HackerBox 0035: Elektrochemia: 11 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

W tym miesiącu HackerBox Hackers badają różne czujniki elektrochemiczne i techniki testowe do pomiaru właściwości fizycznych materiałów. Ta instrukcja zawiera informacje, jak zacząć korzystać z HackerBox #0035, który można kupić tutaj do wyczerpania zapasów. Ponadto, jeśli chcesz otrzymywać co miesiąc taki HackerBox bezpośrednio do swojej skrzynki pocztowej, zasubskrybuj na HackerBoxes.com i dołącz do rewolucji!

Tematy i cele edukacyjne dla HackerBox 0035:

• Skonfiguruj Arduino Nano do użytku z Arduino IDE
• Podłącz i zakoduj moduł OLED do wyświetlania pomiarów
• Zbuduj demo alkomatu za pomocą czujników alkoholu
• Porównaj czujniki gazu, aby wykonać pomiary jakości powietrza
• Określ jakość wody z całkowitej ilości rozpuszczonych substancji stałych (TDS)
• Przetestuj bezdotykowe i zanurzalne w wodzie czujniki termiczne

HackerBoxes to miesięczna usługa subskrypcji dla elektroniki DIY i technologii komputerowej. Jesteśmy hobbystami, twórcami i eksperymentatorami. Jesteśmy marzycielami marzeń. ZHAKUJ PLANETĘ!

Krok 1: HackerBox 0035: Zawartość pudełka

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Wyświetlacz OLED 0.96 128x64 pikseli I2C
• Miernik jakości wody TDS-3
• GY-906 bezdotykowy moduł temperatury
• Czujnik zanieczyszczenia powietrza MP503
• Wodoodporna sonda temperatury DS18B20
• Moduł czujnika alkoholu MQ-3
• Moduł czujnika gazu zagrożenia powietrza MQ-135
• Moduł wilgotności i temperatury DHT11
• Moduł laserowy KY-008
• Zestaw diod LED, rezystorów 1K i przycisków dotykowych
• 400-punktowa „krystalicznie przezroczysta” deska do krojenia chleba
• Zestaw przewodów połączeniowych - 65 sztuk
• Kabel MicroUSB
• Ekskluzywne naklejki HackerBoxes

Kilka innych rzeczy, które będą pomocne:

• Lutownica, lut i podstawowe narzędzia lutownicze
• Komputer do uruchamiania narzędzi programowych

Co najważniejsze, będziesz potrzebować poczucia przygody, ducha DIY i ciekawości hakerskiej. Hardkorowa elektronika DIY nie jest trywialnym zajęciem, a HackerBoxy nie są rozwodnione. Celem jest postęp, a nie doskonałość. Kiedy będziesz wytrwać i cieszyć się przygodą, wiele satysfakcji można czerpać z nauki nowych technologii i, miejmy nadzieję, z udanych projektów. Sugerujemy, aby każdy krok robić powoli, pamiętając o szczegółach i nie bój się prosić o pomoc.

W FAQ HackerBoxes znajduje się mnóstwo informacji dla obecnych i przyszłych członków.

Krok 2: Elektrochemia

Elektrochemia (Wikipedia) to dział chemii fizycznej, który bada związek między elektrycznością, jako mierzalnym i ilościowym zjawiskiem, a konkretną zmianą chemiczną lub odwrotnie. Reakcje chemiczne obejmują ładunki elektryczne przemieszczające się między elektrodami a elektrolitem (lub jonami w roztworze). Tak więc elektrochemia zajmuje się interakcją między energią elektryczną a zmianą chemiczną.

Najpopularniejszymi urządzeniami elektrochemicznymi są baterie codziennego użytku. Baterie to urządzenia składające się z jednego lub więcej ogniw elektrochemicznych z zewnętrznymi połączeniami przeznaczonymi do zasilania urządzeń elektrycznych, takich jak latarki, smartfony i samochody elektryczne.

