Ús d'Arduino per a Ciència Ciutadana: 14 passos (amb imatges)

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

La ciència ens permet fer les nostres preguntes més urgents i explorar tot tipus de curiositats. Amb una mica de reflexió, treball dur i paciència, podem fer servir les nostres exploracions per comprendre i apreciar millor el complex i bell món que ens envolta.

Aquest tutorial us ensenyarà a utilitzar un microcontrolador Arduino (uno), a utilitzar diferents tipus de sensors i a recopilar i visualitzar dades. Al llarg del camí, construirem tres projectes: un interruptor d’inclinació, un sensor de temperatura i humitat i un sensor de llum.

Nivell de dificultat: principiant

Temps de lectura: 20 min

Temps de construcció: depèn del vostre projecte. (Els projectes d’aquest tutorial triguen uns 15 a 20 minuts)

Pas 1: Pssst, quina diferència hi ha entre ciència ciutadana i "ciència oficial"?

La diferència més gran és que la ciència ciutadana és, com m'agrada dir, "ondulada a la mà", el que significa que hi ha molts errors i incerteses i no hi ha un procés rigorós per identificar-los. Per això, les conclusions a les quals s’arriba a través de la ciència ciutadana són molt menys precises que les ciències científiques i no s’han de confiar per fer afirmacions o decisions greus / que alterin la vida / que posin en perill la vida *.

Dit això, la ciència ciutadana és una bona manera de construir una comprensió fonamental de tota mena de fascinants fenòmens científics i és prou bona per a la majoria d’aplicacions del dia a dia.

* Si feu ciència ciutadana i descobriu quelcom potencialment perillós (per exemple, nivells alts de plom a l’aigua), informeu el vostre educador (si s’escau) i contacteu amb les autoritats i professionals pertinents per obtenir ajuda.

Pas 2: què és Arduino ??

Arduino és una placa de microcontrolador i un entorn de desenvolupament integrat ("IDE"), que és una manera fantàstica de dir "programa de codificació". Per als principiants, recomano les taules Arduino Uno perquè són súper robustes, fiables i potents.

Les plaques Arduino són una bona opció per a projectes de ciència ciutadana, ja que tenen molts pins d’entrada per llegir tant en sensors analògics com digitals (més endavant hi aprofundirem).

Per descomptat, podeu utilitzar altres microcontroladors per a ciències ciutadanes en funció de les vostres necessitats (habilitats i nivell de confort) (o dels vostres estudiants). Aquí teniu una visió general dels microcontroladors per ajudar-vos a decidir què és el millor per a vosaltres.

Per fer flash o programar una placa Arduino, connecteu-la mitjançant USB i, a continuació, feu el següent:

1. Seleccioneu el tipus d'Arduino que utilitzeu a Eines -> Taulers. (Foto 2)

2. Seleccioneu el port (també conegut on està connectat a l'ordinador). (Foto 3)

3. Feu clic al botó Puja i comproveu que s'acabi de carregar. (Foto 4)

Pas 3: Eines i materials

Si tot just comenceu, obtenir un kit és una manera fàcil i ràpida d’aconseguir un munt de peces alhora. El kit que faig servir en aquest tutorial és el kit d’inici Elegoo Arduino. *

Eines

• Arduino Uno
• Cable USB A a B (també conegut com a cable de la impressora)

• Filferros de pont

  • 3 homes a homes
  • 3 homes a dones
• Taula de pa

  Opcional però recomanable per fer-vos la vida més fàcil i divertida:)

Materials

Per als projectes que es tracten en aquest tutorial, necessitareu aquestes parts del kit d’inici Elegoo Arduino:

• Interruptor d'inclinació
• Sensor de temperatura i humitat DTH11
• LED
• Resistència de 100 ohms

* Divulgació completa: compro aquests mateixos kits per a tallers, però el kit utilitzat en aquest tutorial va ser donat per la gent encantadora d'Elegoo.

Pas 4: Quins tipus de sensors podem utilitzar?

A l’hora de dissenyar un experiment científic, normalment comencem amb una pregunta: quant de CO2 absorbeixen les plantes en un dia? Quina és la força d’impacte d’un salt? Què és la consciència ??

Basant-nos en la nostra pregunta, podem identificar què volem mesurar i investigar per esbrinar quin sensor podem utilitzar per recopilar dades (tot i que pot ser una mica complicat recopilar dades per a aquesta última pregunta).

Quan es treballa amb electrònica, hi ha dos tipus principals de senyals de dades del sensor: digital i analògic. A la foto, les dues primeres files de peces són tots sensors digitals, mentre que les dues primeres files són analògiques.

Hi ha molts tipus diferents de sensors digitals, i alguns són més difícils de treballar que altres. Quan investigueu el vostre projecte de ciència ciutadana, comproveu sempre com el sensor publica dades (srsly tho) i assegureu-vos que podeu trobar una biblioteca (Arduino) per a aquest sensor específic.

En els tres projectes tractats en aquest tutorial utilitzarem dos tipus de sensors digitals i un sensor analògic. Anem a aprendre!

Pas 5: Sensors digitals. Primera part: els fàcils

La majoria de sensors que utilitzeu emeten un senyal digital, que és un senyal que està activat o apagat. * Utilitzem números binaris per representar aquests dos estats: un senyal activat ve donat per un 1 o cert, mentre que desactivat és 0, o Fals. Si féssim una imatge de l’aspecte d’un senyal binari, seria una ona quadrada com la de la foto 2.

Hi ha alguns sensors digitals, com els commutadors, que són molt fàcils de mesurar i senzills, ja que o bé es prem el botó i obtenim un senyal (1), o bé no es prem i no tenim cap senyal (0). Els sensors que apareixen a la fila inferior de la primera foto són tots tipus d’activació / desactivació simples. Els sensors de la fila superior són una mica més complexos i estan coberts després del nostre primer projecte.

