HackerBox 0035: ElectroChemistry: 11 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Tento měsíc HackerBox Hackers zkoumá různé elektrochemické senzory a testovací techniky pro měření fyzikálních vlastností materiálů. Tento návod obsahuje informace o tom, jak začít s HackerBoxem #0035, který lze zakoupit zde do vyprodání zásob. Pokud byste také chtěli každý měsíc dostávat HackerBox přímo do své poštovní schránky, přihlaste se k odběru na HackerBoxes.com a připojte se k revoluci!

Témata a vzdělávací cíle pro HackerBox 0035:

• Nakonfigurujte Arduino Nano pro použití s Arduino IDE
• Připojte a kódujte OLED modul pro zobrazení měření
• Vytvořte ukázku dechového analyzátoru pomocí senzorů alkoholu
• Porovnejte plynové senzory a provádějte měření kvality vzduchu
• Určete kvalitu vody z celkového množství rozpuštěných pevných látek (TDS)
• Otestujte bezkontaktní a vodou ponořitelné tepelné čidlo

HackerBoxes je služba měsíčního předplatného pro elektroniku a počítačovou technologii pro kutily. Jsme fandové, tvůrci a experimentátoři. Jsme snílci snů. ZRUŠTE PLANETU!

Krok 1: HackerBox 0035: Obsah krabice

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pixelů I2C displej
• Měřič kvality vody TDS-3
• Bezkontaktní teplotní modul GY-906
• MP503 Senzor znečištění kvality ovzduší
• Vodotěsná teplotní sonda DS18B20
• Modul senzoru alkoholu MQ-3
• Modul senzoru plynu MQ-135 se vzduchovým nebezpečím
• Modul vlhkosti a teploty DHT11
• Laserový modul KY-008
• Sada LED diod, 1K rezistorů a hmatových tlačítek
• 400bodová „křišťálově čistá“prkénko
• Sada propojovacích vodičů - 65 kusů
• Kabel MircoUSB
• Exkluzivní obtisky HackerBoxes

Některé další věci, které budou užitečné:

• Páječka, pájka a základní pájecí nástroje
• Počítač pro spouštění softwarových nástrojů

A co je nejdůležitější, budete potřebovat smysl pro dobrodružství, kutilského ducha a hackerskou zvědavost. Hardcore DIY elektronika není triviální pronásledování a HackerBoxes nejsou oslabeni. Cílem je pokrok, ne dokonalost. Když vytrváte a užíváte si dobrodružství, velkou spokojenost lze odvodit z učení se nové technologii a doufejme, že některé projekty budou fungovat. Doporučujeme dělat každý krok pomalu, dbát na detaily a nebojte se požádat o pomoc.

Ve FAQ HackerBoxes existuje velké množství informací o aktuálních i potenciálních členech.

Krok 2: Elektrochemie

Elektrochemie (Wikipedie) je obor fyzikální chemie, který studuje vztah mezi elektřinou jako měřitelným a kvantitativním jevem a konkrétní chemickou změnou nebo naopak. Chemické reakce zahrnují elektrické náboje pohybující se mezi elektrodami a elektrolytem (nebo ionty v roztoku). Elektrochemie se tedy zabývá interakcí mezi elektrickou energií a chemickou změnou.

Nejběžnějším elektrochemickým zařízením jsou baterie pro každodenní použití. Baterie jsou zařízení sestávající z jednoho nebo více elektrochemických článků s externím připojením zajišťujícím napájení elektrických zařízení, jako jsou baterky, chytré telefony a elektrická auta.

Elektrochemické plynové senzory jsou detektory plynu, které měří koncentraci cílového plynu oxidací nebo redukcí cílového plynu na elektrodě a měřením výsledného proudu.

Elektrolýza je technika, která využívá stejnosměrný elektrický proud (DC) k pohonu jinak nesamontální chemické reakce. Elektrolýza je komerčně důležitá jako stupeň oddělení prvků od přirozeně se vyskytujících zdrojů, jako jsou rudy, pomocí elektrolytického článku.

Krok 3: Platforma mikrokontroléru Arduino Nano

Deska Arduino Nano nebo podobný mikrokontrolér je skvělou volbou pro propojení s elektrochemickými senzory a výstupy displeje k počítači nebo video displeji. Přiložený modul Arduino Nano je dodáván s kolíky záhlaví, ale nejsou k modulu připájeny. Nechte piny prozatím vypnuté. Proveďte tyto počáteční testy modulu Arduino Nano PRIOR k pájení kolíků záhlaví Arduino Nano. Vše, co je v následujících několika krocích zapotřebí, je kabel microUSB a modul Nano, jak vychází z tašky.

