Förstå elektroniska sensorer: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Avsedd att förklara hur vanliga industriella och hushållssensorer fungerar, lär denna "instruerbara" dig hur du använder kommersiellt tillgängliga sensorer i en verklig distribution med praktiska övningar och experiment.

Denna lektion kommer kortfattat att omfatta kretsar som kan känna av följande:

• Förändringar i temperatur
• Att bli rörd (kapacitiv hudkontakt)
• Att bli rörd (omkopplare och knappar)
• Förändringar i ljus
• Förändringar i ljud
• Förändringar i acceleration (rörelse och gravitation)

Hårdvara och mjukvara behövs också, var man kan köpa / ladda ner artiklarna, hur man ställer in kretsarna för numerisk utmatning, hur man läser den numeriska utmatningen och en bakgrund om hur varje sensor fungerar.

Låt oss börja!

Steg 1: Grundligt testad - Inköp och nedladdning av miljön

Du kommer att se hela instruktionsboken att detaljerna i den här lektionen testades noggrant av tonåringar som besöker ett lokalt universitet som en del av deras intresse för mekanik (robotik och tillverkning)

Oreo -kakor är användbara, men krävs inte

Adafruit -folket tillverkade brädan som vi kommer att använda idag, kallad "Circuit Playground - Classic" och de har noggrant testat ett stort antal sätt att använda enheten. Du kan se några av dessa på deras "Lär" -sida här, som i stort sett följer detta instruerbara laboratorieexperiment och delsteg-med tillstånd av denna "Lär" -sida för Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -och-bluetooth-låg energi

Delarna du behöver är enkla, billiga och enkla att använda för experimenter från en mängd olika åldersgrupper, även så unga som mellanstadiet (12 år kanske?)

1. Köp först en eller flera av enheterna här: https://www.adafruit.com/product/3000 och även en USB till Micro-B USB-adapter för att ansluta till din PC här https://www.adafruit.com/ produkt/898. Den totala kostnaden är under $ 40 med frakt, men du kan hitta det billigare.
2. När du har köpt och fått din billiga kretslekplats och USB -kabel måste du ansluta den till en persondator (PC) som har en integrerad utvecklingsmiljö (IDE) för enheter av Arduino -typ.
3. I det här exemplet använder vi IDE arduino-1.8.4-windows, men andra fungerar också. Var noga med att installera alla drivrutiner (i detta fall adafruit_drivers_2.0.0.0
4. När du har installerat IDE kan du öppna IDE som heter "Arduino"
5. Under Arkiv-> Inställningar sätter du in följande "Ytterligare styrhanterings-URL" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, säger sedan OK och stänger sedan och öppnar IDE igen
6. Anslut nu Circuit Playground -enheten med Micro USB. Se till att den startar och kör standardprogrammet "Circuit Playground Firmata" genom att visa en regnbågssekvens av ljus. Du kan testa att omkopplaren nära batteriuttaget vänder ordning och att en av knapparna spelar en ton för varje färg.
7. Du måste hämta Circuit Playground -biblioteket och sedan packa upp Circuit PLayground -biblioteket i mappen Dokument -> Arduino -> bibliotek "Adafruit_CircuitPlayground -master." När du har packat upp det tar du bort suffixet "-master" från mappnamnet. Stoppa och starta om IDE: n och ladda kretstypen under Verktyg -> Brädor -> Styrelsehanterare och sök sedan efter typen "Bidragen" och sökorden "Adafruit AVR". Detta låter dig installera "Adafruit AVR Boards" (senaste versionen) varefter du bör stoppa och starta om IDE
8. Nu är du redo att testa Circuit Playground med ett demoprogram. Anslut till Circuit Playground ansluten via USB. Gå till Verktyg -> Kort och se till att du väljer Circuit Playground. Gå till Verktyg -> Portar och se till att du väljer rätt COM -port (den som är ansluten till USB Blaster). Ladda ner ett demoprogram enligt följande: Välj: Filer -> Exempel -> Adafruit Circuit PLayground -> demo och kompilera sedan och ladda upp (kan använda "högerpilen" -knappen för att göra allt)
9. Testa demoprogrammet genom att följa dessa steg: Se till att Circuit Playground blinkar i regnbågssekvens. Vrid reglaget och se att det gör att noter spelas (stäng av det igen, annars kommer det säkert att irritera alla runt dig). Se till att den röda nedladdningslampan blinkar timingshastigheten.
10. Nu kan du kommunicera med Circuit Playground via textgränssnitt. Klicka på "Serial Monitor" -knappen i IDE. Det ser ut som ett förstoringsglas i det övre högra hörnet av demoprogrammet. Du kanske vill stänga av automatisk rullning för att få ett bättre utseende.