Elektrochemiczne czujniki gazu to detektory gazu, które mierzą stężenie gazu docelowego poprzez utlenianie lub redukcję gazu docelowego na elektrodzie i pomiar wynikowego prądu.

Elektroliza to technika wykorzystująca stały prąd elektryczny (DC) do napędzania niespontanicznej reakcji chemicznej. Elektroliza jest ważnym komercyjnie etapem oddzielania pierwiastków od naturalnie występujących źródeł, takich jak rudy, przy użyciu ogniwa elektrolitycznego.

Krok 3: Platforma mikrokontrolera Arduino Nano

Arduino Nano lub podobna płytka mikrokontrolera to doskonały wybór do współpracy z czujnikami elektrochemicznymi i wyjściami wyświetlania z komputerem lub wyświetlaczem wideo. Dołączony moduł Arduino Nano jest dostarczany z pinami nagłówka, ale nie są one przylutowane do modułu. Na razie zostaw szpilki wyłączone. Przeprowadź te wstępne testy modułu Arduino Nano PRZED przylutowaniem pinów nagłówka Arduino Nano. Wszystko, czego potrzeba do kolejnych kilku kroków, to kabel microUSB i moduł Nano zaraz po wyjęciu z torby.

Arduino Nano to zminiaturyzowana płytka Arduino do montażu powierzchniowego, przyjazna dla płytek stykowych, ze zintegrowanym portem USB. Jest niesamowicie w pełni funkcjonalny i łatwy do zhakowania.

Cechy:

• Mikrokontroler: Atmel ATmega328P
• Napięcie: 5V
• Cyfrowe piny we/wy: 14 (6 PWM)
• Piny wejścia analogowego: 8
• Prąd DC na pin we/wy: 40 mA
• Pamięć Flash: 32 KB (2 KB dla bootloadera)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Szybkość zegara: 16 MHz
• Wymiary: 17mm x 43mm

Ten szczególny wariant Arduino Nano to czarna konstrukcja Robotdyn. Interfejs jest przez wbudowany port MicroUSB, który jest kompatybilny z tymi samymi kablami MicroUSB, które są używane w wielu telefonach komórkowych i tabletach.

Arduino Nanos ma wbudowany układ mostka USB/szeregowego. W tym konkretnym wariancie układ mostkowy to CH340G. Zwróć uwagę, że istnieją różne inne typy układów mostków USB/szeregowych używanych na różnych typach płyt Arduino. Te układy umożliwiają komunikację portu USB komputera z interfejsem szeregowym w układzie procesora Arduino.

System operacyjny komputera wymaga sterownika urządzenia do komunikacji z układem USB/szeregowym. Sterownik umożliwia komunikację IDE z płytą Arduino. Konkretny sterownik urządzenia, który jest potrzebny, zależy zarówno od wersji systemu operacyjnego, jak i typu układu USB/szeregowego. Dla układów CH340 USB/Serial dostępne są sterowniki dla wielu systemów operacyjnych (UNIX, Mac OS X lub Windows). Producent CH340 dostarcza te sterowniki tutaj.

Po pierwszym podłączeniu Arduino Nano do portu USB komputera powinna zaświecić się zielona lampka zasilania, a wkrótce po tym niebieska dioda LED powinna zacząć powoli migać. Dzieje się tak, ponieważ Nano jest fabrycznie załadowany programem BLINK, który działa na zupełnie nowym Arduino Nano.

Krok 4: Zintegrowane środowisko programistyczne Arduino (IDE)

Jeśli nie masz jeszcze zainstalowanego Arduino IDE, możesz pobrać je ze strony Arduino.cc

Jeśli chcesz uzyskać dodatkowe informacje wstępne dotyczące pracy w ekosystemie Arduino, sugerujemy zapoznanie się z instrukcjami dla warsztatu HackerBoxes Starter Workshop.

