Pochopení elektronických senzorů: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Tento „Instructable“, který má vysvětlit fungování běžných průmyslových a domácích senzorů, vás naučí používat komerčně dostupné senzory v reálném světě pomocí praktických cvičení a experimentů.

Tato lekce se stručně věnuje obvodům, které mohou cítit následující:

• Změny teploty
• Dotýkání (kapacitní kontakt s pokožkou)
• Dotýkání (přepínače a tlačítka)
• Změny světla
• Změny zvuku
• Změny zrychlení (pohyb a gravitace)

Rovněž je zahrnut potřebný hardware a software, kde koupit / stáhnout položky, jak nastavit obvody pro numerický výstup, jak číst numerický výstup a pozadí toho, jak každý senzor funguje.

Začněme!

Krok 1: Důkladně otestováno - nákup a stažení prostředí

V celém Instructable uvidíte, že detaily této lekce byly důkladně testovány teenagery navštěvujícími místní univerzitu v rámci jejich zájmu o mechatroniku (robotiku a výrobu)

Cookies Oreo jsou užitečné, ale nejsou povinné

Lidé z Adafruit vyrobili desku, kterou dnes použijeme, nazývanou „Circuit Playground - Classic“, a důkladně otestovali velké množství způsobů, jak zařízení používat. Některé z nich můžete vidět zde na stránce „Naučit se“, která zhruba sleduje tento laboratorní experiment a dílčí kroky s instrukcí-s laskavým svolením této stránky „Naučte se“Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground a bluetooth s nízkou energií

Části, které potřebujete, jsou jednoduché, levné a snadno použitelné pro experimentátory z celé řady věkových skupin, dokonce již od střední školy (asi 12 let?)

1. Nejprve si kupte jedno nebo více zařízení zde: https://www.adafruit.com/product/3000 a také adaptér USB na Micro-B USB pro připojení k počítači zde https://www.adafruit.com/ výrobek/898. Celkové náklady se pohybují pod 40 dolary za poštovné, ale můžete je najít levněji.
2. Jakmile si zakoupíte a obdržíte levný Circuit Playground a kabel USB, budete jej muset připojit k osobnímu počítači (PC) s integrovaným vývojovým prostředím (IDE) pro zařízení typu Arduino.
3. V tomto příkladu používáme okna IDE arduino-1.8.4-windows, ale budou fungovat i ostatní. Nezapomeňte nainstalovat všechny ovladače (v tomto případě adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Jakmile nainstalujete IDE, můžete otevřít IDE s názvem „Arduino“
5. V části Soubor-> Předvolby vložte následující „Další adresu URL správce Board“https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, poté řekněte OK a poté zavřete a znovu otevřete IDE
6. Nyní připojte zařízení Circuit Playground k Micro USB. Podívejte se, že se zapne a spustí výchozí program „Circuit Playground Firmata“zobrazením duhové sekvence světel. Můžete vyzkoušet, že přepínač v blízkosti napájecího konektoru baterie obrátí pořadí a jedno z tlačítek přehraje notu pro každou barvu.
7. Budete muset získat knihovnu Circuit Playground Library a poté rozbalit knihovnu Circuit PLayground do složky Dokumenty -> Arduino -> knihovny „Adafruit_CircuitPlayground -master“. Po rozbalení odstraňte z názvu složky příponu „-master“. Zastavte a restartujte IDE a načtěte typ desky Circuit Playground v části Nástroje -> Desky -> Správce desek a poté vyhledejte typ „Přispěno“a klíčová slova „Adafruit AVR“. To vám umožní nainstalovat „Adafruit AVR Boards“(nejnovější verze), po kterém byste měli zastavit a restartovat IDE
8. Nyní jste připraveni otestovat Circuit Playground pomocí demo programu. Připojte se k Circuit Playground připojenému přes USB. Přejděte na Nástroje -> Desky a ujistěte se, že jste vybrali Circuit Playground. Přejděte na Nástroje -> Porty a ujistěte se, že jste vybrali příslušný port COM (ten připojený k USB Blaster). Stáhněte si ukázkový program takto: Vyberte: Soubory -> Příklady -> Adafruit Circuit PLayground -> demo a poté zkompilujte a nahrajte (vše můžete provést pomocí tlačítka "šipka směřující doprava")
9. Otestujte demo program podle těchto kroků: Podívejte se, že Circuit Playground bliká v duhové sekvenci. Otočte posuvným přepínačem a uvidíte, že způsobí přehrávání not (prosím, vypněte je, jinak to bude určitě obtěžovat všechny kolem vás). Zkontrolujte, že červená kontrolka stahování bliká rychlostí časování.
10. Nyní můžete komunikovat s Circuit Playground pomocí textového rozhraní. V IDE klikněte na tlačítko „Serial Monitor“. Vypadá to jako lupa v pravé horní části okna demo programu. Chcete -li získat lepší vzhled, můžete vypnout automatické posouvání.

