Czujnik maty podłogowej czuły na nacisk: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

W tej instrukcji podzielę się projektem wrażliwego na nacisk czujnika maty podłogowej, który jest w stanie wykryć, kiedy na nim staniesz. Chociaż nie może dokładnie ważyć, może określić, czy staniesz na nim z pełną wagą, czy po prostu nawiążesz z nim kontakt.

Mata mierzy ludzi używających Velostat, materiału, który zmienia swój opór elektryczny w zależności od zastosowanego na nią nacisku. Całą matę zrobiłem za mniej niż 20 euro (bez dywanu).

Krok 1: Czego będziesz potrzebować

Oto czego będziesz potrzebować do wykonania czujnika:

• Velostat: Aby pokryć wystarczającą powierzchnię pod dywan, użyłem 2 kwadratów 28 cm (11") kupionych u sprzedawcy Adafruit.
• Taśma miedziana: Użyłem 5mm szerokości i około 6-7m taśmy.
• Cienka taśma izolacyjna: użyłem taśmy kaptonowej o szerokości 25 mm.
• Okablowanie do podpięcia dywanu do czegoś.
• Lutownica z odrobiną cyny.
• Multimetr do testowania.

Aby faktycznie używać tego dywanu z mikrokontrolerem, będziesz potrzebować.:

• Rezystor 47 omów (lub podobnie o małej wartości).
• (opcjonalnie mosfet N-kanałowy z rezystorem 10k i rezystorem 220ohm).

Krok 2: (Jak nie nakładać taśmy miedzianej na Velostat)

Zacznę od tego, jak NIE nakładać taśmy miedzianej na Velostat.

Zacząłem od założenia, że „klej przewodzący” na taśmie jest przewodzący. Wydawało się to słusznym założeniem, ale albo moja taśma nie jest tego typu „przewodzącym klejem”, albo część „przewodząca” ledwo przewodzi.

Zacząłem od sklejenia 2 kwadratów Velostatu po obu stronach taśmą kaptonową. Następnie wycinałem 25-centymetrowe paski taśmy miedzianej i nakładałem je w równych odstępach. Taśma miedziana po obu stronach znajduje się dokładnie w tym samym miejscu, dzięki czemu pomiędzy miedzią jest tylko cienka warstwa Velostatu. Na zdjęciach schematyczny widok maty z wycięciem na przegląd.

Długi pasek taśmy miedzianej (około 50 cm) służy do łączenia wszystkich rzędów po obu stronach.

Po obu stronach przylutowano drut i wykonano pomiar rezystancji.

Kiedy próbowałem go przetestować, wartości multimetru gwałtownie wahałyby się między 10 000 a 100 omów. Również stanie na macie lub nie miało bardzo niewielkiego wpływu na pomiar. Coś było strasznie nie w porządku. Szybki pomiar taśmy wykazał, że klej nie jest tak naprawdę przewodzący. Przekładką materiałów była miedź, klej, Velostat, klej, miedź, a klej był rodzajem izolatora.

Morał z tej historii, wykonuj testy na małą skalę, jeśli nie masz pewności, czy to zadziała.

Krok 3: Test na małą skalę

Wróćmy do deski kreślarskiej. Strona klejąca taśmy miedzianej wyraźnie nie przewodzi wystarczająco. Przód to jednak czysta miedź. Co jeśli odwrócę taśmę tak, aby strona miedziana była skierowana w stronę Velostatu.

Po obu stronach odwrócono pojedynczy ślad. Wziąłem taśmę klejącą do dołu i przykleiłem ją do kawałka taśmy kaptonowej. Ponowne użycie taśmy miedzianej jest trudne, ale te rzeczy są nieco za drogie, aby je po prostu wyrzucić. Ten kawałek taśmy kaptonowej z miedzią odwróconą od lepkiej strony został naklejony na Velostat.

Dokonano nowego pomiaru. To natychmiast dało stabilny wynik. Jedna rzecz. Pojedynczy ślad wydawał się mieć 24 omy, gdy był wysoki, i 200, gdy był niski. To było podczas ściskania ręką tylko niewielkiej ilości. Jeśli mam 12 śladów i całkowicie na nim stanę, mata może spaść poniżej 1 oma, pobierając zdecydowanie za dużo prądu.