Podłącz Nano do kabla MicroUSB, a drugi koniec kabla do portu USB w komputerze, uruchom oprogramowanie Arduino IDE, wybierz odpowiedni port USB w IDE pod narzędzia>port (prawdopodobnie nazwa z wchusb w nim). Wybierz również "Arduino Nano" w IDE w menu narzędzia>płyta.

Na koniec załaduj przykładowy kod:

Plik->Przykłady->Podstawy->Mrugnięcie

W rzeczywistości jest to kod, który został wstępnie załadowany do Nano i powinien teraz działać, aby powoli migać niebieską diodą LED. W związku z tym, jeśli załadujemy ten przykładowy kod, nic się nie zmieni. Zamiast tego zmodyfikujmy nieco kod.

Przyglądając się uważnie, widać, że program włącza diodę, czeka 1000 milisekund (jedna sekunda), wyłącza diodę, czeka kolejną sekundę, a potem robi to wszystko od nowa - na zawsze.

Zmodyfikuj kod, zmieniając obie instrukcje „delay(1000)” na „delay(100)”. Ta modyfikacja spowoduje, że dioda LED będzie migać dziesięć razy szybciej, prawda?

Załadujmy zmodyfikowany kod do Nano, klikając przycisk PRZEŚLIJ (ikona strzałki) tuż nad zmodyfikowanym kodem. Obejrzyj poniżej kod, aby uzyskać informacje o stanie: „kompilowanie”, a następnie „przesyłanie”. W końcu IDE powinno wskazać „Przesyłanie zakończone”, a dioda LED powinna migać szybciej.

Jeśli tak, to gratulacje! Właśnie zhakowałeś swój pierwszy fragment kodu osadzonego.

Po załadowaniu i uruchomieniu wersji z szybkim miganiem, dlaczego nie sprawdzić, czy możesz ponownie zmienić kod, aby dioda LED szybko mignęła dwukrotnie, a następnie odczekać kilka sekund przed powtórzeniem? Spróbuj! Co powiesz na inne wzory? Kiedy już uda Ci się zwizualizować pożądany rezultat, zakodować go i obserwować, jak działa zgodnie z planem, zrobiłeś ogromny krok w kierunku zostania kompetentnym hakerem sprzętowym.

Krok 5: Kołki nagłówka i OLED na płytce bez lutowania

Teraz, gdy komputer programistyczny został skonfigurowany do ładowania kodu do Arduino Nano, a Nano zostało przetestowane, odłącz kabel USB od Nano i przygotuj się do lutowania pinów nagłówka. Jeśli to twoja pierwsza noc w klubie walki, musisz lutować! Istnieje wiele świetnych przewodników i filmów online na temat lutowania (na przykład). Jeśli czujesz, że potrzebujesz dodatkowej pomocy, spróbuj znaleźć lokalną grupę twórców lub miejsce dla hakerów w Twojej okolicy. Ponadto, amatorskie kluby radiowe są zawsze doskonałym źródłem doświadczeń z elektroniką.

Przylutuj dwa jednorzędowe nagłówki (piętnaście pinów każdy) do modułu Arduino Nano. Sześciopinowe złącze ICSP (programowanie szeregowe w obwodzie) nie będzie używane w tym projekcie, więc po prostu pozostaw te szpilki wyłączone. Po zakończeniu lutowania należy dokładnie sprawdzić mostki lutownicze i/lub połączenia lutowane na zimno. Na koniec podłącz Arduino Nano z powrotem do kabla USB i sprawdź, czy wszystko nadal działa poprawnie.

Aby podłączyć OLED do Nano, włóż oba do płytki stykowej bez lutowania, jak pokazano, i połącz je zgodnie z poniższą tabelą:

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

Aby sterować wyświetlaczem OLED, zainstaluj sterownik wyświetlacza OLED SSD1306 znajdujący się tutaj w Arduino IDE.

Przetestuj wyświetlacz OLED, ładując przykład ssd1306/snowflakes i programując go w Nano.