Jste připraveni experimentovat a připojit se ke všem různým senzorům!

Krok 2: Snímání teploty

Podívejte se na hodnotu „teploty“na textovém výstupu vašeho sériového monitoru. Někde ve 30. letech bude mít hodnotu pokojové teploty. Naměřil jsem 39,43 stupně Celsia.

Termistor používaný k měření teploty je zobrazen na fotografii. Je to snímač A0 a vedle něj je grafika teploměru.

Jemně položte palec na snímač teploty a zaznamenejte, kolik sekund trvá dosažení nejvyšší teploty. Poznamenejte si to a také následující:

Dosažení maximální teploty prstu trvalo _ sekund.

Jakou nejvyšší teplotu nakonec dosáhl? _ C

Jaká je tato hodnota ve stupních Fahrenheita? _ F. TIP: F = (C * 1,8) + 32

Je to teplejší nebo chladnější než normální tělesná teplota? _

Bylo by použití tohoto teploměru s palcem někoho dobrým indikátorem horečky, aby zjistil, zda je nemocný?

Proč? _

Termistor je speciální druh odporu, který mění odpor podle teploty. Jeden z obrázků v tomto kroku ukazuje typické schéma zapojení termistoru. ·

Jaké by bylo v uvedeném obvodu čtení na voltmetru? _ TIP: Použijte pravidlo děliče napětí Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + termistor Ohms)

Pokud má termistor hodnocení „1,5% změna odporu na stupeň C“- jaký bude odpor termistoru, pokud teplota stoupne na 30 stupňů C? _ TIP: protože se jedná o změnu o 5 stupňů a každý stupeň mění odpor o 1,5%, získáme termistor Ohm = (5 * 0,015) + 10 000 ohmů

Jaké by bylo při 32 stupních C čtení na voltmetru? _ TIP: Nyní je změna o 7 stupňů.

Kde mohou být teplotní senzory použity v typech výroby?

Krok 3: Kapacitní dotykový senzor

Fotografie ukazuje, který z konektorů (nebo „padů“) lze také použít k detekci dotyku. Říká se jim kapacitní dotykové senzory, protože používají lidské tělo jako elektronickou součást nazývanou kondenzátor.

Kvůli bezpečnosti chceme, aby byl jakýkoli elektrický proud velmi nízký. Z tohoto důvodu procházejí všechna externí připojení k polštářkům přes odpor 1 Mega Ohm do společné oblasti (pin #30 čipu), takže celkový odpor mezi libovolnými dvěma pady je 2 Mega Ohmy.

• Pokud je špičkové napětí mezi libovolnými dvěma pady 5 voltů a odpor je 2 mega ohmy, jaký by byl proud, který prochází mezi dvěma pady, pokud jsou zkratovány? _ (NEZKRACUJTE je)
• „Capsense“jsou čísla, která se zobrazují v textovém rozhraní. V jakém případě jsou čísla větší, když se dotýkají senzorů nebo když se jich nedotýkají? _
• Zaznamenejte si několik příkladů čísel, když se NEDOTÝKÁTE senzorů: _
• Při dotyku senzorů zaznamenejte několik příkladů čísel: _
• Jaký rozdíl pozorujete při dotyku více senzorů současně? _
• Co se stane, když držíte něco kovového a dotknete se tím senzoru? _
• Co se stane, když držíte něco nekovového a dotknete se tím senzoru? _
• Protože kapacitní dotykové senzory nemají žádné pohyblivé části, jsou velmi odolné vůči vibracím. Mohou být také pokryty vodotěsným ochranným nátěrem. Proč mohou být tyto dva aspekty užitečné ve výrobním prostředí? _

Krok 4: Tradiční tlačítka a posuvníky

Tlačítka a přepínače se zdají být tak jednoduché a „každodenní“, že je považujeme za samozřejmost, pokud jde o jejich použití jako senzorů. Klávesnice je skvělým příkladem. Když chceme psát rychle, mít několik „falešných“úhozů a dlouhou životnost po mnoho let používání - mechanické spínače (jeden pod každou klávesou na klávesnici) jsou tou správnou cestou.

