Sensor sensible a la pressió: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

En aquest instructiu compartiré un disseny per a un sensador sensible a la pressió que sigui capaç de detectar quan us poseu damunt. Tot i que no us pot pesar exactament, pot determinar si us hi poseu tot el pes o si només us poseu en contacte.

L’estora mesura les persones que fan servir Velostat, un material que canvia la seva resistència elèctrica en funció de la quantitat de pressió que s’hi aplica. Vaig fer tota l’estora per menys de 20 € (sense incloure la catifa).

Pas 1: què necessiteu

Això és el que necessitareu per fer el sensor:

• Velostat: per cobrir prou àrea sota la catifa, he utilitzat 2 quadrats de 28 cm (11 ") comprats en un distribuïdor d'Adafruit.
• Cinta de coure: he fet servir 5 mm d’amplada i uns 6-7 m de cinta.
• Una cinta aïllant fina: he utilitzat cinta kapton de 25 mm d’amplada.
• Cablejat per enganxar la catifa a alguna cosa.
• Un soldador amb una mica de llauna.
• Un multímetre per provar.

Per utilitzar aquesta catifa amb un microcontrolador, necessitareu:

• Una resistència de 47ohm (o un valor similar similar).
• (opcional, un mosfet de canal N amb resistència de 10 k i resistència de 220 ohm).

Pas 2: (Com no aplicar cinta de coure a Velostat)

Començaré explicant com NO aplicar cinta de coure a Velostat.

Vaig començar assumint que la "cola conductora" de la cinta era conductiva. Això semblava una suposició justa, però o bé la meva cinta no és d’aquest tipus de “cola conductora”, o bé la part “conductora” amb prou feines és conductora.

Vaig començar gravant els 2 quadrats de Velostat junts a banda i banda amb cinta kapton. Després vaig tallar tires de cinta de coure de 25 cm de llarg i les vaig aplicar a intervals uniformes. La cinta de coure a banda i banda es troba exactament a la mateixa ubicació, de manera que només hi ha una fina capa de velòstat entre el coure. A les imatges, una vista esquemàtica de l'estora amb un retall per obtenir una visió general.

Es fa servir una llarga tira de cinta de coure (al voltant de 50 cm) per connectar totes les files juntes a banda i banda.

Es va soldar un fil a banda i banda i es va fer una mesura de resistència.

Quan vaig provar de provar-lo, els valors del multímetre oscil·larien enormement entre 10k i 100ohm. A més, situar-se sobre l’estoreta o no va marcar molt poca diferència en la mesura. Alguna cosa anava malament. Una ràpida mesura de la cinta va mostrar que la cola no era realment tan conductora. L’entrepà de materials era coure, cola, Velostat, cola, coure i la cola era una mena d’aïllant.

La moral de la història, feu proves a petita escala si no esteu segur de si funcionarà.

Pas 3: prova a petita escala

Tornar al tauler de dibuix. El costat de la cola de la cinta de coure clarament no condueix prou. Però la part frontal és de coure pur. Què passa si inverteixo la cinta de manera que el costat de coure sigui cap al Velostat.

Es va invertir una sola traça per ambdues parts. Vaig agafar la cinta que tenia la part de cola cap avall i la vaig enganxar a un tros de cinta kapton. Reutilitzar la cinta de coure és complicat, però aquest material és lleugerament car per llençar-lo. Aquest tros de cinta kapton amb el coure cap al costat enganxós es va enganxar al Velostat.

Es va fer una nova mesura. Això va donar instantàniament un resultat estable. Una cosa, però. Un sol traç semblava ser de 24 ohms quan era alt i 200 quan baix. Això va ser mentre pressionava només una petita quantitat amb la mà. Si tinc 12 traces i estic completament a sobre, la catifa pot baixar fins a 1 ohm, generant massa corrent.

Vaig revisar el disseny perquè només parts petites de la cinta entressin en contacte amb el Velostat. D'aquesta manera, esperava obtenir la resistència a una quantitat manejable.

Pas 4: Aplicació de cinta de coure a Velostat

Armat amb el coneixement de com fer efectivament aquest treball, em vaig proposar reparar la catifa del sensor. A la foto veureu que es modifica l'antiga estora a la nova estora.

El primer que vaig fer va ser afegir petits trossos de cinta com a aïllant. La cinta és a banda i banda. Els buits entre la cinta han de ser una mica constants i d’uns 1-3 cm grans, en funció de la resistència que vulgueu. La bretxa ha d’estar al mateix lloc a banda i banda.

Obteniu una tira de cinta de coure i una tira de cinta kapton prou llarga com per abastar el Velostat. La cinta de coure ha de ser 1-2 cm més llarga que la cinta kapton. Enganxeu la cinta de coure al costat enganxós de la cinta kapton, amb un costat de la cinta de coure que passa més enllà de la cinta kapton.

Enganxeu el conjunt al Velostat, sobre els aïllants. Assegureu-vos que el coure estigui al mateix lloc pels dos costats. Assegureu-vos també que l’excés de coure estigui al mateix costat cada vegada. Doblegueu sobre l'excés de coure perquè tingueu un lloc per muntar la tira de connexió de coure. Un consell és que l'excés de coure sobre una part aïllada de l'estora sigui més fàcil de soldar.

Repetiu aquest pas per a totes les files.

Afegiu una fila superior de cinta de coure que connecti totes les tires de coure muntades prèviament. És aconsellable aïllar aquesta fila del Velostat per evitar curtes o filtracions no desitjades. La fila superior es connecta a les pestanyes plegades deixades als passos anteriors.

