Zrozumienie czujników elektronicznych: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Ten „Instruktaż” ma na celu wyjaśnienie działania popularnych czujników przemysłowych i domowych, aby nauczyć się, jak korzystać z dostępnych na rynku czujników w rzeczywistych zastosowaniach za pomocą praktycznych ćwiczeń i eksperymentów.

W tej lekcji pokrótce omówimy obwody, które mogą wykrywać:

• Zmiany temperatury
• Bycie dotykanym (pojemnościowy kontakt ze skórą)
• Bycie dotkniętym (przełączniki i przyciski)
• Zmiany w świetle
• Zmiany w dźwięku
• Zmiany przyspieszenia (ruch i grawitacja)

Omówiono również potrzebny sprzęt i oprogramowanie, gdzie kupić / pobrać elementy, jak skonfigurować obwody do wyjścia numerycznego, jak odczytać wyjście numeryczne oraz jak działa każdy czujnik.

Zacznijmy!

Krok 1: Dokładnie przetestowane - kupowanie i pobieranie środowiska

W Instructable zobaczysz, że szczegóły tej lekcji zostały dokładnie przetestowane przez nastolatków odwiedzających lokalny uniwersytet w ramach zainteresowania mechatroniką (robotyką i produkcją)

Ciasteczka Oreo są pomocne, ale nie wymagane

Ludzie z Adafruit wyprodukowali deskę, z której będziemy dzisiaj korzystać, nazwaną „Circuit Playground – Classic” i dokładnie przetestowali dużą liczbę sposobów wykorzystania urządzenia. Niektóre z nich można zobaczyć na ich stronie „Ucz się”, która z grubsza śledzi ten eksperyment laboratoryjny i podetapy – dzięki uprzejmości tej strony „Ucz się” Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -i-bluetooth-niskoenergetyczny

Potrzebne części są proste, niedrogie i łatwe w użyciu dla eksperymentatorów z różnych grup wiekowych, nawet w wieku gimnazjum (może 12 lat?)

1. Najpierw kup jedno lub więcej urządzeń tutaj: https://www.adafruit.com/product/3000, a także przejściówkę USB na Micro-B USB, aby połączyć się z komputerem tutaj https://www.adafruit.com/ produkt/898. Całkowity koszt z wysyłką wynosi mniej niż 40 USD, ale może się okazać, że jest tańszy.
2. Po zakupie i otrzymaniu niedrogiego kabla Circuit Playground i USB, musisz podłączyć go do komputera osobistego (PC), który ma zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) dla urządzeń typu Arduino.
3. W tym przykładzie używamy okien IDE arduino-1.8.4, ale inne również będą działać. Pamiętaj, aby zainstalować wszystkie sterowniki (w tym przypadku adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Po zainstalowaniu IDE możesz otworzyć IDE o nazwie „Arduino”
5. W obszarze Plik -> Preferencje wstaw następujący „Additional Board Manager URL” https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, a następnie powiedz OK, a następnie zamknij i ponownie otwórz IDE
6. Teraz podłącz urządzenie Circuit Playground do Micro USB. Zobacz, czy włącza się i uruchamia domyślny program „Circuit Playground Firmata”, wyświetlając tęczową sekwencję świateł. Możesz sprawdzić, czy przełącznik w pobliżu gniazda zasilania baterii odwraca kolejność i jeden z przycisków odtwarza nutę dla każdego koloru.
7. Musisz pobrać bibliotekę Circuit Playground, a następnie rozpakować bibliotekę Circuit Playground do Dokumenty -> Arduino -> folder bibliotek „Adafruit_CircuitPlayground-master”. Po rozpakowaniu usuń sufiks „-master” z nazwy folderu. Zatrzymaj i zrestartuj IDE i załaduj Circuit Playground Board Type w menu Tools -> Boards -> Board Manager, a następnie wyszukaj typ "Contributed" i słowa kluczowe "Adafruit AVR". Umożliwi to zainstalowanie "Adafruit AVR Boards" (najnowsza wersja), po czym należy zatrzymać i ponownie uruchomić IDE
8. Teraz jesteś gotowy do przetestowania Circuit Playground za pomocą programu demonstracyjnego. Połącz się z Circuit Playground podłączonym przez USB. Przejdź do Narzędzia -> Tablice i upewnij się, że wybrałeś Circuit Playground. Przejdź do Narzędzia -> Porty i upewnij się, że wybrałeś odpowiedni port COM (ten, który jest podłączony do USB Blaster). Pobierz program demonstracyjny w następujący sposób: Wybierz: Pliki -> Przykłady -> Adafruit Circuit PLayground -> demo, a następnie skompiluj i prześlij (możesz użyć przycisku „strzałka w prawo”, aby zrobić wszystko)
9. Przetestuj program demonstracyjny, wykonując następujące czynności: Zobacz, czy Circuit Playground miga w sekwencji tęczy. Przesuń suwak i zobacz, że powoduje to odtwarzanie nut (proszę go wyłączyć, w przeciwnym razie na pewno zdenerwuje wszystkich wokół ciebie). Zobacz, że czerwona dioda LED pobierania miga w tempie taktowania.
10. Teraz możesz komunikować się z Circuit Playground za pośrednictwem interfejsu tekstowego. Kliknij przycisk „Serial Monitor” w IDE. Wygląda jak szkło powiększające w prawym górnym rogu okna programu demonstracyjnego. Możesz wyłączyć automatyczne przewijanie, aby uzyskać lepszy wygląd.

