Разбиране на електронните сензори: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Предназначен да обясни работата на обикновените индустриални и битови сензори, този "Инструктивен" ви учи как да използвате налични в търговската мрежа сензори в реално разгръщане, използвайки практически упражнения и експерименти.

Този урок накратко ще обхване вериги, които могат да усетят следното:

• Промени в температурата
• Докосване (капацитивен контакт с кожата)
• Докосване (превключватели и бутони)
• Промени в светлината
• Промени в звука
• Промени в ускорението (движение и гравитация)

Обхваща се също така необходим хардуер и софтуер, къде да купувате / изтегляте артикулите, как да настроите схемите за числов изход, как да четете числовия изход и информация за това как работи всеки сензор.

Да започваме!

Стъпка 1: Изцяло тествано - Закупуване и изтегляне на околната среда

Ще видите в целия Instructable, че детайлите на този урок са били внимателно тествани от тийнейджъри, посещаващи местен университет, като част от техния интерес към мехатрониката (роботиката и производството)

Oreo бисквитките са полезни, но не са задължителни

Хората от Adafruit са произвели дъската, която ще използваме днес, наречена „Circuit Playground - Classic“и те са тествали старателно голям брой начини за използване на устройството. Можете да видите някои от тях в тяхната страница „Научете“тук, която почти грубо проследява този инструктируем лабораторен експеримент и подетапи-с любезното съдействие на тази страница „Научете“на Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -и-bluetooth-ниска енергия

Частите, от които се нуждаете, са прости, евтини и лесни за използване за експериментатори от широк кръг възрастови групи, дори на млади като Средно училище (може би на 12 години?)

1. Първо, закупете едно или повече от устройствата тук: https://www.adafruit.com/product/3000, а също и USB към Micro-B USB адаптер за свързване към вашия компютър тук https://www.adafruit.com/ продукт/898. Общата цена е под $ 40 с доставка, но може да ви се стори по -евтино.
2. След като закупите и получите вашия евтин Circuit Playground и USB кабел, ще трябва да го свържете към персонален компютър (PC), който има интегрирана среда за разработка (IDE) за устройства тип Arduino.
3. В този пример използваме IDE arduino-1.8.4-windows, но и други ще работят. Не забравяйте да инсталирате всички драйвери (в този случай adafruit_drivers_2.0.0.0
4. След като инсталирате IDE, можете да отворите IDE, наречена "Arduino"
5. Под Файл-> Предпочитания вмъкнете следния „Допълнителен URL адрес на мениджъра на борда“https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, след това кажете OK и след това затворете и отворете отново IDE
6. Сега свържете устройството Circuit Playground с Micro USB. Вижте, че той се включва и изпълнява програмата по подразбиране "Circuit Playground Firmata", като показва дъгова последователност от светлини. Можете да проверите дали превключвателят в близост до жака за захранване на батерията променя реда и един от бутоните изпълнява нота за всеки цвят.
7. Ще трябва да вземете библиотеката Circuit Playground и след това да разархивирате библиотеката на Circuit PLayground в папката Documents -> Arduino -> libraries „Adafruit_CircuitPlayground -master“. След като разархивирате, премахнете наставката „-master“от името на папката. Спрете и рестартирайте IDE и заредете Тип платка за кръгова площадка под Инструменти -> Табла -> Мениджър на дъска и след това потърсете тип „Принос“и ключови думи „Adafruit AVR“. Това ще ви позволи да инсталирате „Adafruit AVR платки“(последна версия), след което трябва да спрете и да рестартирате IDE
8. Сега сте готови да тествате Circuit Playground с демонстрационна програма. Свържете се към Circuit Playground, свързан чрез USB. Отидете на Инструменти -> Платки и се уверете, че сте избрали Circuit Playground. Отидете на Инструменти -> Портове и се уверете, че сте избрали подходящия COM порт (този, свързан към USB Blaster). Изтеглете демонстрационна програма, както следва: Изберете: Файлове -> Примери -> Adafruit Circuit PLayground -> демонстрация и след това компилирайте и качете (можете да използвате бутона "стрелка с дясна стрелка", за да направите всичко)
9. Тествайте демонстрационната програма, като изпълните следните стъпки: Вижте, че Circuit Playground мига в дъгова последователност. Завъртете плъзгащия превключвател и вижте, че причинява свирене на ноти (моля, изключете го отново, в противен случай със сигурност ще дразни всички около вас). Вижте, че червеният светодиод за изтегляне мига скоростта.
10. Сега можете да общувате с Circuit Playground чрез текстов интерфейс. Щракнете върху бутона „Serial Monitor“в IDE. Изглежда нещо като лупа в горния десен ъгъл на прозореца на демонстрационната програма. Може да искате да изключите автоматичното превъртане, за да видите по -добре.