Inne przykłady z biblioteki SDD1306 są przydatne do zbadania korzystania z wyświetlacza OLED.

Krok 6: Demo czujnika alkoholu i alkomatu MQ-3

Czujnik gazu alkoholowego MQ-3 (karta katalogowa) to niedrogi czujnik półprzewodnikowy, który może wykrywać obecność gazów alkoholowych w stężeniach od 0,05 mg/L do 10 mg/L. Materiałem czujnikowym stosowanym w MQ-3 jest SnO2, który wykazuje wzrastającą przewodność pod wpływem rosnących stężeń gazów alkoholowych. MQ-3 charakteryzuje się dużą wrażliwością na alkohol przy bardzo małej wrażliwości krzyżowej na dym, opary lub benzynę.

Ten moduł MQ-3 zapewnia surowe wyjście analogowe w stosunku do stężenia alkoholu. Moduł posiada również komparator LM393 (karta danych) do progu wyjścia cyfrowego.

Moduł MQ-3 można podłączyć do Nano zgodnie z poniższą tabelą:

MQ-3…. NanoA0……A0VCC…..5VGND….. GNDD0……Nie używane

Kod demonstracyjny z wideo.

UWAGA: Ten projekt to jedynie pokaz edukacyjny. To nie jest instrument medyczny. Nie jest skalibrowany. W żaden sposób nie ma na celu określenia poziomu alkoholu we krwi w celu oceny limitów prawnych lub bezpieczeństwa. Nie bądź głupi. Nie pij i nie jedź. Przybądź żywy!

Krok 7: Wykrywanie ketonów

Ketony to proste związki zawierające grupę karbonylową (podwójne wiązanie węgiel-tlen). Wiele ketonów jest ważnych zarówno w przemyśle, jak i biologii. Aceton powszechnie stosowany jako rozpuszczalnik jest najmniejszym ketonem.

Dziś wielu zna dietę ketogeniczną. Jest to dieta oparta na spożywaniu dużej ilości tłuszczu, odpowiedniej ilości białka i niewielkiej ilości węglowodanów. Zmusza to organizm do spalania tłuszczów, a nie węglowodanów. Zwykle węglowodany zawarte w pożywieniu są przekształcane w glukozę, która jest następnie transportowana w organizmie i jest szczególnie ważna w napędzaniu funkcji mózgu. Jeśli jednak w diecie jest mało węglowodanów, wątroba przekształca tłuszcz w kwasy tłuszczowe i ciała ketonowe. Ciała ketonowe przechodzą do mózgu i zastępują glukozę jako źródło energii. Podwyższony poziom ciał ketonowych we krwi powoduje stan zwany ketozą.

Przykładowy projekt wykrywania ketonów

Kolejny przykładowy projekt wykrywania ketonów

Porównanie czujników gazu MQ-3 i TGS822

Krok 8: Wykrywanie jakości powietrza

Zanieczyszczenie powietrza występuje, gdy do atmosfery wprowadzane są szkodliwe lub nadmierne ilości substancji, w tym gazów, cząstek stałych i cząsteczek biologicznych. Zanieczyszczenia mogą powodować choroby, alergie, a nawet śmierć ludzi. Może również powodować szkody dla innych żywych organizmów, takich jak zwierzęta, rośliny spożywcze i ogólnie środowisko. Zarówno działalność człowieka, jak i procesy naturalne mogą generować zanieczyszczenie powietrza. Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach i słaba jakość powietrza w miastach są wymienione jako dwa z największych na świecie problemów związanych z toksycznym zanieczyszczeniem.

Możemy porównać działanie dwóch różnych czujników jakości powietrza (lub zagrożenia w powietrzu). Są to MQ-135 (datasheet) i MP503 (datasheet).

MQ-135 jest wrażliwy na metan, tlenki azotu, alkohole, benzen, dym, CO2 i inne cząsteczki. Jego interfejs jest identyczny z interfejsem MQ-3.