Jesteś gotowy do eksperymentowania i łączenia się ze wszystkimi różnymi czujnikami!

Krok 2: Pomiar temperatury

Spójrz na wartość „temperatury” na wyjściu tekstowym monitora szeregowego. Będzie miał temperaturę pokojową gdzieś w latach 30-tych. Zmierzyłem 39,43 stopnia Celsjusza.

Termistor używany do pomiaru temperatury pokazano na zdjęciu. Jest to czujnik A0 i ma obok niego grafikę termometru.

Delikatnie przyłóż kciuk do czujnika temperatury i zanotuj, ile sekund zajmuje osiągnięcie maksymalnej temperatury. Zanotuj to, a także następujące:

Osiągnięcie maksymalnej temperatury palca zajęło _ sekund.

Jaka jest najwyższa temperatura, jaką ostatecznie osiągnęła? _ C

Jaka jest ta wartość w stopniach Fahrenheita? _ F. WSKAZÓWKA: F = (C * 1,8) + 32

Czy jest cieplej czy chłodniej niż normalna temperatura ciała? _

Czy używanie tego termometru z czyimś kciukiem byłoby dobrym wskaźnikiem gorączki, aby stwierdzić, czy jest chory?

Czemu? _

Termistor to specjalny rodzaj rezystora, który zmienia rezystancję w zależności od temperatury. Jedno ze zdjęć w tym kroku przedstawia typowy schemat obwodu termistora. ·

Jaki byłby odczyt na pokazanym obwodzie na woltomierzu? _ WSKAZÓWKA: Użyj zasady dzielnika napięcia Vout = (5 V * R1 om) / (R1 om + termistor om)

Jeśli termistor ma ocenę „1,5 % zmiany rezystancji na stopień C” – jaka będzie rezystancja termistora, jeśli temperatura wzrośnie do 30 stopni C? _ WSKAZÓWKA: ponieważ jest to zmiana o 5 stopni, a każdy stopień zmienia rezystancję o 1,5%, otrzymujemy Omy termistora = (5 * 0,015) + 10 000 omów

Przy 32 stopniach C, jaki byłby odczyt na woltomierzu? _ WSKAZÓWKA: Teraz zmiana wynosi 7 stopni.

Gdzie można zastosować czujniki temperatury w różnych rodzajach produkcji?

Krok 3: pojemnościowy czujnik dotykowy

Zdjęcie pokazuje, które ze złączy (lub „padów”) można również wykorzystać do wykrywania dotyku. Nazywane są pojemnościowymi czujnikami dotykowymi, ponieważ wykorzystują ludzkie ciało jako element elektroniczny zwany kondensatorem.