Готови сте да експериментирате и да се свържете с всички различни сензори!

Стъпка 2: Измерване на температурата

Погледнете стойността „температура“на текстовия изход на серийния монитор. Той ще има стойност на стайна температура някъде през 30 -те. Измерих 39,43 градуса по Целзий.

Термисторът, използван за измерване на температурата, е показан на снимката. Това е сензор А0 и има графика на термометър до него.

Внимателно поставете палеца си върху температурния сензор и запишете колко секунди са необходими, за да достигнете максимална температура. Отбележете това, както и следното:

За да се достигне максималната температура на пръста, бяха необходими _ секунди.

Каква е най -високата температура, която в крайна сметка е достигнала? _ ° С

Каква е тази стойност във Фаренхайт? _ F. СЪВЕТ: F = (C * 1.8) + 32

По -топла или по -хладна ли е от нормалната телесна температура? _

Дали използването на този термометър с палец на някой би било добър индикатор за треска, за да се разбере дали е болен?

Защо? _

Термисторът е специален вид резистор, който променя съпротивлението в зависимост от температурата. Една от снимките в тази стъпка показва типична схема на термистора. ·

В показаната схема какъв би бил показателят на волтомера? _ СЪВЕТ: Използвайте правилото за делителя на напрежение Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Ако термисторът има рейтинг „1,5% промяна на съпротивлението на градус C“- какво ще бъде съпротивлението на термистора, ако температурата се повиши до 30 градуса C? _ СЪВЕТ: тъй като това е промяна от 5 градуса и всяка степен променя съпротивлението с 1,5%, получаваме оми на термистор = (5 * 0,015) + 10 000 ома

При 32 градуса C, какво ще бъде показанието на волтаметъра? _ СЪВЕТ: Сега промяната е 7 градуса.

Къде могат да се използват температурни сензори във видовете производство?

Стъпка 3: Капацитивен сензор за докосване

Снимката показва кои от конекторите (или „подложки“) също могат да се използват за откриване на докосване. Те се наричат капацитивни сензори за докосване, защото използват човешкото тяло като електронен компонент, наречен кондензатор.

За безопасност искаме всеки електрически ток да е много нисък. Поради тази причина всички външни връзки към подложките преминават през 1 мегаомов резистор към обща зона (щифт #30 на чипа), така че общото съпротивление между всякакви две подложки е 2 мега ома.

• Ако пиковото напрежение между две подложки е 5 волта, а съпротивлението е 2 мега ома, какъв би бил токът, който преминава между двете подложки, ако са късо съединени? _ (НЕ ги късо съединявайте)
• "Capsense" са числата, които се показват от текстовия интерфейс. В кой случай числата са по -големи, когато сензорите се докосват или когато не се докосват? _
• Запишете някои примери за числа, когато сензорите НЕ се докосват: _
• Запишете някои примери за числа при докосване на сензорите: _
• Каква разлика наблюдавате при едновременно докосване на няколко сензора? _
• Какво се случва, ако държите нещо метално и докоснете сензора с това? _
• Какво се случва, ако държите нещо неметално и докоснете сензора с това? _
• Тъй като капацитивните сензори за докосване нямат движещи се части, те са много устойчиви на вибрации. Също така, те могат да бъдат покрити с водоустойчиво защитно покритие. Защо тези два аспекта могат да бъдат полезни в производствена среда? _

Стъпка 4: Традиционни бутони и плъзгачи

Бутоните и превключвателите изглеждат толкова прости и „ежедневни“, че ги приемаме за даденост, когато става въпрос за използването им като сензори. Клавиатурата е чудесен пример. Когато искаме да пишем бързо, имаме няколко „фалшиви“натискания на клавиши и имаме дълъг живот от много години на употреба - механичните превключватели (по един под всеки клавиш на клавиатурата) са най -добрият начин.

