HackerBox 0035: Elektrokemi: 11 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Den här månaden utforskar HackerBox Hackers olika elektrokemiska sensorer och testtekniker för att mäta materialens fysiska egenskaper. Denna instruktionsbok innehåller information om hur du kommer igång med HackerBox #0035, som kan köpas här så länge lagret räcker. Om du också vill få en sån här HackerBox direkt i din brevlåda varje månad, prenumerera på HackerBoxes.com och gå med i revolutionen!

Ämnen och inlärningsmål för HackerBox 0035:

• Konfigurera Arduino Nano för användning med Arduino IDE
• Anslut och koda en OLED -modul för att visa mätningar
• Konstruera en alkoholmätare med alkoholsensorer
• Jämför gassensorer för att utföra luftkvalitetsmätningar
• Bestäm vattenkvalitet från totalt upplösta fasta ämnen (TDS)
• Testa kontaktlös och vattendränkbar termisk avkänning

HackerBoxes är den månatliga prenumerationstjänsten för DIY -elektronik och datorteknik. Vi är hobbyister, tillverkare och experimenterande. Vi är drömmarnas drömmare. HACKA PLANET!

Steg 1: HackerBox 0035: Boxinnehåll

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pixlar I2C Display
• TDS-3 vattenkvalitetsmätare
• GY-906 kontaktlös temperaturmodul
• MP503 föroreningssensor för luftkvalitet
• DS18B20 Vattentät temperatursond
• MQ-3 alkoholsensormodul
• MQ-135 Air Hazard Gas Sensor Module
• DHT11 -modul för luftfuktighet och temperatur
• KY-008 lasermodul
• Uppsättning av lysdioder, 1K -resistorer och taktila knappar
• 400 -punkts "kristallklart" brödbräda
• Jumper Wire Set - 65 bitar
• MircoUSB -kabel
• Exklusiva dekaler för HackerBoxes

Några andra saker som kommer att vara till hjälp:

• Lödkolv, löd och grundläggande lödverktyg
• Dator för att köra mjukvaruverktyg

Viktigast av allt, du kommer att behöva en känsla av äventyr, DIY -anda och hacker -nyfikenhet. Hardcore DIY -elektronik är inte en trivial strävan, och HackerBoxes vattnas inte. Målet är framsteg, inte perfektion. När du fortsätter och njuter av äventyret kan stor tillfredsställelse härledas från att lära dig ny teknik och förhoppningsvis få några projekt att fungera. Vi föreslår att du tar varje steg långsamt, tänker på detaljerna och var inte rädd för att be om hjälp.

Det finns en mängd information för nuvarande och potentiella medlemmar i HackerBoxes FAQ.

Steg 2: Elektrokemi

Elektrokemi (Wikipedia) är den gren av fysisk kemi som studerar sambandet mellan elektricitet, som ett mätbart och kvantitativt fenomen, och en särskild kemisk förändring eller vice versa. De kemiska reaktionerna innebär elektriska laddningar som rör sig mellan elektroder och en elektrolyt (eller joner i en lösning). Således behandlar elektrokemi samspelet mellan elektrisk energi och kemisk förändring.

De vanligaste elektrokemiska enheterna är vardagsbatterier. Batterier är enheter som består av en eller flera elektrokemiska celler med externa anslutningar för elektriska enheter som ficklampor, smartphones och elbilar.

Elektrokemiska gassensorer är gasdetektorer som mäter koncentrationen av en målgas genom att oxidera eller reducera målgasen vid en elektrod och mäta den resulterande strömmen.

Elektrolys är en teknik som använder en likström för att driva en annars icke-spontan kemisk reaktion. Elektrolys är kommersiellt viktigt som ett steg i separationen av element från naturligt förekommande källor såsom malmer med användning av en elektrolytisk cell.

Steg 3: Arduino Nano mikrokontrollerplattform

En Arduino Nano, eller liknande mikrokontrollerkort, är ett utmärkt val för gränssnitt med elektrokemiska sensorer och bildskärmsutgångar till en dator- eller videodisplay. Den medföljande Arduino Nano -modulen levereras med huvudstiften, men de är inte lödda till modulen. Lämna stiften av för tillfället. Utför dessa inledande tester av Arduino Nano -modulen FÖR att löda huvudet på Arduino Nano. Allt som behövs för nästa steg är en microUSB -kabel och Nano -modulen precis som den kommer ur väskan.