Ze względów bezpieczeństwa chcemy, aby prąd elektryczny był bardzo niski. Z tego powodu wszystkie zewnętrzne połączenia z padami przechodzą przez rezystor 1 Mega Ohm do wspólnego obszaru (pin #30 układu), więc całkowita rezystancja pomiędzy dowolnymi dwoma padami wynosi 2 Mega Ohm.

• Jeśli napięcie szczytowe między dwoma elektrodami wynosi 5 woltów, a rezystancja 2 megaomy, jaki byłby prąd przepływający między dowolnymi dwoma elektrodami, jeśli są one zwarte? _ (NIE Zwieraj ich)
• „Capsense” to liczby wyświetlane przez interfejs tekstowy. W którym przypadku liczby są większe, gdy czujniki są dotykane lub gdy nie są dotykane? _
• Zapisz kilka przykładów liczb, gdy czujniki NIE są dotykane: _
• Zapisz kilka przykładów liczb, gdy czujniki SĄ dotykane: _
• Jaką różnicę obserwujesz, gdy kilka czujników jest dotykanych jednocześnie? _
• Co się stanie, jeśli przytrzymasz coś metalowego i dotkniesz tym czujnika? _
• Co się stanie, jeśli przytrzymasz coś niemetalowego i dotkniesz tym czujnika? _
• Ponieważ pojemnościowe czujniki dotykowe nie mają ruchomych części, są bardzo odporne na wibracje. Mogą być również pokryte wodoodporną powłoką ochronną. Dlaczego te dwa aspekty mogą być przydatne w środowisku produkcyjnym? _

Krok 4: Tradycyjne przyciski i suwaki

Przyciski i przełączniki wydają się tak proste i „codzienne”, że uważamy je za oczywiste, jeśli chodzi o ich zastosowanie jako czujników. Świetnym przykładem jest klawiatura. Gdy chcemy pisać szybko, mieć kilka „fałszywych” naciśnięć klawiszy i mieć długą żywotność, wieloletnią eksploatację – przełączniki mechaniczne (jeden pod każdym klawiszem na klawiaturze) są najlepszym rozwiązaniem.

Obwód, którego używamy dzisiaj, ma trzy przyciski „przerywane” przełączniki. Oznacza to, że gdy puścisz przycisk, wracają do swojej pierwotnej pozycji (dzięki mechanizmowi sprężynowemu). Układ posiada również czujnik dedykowany do dwupozycyjnego przełącznika suwakowego. Przesunięcie jej może wymagać trochę wysiłku, ale nie łam deski, próbując to zrobić – zsuń się na boki mocniej niż dociskasz. Ten typ czujnika jest bardzo stabilny. Stabilny oznacza, że po przesunięciu go w jedną lub drugą pozycję możesz w pełni oczekiwać, że będziesz w stanie odejść i wrócić po długim czasie i oczekiwać, że nadal będzie w tej samej pozycji, nawet jeśli znajduje się na wibrującej powierzchni itp.

Gdzie widziałeś taki przełącznik suwakowy w produkcji, a nawet w swoim domu?

_

Spójrz na wynik tekstowy i znajdź informacje o czujniku. W takim przypadku czujnik może nie wyprowadzać liczby, ale raczej coś innego.

Przełącznik „Slide” powinien wskazywać jego położenie. Jakie wartości przyjmuje czujnik „poślizgu” w dwóch pozycjach?

_

Coś innego dzieje się w jednej z dwóch pozycji suwaka. Co to jest?

_

PS Z grzeczności dla wszystkich innych, przesuń przełącznik w pozycję „mniej irytującą” zaraz po zakończeniu pracy z tą sekcją.

Krok 5: Czujniki światła

Podobnie jak czujnik temperatury, obwód czujnika światła na płycie „Circuit Playground” wykorzystuje obwód dzielnika napięcia – w którym napięcie 5 V napędzające urządzenie jest podzielone na dwie części, przez czujnik i rezystor o stałej wartości. Zamiast „termistora” czujnik światła wykorzystuje „fototranzystor”, który zmienia opór w zależności od ilości padającego na niego światła. Widać fototranzystor „A5” tuż obok grafiki oka na płytce drukowanej.

Jeśli czujnik światła jest skierowany w stronę sufitu pomieszczenia (w stronę światła), wartość „Czujnika światła” powinna wynosić setki.