Arduino Nano je miniaturizovaná deska Arduino s integrovaným USB pro povrchovou montáž, vhodná pro prkénko. Je úžasně plnohodnotný a snadno hacknutelný.

Funkce:

• Mikrokontrolér: Atmel ATmega328P
• Napětí: 5V
• Digitální I/O piny: 14 (6 PWM)
• Analogové vstupní piny: 8
• Stejnosměrný proud na pin I/O: 40 mA
• Flash paměť: 32 KB (2 kB pro bootloader)
• SRAM: 2 kB
• EEPROM: 1 kB
• Taktovací frekvence: 16 MHz
• Rozměry: 17 mm x 43 mm

Tato konkrétní varianta Arduino Nano je černá konstrukce Robotdyn. Rozhraní je zajištěno integrovaným portem MicroUSB, který je kompatibilní se stejnými kabely MicroUSB, jaké používají mnohé mobilní telefony a tablety.

Arduino Nanos má vestavěný USB/Serial Bridge čip. U této konkrétní varianty je můstkovým čipem CH340G. Všimněte si toho, že na různých typech desek Arduino jsou použity různé další typy USB/Serial bridge čipů. Tyto čipy umožňují USB portu vašeho počítače komunikovat se sériovým rozhraním na procesorovém čipu Arduina.

Operační systém počítače vyžaduje ke komunikaci s USB/sériovým čipem ovladač zařízení. Ovladač umožňuje IDE komunikovat s deskou Arduino. Potřebný konkrétní ovladač zařízení závisí na verzi operačního systému a také na typu USB/sériového čipu. Pro čipy CH340 USB/Serial jsou k dispozici ovladače pro mnoho operačních systémů (UNIX, Mac OS X nebo Windows). Výrobce ovladačů CH340 dodává tyto ovladače zde.

Když poprvé zapojíte Arduino Nano do USB portu vašeho počítače, měla by se rozsvítit zelená kontrolka napájení a krátce poté by měla pomalu pomalu blikat modrá LED. K tomu dochází, protože v Nano je předinstalován program BLINK, který běží na zbrusu novém Arduino Nano.

Krok 4: Integrované vývojové prostředí Arduino (IDE)

Pokud ještě nemáte nainstalované Arduino IDE, můžete si jej stáhnout z Arduino.cc

Pokud byste chtěli další úvodní informace pro práci v ekosystému Arduino, doporučujeme vám prostudovat si pokyny pro HackerBoxes Starter Workshop.

Zapojte Nano do kabelu MicroUSB a druhý konec kabelu do USB portu na počítači, spusťte software Arduino IDE, vyberte příslušný USB port v IDE pod nástrojem> port (pravděpodobně název s „wchusb“v něm)). V IDE v části tools> board také vyberte „Arduino Nano“.

Nakonec načtěte kousek ukázkového kódu:

Soubor-> Příklady-> Základy-> Blink

Toto je vlastně kód, který byl předem načten do Nano a měl by běžet právě teď, aby pomalu blikal modrý indikátor LED. Pokud tedy načteme tento ukázkový kód, nic se nezmění. Místo toho trochu upravme kód.

Když se podíváte pozorně, můžete vidět, že program zapne LED, čeká 1000 milisekund (jedna sekunda), vypne LED, čeká další sekundu a pak to udělá znovu - navždy.

Upravte kód změnou obou příkazů „zpoždění (1000)“na „zpoždění (100)“. Tato úprava způsobí, že LED bliká desetkrát rychleji, že?

Načtěte upravený kód do Nano kliknutím na tlačítko UPLOAD (ikona šipky) těsně nad upraveným kódem. Pod kódem najdete informace o stavu: „kompilace“a poté „nahrávání“. Nakonec by IDE mělo indikovat „Nahrávání dokončeno“a vaše LED by měla blikat rychleji.

Pokud ano, gratulujeme! Právě jste hackli svůj první kousek vloženého kódu.

