Tryckkänslig golvmatsensor: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

I denna instruktionsbok kommer jag att dela en design för en tryckkänslig golvmatsensor som kan upptäcka när du står på den. Även om den inte kan väga dig exakt, kan den avgöra om du står på den med din fulla vikt eller om du helt enkelt tar kontakt med den.

Mattan mäter människor som använder Velostat, ett material som ändrar dess elektriska motstånd baserat på mängden tryck som appliceras på den. Jag gjorde hela mattan för under € 20 (exklusive mattan).

Steg 1: Vad du behöver

Detta är vad du behöver för att göra sensorn:

• Velostat: För att täcka tillräckligt med yta under mattan använde jag 2 rutor på 28 cm (11 tum) köpta hos en Adafruit -återförsäljare.
• Koppartejp: Jag använde 5 mm bred och cirka 6-7 m tejp.
• Ett tunt isoleringstejp: Jag använde 25 mm brett kaptontejp.
• Kablar för att koppla ihop mattan till något.
• Ett lödkolv med lite tenn.
• En multimeter för testning.

För att faktiskt använda denna matta med en mikrokontroller behöver du:

• Ett 47ohm motstånd (eller liknande litet värde).
• (valfritt, en N-kanals mosfet med 10k motstånd och 220ohm motstånd).

Steg 2: (Hur man inte applicerar koppartape på Velostat)

Jag börjar med att berätta hur man INTE applicerar koppartejp på Velostat.

Jag började med att anta att det "ledande limet" på tejpen var ledande. Detta verkade ett rättvist antagande, men antingen är min tejp inte av denna "ledande lim" -typ, eller så är den "ledande" delen knappt ledande.

Jag började med att tejpa ihop de två rutorna av Velostat på båda sidor med kaptontejp. Jag klippte sedan 25 cm långa band av koppartejp och applicerade dessa med jämna mellanrum. Koppartejpen på vardera sidan är på exakt samma plats, så att det bara finns ett tunt lager av Velostat mellan kopparen. På bilderna en schematisk vy över mattan med en utskärning för en översikt.

En lång remsa koppartape (cirka 50 cm) används för att ansluta alla raderna på båda sidor.

En tråd löddes på båda sidor och en motståndsmätning gjordes.

När jag försökte testa det skulle multimetervärdena svänga vilt mellan 10k och 100ohm. Att stå på mattan eller inte gjorde mycket liten skillnad för mätningen. Något var fruktansvärt fel. En snabb mätning av tejpen visade att limmet inte riktigt var så ledande. Materialsmörgåsen var koppar, lim, Velostat, lim, koppar och limet var typ av en isolator.

Historiens moral, gör småskaliga tester om du är osäker på om det kommer att fungera.

Steg 3: Test i liten skala

Tillbaka till ritbordet. Koppartejpens limsida leder uppenbarligen inte tillräckligt. Framsidan är dock ren koppar. Tänk om jag vänder tejpen så att kopparsidan vetter mot Velostat.

Ett enda spår var omvänt på båda sidor. Jag tog tejpen som var limsidan nedåt och satte fast den på en bit kaptontejp. Återanvända koppartejp är jobbigt, men det här är lite för dyrt för att bara slängas. Denna bit kaptontejp med kopparen vänd bort från den klibbiga sidan fastnade på Velostat.

En ny mätning gjordes. Detta gav direkt ett stabilt resultat. En sak dock. Ett enda spår tycktes vara 24 ohm när det var högt och 200 när det var lågt. Detta var medan jag bara tryckte på en liten mängd med min hand. Om jag har 12 spår och står helt på det kan mattan sjunka till under 1 ohm, vilket drar för mycket ström.

Jag reviderade designen så att endast små delar av tejpen kommer i kontakt med Velostat. På så sätt hoppades jag få motståndet till en hanterbar mängd.

Steg 4: Applicera koppartape på Velostat

Beväpnad med kunskapen om hur man faktiskt får detta att fungera, bestämde jag mig för att reparera sensormattan. På bilderna ser du den gamla mattan modifieras till den nya mattan.

Det första jag gjorde är att lägga till små tejpbitar som isolator. Tejpen sitter på båda sidor. Mellanrummen mellan tejpen måste vara något konstanta och cirka 1-3 cm stora, beroende på hur mycket motstånd du vill ha. Klyftan måste vara på samma plats på båda sidor.

Få en remsa koppartape och en remsa kaptontejp som är tillräckligt lång för att spänna över Velostat. Koppartejpen måste vara 1-2 cm längre än kaptontejpen. Stick koppartapejpen på den klibbiga sidan av kaptontejpen, med ena sidan av koppartejpen som går förbi kaptontejpen.

Fäst enheten på Velostat, över isolatorerna. Se till att kopparen är på samma plats på båda sidor. Se också till att överskottet av koppar är på samma sida varje gång. Vik över överskott av koppar så att du har en plats att montera kopplingsremsan av koppar. Ett råd är att ha överskottet av koppar över en isolerad del av mattan så att det är lättare att löda till det senare.

Upprepa detta steg för alla rader.

Lägg till en översta rad koppartape som förbinder alla tidigare monterade kopparremsor med varandra. Det är klokt att isolera denna rad från Velostat för att förhindra oönskade shorts eller läckor. Den översta raden ansluter till de överviktade flikarna kvar i föregående steg.

Löd försiktigt alla de korta remsorna till den övre remsan. Denna lödning behövs eftersom den övre remsan annars inte kommer i kontakt med kopparraderna. Var noga med att inte lägga till för mycket värme i koppar. Kopparen är monterad på plast (Velostat), och smältning genom plasten skulle vara dålig.