Jaką wartość „czujnika światła” obserwujesz, gdy „oko” jest skierowane w stronę sufitu pomieszczenia?

_

A jeśli skierujesz „oko” w stronę podłogi – jaką liczbę obserwujesz? _

A co jeśli skierujesz „oko” pod różnymi kątami między sufitem a podłogą? – Opisz, co zaobserwowałeś, w tym wartości obserwowanych liczb i co zrobiłeś, aby uzyskać te liczby. _

A jeśli skierujesz czujnik na bliski (ale nie dotykający) kawałek ciemnego materiału – jaką liczbę obserwujesz? _

Zakrycie jej palcem (czujnik przy „oczu”) powinno sprowadzić liczbę w dół. Czy to? _

Pamiętaj, że Twój palec jest półprzezroczysty, więc jasne światła świecącej diody LED mogą świecić przez palec. Czego jeszcze możesz użyć, aby zakryć czujnik, aby uzyskać niższą liczbę? _

Czujniki światła mogą być nieco wybredne – nie zawsze dają dokładny odczyt, jakiego można oczekiwać, i w dużej mierze zależą od współczynnika odbicia, przezroczystości, kąta oświetlenia i jasności oświetlenia. Produkcyjne systemy wizyjne starają się ominąć te ograniczenia, ściśle kontrolując te zmienne. Na przykład skaner kodów kreskowych może wykorzystywać jasny, skupiony, jednokolorowy pasek laserowy, aby zminimalizować wpływ oświetlenia w pomieszczeniu. W innym przykładzie taśma przenośnika kartonów z mlekiem wykorzystuje czujnik światła w stylu „drzwi garażowych”, zliczając kartony po mleku przez zliczanie, ile razy światło może przejść między nimi.

Podaj inny przykład z produkcji, domu lub firmy, gdzie niektóre z tych zmiennych światła są kontrolowane, aby uzyskać lepszy wynik czujnika światła (oprócz przykładów, o których już wspomniałem):

Krok 6: Czujnik dźwięku

Czujnik dźwięku na „Circuit Playground” jest w rzeczywistości dość wyrafinowanym mikroelektromechanicznym systemem (MEMS), który może być używany nie tylko do wykrywania poziomów dźwięku, ale może również wykonywać podstawową analizę częstotliwości. Być może widziałeś wyświetlacz analizatora widma w studiu muzycznym lub aplikacji do odtwarzania muzyki – który wygląda jak wykres słupkowy z niskimi nutami po lewej i wyższymi po prawej (podobnie jak wyświetlany jest korektor graficzny).

Wartość wyświetlana na odczycie tekstu jest w rzeczywistości nieprzetworzonym przebiegiem dźwiękowym. Musielibyśmy dodawać wartości w czasie, aby znaleźć całkowitą moc dźwięku (poziom ciśnienia akustycznego).

Niemniej jednak to urządzenie MEMS może być używane do wyzwalania działań przez robota lub inne urządzenie, gdy obecne są dźwięki lub gdy słyszalna jest określona sekwencja dźwięków. Ponadto MEMS są niezwykle małe (to urządzenie pod tym małym otworem w metalowym pudełku, tuż obok grafiki „ucha” na płycie) i mają niską moc. Ta kombinacja sprawia, że urządzenia MEMS są niezwykle przydatne do wykrywania akustycznego, biomedycznego, mikropłynów, narzędzi mikrochirurgicznych, czujników przepływu gazów i substancji chemicznych i nie tylko.

Ponieważ wyjście jest kształtem fali audio (a nie poziomem mocy), zobaczysz mniejszy zakres wartości, gdy jest cicho (~330 to środek dla idealnie cichego pomieszczenia) i szersze wahania dla głośnych dźwięków (od 0 do 800 lub więcej).).

Zapisz wartości „Czujnika dźwięku”, gdy obecny jest tylko hałas w pomieszczeniu. Jaką wartość dostrzegasz? Od _ Do _

Jaką wartość zaobserwujesz, jeśli mówisz normalnym tonem głosu – w odległości około 2 stóp od czujnika? Od _ Do _

Czy wyższy zakres wartości uzyskujesz przez mówienie lub wielokrotne pstrykanie palcami (lub klaskanie)?