Du är redo att experimentera och ansluta till alla olika sensorer!

Steg 2: Avkänningstemperatur

Ta en titt på "temperatur" -värdet på din seriella bildskärms textutmatning. Det kommer att ha ett rumstemperaturvärde någonstans på 30 -talet. Jag mätte 39,43 grader Celsius.

Termistorn som används för att mäta temperatur visas på bilden. Det är sensor A0 och har en grafik över en termometer bredvid.

Lägg försiktigt tummen över temperatursensorn och registrera hur många sekunder det tar att nå en högsta temperatur. Anteckna detta, liksom följande:

För att nå maximal fingertemperatur tog det _ sekunder.

Vilken är den högsta temperaturen den så småningom nådde? _ C

Vad är detta värde i Fahrenheit? _ F. TIPS: F = (C * 1,8) + 32

Är detta varmare eller svalare än normal kroppstemperatur? _

Skulle användning av denna termometer med någons tum vara en bra feberindikator för att berätta om de är sjuka?

Varför? _

En termistor är en speciell typ av motstånd som ändrar motstånd enligt temperaturen. En av bilderna i detta steg visar ett typiskt termistorkretsdiagram. ·

Vad skulle avläsningen på voltmätaren vara i kretsen som visas? _ TIPS: Använd spänningsdelningsregeln Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Om termistorn har ett betyg på”1,5% motståndsförändring per grad C” - vad blir termistorns motstånd om temperaturen går upp till 30 grader C? _ TIPS: eftersom det är en 5 graders förändring och varje grad förändrar motståndet med 1,5%får vi termistor Ohms = (5 * 0,015) + 10 000 Ohms

Vid 32 grader C, vad skulle vara avläsningen på voltmätaren? _ TIPS: Nu är förändringen 7 grader.

Var kan temperaturgivare användas vid tillverkning?

Steg 3: Kapacitiv beröringssensor

Bilden visar vilka av kontakterna (eller”kuddar”) som också kan användas för att upptäcka beröring. De kallas kapacitiva beröringssensorer eftersom de använder människokroppen som en elektronisk komponent som kallas en kondensator.

För säkerhets skull vill vi att varje elektrisk ström ska vara mycket låg. Av denna anledning passerar alla externa anslutningar till kuddarna genom ett 1 Mega Ohm -motstånd till ett gemensamt område (stift nr 30 på chipet) så det totala motståndet mellan två kuddar är 2 Mega Ohm.

• Om toppspänningen mellan två kuddar är 5 volt och motståndet är 2 Mega ohm, vad skulle strömmen som passerar mellan två kuddar om de är kortslutna? _ (INTE kortslut dem)
• "Capsense" är de siffror som visas i textgränssnittet. I vilket fall är siffrorna större, när sensorerna rörs eller när de inte rörs? _
• Anteckna några exempel på siffror när sensorerna INTE rörs: _
• Anteckna några exempel på siffror när sensorerna rörs: _
• Vilken skillnad märker du när flera sensorer rörs samtidigt? _
• Vad händer om du håller något metalliskt och rör vid sensorn med det? _
• Vad händer om du håller något icke-metalliskt och rör vid sensorn med det? _
• Eftersom kapacitiva beröringssensorer inte har några rörliga delar är de mycket motståndskraftiga mot vibrationer. De kan också täckas med en vattentät skyddande beläggning. Varför kan dessa två aspekter vara användbara i en tillverkningsmiljö? _

Steg 4: Traditionella knappar och reglage

Tryckknappar och omkopplare verkar så enkla och”vardagliga” att vi tar dem för givet när det gäller deras användning som sensorer. Tangentbordet är ett bra exempel. När vi vill skriva snabbt, ha få”falska” tangenttryckningar och ha en lång livslängd med många års användning - mekaniska omkopplare (en under varje tangent på tangentbordet) är vägen att gå.