Okruh, který dnes používáme, má tři tlačítkové „přerušované“přepínače. To znamená, že když tlačítko pustíte, vyskočí zpět do své původní polohy (díky pružinovému mechanismu). Obvod má také snímač vyhrazený pro dvoupolohový posuvný spínač. Může to vyžadovat určité úsilí, aby se to posunulo, ale nerozbijte desku, když se o to pokusíte - sklouzněte do strany pevněji, než stisknete dolů. Tento typ snímače je velmi stabilní. Stabilní znamená, že jakmile jej posunete do jedné nebo druhé polohy, můžete plně očekávat, že budete moci odejít a vrátit se o hodně později a očekávat, že bude stále ve stejné poloze, i když je na vibrujícím povrchu, atd.

Kde jste viděli takový posuvný přepínač ve výrobě nebo dokonce ve vašem domě?

_

Podívejte se na textový výstup a najděte informace o senzoru. V tomto případě nemusí senzor vydávat číslo, ale spíše něco jiného.

Přepínač „Slide“by měl indikovat jeho polohu. Jaké hodnoty nabývá „posuvný“snímač ve dvou polohách?

_

V jedné ze dvou poloh snímku se děje něco jiného. Co to je?

_

P. S. Ze zdvořilosti pro všechny ostatní posuňte přepínač do polohy „méně otravné“, jakmile s touto sekcí skončíte.

Krok 5: Světelné senzory

Stejně jako teplotní senzor, obvod světelného senzoru na desce „Circuit Playground“používá obvod děliče napětí - kde 5 voltů pohánějící zařízení je rozděleno na dvě části, senzorem a rezistorem s pevnou hodnotou. Místo „termistoru“používá světelný senzor „fototranzistor“, který mění odpor na základě množství světla, které na něj dopadá. Foto-tranzistor „A5“můžete vidět hned vedle grafiky oka na desce plošných spojů.

Pokud je světelný senzor namířen ke stropu místnosti (směrem ke světlům), hodnota „Světelného senzoru“by měla být v řádu stovek.

Jakou hodnotu „Světelného senzoru“pozorujete, když „oko“směřuje ke stropu místnosti?

_

Co když namíříte „oko“na podlahu - jaké číslo pozorujete? _

Co když namíříte „oko“v různých úhlech mezi stropem a podlahou? - Popište, co jste pozorovali, včetně hodnot čísel, která jste pozorovali, a co jste udělali, abyste tato čísla získali. _

Co když namíříte senzor na blízký (ale nedotýkající se) kus tmavé látky - jaké číslo pozorujete? _

Zakrytím prstu nahoru (senzor poblíž „oka“) byste měli číslo snížit. To dělá? _

Váš prst je poloprůhledný, takže jasná světla zářící LED diody ho mohou rozzářit skrz váš prst. Co jiného byste mohli použít k zakrytí senzoru, abyste získali nižší číslo? _

Světelné senzory mohou být poněkud vybíravé - ne vždy poskytují přesné hodnoty, které byste očekávali, a do značné míry závisí na odrazivosti, průhlednosti, úhlu osvětlení a jasu osvětlení. Výrobní systémy vidění se snaží překonat tato omezení přísnou kontrolou těchto proměnných. Například skener čárových kódů může použít jasně zaostřený jednobarevný laserový proužek k minimalizaci dopadu osvětlení místnosti. V dalším příkladu dopravníkový pás kartónu na mléko používá světelný senzor ve stylu „garážových vrat“, počítání kartonů na mléko počítáním, kolikrát mezi nimi může projít světlo.

Uveďte jiný příklad z výroby, domova nebo podnikání, kde jsou některé z těchto světelných proměnných ovládány, aby se dosáhlo lepšího výsledku světelného senzoru (kromě příkladů, které jsem zde již zmínil):

Krok 6: Zvukový senzor

Zvukový senzor na „Circuit Playground“je ve skutečnosti poměrně propracovaný mikroelektronický mechanický systém (MEMS), který lze použít nejen k detekci úrovní zvuku, ale může také provádět základní frekvenční analýzu. Možná jste viděli zobrazení analyzátoru spektra v aplikaci hudebního studia nebo hudebního přehrávače - která vypadá jako sloupcový graf s nízkými notami vlevo a vyššími notami vpravo (stejně jako grafický ekvalizér).

Hodnota, která se zobrazuje na odečtu textu, je ve skutečnosti surový zvukový průběh. Abychom našli celkový výkon zvuku (hladina akustického tlaku), museli bychom časem hodnoty sečíst.