Soldeu amb cura totes les tires curtes a la tira superior. Aquesta soldadura és necessària perquè, en cas contrari, la tira superior no entrarà en contacte amb les files de coure. Aneu amb compte de no afegir massa calor al coure. El coure es munta sobre plàstic (Velostat), i fonent-se a través del plàstic seria dolent.

Soldeu els cables a les files superiors dels dos costats. A qualsevol lloc està bé, vaig triar un racó.

Proveu l'estora per assegurar-vos que funciona. Connecteu un multímetre a la catifa i comproveu si disminueix la resistència si premeu alguna de les parts no aïllades. Comproveu també si la resistència és una mica estable si no feu res. Si aquest és el cas, felicitació, ara l’estora funciona.

Com a pas final, apliqueu cinta kapton a tot el coure exposat. Tot i que probablement no causi curts, és una mala forma deixar el coure exposat.

(A les imatges esquemàtiques, no es mostra la fila superior de coure. La imatge només serveix per mostrar la configuració de kapton i coure per fer funcionar aquesta estora.)

Pas 5: provar el tapet

La nova estora es va connectar a un multímetre per provar-la de nou. Aquesta vegada, sense cap càrrega aplicada, la resistència de la catifa és estable de 17-20 ohms.

Quan estic completament de peu a la catifa, la resistència cau a 4-6 ohms. Un peu sobre l’estoreta dóna uns 10 ohms.

Això és una mica inferior al que estic satisfet, però no deixa de ser un valor factible. Hi ha molta diferència entre que no hi ha càrrega i una persona que està de peu a l’estora. Una observació feta és que la pressió no defineix realment la resistència. La superfície sí. Si em poso sobre més estora amb menys pes, la resistència es reduirà més que si estic amb tot el meu pes en un sol punt. Per al que necessito aquest sensor, és fantàstic, però tingueu-ho en compte si en construïu un.

Pas 6: cablejar-lo

Com que el tapet és només una gran resistència variable, prendre mesures del tapet és bastant senzill.

La forma més senzilla és utilitzar un divisor de tensió. Afegiu una resistència abans de la matriu del sensor de pressió (anomenada R_mat als esquemes) i mesureu el punt entre la resistència i la matriu (anomenada MatA1). He utilitzat 47 ohms, però és possible que la vostra estora necessiti una altra cosa. El meu nivell lògic és de 3,3 V, podeu utilitzar qualsevol que sigui el vostre nivell de potència lògica.

He afegit un circuit opcional fora de circuit a la meva estora. No volia el dibuix constant de 50 mA a la meva estora. Simplement no sé com li agrada un corrent constant a Velostat i espero que sigui dolent per a la longevitat de l’estora. El circuit consisteix en un mosfet de canal N amb les resistències necessàries. Sempre que vull llegir, encenc el mosfet. La resta del temps, el mosfet està apagat i la catifa no té poder.

Pas 7: Com utilitzar-lo

Utilitzar l’estora amb un Arduino (o qualsevol altre microcontrolador) és senzill. Si només teniu el divisor de voltatge, simplement poseu el tapet a un pin analògic, configureu el pin al qual fixeu el tapet com a entrada i utilitzeu una ordre de lectura analògica. El valor que obtingueu disminuirà en funció del pes que s’apliqui a la catifa.

Si teniu el mosfet instal·lat, recordeu que heu de pujar l'entrada del mosfet abans de fer una mesura. Altrament, simplement mesurareu la tensió que heu utilitzat per a la catifa (3,3 V en el meu cas).

El valor que obtingueu de la catifa no canvia molt amb el pas del temps. Simplement utilitzo un valor llindar per determinar si hi ha alguna cosa a la catifa i, després d’un mes d’ús continu, la catifa continua funcionant bé.

Pas 8: què faria diferent la propera vegada?

Una cosa important relacionada amb el projecte és que primer provaria correctament una versió a petita escala de la catifa. De fet, vaig fer una petita peça de coure al Velostat, vaig veure números al multímetre i vaig suposar que tot funcionava. Va ser un error.

Un punt relacionat amb l’estora és que faria servir taques de coure més petites. Actualment tinc 48 pegats de 2-3cm de coure. Això proporciona una resistència de 20 ohms quan està inactiu i d’uns 5 ohms quan m’hi poso. Tot i que es tracta d’un número viable, seria més fàcil si fos una mica inferior. 1 cm de coure exposat seria més que suficient per a aquesta estora. Ja no faré això per la meva, però potser qualsevol altra persona que vulgui fer això es pot beneficiar d'això.

Pas 9: com ho faig servir

Per què he fet específicament aquesta estora sensible a la pressió? Vaig fer un elegant despertador ESP32. Està connectat al meu sistema Domoticz, pot retornar valors del sensor com CO2 i temperatura i pot controlar la meva il·luminació. També indica l'hora i té una alarma.

Aquí és on entra el tapet del sensor. No tinc cap problema real al despertar-me. Em llevo amb llum de despertar i normalment estic despert quan necessito sortir. Tanmateix, tinc problemes per sortir del llit. L’estora m’obliga a sortir del llit. L’alarma només s’activa quan realment em poso a sobre de la catifa (o estiro l’endoll del despertador). Això m’obliga a sortir del llit i, un cop estic fora del llit, poques vegades torno a entrar. Tot i que és una solució excessiva a un problema que té moltes altres solucions, n’estic satisfet. Fins ara, he sortit del llit a temps cada matí durant aproximadament un mes. Abans em quedava al llit fins a una hora.

20 minuts abans que soni l'alarma, l'estoreta s'activa. L’estora s’encén, pren una lectura de voltatge i l’estora s’apaga de nou. Això passa cada segon. Quan estic de peu a l’estoreta, abans o durant l’alarma, desactiva l’alarma.