Kretsen vi använder idag har tre”intermittenta” omkopplare med knappar. Det betyder att den som du släpper knappen trycker tillbaka till sin ursprungliga position (tack vare en fjäderbelastad mekanism). Kretsen har också en sensor som är avsedd för en tvåpositionsglidbrytare. Det kan ta lite ansträngning att skjuta det, men bryt inte brädan när du försöker göra det - glid fastare i sidled än du trycker ner. Denna typ av sensor är mycket stabil. Stabil betyder att när du skjuter den till den ena eller den andra positionen kan du fullt ut förvänta dig att kunna gå bort och komma tillbaka en lång tid senare och förvänta dig att den fortfarande kommer att vara i samma position, även om den är på en vibrerande yta, etc.

Var har du sett en sådan glidbrytare i tillverkningen, eller till och med ditt hus?

_

Titta på textutmatningen och hitta sensorinformationen. I det här fallet kanske sensorn inte matar ut ett nummer utan snarare något annat.

"Slide" -omkopplaren ska indikera dess position. Vilka värden tar "glid" -sensorn i de två positionerna?

_

Något annat händer i en av de två bildpositionerna. Vad är det där?

_

P. S. Som en artighet till alla andra, vänligen skjut omkopplaren till läget "mindre irriterande" så snart du är klar med det här avsnittet.

Steg 5: Ljussensorer

Precis som temperatursensorn använder ljussensorkretsen på "Circuit Playground" -kortet en spänningsdelare - där de 5 volt som driver enheten hackas i två delar, av sensorn och av ett motstånd med fast värde. Istället för en "termistor" använder ljussensorn en "fototransistor" som ändrar motstånd baserat på mängden ljus som träffar den. Du kan se fototransistorn "A5" precis bredvid ögat grafik på kretskortet.

Om ljussensorn är riktad mot taket i rummet (mot lamporna) bör värdet på”Ljussensor” vara i hundratals.

Vilket värde av "Ljussensor" observerar du när "ögat" riktas mot taket i rummet?

_

Vad sägs om du riktar”ögat” mot golvet - vilket nummer ser du? _

Vad händer om du riktar”ögat” i olika vinklar mellan taket och golvet? - Beskriv vad du observerade, inklusive värdena för de siffror du observerade, och vad du gjorde för att få dessa siffror. _

Vad sägs om du riktar sensorn mot en nära (men inte vidrörande) bit mörk trasa - vilket nummer ser du? _

Om du täcker den (sensorn nära "ögat") med fingret bör du sänka siffran. Gör det? _

Observera att ditt finger är halvtransparent, så de glödande LED-lamporna kan lysa upp genom fingret. Vad mer kan du använda för att täcka sensorn för att få ett lägre nummer? _

Ljussensorer kan vara något knepiga - ger inte alltid den exakta avläsningen du förväntar dig och mycket beroende på reflektivitet, transparens, belysningsvinkel och ljusstyrka. Tillverkningsvisionssystem försöker komma förbi dessa begränsningar genom att noggrant kontrollera dessa variabler. Till exempel kan en streckkodsläsare använda en ljusfokuserad enfärgad laserremsa för att minimera påverkan av rumsbelysning. I ett annat exempel använder ett mjölkkartongtransportband en ljussensor av "garageport", räkna mjölkkartonger genom att räkna antalet gånger ljus får passera mellan dem.

Ge ett annat exempel från tillverkning, hem eller företag där några av dessa ljusvariabler styrs för att få ett bättre ljussensorresultat (förutom de exempel jag redan nämnt här):

Steg 6: Ljudsensor

Ljudsensorn på "Circuit Playground" är faktiskt ett ganska sofistikerat mikroelektromekaniskt system (MEMS) som inte bara kan användas för att detektera ljudnivåer, utan också kan utföra grundläggande frekvensanalys. Du kanske har sett en spektrumanalysator visas i en musikstudio eller musikspelarapp - som ser ut som ett stapeldiagram med de låga tonerna till vänster och de högre noterna till höger (precis som en grafisk equalizer visar).

Värdet som visas på textavläsningen är faktiskt den råa ljudvågformen. Vi måste lägga till värdena över tiden för att hitta ljudets totala effekt (ljudtrycksnivån).

Ändå kan denna MEMS -enhet användas för att utlösa handlingar från en robot eller annan enhet när ljud finns eller när en specifik sekvens av ljud hörs. Dessutom är MEMS extremt små (det är enheten under det lilla hålet på metallboxen, alldeles bredvid "örat" -grafiken på kortet) och låg effekt. Denna kombination gör MEMS-enheter extremt användbara för akustisk, biomedicinsk, mikrofluiddetektering, mikrokirurgiska verktyg, gas- och kemiska flödessensorer och mer.

Eftersom utsignalen är ljudvågformen (och inte effektnivån) ser du mindre intervall i värdena när det är tyst (~ 330 är mitten för ett helt tyst rum) och bredare svängningar för höga ljud (0 till 800 eller så).

Spela in värdena”Ljudsensor” när endast bakgrundsbruset i rummet finns. Vilket värde tycker du? Från till _

Vilket värde observerar du om du talar med en normal tonljud - cirka två meter från sensorn? Från till _

Får du ett högre värdeintervall genom att tala eller genom att knäppa fingrarna (eller klappa) upprepade gånger?

Ja eller nej: _ Raseri för att klappa/knäppa går från _ till _

Varför tror du att det är det? _

Prova andra typer av buller och spela in vad du observerar - men snälla tryck inte på tavlan: _

P. S. MEMS arbetar i båda riktningarna, och det är möjligt att använda elektricitet för att flytta de mikromekaniska delarna. Ett företag som heter "Audio Pixels" arbetar med att gruppera dessa enheter för att skapa en perfekt platt liten högtalare som kan rikta ljudet åt alla håll.

Steg 7: Accelerometrar

En accelerometer är också en typ av MEMS, och en av dessa enheter finns på "Circuit Playground" -kortet. LIS3DH -chipet, nära mitten av brädet bredvid XYZ Graphic, ger möjlighet att mäta acceleration i vilken riktning som vektorsumma av acceleration i X-, Y- och Z -riktningen.

Eftersom tyngdkraften är identisk med den kraft som känns genom att accelerera (Einsteins relativitetsteori), även när den står stilla här på jorden, mäter enheten en acceleration på 9,8 meter per sekund per sekund (9,8 m/s2).

Du kan rotera enheten för att få hela kraften i "X" -riktningen.

Försök att luta enheten så att all acceleration är i X -riktning (var försiktig med den korta USB -kabeln när du vrider runt saker). Vilka värden observerade du? X: _ Y: _ Z: _

Luta nu enheten för att få nästan hela tyngdkraften (acceleration) i Y -riktningen. Vilka värden observerade du? X: _ Y: _ Z: _

Slutligen placera enheten så att accelerationen från gravitationen delas mellan X- och Y -riktningarna och är nästan 0 i Z -riktningen (någonstans mellan de två föregående positionerna). Vilka värden observerade du? X: _ Y: _ Z: _

Använd Pythagoras sats för att lägga till X- och Y -accelerationsvektorer från föregående mätning. Du kan ignorera negativa tecken, det betyder att enheten bara är upp och ner i den riktningen. Vad är den totala accelerationen? _ Minns att den totala accelerationen = √ (X2 + Y2).

FÖRSÖK ENDAST NÄSTA EXPERIMENT OM DU ÄR TREDIMENSIONELL! Luta enheten så att accelerationen från gravitationen delas mellan X-, Y- och Z -riktningarna. Vilka värden observerade du?

X: _ Y: _ Z: _ Total acceleration = _

Som du kan se kan accelerometern (tack vare tyngdkraften) också användas för att mäta lutning - eller brädans position. Om du skulle bygga en robotarm med en gripare, var kan du placera accelerometersensorn, och varför? _

Förutom lutning och riktning för jordens mitt kan accelerometrar naturligtvis också mäta acceleration. Flytta försiktigt kortet fram och tillbaka (var försiktig med den korta USB -kabeln när du vrider runt saker). Vilka värden observerade du?

Riktning flyttad: _ X: _ Y: _ Z: _

Riktning flyttad: _ X: _ Y: _ Z: _

Steg 8: Du är klar

Grattis till alla dessa steg och förståelse för elektroniska sensorer!

Lämna en kommentar för att skicka feedback till mig om saker du tycker borde förbättras, och meddela mig även om du har kommit på ytterligare sensoranvändningar av Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, doktorand