Zmieniłem projekt tak, aby tylko małe fragmenty taśmy miały kontakt z Velostatem. W ten sposób miałem nadzieję uzyskać opór do rozsądnej kwoty.

Krok 4: Nakładanie taśmy miedzianej na Velostat

Uzbrojony w wiedzę, jak faktycznie sprawić, by to zadziałało, przystąpiłem do naprawy maty sensorowej. Na zdjęciu zobaczysz, jak stara mata jest modyfikowana w nową matę.

Pierwszą rzeczą, którą zrobiłem, było dodanie małych kawałków taśmy jako izolatora. Taśma jest po obu stronach. Odstępy między taśmą muszą być w pewnym stopniu stałe i mieć około 1-3 cm, w zależności od pożądanego oporu. Luka musi znajdować się w tym samym miejscu po obu stronach.

Zdobądź pasek taśmy miedzianej i pasek taśmy kaptonowej wystarczająco długi, aby obejmował Velostat. Taśma miedziana musi być o 1-2 cm dłuższa niż taśma kaptonowa. Przyklej taśmę miedzianą po lepkiej stronie taśmy kaptonowej, tak aby jedna strona taśmy miedzianej przechodziła obok taśmy kaptonowej.

Przyklej zespół do Velostatu nad izolatorami. Upewnij się, że miedź znajduje się po obu stronach w tym samym miejscu. Upewnij się również, że nadmiar miedzi jest za każdym razem po tej samej stronie. Zagnij nadmiar miedzi, aby mieć miejsce na zamontowanie miedzianego paska łączącego. Jedną z rad jest umieszczenie nadmiaru miedzi na izolowanej części maty, aby później łatwiej było do niej przylutować.

Powtórz ten krok dla wszystkich rzędów.

Dodaj górny rząd taśmy miedzianej, która łączy ze sobą wszystkie wcześniej zamontowane paski miedzi. Rozsądnie jest odizolować ten rząd od Velostatu, aby zapobiec niechcianym szortom lub przeciekom. Górny rząd łączy się z zagiętymi zakładkami pozostawionymi w poprzednich krokach.

Ostrożnie przylutuj wszystkie krótkie paski do paska górnego. Ten lut jest potrzebny, ponieważ w przeciwnym razie górny pasek nie będzie stykał się z rzędami miedzi. Uważaj, aby nie dodać zbyt dużo ciepła do miedzi. Miedź jest zamontowana na plastiku (Velostat), a topienie przez plastik byłoby złe.

Przylutuj przewody do górnych rzędów po obu stronach. Wszędzie dobrze, wybrałem róg.

Przetestuj matę, aby upewnić się, że działa. Podłącz multimetr do maty i sprawdź, czy opór spadnie po naciśnięciu którejkolwiek z nieizolowanych części. Sprawdź również, czy opór jest w pewnym stopniu stabilny, jeśli nic nie robisz. Jeśli tak jest, gratulacje, mata teraz działa.

Jako ostatni krok, nałóż taśmę kaptonową na całą odsłoniętą miedź. Chociaż prawdopodobnie nie spowoduje to szortów, złą formą jest pozostawienie odsłoniętej miedzi.

(Na schematycznych obrazach górny rząd miedzi nie jest pokazany. Obraz służy jedynie do pokazania konfiguracji kaptonu i miedzi, aby ta mata działała.)

Krok 5: Testowanie maty

Nową matę podłączono do multimetru, aby ponownie ją przetestować. Tym razem bez obciążenia rezystancja maty wynosi stabilnie 17-20 omów.

Kiedy całkowicie stanę na macie, rezystancja spada do 4-6 omów. Jedna stopa na macie daje około 10 omów.

To trochę mniej niż jestem zadowolony, ale nadal jest to realna wartość. Jest duża różnica między brakiem obciążenia a osobą stojącą na macie. Poczyniono obserwację, że ciśnienie tak naprawdę nie definiuje oporu. Powierzchnia tak. Jeśli stanę na większej powierzchni maty przy mniejszym ciężarze, opór staje się niższy niż wtedy, gdy stoję całym ciężarem w jednym miejscu. To, do czego potrzebuję tego czujnika, jest świetne, ale pamiętaj o tym, jeśli go zbudujesz.