Lödtrådar till de övre raderna på båda sidor. Var som helst är bra, jag valde ett hörn.

Testa mattan för att se till att den fungerar. Anslut en multimeter till mattan och se om motståndet sjunker om du trycker på någon av de oisolerade delarna. Kontrollera också om motståndet är något stabilt om du inte gör någonting. Om så är fallet, grattis, mattan fungerar nu.

Som ett sista steg, applicera kaptontejp på allt exponerat koppar. Även om det förmodligen inte kommer att orsaka shorts, är det en dålig form att lämna exponerat koppar.

(I de schematiska bilderna visas inte den översta raden av koppar. Bilden tjänar bara till att visa konfigurationen av kapton och koppar för att få denna matta att fungera.)

Steg 5: Testa mattan

Den nya mattan var ansluten till en multimeter för att testa den igen. Denna gång, utan belastning, är mattans motstånd stabilt 17-20 ohm.

När jag står helt på mattan sjunker motståndet till 4-6 ohm. En fot på mattan ger cirka 10 ohm.

Detta är lite lägre än jag är nöjd med, men det är fortfarande ett fungerande värde. Det är stor skillnad mellan ingen belastning och en person som står på mattan. En observation som gjorts är att trycket inte riktigt definierar motståndet. Ytan gör det. Om jag står på mer av mattan med mindre vikt blir motståndet lägre än om jag står med hela min vikt på en enda plats. För det jag behöver den här sensorn för är det här bra, men kom ihåg det om du bygger en.

Steg 6: Anslut det

Eftersom mattan bara är ett stort variabelt motstånd är det ganska enkelt att ta mätningar från mattan.

Det enklaste sättet är att använda en spänningsdelare. Lägg till ett motstånd före trycksensormattan (kallas R_mat i schemat) och mät punkten mellan motståndet och mattan (kallad MatA1). Jag använde 47 ohm, men din matta kan behöva något annat. Min logiknivå är 3,3V, du kan använda oavsett vilken logisk effektnivå du har.

Jag lade till en valfri på -krets till min matta. Jag ville inte ha en konstant 50mA dragning på min matta. Jag vet helt enkelt inte hur Velostat gillar en konstant ström genom det, och jag förväntar mig att det kommer att vara dåligt för mattans livslängd. Kretsen består av en N-kanals mosfet med erforderliga motstånd. När jag vill läsa, slår jag på mosfeten. Resten av tiden är mosfeten avstängd och mattan har ingen kraft som går igenom den.

Steg 7: Hur man använder den

Att använda mattan med en Arduino (eller någon annan mikrokontroller) är enkel. Om du bara har spänningsdelaren kan du helt enkelt fästa din matta till en analog stift, ställa in stiftet som du fäster mattan som ingång och använd ett analogt läskommando. Värdet du får från detta kommer att sjunka beroende på hur mycket vikt som appliceras på mattan.

Om du har mosfet installerat, kom ihåg att göra inmatningen av mosfet hög innan du gör en mätning. Annars mäter du helt enkelt spänningen du använde för mattan (3,3V i mitt fall).

Värdet du får tillbaka från mattan förändras inte mycket över tiden. Jag använder helt enkelt ett tröskelvärde för att avgöra om något står på mattan, och efter en månads kontinuerlig användning fungerar mattan fortfarande bra.

Steg 8: Vad jag skulle göra annorlunda nästa gång

En viktig projektrelaterad sak är att jag korrekt skulle testa en liten version av mattan först. Jag gjorde faktiskt en liten bit koppar på Velostat, såg siffror på multimetern och antog att allt fungerade. Detta var ett misstag.

En mattrelaterad punkt är att jag skulle använda mindre kopparfläckar. Jag har för närvarande 48 lappar på 2-3 cm koppar. Detta ger ett motstånd på 20 ohm i viloläge och cirka 5 ohm när jag står på det. Även om detta är ett användbart nummer, skulle det vara lättare om det var lite lägre. 1 cm exponerat koppar skulle vara mer än tillräckligt för denna matta. Jag tänker inte göra det här på min längre, men kanske någon annan som vill göra detta kan dra nytta av detta.

Steg 9: Hur jag använder det

Varför gjorde jag specifikt den här tryckkänsliga mattan? Jag gjorde en snygg ESP32 väckarklocka. Den är ansluten till mitt Domoticz -system, den kan returnera sensorvärden som CO2 och temperatur och kan styra min belysning. Den berättar också om tiden och har ett larm.

Det är här sensormattan kommer in. Jag har inga problem med att vakna. Jag vaknar med väckningsljus och är vanligtvis vaken när jag behöver gå ut. Jag har dock problem med att gå upp ur sängen. Mattan tvingar mig att gå upp ur sängen. Larmet stängs bara av när jag faktiskt står på mattan (eller drar ut kontakten från väckarklockan). Detta tvingar mig ur min säng, och när jag väl är ute ur sängen kommer jag sällan tillbaka. Även om det är lite av en överkillning på ett problem som har många andra lösningar, är jag nöjd med det. Hittills har jag gått upp ur sängen i tid varje morgon i ungefär en månad. Innan jag brukade ligga i sängen i upp till en timme.

20 minuter innan mitt larm går av blir mattan aktiv. Mattan slås på, den tar en spänningsavläsning och mattan stängs av igen. Detta händer varannan sekund. När jag står på mattan, antingen före eller under larmet, stängs det av.