Схемата, която използваме днес, има три прекъсвача с бутон. Това означава, че когато пуснете бутона, те се връщат в първоначалното си положение (благодарение на пружинен механизъм). Веригата също има сензор, предназначен за двупозиционен плъзгащ превключвател. Може да отнеме известно усилие, за да го плъзнете, но не счупете дъската, опитвайки се да го направите - плъзнете настрани по -здраво, отколкото натискате надолу. Този тип сензор е много стабилен. Стабилно означава, че след като го плъзнете в една или друга позиция, можете напълно да очаквате, че ще можете да се отдалечите и да се върнете дълго време по -късно и да очаквате той все още да е в същото положение, дори ако е на вибрираща повърхност и т.н.

Къде сте виждали такъв плъзгащ превключвател в производството или дори в къщата си?

_

Погледнете текстовия изход и намерете информацията за сензора. В този случай сензорът може да не изведе число, а по -скоро нещо друго.

Превключвателят "плъзгач" трябва да показва позицията му. Какви стойности приема сензорът за „плъзгане“в двете позиции?

_

Нещо друго се случва в една от двете позиции на плъзгача. Какво е това?

_

P. S. Като любезност към всички останали, моля, плъзнете превключвателя в позиция „по -малко досадно“, веднага щом приключите с този раздел.

Стъпка 5: Сензори за светлина

Подобно на температурния сензор, веригата на сензора за светлина на платката „Circuit Playground“използва схема на делител на напрежение - където 5 волта, управляващи устройството, се нарязват на две части, от сензора и от резистор с фиксирана стойност. Вместо „термистор“, светлинният сензор използва „фототранзистор“, който променя съпротивлението в зависимост от количеството светлина, която го удря. Можете да видите фототранзистора „A5“точно до графиката на окото на платката.

Ако светлинният сензор е насочен към тавана на помещението (към светлините), стойността на „Светлинен сензор“трябва да бъде в стотици.

Каква стойност на "Сензор за светлина" наблюдавате, когато "окото" е насочено към тавана на стаята?

_

Ами ако насочите „окото“към пода - какъв номер наблюдавате? _

Ами ако насочите „окото“в различни ъгли между тавана и пода? - Опишете какво сте наблюдавали, включително стойностите на числата, които сте наблюдавали, и какво сте направили, за да получите тези числа. _

Ами ако насочите сензора към затварящо (но не докосващо) парче тъмна тъкан - какъв номер наблюдавате? _

Покриването му (сензор близо до "окото") с пръст трябва да намали номера. Дали? _

Обърнете внимание, пръстът ви е полупрозрачен, така че ярките светлини на светещия светодиод могат да го светят през пръста ви. Какво друго бихте могли да използвате, за да прикриете сензора, за да получите по -нисък номер? _

Светлинните сензори могат да бъдат малко нестабилни - не винаги дават точното отчитане, което очаквате, и силно зависят от отразяващата способност, прозрачността, ъгъла на осветление и яркостта на осветлението. Производствените системи за визия се стремят да преодолеят тези ограничения, като строго контролират тези променливи. Например, скенер за баркод може да използва ярко фокусирана едноцветна лазерна лента, за да сведе до минимум въздействието на стайното осветление. В друг пример, конвейерната лента за кашони за мляко използва сензор за светлина в стил „гаражна врата“, отчитайки кутиите за мляко, като брои броя пъти, през които светлината може да премине между тях.

Дайте различен пример от производството, дома или бизнеса, където някои от тези светлинни променливи се контролират, за да се получи по -добър резултат от сензора за светлина (освен примерите, които вече споменах тук):

Стъпка 6: Звуков сензор

Звуковият сензор на „Circuit Playground“всъщност е доста сложна микроелектромеханична система (MEMS), която не само може да се използва за откриване на аудио нива, но и може да извършва основен честотен анализ. Може да сте виждали анализатор на спектъра в музикално студио или приложение за музикален плейър - което прилича на стълбовидна диаграма с ниските ноти вляво и по -високите вдясно (точно като графичен еквалайзер).

Стойността, която се показва на текстовото отчитане, всъщност е необработената форма на аудио вълна. Ще трябва да добавим стойностите с течение на времето, за да намерим общата мощност на звука (нивото на звуковото налягане).