Tak lub nie: _ Wściekłość na klaskanie/pstrykanie trwa Od _ Do _

Jak myślisz, dlaczego tak jest? _

Wypróbuj inne rodzaje hałasu i zapisz to, co obserwujesz – ale nie stukaj w tablicę: _

PS MEMS działają w obu kierunkach i możliwe jest wykorzystanie energii elektrycznej do poruszania mikromechanicznych części. Firma o nazwie „Audio Pixels” pracuje nad zgrupowaniem tych urządzeń, aby stworzyć idealnie płaski, mały głośnik, który może skierować dźwięk w dowolnym kierunku.

Krok 7: Akcelerometry

Akcelerometr jest również rodzajem MEMS, a jedno z tych urządzeń znajduje się na tablicy „Circuit Playground”. Układ LIS3DH, w pobliżu środka płyty obok grafiki XYZ, daje możliwość pomiaru przyspieszenia w dowolnym kierunku jako sumy wektorowej przyspieszenia w kierunku X, Y i Z.

Ponieważ siła grawitacji jest identyczna z siłą odczuwaną przez przyspieszenie (teoria względności Einsteina), nawet stojąc nieruchomo na Ziemi, urządzenie mierzy przyspieszenie 9,8 metra na sekundę na sekundę (9,8 m/s2).

Możesz obrócić urządzenie, aby uzyskać całą siłę w kierunku „X”.

Spróbuj przechylić urządzenie tak, aby całe przyspieszenie było w kierunku X (proszę zachować ostrożność z krótkim kablem USB podczas skręcania przedmiotów). Jakie wartości zaobserwowałeś? X: _ Y: _ Z: _

Teraz przechyl urządzenie, aby uzyskać prawie całą siłę grawitacji (przyspieszenie) w kierunku Y. Jakie wartości zaobserwowałeś? X: _ Y: _ Z: _

Na koniec ustaw urządzenie tak, aby przyspieszenie grawitacyjne było rozdzielone między kierunki X i Y i było prawie 0 w kierunku Z (gdzieś pomiędzy dwoma poprzednimi położeniami). Jakie wartości zaobserwowałeś? X: _ Y: _ Z: _

Użyj twierdzenia Pitagorasa, aby dodać wektory przyspieszenia X i Y z poprzedniego pomiaru. Możesz zignorować negatywne znaki, oznacza to, że urządzenie jest po prostu do góry nogami w tym kierunku. Jakie jest całkowite przyspieszenie? _ Przypomnij sobie, że całkowite przyspieszenie = √(X2 + Y2).

WYPRÓBUJ KOLEJNY EKSPERYMENT TYLKO JEŚLI JESTEŚ TRÓJWYMIAROWY! Przechyl urządzenie tak, aby przyspieszenie grawitacyjne zostało podzielone między kierunki X, Y i Z. Jakie wartości zaobserwowałeś?

X: _ Y: _ Z: _ Całkowite przyspieszenie = _

Jak widać, akcelerometr (dzięki sile grawitacji) może służyć również do pomiaru przechyłu – czyli położenia deski. Gdybyś budował ramię robota z chwytakiem, gdzie mógłbyś umieścić czujnik akcelerometru i dlaczego? _

Oprócz nachylenia i kierunku środka ziemi akcelerometry mogą oczywiście mierzyć również przyspieszenie. Delikatnie przesuwaj płytkę w przód i w tył (proszę zachować ostrożność z krótkim kablem USB podczas skręcania przedmiotów). Jakie wartości zaobserwowałeś?

Przeniesiony kierunek: _ X: _ Y: _ Z: _

Przeniesiony kierunek: _ X: _ Y: _ Z: _

Krok 8: Gotowe

Gratulujemy wykonania wszystkich tych kroków i zrozumienia czujników elektronicznych!

Zostaw komentarz, aby przesłać mi opinię na temat rzeczy, które Twoim zdaniem należy poprawić, a także daj mi znać, jeśli wymyśliłeś dodatkowe zastosowania czujników w Circuit Playground Classic!

dr Paul Nussbaum