Razumevanje elektronskih senzorjev: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Namenjen razlagi delovanja običajnih industrijskih in gospodinjskih senzorjev, ta "Instructable" vas uči, kako uporabljati komercialno dostopne senzorje v realnem svetu z uporabo praktičnih vaj in poskusov.

Ta lekcija bo na kratko zajela vezja, ki lahko zaznajo naslednje:

• Spremembe temperature
• Dotik (kapacitivni stik s kožo)
• Dotik (stikala in gumbi)
• Spremembe v svetlobi
• Spremembe v zvoku
• Spremembe pri pospeševanju (gibanje in gravitacija)

Pokrita sta tudi strojna in programska oprema, kje kupiti / prenesti izdelke, kako nastaviti vezja za numerični izhod, kako prebrati numerični izhod in ozadje delovanja vsakega senzorja.

Začnimo!

1. korak: temeljito preizkušeno - nakup in prenos okolja

V celotnem Instructable boste videli, da so najstniki, ki so obiskali lokalno univerzo, podrobno preizkusili podrobnosti te lekcije v okviru zanimanja za mehatroniko (robotika in proizvodnja)

Oreo piškotki so v pomoč, vendar niso potrebni

Ljudje Adafruit so izdelali ploščo, ki jo bomo uporabljali danes, imenovano "Circuit Playground - Classic", in temeljito so preizkusili veliko število načinov uporabe naprave. Nekatere od teh si lahko ogledate na njihovi strani "Nauči se", ki približno opisuje ta laboratorijski poskus in pod-korake, ki jih je mogoče naročiti-zahvaljujoč tej strani "Nauči se" Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -in bluetooth-nizka poraba energije

Deli, ki jih potrebujete, so preprosti, poceni in enostavni za uporabo za eksperimentatorje iz različnih starostnih skupin, tudi v srednji šoli (morda 12 let?)

1. Najprej kupite eno ali več naprav tukaj: https://www.adafruit.com/product/3000 in tudi adapter USB na Micro-B USB za povezavo z računalnikom tukaj https://www.adafruit.com/ izdelek/898. Skupni stroški so s pošiljanjem pod 40 USD, vendar se vam bo morda zdelo ceneje.
2. Ko kupite in prejmete svoje poceni igrišče Circuit Playground in kabel USB, ga morate povezati z osebnim računalnikom (PC), ki ima integrirano razvojno okolje (IDE) za naprave tipa Arduino.
3. V tem primeru uporabljamo okna IDE arduino-1.8.4, vendar bodo delovala tudi druga. Namestite vse gonilnike (v tem primeru adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Ko namestite IDE, lahko odprete IDE, imenovan "Arduino"
5. Pod Datoteka-> Nastavitve vstavite naslednji "Dodatni URL upravitelja odbora" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, nato recite V redu, nato zaprite in znova odprite IDE
6. Zdaj povežite napravo Circuit Playground z mikro USB. Prepričajte se, da se vklopi in zažene privzeti program "Circuit Playground Firmata", tako da prikaže mavrično zaporedje luči. Preverite lahko, ali stikalo v bližini vtičnice za baterijo obrne vrstni red in eden od gumbov predvaja opombo za vsako barvo.
7. Morate dobiti knjižnico Circuit Playground in nato razpakirati knjižnico Circuit PLayground v mapo Dokumenti -> Arduino -> knjižnice »Adafruit_CircuitPlayground -master«. Ko ste razpakirani, odstranite pripono "-master" iz imena mape. Ustavite in znova zaženite IDE ter naložite vrsto plošče za igrišče za vezje pod Orodja -> Plošče -> Upravitelj plošče in nato poiščite vrsto »Prispevek« in ključne besede »Adafruit AVR«. Tako boste lahko namestili "plošče Adafruit AVR" (najnovejša različica), nato pa ustavite in znova zaženite IDE
8. Zdaj ste pripravljeni preizkusiti igrišče Circuit Play z demo programom. Priključite se na igrišče Circuit Playground, povezano prek USB -ja. Pojdite v Orodja -> Plošče in se prepričajte, da ste izbrali Circuit Playground. Pojdite v Orodja -> Vrata in izberite ustrezna vrata COM (tista, ki so priključena na USB Blaster). Prenesite predstavitveni program na naslednji način: Izberite: Datoteke -> Primeri -> Adafruit Circuit PLayground -> demo in nato sestavite in naložite (za vse lahko uporabite gumb »puščica v desno«)
9. Predstavitveni program preizkusite tako: Obrnite drsno stikalo in preverite, ali povzroča predvajanje not (prosimo, ugasnite ga, sicer bo zagotovo motilo vse okoli vas). Prepričajte se, da rdeča LED za prenos utripa časovno hitrost.
10. Zdaj lahko komunicirate z igriščem za vezje prek besedilnega vmesnika. Kliknite gumb "Serijski monitor" v IDE. Izgleda kot povečevalno steklo v zgornjem desnem kotu okna demo programa. Za boljši pogled boste morda želeli izklopiti samodejno drsenje.