Arduino Nano är ett ytmonterat, brödbrädvänligt, miniatyriserat Arduino-kort med integrerat USB. Det är fantastiskt komplett och lätt att hacka.

Funktioner:

• Mikrokontroller: Atmel ATmega328P
• Spänning: 5V
• Digitala I/O -stift: 14 (6 PWM)
• Analoga ingångsstift: 8
• Likström per I/O -stift: 40 mA
• Flashminne: 32 KB (2KB för bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Klockhastighet: 16 MHz
• Mått: 17 mm x 43 mm

Denna speciella variant av Arduino Nano är den svarta Robotdyn -designen. Gränssnittet är via en inbyggd MicroUSB-port som är kompatibel med samma MicroUSB-kablar som används med många mobiltelefoner och surfplattor.

Arduino Nanos har ett inbyggt USB/seriellt bryggchip. På den här varianten är bryggchippet CH340G. Observera att det finns olika andra typer av USB/Serial bridge -chips som används på de olika typerna av Arduino -kort. Med dessa chips kan datorns USB -port kommunicera med det seriella gränssnittet på Arduinos processorchip.

En dators operativsystem kräver att en enhetsdrivrutin kommunicerar med USB/Serial -chipet. Föraren tillåter IDE att kommunicera med Arduino -kortet. Den specifika enhetsdrivrutinen som behövs beror på både OS -versionen och även typen av USB/seriellt chip. För CH340 USB/Serial -chips finns drivrutiner tillgängliga för många operativsystem (UNIX, Mac OS X eller Windows). Tillverkaren av CH340 levererar dessa förare här.

När du först ansluter Arduino Nano till en USB -port på din dator ska den gröna strömlampan tändas och kort efter ska den blå lysdioden börja blinka långsamt. Detta händer eftersom Nano är förinstallerad med BLINK-programmet, som körs på den helt nya Arduino Nano.

Steg 4: Arduino Integrated Development Environment (IDE)

Om du ännu inte har Arduino IDE installerat kan du ladda ner det från Arduino.cc

Om du vill ha ytterligare introduktionsinformation för arbete i Arduino -ekosystemet föreslår vi att du läser instruktionerna för HackerBoxes Starter Workshop.

Anslut Nano till MicroUSB -kabeln och andra änden av kabeln till en USB -port på datorn, starta Arduino IDE -programvaran, välj lämplig USB -port i IDE under verktyg> port (troligen ett namn med "wchusb" i den). Välj också "Arduino Nano" i IDE under verktyg> kort.

Slutligen ladda upp en bit exempelkod:

Arkiv-> Exempel-> Grunder-> Blink

Detta är faktiskt koden som förinstallerades på Nano och borde köras just nu för att långsamt blinka den blå lysdioden. Följaktligen, om vi laddar den här exempelkoden, kommer ingenting att förändras. Låt oss istället ändra koden lite.

När du tittar noga kan du se att programmet tänder lysdioden, väntar 1000 millisekunder (en sekund), släcker lysdioden, väntar ytterligare en sekund och gör sedan allt igen - för alltid.

Ändra koden genom att ändra båda "fördröjning (1000)" -uttalandena till "fördröjning (100)". Denna ändring kommer att leda till att lysdioden blinkar tio gånger snabbare, eller hur?

Låt oss ladda den modifierade koden till Nano genom att klicka på UPLOAD -knappen (pilikonen) strax ovanför den modifierade koden. Titta nedanför koden för statusinformation: "kompilering" och sedan "uppladdning". Så småningom ska IDE indikera "Uppladdning klar" och din lysdiod ska blinka snabbare.

Grattis i så fall! Du har just hackat din första inbäddade kod.

När din snabbblinkade version har laddats och körs, varför inte se om du kan ändra koden igen så att lysdioden blinkar snabbt två gånger och sedan vänta ett par sekunder innan du upprepar? Ge det ett försök! Vad sägs om några andra mönster? När du väl lyckats visualisera ett önskat resultat, koda det och observera att det fungerar som planerat, har du tagit ett enormt steg mot att bli en kompetent hårdvaruhacker.