MP503 jest wrażliwy na gazowy formaldehyd, benzen, tlenek węgla, wodór, alkohol, amoniak, dym papierosowy, wiele zapachów i inne cząsteczki. Jego interfejs jest dość prosty, udostępnia dwa cyfrowe wyjścia do wyznaczenia czterech poziomów stężeń zanieczyszczeń. Domyślne złącze w MP503 ma plastikową osłonę męską, którą można usunąć i zastąpić standardową 4-stykową listwą (dostarczoną w torbie) do użytku z płytkami stykowymi bez lutowania, zworami DuPont lub podobnymi typowymi złączami.

Krok 9: Wykrywanie jakości wody

Tester jakości wody TDS-3

Całkowite rozpuszczone substancje stałe (TDS) to całkowita ilość naładowanych ruchowo jonów, w tym minerałów, soli lub metali rozpuszczonych w danej objętości wody. TDS, który jest oparty na przewodności, jest wyrażany w częściach na milion (ppm) lub miligramach na litr (mg/l). Rozpuszczone ciała stałe obejmują wszelkie obecne przewodzące pierwiastki nieorganiczne inne niż cząsteczki czystej wody (H2O) i zawieszone ciała stałe. EPA Maksymalny poziom zanieczyszczenia TDS do spożycia przez ludzi wynosi 500 ppm.

Wykonywanie pomiarów TDS

1. Zdejmij nasadkę ochronną.
2. Włącz miernik TDS. Przełącznik ON/OFF znajduje się na panelu.
3. Miernik zanurzyć w wodzie/roztworze do max. poziom zanurzenia (2”).
4. Lekko zamieszaj glukometrem, aby usunąć pęcherzyki powietrza.
5. Poczekaj, aż wyświetlacz się ustabilizuje. Gdy odczyt się ustabilizuje (ok. 10 sekund), naciśnij przycisk HOLD, aby wyświetlić odczyt z wody.
6. Jeśli miernik wyświetla migający symbol „x10”, pomnóż odczyt przez 10.
7. Po użyciu strząsnąć nadmiar wody z glukometru. Wymień korek.

Źródło: Pełna instrukcja obsługi

Eksperyment: Skonstruuj swój własny prosty miernik TDS (tutaj projekt z wideo), który można skalibrować i przetestować z TDS-3.

Krok 10: Wykrywanie termiczne

Moduł bezstykowego czujnika temperatury GY-906

Moduł czujników termicznych GY-906 jest wyposażony w MLX90614 (szczegóły). Jest to prosty w użyciu, ale bardzo wydajny, jednostrefowy termometr na podczerwień, zdolny do wykrywania temperatury obiektów w zakresie od -70 do 380°C. Do komunikacji wykorzystuje interfejs I2C, co oznacza, że wystarczy poświęcić dwa przewody od mikrokontrolera, aby się z nim połączyć.

Demo projekt termoczujnikowy.

Kolejny projekt termoczujnikowy.

DS18B20 Wodoodporny czujnik temperatury

Jednoprzewodowy czujnik temperatury DS18B20 (szczegóły) może mierzyć temperaturę od -55℃ do 125℃ z dokładnością ±5.

Krok 11: ZHAKUJ PLANETĘ

Jeśli podobał Ci się ten Instruktaż i chciałbyś mieć fajne pudełko z hakowalnymi projektami elektroniki i technologii komputerowych, które co miesiąc trafiają do Twojej skrzynki pocztowej, dołącz do rewolucji, odwiedzając HackerBoxes.com i subskrybując nasze comiesięczne pudełko niespodzianek.

Sięgnij po swój sukces i podziel się nim w komentarzach poniżej lub na stronie HackerBoxes na Facebooku. Daj nam znać, jeśli masz jakieś pytania lub potrzebujesz pomocy. Dziękujemy za bycie częścią HackerBoxes!