Pripravljeni ste na eksperimentiranje in povezavo z različnimi senzorji!

2. korak: zaznavanje temperature

Oglejte si vrednost "temperature" na besedilnem izhodu serijskega monitorja. Vrednost sobne temperature bo nekje v 30 -ih. Izmeril sem 39,43 stopinje Celzija.

Termistor, ki se uporablja za merjenje temperature, je prikazan na fotografiji. To je senzor A0 in zraven ima grafiko termometra.

Nežno položite palec nad temperaturni senzor in zapišite, koliko sekund traja, da dosežete najvišjo temperaturo. Zapišite si to, pa tudi naslednje:

Da bi dosegli najvišjo temperaturo prstov, je trajalo _ sekund.

Kakšna je najvišja temperatura, ki jo je na koncu dosegla? _ C

Kakšna je ta vrednost v Fahrenheitu? _ F. NAMIG: F = (C * 1.8) + 32

Je ta temperatura toplejša ali hladnejša od običajne? _

Ali bi bila uporaba tega termometra s palcem nekoga dober pokazatelj vročine, da bi ugotovili, ali so bolni?

Zakaj? _

Termistor je posebna vrsta upora, ki spreminja upor glede na temperaturo. Ena od slik v tem koraku prikazuje tipičen diagram vezja termistorja. ·

Kakšna bi bila vrednost v prikazanem vezju na voltmetru? _ NAMIG: Uporabite pravilo delilnika napetosti Vout = (5V * R1 Ohm) / (R1 Ohm + Termistor Ohm)

Če ima termistor oceno "1,5% sprememba upora na stopinjo C" - kakšen bo upor termistorja, če se temperatura dvigne na 30 stopinj C? _ NAMIG: ker je sprememba za 5 stopinj in vsaka stopnja spremeni upor za 1,5%, dobimo ohm termistorja ((5 * 0,015) + 10 000 Ohmov

Kakšno bi bilo merjenje pri voltovmetru pri 32 stopinjah C? _ NAMIG: Zdaj je sprememba 7 stopinj.

Kje se lahko pri vrstah proizvodnje uporabljajo temperaturni senzorji?

3. korak: Kapacitivni senzor na dotik

Fotografija prikazuje, kateri od priključkov (ali »blazinic«) lahko uporabite tudi za zaznavanje dotika. Imenujejo jih kapacitivni senzorji na dotik, ker uporabljajo človeško telo kot elektronsko komponento, imenovano kondenzator.

Zaradi varnosti želimo, da je električni tok zelo nizek. Zaradi tega vse zunanje povezave na blazinice prehajajo skozi upor 1 Mega ohma v skupno območje (pin #30 čipa), zato je skupni upor med poljubnima dvema blazinicama 2 mega oma.

• Če je najvišja napetost med katerima koli blazinicama 5 voltov in upor 2 mega ohma, kakšen bi bil tok, ki prehaja med obema blazinicama, če sta na kratkem stiku? _ (NE povzročite kratkega stika)
• "Capsense" so številke, ki jih prikaže besedilni vmesnik. V katerem primeru so številke večje, ko se dotikate senzorjev ali ko se jih ne dotikate? _
• Zapišite nekaj primerov številk, ko se senzorjev NE dotikate: _
• Zapišite nekaj primerov številk, ko se dotikate senzorjev: _
• Kakšno razliko opazite, če se hkrati dotaknete več senzorjev? _
• Kaj se zgodi, če držite nekaj kovinskega in se s tem dotaknete senzorja? _
• Kaj se zgodi, če držite nekaj nekovinskega in se s tem dotaknete senzorja? _
• Ker kapacitivni senzorji na dotik nimajo gibljivih delov, so zelo odporni na vibracije. Prav tako jih je mogoče prekriti z vodotesno zaščitno prevleko. Zakaj bi lahko bila ta dva vidika uporabna v proizvodnem okolju? _

4. korak: Tradicionalni gumbi in drsna stikala

Potisni gumbi in stikala se zdijo tako preprosti in "vsakdanji", da jih jemljemo kot samoumevne, ko gre za njihovo uporabo kot senzorje. Tipkovnica je odličen primer. Ko želimo hitro tipkati, imeti nekaj "lažnih" pritiskov tipk in imeti dolgoletno večletno uporabo - mehanska stikala (eno pod vsako tipko na tipkovnici) so prava pot.