Přesto lze toto zařízení MEMS použít ke spouštění akcí robota nebo jiného zařízení, když jsou přítomny zvuky nebo když je slyšet konkrétní sekvence zvuků. Kromě toho jsou MEMS extrémně malé (je to zařízení pod malým otvorem v kovové krabici, hned vedle „ušní“grafiky na desce) a nízkým výkonem. Díky této kombinaci jsou zařízení MEMS mimořádně užitečná pro akustické, biomedicínské, mikro-kapalinové detekce, mikrochirurgické nástroje, snímače průtoku plynu a chemikálií a další.

Protože výstupem je zvukový průběh zvuku (a ne úroveň výkonu), uvidíte menší rozsah hodnot, když jsou věci tiché (~ 330 je střed pro dokonale tichou místnost) a širší výkyvy pro hlasité zvuky (0 až 800 nebo tak nějak)).

Zaznamenejte hodnoty „Sound Sensor“, pokud je v místnosti přítomný pouze hluk pozadí. Jakou hodnotu si všímáte? Od Pro _

Jakou hodnotu pozorujete, pokud mluvíte normálním hlasem - asi 2 stopy od senzoru? Od Pro _

Získáváte vyšší rozsah hodnot mluvením nebo opakovaným lusknutím prstů (nebo tleskáním)?

Ano nebo ne: _ Vztek pro tleskání/trhání jde od _ do _

Proč si myslíš, že je to tak? _

Vyzkoušejte jiné druhy hluku a zaznamenejte, co pozorujete - ale neklepejte na tabuli: _

P. S. MEMS fungují v obou směrech a k pohybu mikro mechanických částí je možné použít elektřinu. Společnost s názvem „Audio Pixels“pracuje na seskupení těchto zařízení, aby vytvořila dokonale plochý malý reproduktor, který dokáže směrovat zvuk jakýmkoli směrem.

Krok 7: Akcelerometry

Akcelerometr je také typem MEMS a jedno z těchto zařízení je umístěno na desce „Circuit Playground“. Čip LIS3DH poblíž středu desky vedle grafiky XYZ poskytuje možnost měřit zrychlení v libovolném směru jako vektorový součet zrychlení ve směru X, Y a Z.

Protože gravitační síla je identická se silou pociťovanou zrychlováním (Einsteinova teorie relativity), i když zde na zemi stojí, zařízení měří zrychlení 9,8 metru za sekundu za sekundu (9,8 m/s2).

Zařízení můžete otáčet, abyste celou sílu dostali ve směru „X“.

Pokuste se naklonit zařízení tak, aby veškerá akcelerace byla ve směru X (při otáčení věcí buďte opatrní s krátkým kabelem USB). Jaké hodnoty jste pozorovali? X: _ Y: _ Z: _

Nyní nakloňte zařízení, abyste získali téměř veškerou gravitační sílu (zrychlení) ve směru Y. Jaké hodnoty jste pozorovali? X: _ Y: _ Z: _

Nakonec umístěte zařízení tak, aby gravitační zrychlení bylo rozděleno mezi směry X a Y a bylo téměř 0 ve směru Z (někde mezi předchozími dvěma polohami). Jaké hodnoty jste pozorovali? X: _ Y: _ Z: _

Pomocí Pythagorovy věty přidejte vektory X a Y zrychlení z předchozího měření. Negativní příznaky můžete ignorovat, to znamená, že zařízení je v tomto směru jen vzhůru nohama. Jaké je celkové zrychlení? _ Připomeňme si, že celkové zrychlení = √ (X2 + Y2).

POKUSTE SE O DALŠÍ EXPERIMENT POUZE POKUD JSTE TŘIROZMĚRNÍ! Nakloňte zařízení tak, aby gravitační zrychlení bylo rozděleno mezi směry X, Y a Z. Jaké hodnoty jste pozorovali?

X: _ Y: _ Z: _ Celková akcelerace = _

Jak vidíte, akcelerometr (díky gravitační síle) lze také použít k měření náklonu - neboli polohy desky. Pokud byste stavěli rameno robota s chapadlem, kam byste mohli umístit senzor akcelerometru a proč? _

Kromě náklonu a směru středu Země mohou akcelerometry přirozeně také měřit zrychlení. Jemně pohybujte deskou dopředu a dozadu (při otáčení věcí buďte opatrní s krátkým kabelem USB). Jaké hodnoty jste pozorovali?

Směr přesunut: _ X: _ Y: _ Z: _

Směr přesunut: _ X: _ Y: _ Z: _

Krok 8: Hotovo

Blahopřejeme k dokončení všech těchto kroků a porozumění elektronickým senzorům!

Zanechte komentář a pošlete mi zpětnou vazbu k věcem, které by se podle vás měly zlepšit, a dejte mi také vědět, pokud jste přišli s dalším používáním senzoru Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD