van 'n termometer langsaan.

Sit u duim saggies oor die temperatuursensor en teken aan hoeveel sekondes dit neem om 'n maksimum temperatuur te bereik. Maak hiervan kennis, asook die volgende:

Om die maksimum vinger temperatuur te bereik, het dit _ sekondes geneem.

Wat is die hoogste temperatuur wat dit uiteindelik bereik het? _ C

Wat is hierdie waarde in Fahrenheit? _ F. WENK: F = (C * 1.8) + 32

Is dit warmer of koeler as normale liggaamstemperatuur? _

Sou die gebruik van hierdie termometer met iemand se duim 'n goeie koorsaanwyser wees om te sien of hulle siek is?

Hoekom? _

'N Termistor is 'n spesiale soort weerstand wat weerstand verander volgens die temperatuur. Een van die foto's in hierdie stap toon 'n tipiese termistorkringdiagram. ·

Wat sou die lesing op die voltmeter in die getoonde stroombaan wees? _ WENK: Gebruik die spanningsverdelingsreël Vout = (5V * R1 Ohm) / (R1 Ohm + Thermistor Ohms)

As die termistor '1,5% weerstandsverandering per graad C' het - wat is die weerstand van die termistor as die temperatuur tot 30 grade C styg? _ WENK: aangesien dit 'n verandering van 5 grade is, en elke graad die weerstand met 1.5%verander, kry ons Thermistor Ohms = (5 * 0.015) + 10.000 Ohm

By 32 grade C, wat sou die lesing op die voltmeter wees? _ WENK: Nou is die verandering 7 grade.

Waar kan temperatuursensors in die vervaardigingsvorme gebruik word?

Stap 3: Kapasitiewe aanraaksensor

Die foto toon watter van die verbindings (of 'pads') ook gebruik kan word om aanraking op te spoor. Hulle word kapasitiewe aanraaksensors genoem omdat hulle die menslike liggaam as 'n elektroniese komponent, 'n kondensator, gebruik.

Vir veiligheid wil ons hê dat enige elektriese stroom baie laag is. Om hierdie rede gaan alle eksterne verbindings met die pads deur 'n 1 Mega Ohm -weerstand na 'n gemeenskaplike gebied (pen #30 van die chip), sodat die totale weerstand tussen twee pads 2 Mega Ohm is.

• As die piekspanning tussen twee pads 5 Volt is en die weerstand 2 Mega Ohm, wat sou die stroom wees wat tussen twee pads gaan as hulle kortsluit? _ (MOENIE hulle kortsluit nie)
• "Capsense" is die getalle wat deur die teks -koppelvlak vertoon word. In watter geval is die getalle groter, as daar aan die sensors geraak word, of as dit nie aangeraak word nie? _
• Teken 'n paar voorbeelde van getalle aan as daar nie aan die sensors geraak word nie: _
• Teken 'n paar voorbeelde van getalle aan wanneer die sensors aangeraak word: _
• Watter verskil merk u op wanneer daar aan verskeie sensors gelyktydig geraak word? _
• Wat gebeur as u iets metaal hou en die sensor daarmee aanraak? _
• Wat gebeur as u iets nie-metaal hou, en die sensor daarmee aanraak? _
• Omdat kapasitiewe aanraaksensors geen bewegende dele het nie, is hulle baie bestand teen vibrasies. Hulle kan ook bedek word met 'n waterdigte beskermende laag. Waarom kan hierdie twee aspekte nuttig wees in 'n vervaardigingsomgewing? _

Stap 4: Tradisionele knoppies en skuifskakelaars

Drukknoppies en skakelaars lyk so eenvoudig en "alledaags" dat ons dit as vanselfsprekend beskou as dit kom by die gebruik daarvan as sensors. Die sleutelbord is 'n goeie voorbeeld. As ons vinnig wil tik, 'n paar "valse" toetsaanslagen wil hê en 'n lang lewensduur wil gebruik - meganiese skakelaars (een onder elke sleutel op die sleutelbord) is die regte pad.

Die stroombaan wat ons vandag gebruik, het drie “intermitterende” skakelaars met drie knoppies. Dit beteken dat die een wat u die knoppie laat los het, terugkeer na hul oorspronklike posisie (danksy 'n veerbelaaide meganisme). Die kring het ook 'n sensor wat toegewy is aan 'n tweestandige skuifskakelaar. Dit kan 'n bietjie moeite verg om dit te skuif, maar moenie die bord probeer breek nie - gly stewiger sywaarts as wat u druk. Hierdie tipe sensor is baie stabiel. Stabiel beteken dat sodra u dit na die een of ander posisie skuif, u ten volle kan verwag dat u lank daarna kan wegstap en kan terugkom en kan verwag dat dit steeds in dieselfde posisie is, selfs al is dit op 'n vibrerende oppervlak, ens.

Waar het u so 'n skuifskakelaar in die vervaardiging of selfs u huis gesien?

_

Kyk na die teksuitset en vind die sensorinligting. In hierdie geval gee die sensor moontlik nie 'n nommer uit nie, maar eerder iets anders.

Die "skyf" -skakelaar moet sy posisie aandui. Watter waardes neem die 'gly' sensor in die twee posisies in?

_

Iets anders gebeur in een van die twee skyfposisies. Wat is dit?

_

P. S. Ter wille van almal, skuif die skakelaar na die posisie "minder irriterend" sodra u klaar is met hierdie afdeling.

Stap 5: Lichtsensors

Net soos die temperatuursensor, gebruik die ligsensorkring op die "Circuit Playground" -bord 'n spanningsverdelerkring - waar die 5 Volt -aandrywing van die toestel in twee dele gesny word, deur die sensor en deur 'n weerstand met 'n vaste waarde. In plaas van 'n 'termistor' gebruik die ligsensor 'n 'fototransistor' wat die weerstand verander op grond van die hoeveelheid lig wat dit tref. U kan die fototransistor "A5" langs die grafiek van die oog op die bord sien.

As die ligsensor na die plafon van die kamer (na die ligte) gerig is, behoort die waarde van "Lichtsensor" in honderde te wees.

Watter waarde van "Lichtsensor" sien u as die "oog" na die plafon van die kamer gerig is?

_

Wat daarvan as u die “oog” na die vloer wys - watter nommer sien u? _

En as u die 'oog' in verskillende hoeke tussen die plafon en die vloer wys? - Beskryf wat u waargeneem het, insluitend die waardes van die getalle wat u waargeneem het, en wat u gedoen het om die getalle te kry. _

En as u die sensor na 'n naby (maar nie aanraking) stuk donker lap wys - watter nommer sien u? _

As u dit met u vinger bedek (sensor naby die 'oog'), moet u die nommer laat sak. Doen dit? _

Let op, u vinger is halfdeursigtig, sodat die helder ligte van die gloeiende LED dit deur u vinger kan laat gloei. Wat anders kan jy gebruik om die sensor te bedek om 'n laer getal te kry? _

Ligsensors kan ietwat fyn wees - gee nie altyd die presiese lesing wat u sou verwag nie, en hang baie af van die reflektiwiteit, deursigtigheid, beligtingshoek en helderheid van beligting. Vervaardigingsvisiestelsels probeer om hierdie beperkings te oorkom deur hierdie veranderlikes styf te beheer. Byvoorbeeld, 'n strepieskodeskandeerder kan 'n helder gefokusde eenkleurige laserstreep gebruik om die impak van kamerbeligting te verminder. In 'n ander voorbeeld, gebruik 'n melkkartransporteur 'n ligsensor in die "motorhuisdeur", en tel melkkartonne deur te tel hoeveel keer lig tussen hulle kan beweeg.

Gee 'n ander voorbeeld van vervaardiging, huis of besigheid, waar sommige van hierdie ligveranderlikes beheer word om 'n beter ligsensorresultaat te kry (behalwe die voorbeelde wat ek hier reeds genoem het):

Stap 6: Klanksensor

Die klanksensor op die "Circuit Playground" is eintlik 'n taamlik gesofistikeerde Micro Electro-Mechanical System (MEMS) wat nie net gebruik kan word om klankvlakke op te spoor nie, maar ook basiese frekwensie-analise kan uitvoer. U het moontlik 'n spektrumanaliseerder in 'n musiekateljee of 'n musiekspelerprogram gesien - wat lyk soos 'n staafgrafiek met die lae note na links en die hoër note regs (net soos 'n grafiese gelykmaker).

Die waarde wat op die teksuitlees vertoon word, is in werklikheid die rou klankgolfvorm. Ons sal mettertyd die waardes moet byvoeg om die totale krag van die klank (die klankdrukvlak) te bepaal.

Hierdie MEMS -toestel kan nietemin gebruik word om aksies deur 'n robot of 'n ander toestel te aktiveer wanneer klanke voorkom, of as 'n spesifieke volgorde van klanke gehoor word. Boonop is die MEMS uiters klein (dit is die toestel onder die klein gaatjie op die metaalkas, regs langs die grafiek "oor" op die bord) en lae krag. Hierdie kombinasie maak MEMS-toestelle uiters nuttig vir akoestiese, biomediese, mikro-vloeistof opsporing, mikro-chirurgiese gereedskap, gas- en chemiese vloedsensors, en meer.