Tokokrog, ki ga uporabljamo danes, ima tri stikalna stikala za prekinitev. To pomeni, da ko spustite gumb, se vrnejo v prvotni položaj (zahvaljujoč vzmetnemu mehanizmu). Vezje ima tudi senzor, namenjen dvo-položajnemu drsnemu stikalu. Če ga želite potisniti, boste morda potrebovali nekaj napora, vendar ne zlomite deske - drsite vstran močneje, kot če pritisnete navzdol. Ta tip senzorja je zelo stabilen. Stabilno pomeni, da ko ga potisnete v en ali drug položaj, lahko v celoti pričakujete, da se boste lahko odpravili in se čez dolgo vrnili ter pričakovali, da bo še vedno v istem položaju, tudi če je na vibrirajoči površini itd.

Kje ste v proizvodnji ali celo svoji hiši videli takšno drsno stikalo?

_

Poglejte besedilni izhod in poiščite podatke o senzorju. V tem primeru senzor morda ne prikaže številke, ampak nekaj drugega.

Stikalo "drsnik" mora označevati njegov položaj. Kakšne vrednosti ima senzor "drsnik" v dveh položajih?

_

Na enem od dveh položajev drsnika se zgodi še nekaj. Kaj je to?

_

P. S. Vljudnost vsem ostalim, takoj ko končate s tem razdelkom, premaknite stikalo v položaj "manj moteče".

5. korak: Senzorji svetlobe

Tako kot temperaturni senzor tudi vezje svetlobnega senzorja na plošči »Circuit Playground« uporablja vezje delilnika napetosti - kjer 5 voltov, ki poganjajo napravo, razreže na dva dela, senzor in upor s fiksno vrednostjo. Namesto "termistorja" svetlobni senzor uporablja "foto-tranzistor", ki spreminja upor glede na količino svetlobe, ki ga zadene. Foto-tranzistor "A5" si lahko ogledate tik ob grafiki očesa na vezju.

Če je svetlobni senzor usmerjen proti stropu prostora (proti luči), mora biti vrednost »Svetlobnega senzorja« v stotinah.

Kakšno vrednost "svetlobnega senzorja" opazite, ko je "oko" usmerjeno proti stropu prostora?

_

Kaj pa, če usmerite »oko« proti tlom - katero številko opazite? _

Kaj pa, če usmerite »oko« v različnih kotih med stropom in tlemi? - Opišite, kaj ste opazili, vključno z vrednostmi števk, ki ste jih opazili, in kaj ste storili, da dobite te številke. _

Kaj pa, če senzor pokažete na blizu (vendar se ne dotika) kosa temne tkanine - katero številko opazite? _

Če ga s prstom pokrijete (senzor blizu "očesa"), bi morali številko znižati. Ali res? _

Upoštevajte, da je vaš prst polprosojen, zato ga lahko svetleče luči žareče LED svetijo skozi vaš prst. Kaj bi še lahko uporabili za prikrivanje senzorja, da bi dobili nižjo številko? _

Svetlobni senzorji so lahko nekoliko prefinjeni - ne dajejo vedno natančnih odčitkov, ki bi jih pričakovali, in so močno odvisni od odbojnosti, preglednosti, kota osvetlitve in jakosti osvetlitve. Sistemi vizije pri proizvodnji poskušajo preseči te omejitve s strogim nadzorom teh spremenljivk. Optični bralnik črtne kode lahko na primer uporablja enobarvno lasersko črto s svetlim fokusom, da zmanjša vpliv sobne razsvetljave. V drugem primeru transportni trak za škatlo za mleko uporablja senzor svetlobe v stilu "garažnih vrat", ki šteje škatle za mleko s štetjem, kolikokrat je svetloba dovoljena med njimi.

Navedite drugačen primer iz proizvodnje, doma ali podjetja, kjer se nekatere od teh svetlobnih spremenljivk nadzirajo, da se doseže boljši rezultat senzorja svetlobe (poleg primerov, ki sem jih že omenil):

6. korak: Senzor zvoka

Zvočni senzor na »Circuit Playground-u« je pravzaprav precej prefinjen mikro-elektro-mehanski sistem (MEMS), ki ga ni mogoče uporabiti le za zaznavanje ravni zvoka, ampak lahko izvede tudi osnovno frekvenčno analizo. Morda ste v glasbenem studiu ali aplikaciji za predvajanje glasbe videli zaslon analizatorja spektra, ki je videti kot stolpčni grafikon z nizkimi notami na levi in višjimi na desni (tako kot prikazuje grafični izenačevalnik).

Vrednost, ki se prikaže na odčitku besedila, je v resnici surova zvočna oblika zvoka. Če želimo najti skupno moč zvoka (raven zvočnega tlaka), bi morali sčasoma dodati vrednosti.

Kljub temu pa lahko to napravo MEMS sproži dejanja robota ali druge naprave, kadar so prisotni zvoki ali ko se sliši določeno zaporedje zvokov. Poleg tega so MEMS izredno majhni (to je naprava pod tisto majhno luknjico na kovinski škatli, tik ob grafiki »uho« na plošči) in nizke porabe energije. Zaradi te kombinacije so naprave MEMS izjemno uporabne za akustično, biomedicinsko, odkrivanje mikro-tekočin, mikrokirurška orodja, senzorje pretoka plina in kemikalij itd.

Ker je izhod zvočna valovna oblika (in ne raven moči), boste v tišini videli manjši razpon vrednosti (~ 330 je sredina za popolnoma tiho sobo) in širše nihanje za glasne zvoke (od 0 do 800 ali tako).

Zapišite vrednosti "Sound Sensor", če je prisoten samo hrup v ozadju prostora. Kakšno vrednost opažate? Od _ do _

Kakšno vrednost opazite, če govorite z običajnim glasom - približno 2 čevlja stran od senzorja? Od _ do _

Ali dobite višji razpon vrednosti z govorom ali večkratnim udarcem s prsti (ali ploskanjem)?

Da ali ne: _ Bes za ploskanje/udarjanje traja od _ do _

Zakaj mislite, da je tako? _

Poskusite druge vrste hrupa in posnemite, kar opazite - vendar se ne dotikajte plošče: _

P. S. MEMS deluje v obeh smereh, za premikanje mikromehanskih delov pa je mogoče uporabiti elektriko. Podjetje, imenovano "Audio Pixels", si prizadeva združiti te naprave, da bi ustvarilo popolnoma raven majhen zvočnik, ki lahko usmerja zvok v katero koli smer.

7. korak: Merilniki pospeška

Merilnik pospeška je tudi vrsta MEMS, ena od teh naprav pa je na voljo na plošči "Circuit Playground". Čip LIS3DH, blizu središča plošče poleg grafike XYZ, omogoča merjenje pospeška v kateri koli smeri kot vektorsko vsoto pospeška v smeri X, Y in Z.

Ker je sila gravitacije enaka sili, ki jo občutimo s pospeševanjem (Einsteinova teorija relativnosti), naprava, tudi ko miruje tukaj na zemlji, meri pospešek 9,8 metra na sekundo na sekundo (9,8 m/s2).

Napravo lahko zavrtite, da celotno silo spravite v smer »X«.

Napravo nagnite tako, da bo ves pospešek v smeri X (pri sukanju stvari bodite previdni s kratkim kablom USB). Kakšne vrednote ste opazovali? X: _ Y: _ Z: _

Zdaj nagnite napravo, da dobite skoraj vso silo teže (pospešek) v smeri Y. Katere vrednote ste opazovali? X: _ Y: _ Z: _

Nazadnje napravo postavite tako, da se pospešek iz gravitacije razdeli med smeri X in Y in je skoraj 0 v smeri Z (nekje med predhodnima dvema položajema). Kakšne vrednote ste opazovali? X: _ Y: _ Z: _

S Pitagorjevo izreko dodajte vektorje pospeška X in Y iz prejšnje meritve. Negativnih znakov lahko prezrete, kar pomeni, da je naprava v tej smeri le obrnjena na glavo. Kolikšen je skupni pospešek? _ Spomnite se, da je skupni pospešek = √ (X2 + Y2).

NASLEDNJI POSKUS POSKUŠAJTE SAMO, ČE STE TROMERNI! Nagnite napravo tako, da se pospešek iz gravitacije razdeli med smeri X, Y in Z. Kakšne vrednote ste opazovali?

X: _ Y: _ Z: _ Skupni pospešek = _

Kot lahko vidite, lahko merilnik pospeška (zahvaljujoč sili teže) uporabite tudi za merjenje nagiba - ali položaja deske. Če bi izdelovali robotsko roko z prijemalom, kam bi dali senzor merilnika pospeška in zakaj? _

Poleg nagiba in smeri središča zemlje lahko merilniki pospeška seveda merijo tudi pospeške. Ploščo nežno premikajte naprej in nazaj (pri sukanju stvari bodite previdni s kratkim kablom USB). Kakšne vrednote ste opazovali?

Smer je premaknjena: _ X: _ Y: _ Z: _

Smer je premaknjena: _ X: _ Y: _ Z: _

8. korak: Končali ste

Čestitamo za dokončanje vseh teh korakov in razumevanje elektronskih senzorjev!

Pustite komentar, da mi pošljete povratne informacije o stvareh, za katere menite, da bi jih bilo treba izboljšati, in mi sporočite, če ste se odločili za dodatno uporabo senzorjev Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, dr