Независимо от това, това MEMS устройство може да се използва за задействане на действия от робот или друго устройство, когато има звуци, или когато се чува определена последователност от звуци. В допълнение, MEMS са изключително малки (това е устройството под този малък отвор на металната кутия, точно до графиката „ухо“на дъската) и с ниска мощност. Тази комбинация прави MEMS устройствата изключително полезни за акустични, биомедицински, откриване на микрофлуиди, микрохирургични инструменти, сензори за газови и химически потоци и др.

Тъй като изходът е формата на звуковата вълна (а не нивото на мощност), ще видите по -малък диапазон в стойностите, когато нещата са тихи (~ 330 е средата за идеално тиха стая) и по -широки люлки за силни шумове (от 0 до 800 или повече).

Запишете стойностите на „Звуков сензор“, когато присъства само фоновият шум в помещението. Каква стойност наблюдавате? От до _

Каква стойност наблюдавате, ако говорите с нормален тон на глас - на около 2 фута от сензора? От до _

Получавате ли по -висок диапазон от стойности, като говорите или щракате с пръсти (или пляскате) многократно?

Да или не: _ Яростта за пляскане/щракане преминава от _ до _

Защо мислиш, че е така? _

Опитайте други видове шум и запишете това, което наблюдавате - но моля, не докосвайте дъската: _

P. S. MEMS работят в двете посоки и е възможно да се използва електричество за преместване на микромеханичните части. Компания, наречена „Audio Pixels“, работи върху групирането на тези устройства заедно, за да направи идеално плосък малък високоговорител, който може да насочи звука във всяка посока.

Стъпка 7: Акселерометри

Акселерометърът също е вид MEMS и едно от тези устройства е предвидено на дъската „Circuit Playground“. Чипът LIS3DH, близо до центъра на дъската до графиката XYZ, дава възможност за измерване на ускорението във всяка посока като векторна сума на ускорението в посока X, Y и Z.

Тъй като силата на гравитацията е идентична със силата, която се усеща при ускоряване (теорията на относителността на Айнщайн), дори когато стои неподвижно тук на земята, устройството измерва ускорение от 9,8 метра в секунда в секунда (9,8 м/с2).

Можете да завъртите устройството, за да получите цялата тази сила в посока „X“.

Опитайте се да наклоните устройството така, че цялото ускорение да е в посока X (моля, бъдете внимателни с късия USB кабел, когато усуквате нещата наоколо). Какви ценности спазвахте? X: _ Y: _ Z: _

Сега наклонете устройството, за да получите почти цялата сила на гравитацията (ускорение) в посока Y. Какви ценности спазвахте? X: _ Y: _ Z: _

И накрая, позиционирайте устройството така, че ускорението от гравитацията да бъде разделено между посоките X и Y и е почти 0 в посоката Z (някъде между предишните две позиции). Какви ценности спазвахте? X: _ Y: _ Z: _

Използвайте Питагоровата теорема, за да добавите X и Y векторите на ускорение от предишното измерване. Можете да игнорирате отрицателните знаци, това означава, че устройството е просто с главата надолу в тази посока. Какво е общото ускорение? _ Припомнете си, че общото ускорение = √ (X2 + Y2).

ОПИТАЙТЕ СЛЕДВАЩИЯ ЕКСПЕРИМЕНТ САМО АКО СИ ТРИМЕРЕН! Наклонете устройството, така че ускорението от гравитацията да бъде разделено между посоките X, Y и Z. Какви ценности спазвахте?

X: _ Y: _ Z: _ Общо ускорение = _

Както можете да видите, акселерометърът (благодарение на силата на гравитацията) може да се използва и за измерване на наклона - или позицията на дъската. Ако строите ръка на робот с грайфер, къде бихте могли да поставите сензора за акселерометър и защо? _

Освен наклона и посоката на центъра на земята, акселерометрите естествено могат да измерват и ускорението. Внимателно преместете платката напред -назад (моля, бъдете внимателни с късия USB кабел, когато усуквате нещата наоколо). Какви ценности спазвахте?

Посоката е преместена: _ X: _ Y: _ Z: _

Посоката е преместена: _ X: _ Y: _ Z: _

Стъпка 8: Готови сте

Поздравления за завършването на всички тези стъпки и разбирането за електронните сензори!

Оставете коментар, за да ми изпратите отзиви за неща, които смятате, че трябва да бъдат подобрени, и също така ме уведомете, ако сте измислили допълнителни сензорни приложения на Circuit Playground Classic!

Д -р Пол Нусбаум