Krok 6: Okablowanie

Ponieważ mata jest po prostu dużym rezystorem zmiennym, wykonywanie pomiarów z maty jest dość proste.

Najprostszym sposobem jest użycie dzielnika napięcia. Dodaj rezystor przed matą czujnika ciśnienia (nazywaną na schemacie R_mat) i zmierz punkt między rezystorem a matą (nazywany MatA1). Użyłem 47 omów, ale twoja mata może potrzebować czegoś innego. Mój poziom logiczny to 3,3 V, możesz użyć dowolnego poziomu mocy logicznej.

Do mojej maty dodałem opcjonalny obwód wyłączania. Nie chciałem na mojej macie stałego poboru 50mA. Po prostu nie wiem, jak Velostat lubi przepływający przez nią prąd stały i spodziewam się, że będzie to źle wpływało na długowieczność maty. Obwód składa się z N-kanałowego mosfetu z wymaganymi rezystorami. Kiedy chcę czytać, włączam mosfet. Przez resztę czasu mosfet jest wyłączony, a mata nie ma przez niego mocy.

Krok 7: Jak z niego korzystać

Używanie maty z Arduino (lub dowolnym innym mikrokontrolerem) jest proste. Jeśli masz tylko dzielnik napięcia, po prostu podłącz matę do pinu analogowego, ustaw pin, do którego podłączasz matę, jako wejście i użyj polecenia odczytu analogowego. Wartość, jaką uzyskasz z tego, spadnie w zależności od tego, ile ciężaru przyłożysz do maty.

Jeśli masz zainstalowany mosfet, pamiętaj, aby przed dokonaniem pomiaru ustawić wysoki mosfet. W przeciwnym razie po prostu zmierzysz napięcie użyte do maty (w moim przypadku 3,3 V).

Wartość, którą otrzymujesz z maty, nie zmienia się zbytnio w czasie. Po prostu używam wartości progowej, aby określić, czy coś stoi na macie, a po miesiącu ciągłego użytkowania mata nadal działa dobrze.

Krok 8: Co zrobię inaczej następnym razem

Ważną rzeczą związaną z projektem jest to, że najpierw przetestowałbym odpowiednio małą wersję maty. Zrobiłem mały kawałek miedzi na Velostat, zobaczyłem liczby na multimetrze i założyłem, że wszystko działa. To był błąd.

Punktem związanym z matą jest to, że użyłbym mniejszych kawałków miedzi. Obecnie mam 48 plastrów po 2-3cm miedzi. Daje to rezystancję 20 omów w stanie spoczynku i około 5 omów, gdy na nim stoję. Chociaż jest to wykonalna liczba, byłoby łatwiej, gdyby była nieco niższa. 1 cm odsłoniętej miedzi wystarczyłby na tę matę. Nie zamierzam już tego robić na swoim, ale być może każdy, kto chce to zrobić, może na tym skorzystać.

Krok 9: Jak tego używam

Dlaczego konkretnie zrobiłem tę matę wrażliwą na nacisk? Zrobiłem fantazyjny budzik ESP32. Jest podłączony do mojego systemu Domoticz, może zwracać wartości z czujników, takie jak CO2 i temperatura, i może sterować moim oświetleniem. Informuje również o czasie i ma alarm.

Tutaj pojawia się mata czujnika. Nie mam problemu z budzeniem się. Budzę się ze światłem pobudki i zwykle nie śpię, kiedy muszę wyjść. Mam jednak problem ze wstawaniem z łóżka. Mata zmusza mnie do wstawania z łóżka. Alarm wyłącza się tylko wtedy, gdy faktycznie stanę na macie (lub wyciągnę wtyczkę z budzika). To zmusza mnie do wyjścia z łóżka, a kiedy już wychodzę z łóżka, rzadko wracam do niego. Chociaż jest to trochę przesadne rozwiązanie problemu, który ma wiele innych rozwiązań, jestem z niego zadowolony. Do tej pory przez około miesiąc każdego ranka wstawałem punktualnie z łóżka. Wcześniej leżałem w łóżku nawet godzinę.

20 minut przed uruchomieniem budzika mata staje się aktywna. Mata włącza się, odczytuje napięcie, a mata ponownie się wyłącza. Dzieje się to co sekundę. Kiedy stanę na macie, czy to przed, czy w trakcie alarmu, budzik się wyłącza.