Jakmile je verze rychlého blikání načtena a spuštěna, proč nezkusit, zda můžete kód znovu změnit, aby LED dvakrát rychle blikla, a poté počkat několik sekund, než to zopakujete? Pokusit se! A co nějaké další vzory? Jakmile uspějete ve vizualizaci požadovaného výsledku, jeho kódování a pozorování, aby fungovalo podle plánu, udělali jste obrovský krok k tomu, abyste se stali kompetentním hardwarovým hackerem.

Krok 5: Piny záhlaví a OLED na pájecí desce bez pájení

Nyní, když byl váš vývojový počítač nakonfigurován tak, aby načítal kód do Arduino Nano a Nano bylo testováno, odpojte kabel USB od Nano a připravte se na pájení kolíků záhlaví. Pokud je to vaše první noc v bojovém klubu, musíte pájet! Existuje například spousta skvělých průvodců a videí o pájení (například). Pokud máte pocit, že potřebujete další pomoc, zkuste ve své oblasti najít skupinu místních tvůrců nebo hackerský prostor. Amatérské radiokluby jsou také vždy vynikajícím zdrojem zkušeností s elektronikou.

Připájejte dvě jednořadá záhlaví (po patnácti pinech) k modulu Arduino Nano. Šestipinový konektor ICSP (sériové programování v obvodu) nebude v tomto projektu použit, takže tyto kolíky nechte vypnuté. Jakmile je pájení dokončeno, pečlivě zkontrolujte pájecí můstky a/nebo spoje za studena. Nakonec připojte Arduino Nano zpět ke kabelu USB a ověřte, zda vše stále funguje správně.

Chcete -li připojit OLED k Nano, vložte oba do bezspájkového prkénka podle obrázku a zapojte mezi ně podle této tabulky:

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

Chcete -li řídit OLED displej, nainstalujte zde nacházející se ovladač displeje SSD1306 OLED do Arduino IDE.

Otestujte OLED displej načtením příkladu ssd1306/snowflakes a jeho naprogramováním do Nano.

Další příklady z knihovny SDD1306 jsou užitečné k prozkoumání použití OLED displeje.

Krok 6: Ukázka senzoru alkoholu a dechového analyzátoru MQ-3

Alcohol Gas Sensor MQ-3 (datasheet) je levný polovodičový senzor, který dokáže detekovat přítomnost alkoholových plynů v koncentracích od 0,05 mg/l do 10 mg/l. Snímacím materiálem použitým v MQ-3 je SnO2, který vykazuje rostoucí vodivost, když je vystaven rostoucím koncentracím alkoholových plynů. MQ-3 je vysoce citlivý na alkohol s velmi malou křížovou citlivostí na kouř, páru nebo benzín.

Tento modul MQ-3 poskytuje hrubý analogový výstup vzhledem ke koncentraci alkoholu. Modul také obsahuje komparátor LM393 (datový list) pro prahovou hodnotu digitálního výstupu.

Modul MQ-3 lze připojit k Nano podle této tabulky:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… nepoužito

Demo kód z videa.

UPOZORNĚNÍ: Tento projekt je pouze vzdělávací ukázkou. Není to lékařský nástroj. Není kalibrován. V žádném případě není určeno pro stanovení zákonných nebo bezpečnostních limitů hladiny alkoholu v krvi. Nebuď hloupý. Nepijte a jeďte. Přijeďte živí!

Krok 7: Detekce ketonů

Ketony jsou jednoduché sloučeniny, které obsahují karbonylovou skupinu (dvojná vazba uhlík-kyslík). Mnoho ketonů je důležitých jak v průmyslu, tak v biologii. Běžným acetonem je nejmenší keton.

Dnes mnozí znají ketogenní dietu. Jedná se o dietu založenou na konzumaci tuků s vysokým obsahem bílkovin a málo sacharidů. To nutí tělo spalovat tuky spíše než sacharidy. Sacharidy obsažené v potravě se obvykle přeměňují na glukózu, která je poté transportována po těle a je zvláště důležitá pro podporu mozkové funkce. Pokud je však ve stravě málo sacharidů, játra přeměňují tuky na mastné kyseliny a ketolátky. Ketonová těla procházejí do mozku a nahrazují glukózu jako zdroj energie. Zvýšená hladina ketolátek v krvi má za následek stav známý jako ketóza.