Omdat die uitset die klankgolfvorm is (en nie die kragvlak nie), sal u minder bereik in die waardes sien as dinge stil is (~ 330 is die middel vir 'n heeltemal stil kamer) en groter swaaie vir harde geluide (0 tot 800 of so).

Teken die waardes van die "klanksensor" op as slegs die agtergrondgeraas van die kamer voorkom. Watter waarde neem u in ag? Van na _

Watter waarde neem u waar as u met 'n normale stemtoon praat - ongeveer 2 voet van die sensor af? Van na _

Kry u 'n groter reeks waardes deur te praat of herhaaldelik met u vingers te klap (of te klap)?

Ja of nee: _ Woede vir klap/knip gaan van _ na _

Hoekom dink jy dit is? _

Probeer ander soorte geraas en teken dit op wat u waarneem - maar moenie op die bord tik nie: _

P. S. MEMS werk in beide rigtings, en dit is moontlik om elektrisiteit te gebruik om die mikro -meganiese dele te beweeg. 'N Onderneming genaamd' Audio Pixels 'werk daaraan om hierdie toestelle saam te voeg om 'n perfek plat klein luidspreker te maak wat die geluid in enige rigting kan wys.

Stap 7: Versnellingsmeters

'N Versnellingsmeter is ook 'n tipe MEMS, en een van hierdie toestelle word op die bord van "Circuit Playground" verskaf. Die LIS3DH -chip, naby die middel van die bord langs die XYZ Graphic, gee die vermoë om versnelling in enige rigting te meet as die vektorsom van versnelling in die X-, Y- en Z -rigting.

Aangesien die gravitasiekrag identies is aan die krag wat deur versnelling gevoel word (Einstein se relatiwiteitsteorie), meet die toestel, selfs as dit hier op aarde stilstaan, 'n versnelling van 9,8 meter per sekonde per sekonde (9,8 m/s2).

U kan die toestel draai om die hele krag in die "X" rigting te kry.

Probeer om die toestel te kantel sodat al die versnelling in die X -rigting is (wees versigtig met die kort USB -kabel as u dinge draai). Watter waardes het u waargeneem? X: _ Y: _ Z: _

Kantel nou die toestel om byna al die gravitasiekrag (versnelling) in die Y -rigting te kry. Watter waardes het u waargeneem? X: _ Y: _ Z: _

Plaas die toestel laastens sodat die versnelling van swaartekrag tussen die X- en Y -rigtings verdeel word en byna 0 in die Z -rigting is (iewers tussen die vorige twee posisies). Watter waardes het u waargeneem? X: _ Y: _ Z: _

Gebruik die Pythagorese stelling om die versnellingsvektore X en Y van die vorige meting by te voeg. U kan negatiewe tekens ignoreer, dit beteken dat die toestel net onderstebo in die rigting is. Wat is die totale versnelling? _ Onthou dat die totale versnelling = √ (X2 + Y2).

PROBEER SLEGS DIE VOLGENDE EKSperiment AS JY DRIE-DIMENSIONELE IS! Kantel die toestel sodat die versnelling van swaartekrag tussen die X-, Y- en Z -rigtings verdeel word. Watter waardes het u waargeneem?

X: _ Y: _ Z: _ Totale versnelling = _

Soos u kan sien, kan die versnellingsmeter (danksy die swaartekrag) ook gebruik word om die kanteling - of die posisie van die bord - te meet. As u 'n robotarm met 'n gryper bou, waar kan u die versnellingsmeter sensor plaas, en waarom? _

Behalwe kantel en die rigting van die middelpunt van die aarde, kan versnellingsmeters natuurlik ook versnelling meet. Beweeg die bord saggies heen en weer (wees versigtig met die kort USB -kabel as u dinge omdraai). Watter waardes het u waargeneem?

Rigting verskuif: _ X: _ Y: _ Z: _

Rigting verskuif: _ X: _ Y: _ Z: _

Stap 8: U is klaar

Baie geluk met die voltooiing van al hierdie stappe en die verstaan van elektroniese sensors!

Gee 'n opmerking om terugvoer te stuur oor dinge wat u dink moet verbeter, en laat weet my ook as u met die volgende sensorgebruik van die Circuit Playground Classic vorendag gekom het!

Paul Nussbaum, PhD