Steg 5: Header Pins och OLED på Lödfritt brödbräda

Nu när din utvecklingsdator har konfigurerats för att ladda kod till Arduino Nano och Nano har testats, koppla bort USB -kabeln från Nano och gör dig redo att löda huvudstiften. Om det är din första natt på fight club måste du lödda! Det finns många bra guider och videor online om lödning (till exempel). Om du känner att du behöver ytterligare hjälp kan du försöka hitta en lokal maker -grupp eller hackerutrymme i ditt område. Amatörradioklubbar är också alltid utmärkta källor till elektronikupplevelse.

Löd de två raderna med en rad (femton stift vardera) till Arduino Nano -modulen. Den sexstifts ICSP-kontakten (seriell programmering) i kretsen kommer inte att användas i detta projekt, så lämna bara dessa stift. När lödningen är klar, kontrollera noggrant för lödbroar och/eller kalla lödfogar. Slutligen kopplar du tillbaka Arduino Nano till USB -kabeln och kontrollerar att allt fortfarande fungerar som det ska.

För att koppla OLED till Nano, sätt in båda i en lödlös brödbräda som visas och kabel mellan dem enligt denna tabell:

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

För att köra OLED -skärmen installerar du SSD1306 OLED -bildskärmsdrivrutinen som finns här i Arduino IDE.

Testa OLED -skärmen genom att ladda upp ssd1306/snowflakes -exemplet och programmera den i Nano.

Andra exempel från SDD1306 -biblioteket är användbara att utforska med OLED -skärmen.

Steg 6: MQ-3 Alcohol Sensor och Breathalyzer Demo

MQ-3 Alcohol Gas Sensor (datablad) är en halvledarsensor för låg kostnad som kan detektera förekomsten av alkoholgaser vid koncentrationer från 0,05 mg/L till 10 mg/L. Det avkänningsmaterial som används i MQ-3 är SnO2, som uppvisar ökad konduktivitet när det utsätts för ökande koncentrationer av alkoholgaser. MQ-3 är mycket känslig för alkohol med mycket liten korskänslighet för rök, ånga eller bensin.

Denna MQ-3-modul ger en rå analog utgång i förhållande till alkoholkoncentrationen. Modulen har också en LM393 (datablad) -komparator för att tröskla en digital utgång.

MQ-3-modulen kan kopplas till Nano enligt denna tabell:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Används inte

Demokod från video.

VARNING: Detta projekt är bara en pedagogisk demonstration. Det är inte ett medicinskt instrument. Det är inte kalibrerat. Det är inte avsett på något sätt att bestämma alkoholhalten i blodet för utvärdering av lagliga eller säkerhetsgränser. Var inte dum. Drick inte och kör. Kom levande!

Steg 7: Detektera ketoner

Ketoner är enkla föreningar som innehåller en karbonylgrupp (en kol-syre dubbelbindning). Många ketoner är viktiga i både industri och biologi. Det vanliga lösningsmedlet aceton är den minsta ketonen.

Idag är många bekanta med den ketogena kosten. Det är en diet baserad på att konsumera hög fetthalt, tillräckligt med protein och lite kolhydrater. Detta tvingar kroppen att bränna fett snarare än kolhydrater. Normalt omvandlas kolhydraterna i maten till glukos, som sedan transporteras runt i kroppen och är särskilt viktigt för att stimulera hjärnans funktion. Men om det finns lite kolhydrater i kosten omvandlar levern fett till fettsyror och ketonkroppar. Ketonkropparna passerar in i hjärnan och ersätter glukos som energikälla. En förhöjd nivå av ketonkroppar i blodet resulterar i ett tillstånd som kallas ketos.