Příklad projektu snímání ketolátek

Další příklad projektu snímání ketolátek

Porovnání plynových senzorů MQ-3 vs. TGS822

Krok 8: Snímání kvality ovzduší

Ke znečištění ovzduší dochází, když je do atmosféry zaváděno škodlivé nebo nadměrné množství látek včetně plynů, částic a biologických molekul. Znečištění může lidem způsobit nemoci, alergie a dokonce i smrt. Může také poškodit jiné živé organismy, jako jsou zvířata, potravinářské plodiny a životní prostředí obecně. Lidská činnost i přírodní procesy mohou vytvářet znečištění ovzduší. Znečištění vnitřního ovzduší a špatná kvalita městského ovzduší jsou uvedeny jako dva z nejhorších problémů s toxickým znečištěním na světě.

Můžeme porovnat činnost dvou různých senzorů kvality ovzduší (nebo ohrožení ovzduší). Jedná se o MQ-135 (datový list) a MP503 (datový list).

MQ-135 je citlivý na metan, oxidy dusíku, alkoholy, benzen, kouř, CO2 a další molekuly. Rozhraní je totožné s rozhraním MQ-3.

MP503 je citlivý na formaldehydový plyn, benzen, oxid uhelnatý, vodík, alkohol, čpavek, cigaretový kouř, mnoho pachů a další molekuly. Jeho rozhraní je poměrně jednoduché a poskytuje dva digitální výstupy pro označení čtyř úrovní koncentrací znečišťujících látek. Výchozí konektor na MP503 má plastovou krytou zástrčku, kterou lze vyjmout a nahradit standardní 4pólovou zásuvkou (dodává se v sáčku) pro použití s nepájivými prkénky, propojkami DuPont nebo podobnými běžnými konektory.

Krok 9: Snímání kvality vody

TDS-3 Tester kvality vody

Total Dissolved Solids (TDS) je celkové množství mobilních nabitých iontů, včetně minerálů, solí nebo kovů rozpuštěných v daném objemu vody. TDS, který je založen na vodivosti, je vyjádřen v částech na milion (ppm) nebo miligramech na litr (mg/L). Rozpuštěné pevné látky zahrnují jakýkoli přítomný vodivý anorganický prvek jiný než molekuly čisté vody (H2O) a suspendované pevné látky. Maximální hladina kontaminantu EPA v TDS pro lidskou spotřebu je 500 ppm.

Provádění měření TDS

1. Sejměte ochranný kryt.
2. Zapněte měřič TDS. Vypínač ON/OFF je umístěn na panelu.
3. Ponořte měřič do vody/roztoku až na max. úroveň ponoření (2”).
4. Měřič lehce promíchejte, aby se uvolnily vzduchové bubliny.
5. Počkejte, až se displej stabilizuje. Jakmile se údaj stabilizuje (přibližně 10 sekund), stisknutím tlačítka HOLD zobrazíte odečet z vody.
6. Pokud měřič zobrazuje blikající symbol „x10“, vynásobte naměřenou hodnotu číslem 10.
7. Po použití setřete z měřiče přebytečnou vodu. Vyměňte víčko.

Zdroj: Úplný návod

Experiment: Sestavte si svůj vlastní jednoduchý měřič TDS (projekt s videem zde), který lze kalibrovat a testovat s TDS-3.

Krok 10: Tepelné snímání

Bezkontaktní modul teplotního senzoru GY-906

Modul tepelného snímání GY-906 je vybaven MLX90614 (podrobnosti). Jedná se o snadno použitelný, ale velmi výkonný jednozónový infračervený teploměr, který dokáže snímat teploty objektů mezi -70 a 380 ° C. Ke komunikaci používá rozhraní I2C, což znamená, že k propojení s ním potřebujete věnovat pouze dva vodiče z vašeho mikrokontroléru.

Demo termosenzorový projekt.

Další projekt tepelného snímání.

DS18B20 Vodotěsný teplotní senzor

Jednodrátový snímač teploty DS18B20 (podrobnosti) může měřit teplotu od -55 ℃ do 125 ℃ s přesností ± 5.

Krok 11: HACKUJTE PLANETU

Pokud se vám tento Instructable líbil a chtěli byste, aby každý měsíc na vaši poštovní schránku sestoupila skvělá krabička hackovatelné elektroniky a počítačových technologií, připojte se k revoluci tím, že surfujete na HackerBoxes.com a přihlásíte se k odběru našeho měsíčního boxu s překvapením.

Oslovte a podělte se o svůj úspěch v níže uvedených komentářích nebo na facebookové stránce HackerBoxes. Určitě nám dejte vědět, pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete s čímkoli pomoci. Děkujeme, že jste součástí HackerBoxes!