Exempel på ketonavkänningsprojekt

Ett annat exempel på ketonavkänningsprojekt

Jämförelse av MQ-3 vs TGS822 gassensorer

Steg 8: Luftkvalitetsavkänning

Luftföroreningar uppstår när skadliga eller överdrivna mängder ämnen inklusive gaser, partiklar och biologiska molekyler införs i atmosfären. Föroreningar kan orsaka sjukdomar, allergier och till och med dödsfall för människor. Det kan också skada andra levande organismer som djur, matgrödor och miljön i allmänhet. Både mänsklig aktivitet och naturliga processer kan generera luftföroreningar. Inomhusluftföroreningar och dålig urbana luftkvalitet listas som två av världens värsta giftiga föroreningsproblem.

Vi kan jämföra driften av två olika luftkvalitetssensorer (eller luftfara). Dessa är MQ-135 (datablad) och MP503 (datablad).

MQ-135 är känslig för metan, kväveoxider, alkoholer, bensen, rök, CO2 och andra molekyler. Dess gränssnitt är identiskt med MQ-3-gränssnittet.

MP503 är känslig för formaldehydgas, bensen, kolmonoxid, väte, alkohol, ammoniak, cigarettrök, många lukter och andra molekyler. Dess gränssnitt är ganska enkelt och ger två digitala utgångar för att ange fyra nivåer av föroreningskoncentrationer. Standardkontakten på MP503 har en plasthölje, som kan avlägsnas och ersättas av en vanlig 4-stifts rubrik (medföljer i påsen) för användning med lödfria brödbrädor, DuPont-hoppare eller liknande vanliga kontakter.

Steg 9: Vattenkvalitetsavkänning

TDS-3 vattenkvalitetsmätare

Total upplösta fasta ämnen (TDS) är den totala mängden mobil laddade joner, inklusive mineraler, salter eller metaller lösta i en given volym vatten. TDS, som är baserat på konduktivitet, uttrycks i delar per miljon (ppm) eller milligram per liter (mg/L). Upplösta fasta ämnen inkluderar alla ledande oorganiska element som är närvarande andra än de rena vattenmolekylerna (H2O) och suspenderade fasta ämnen. EPA: s maximala föroreningsnivå för TDS för livsmedel är 500 ppm.

Tar TDS -mätningar

1. Ta bort skyddslocket.
2. Slå på TDS -mätaren. PÅ/AV -knappen finns på panelen.
3. Sänk ner mätaren i vattnet/lösningen upp till max. nedsänkningsnivå (2”).
4. Rör lätt om mätaren för att lossa eventuella luftbubblor.
5. Vänta tills displayen stabiliseras. När avläsningen stabiliserats (cirka 10 sekunder), tryck på HOLD -knappen för att se avläsningen ur vattnet.
6. Om mätaren visar en blinkande "x10" -symbol, multiplicera avläsningen med 10.
7. Efter användning, skaka av överflödigt vatten från mätaren. Sätt tillbaka locket.

Källa: Fullständigt instruktionsblad

Experiment: Konstruera din egen enkla TDS-mätare (projekt med video här) som kan kalibreras med och testas mot TDS-3.

Steg 10: Termisk avkänning

GY-906 kontaktlös temperatursensormodul

GY-906 termisk avkänningsmodul är utrustad med en MLX90614 (detaljer). Detta är en enkel att använda, men mycket kraftfull infraröd termometer med en zon, som kan avkänna objekttemperaturer mellan -70 och 380 ° C. Den använder ett I2C -gränssnitt för att kommunicera, vilket innebär att du bara behöver ägna två ledningar från din mikrokontroller för att ansluta till den.

Demo termo-sensing projekt.

Ännu ett termokänsligt projekt.

DS18B20 Vattentät temperatursensor

DS18B20 en tråds temperatursensor (detaljer) kan mäta temperaturen från -55 ℃ till 125 ℃ med en noggrannhet på ± 5.

Steg 11: HACKA PLANET

Om du har tyckt om den här instruktionsboken och vill ha en cool låda med hackbar elektronik och datatekniska projekt som faller ner i din brevlåda varje månad, var vänlig gå med i revolutionen genom att surfa över till HackerBoxes.com och prenumerera på att få vår månatliga överraskningsbox.

Nå ut och dela din framgång i kommentarerna nedan eller på HackerBoxes Facebook -sida. Hör av dig till oss om du har några frågor eller behöver hjälp med något. Tack för att du är en del av HackerBoxes!