Els dos primers projectes d’aquest tutorial us ensenyaran a utilitzar els dos tipus. Endavant per construir el nostre primer projecte !!

* Activat significa un senyal elèctric en forma de corrent i tensió elèctrica. Desactivat significa que no hi ha senyal elèctric.

Pas 6: Projecte 1: sensor digital del commutador d'inclinació

Per a aquest primer projecte, fem servir un interruptor d’inclinació, aquest sensor cilíndric negre amb dues potes. Pas 1: introduïu una pota del commutador d’inclinació al pin digital Arduino 13 i l’altra pota al pin GND just al costat del pin 13. Orientació no importa.

Pas 2: escriviu un esbós que llegeixi i imprimeixi l’estat del pin digital 13

O només podeu fer servir el meu!

Si tot just comenceu a codificar, llegiu els comentaris per entendre millor com funciona l'esbós i proveu de canviar algunes coses per veure què passa. Està bé trencar coses, és una bona manera d’aprendre! Sempre podeu tornar a descarregar el fitxer i tornar a començar:)

Pas 3: per veure les vostres dades en directe, feu clic al botó Monitor sèrie (foto 2)

.. aaaand ja està! Ara podeu utilitzar l'interruptor d'inclinació per mesurar l'orientació. Configureu-lo per cridar al vostre gatet quan tombi alguna cosa o utilitzeu-lo per fer un seguiment de com es mouen les branques dels arbres durant les tempestes… & probablement hi hagi altres aplicacions entre aquests dos extrems.

Pas 7: Sensors digitals. Part 2: PWM i comunicació en sèrie

Hi ha moltes maneres de crear senyals digitals més complexos. Un mètode es diu Pulse Width Modulation ("PWM"), que és una manera fantàstica de dir un senyal que està activat durant un temps determinat i apagat durant un cert temps. Els servomotors (que es poden utilitzar per mesurar la posició) i els sensors d’ultrasons són exemples de sensors que utilitzen senyals PWM.

També hi ha sensors que utilitzen la comunicació en sèrie per enviar dades d’un bit o dígit binari alhora. Aquests sensors requereixen una certa familiaritat amb la lectura de fulls de dades i poden ser bastant complicats si tot just comenceu. Afortunadament, els sensors en sèrie habituals tindran biblioteques de codis * i programes de mostra per treure-los perquè pugueu agafar alguna cosa funcional. Més informació sobre els protocols de comunicació en sèrie està fora de l’abast d’aquest tutorial, però aquí hi ha un recurs fantàstic sobre la comunicació en sèrie de SparkFun per obtenir més informació.

Per a aquest projecte de mostra, fem servir el sensor de temperatura i humitat (DHT11). Es tracta d’un quadrat blau lil amb forats i 3 passadors.

Primer necessitarem un parell de biblioteques especials per al sensor DHT11: la biblioteca DHT11 i la biblioteca Adafruit Unified Sensor. Per instal·lar aquestes biblioteques (i la majoria de les altres biblioteques Arduino):

Pas 1: obriu el gestor de biblioteques Arduino anant a Sketch -> Biblioteques -> gestiona la biblioteca (Foto 2)

Pas 2: instal·leu i activeu la biblioteca DHT cercant "DHT" i, a continuació, feu clic a Instal·la a la "Biblioteca DHT Arduino" (Foto 3)

Pas 3: instal·leu i activeu la biblioteca d'Adafruit Unified Sensor cercant "Adafruit Unified Sensor" i fent clic a Instal·la.

Pas 4: Inseriu la biblioteca DHT al vostre esbós obert anant a Sketch -> Biblioteques i fent clic a la "Biblioteca DHT Arduino. (Foto 4). Això inserirà un parell de línies noves a la part superior del vostre esbós, la biblioteca ja està activa i llesta per utilitzar-la (Foto 5)

* Igual que la vostra biblioteca local favorita, les biblioteques de codis són una gran quantitat de coneixements i el treball dur d'altres persones que podem utilitzar per fer-nos la vida més fàcil, sí!

Pas 8: Projecte 2: Sensor de sèrie digital de temperatura i humitat

Agafeu 3 cables de pont per a home del kit d’inici Elegoo Arduino i ja estem a punt.

Pas 1: amb els passadors de capçalera mirant cap amunt, connecteu el passador de capçalera més dret del DHT11 a un pin de terra Arduino ("GND").

Pas 2: connecteu el pin de capçalera central al pin de sortida Arduino 5V.

Pas 3: connecteu el pin de capçalera més esquerre a l'Arduino Digital Pin 2

Pas 4: Finalment, llegiu la biblioteca DHT i proveu d’escriure un esbós. Oooor, podeu fer servir el meu o l'esbós d'exemple de la prova DHT dins d'Arduino -> Exemples!

Quan ho tingueu en marxa, aneu a mesurar la temperatura i la humitat de totes les coses… Com la respiració d’un animal, un hivernacle o el vostre lloc d’escalada preferit en diferents èpoques de l’any per trobar la temperatura d’enviament * perfecta *.

Pas 9: Sensors analògics

Després de la difícil immersió en sensors digitals, els sensors analògics poden semblar una brisa. Els senyals analògics són un senyal continu, com es mostra a la 2a foto. La majoria del món físic existeix en analògic (per exemple, temperatura, edat, pressió, etc.), però com que els ordinadors són digitals *, la majoria dels sensors emetran un senyal digital. Alguns microcontroladors, com les plaques Arduino, també poden llegir en senyals analògics **.

Per a la majoria de sensors analògics, donem potència al sensor i després llegim el senyal analògic mitjançant els pins d'entrada analògica. Per a aquesta prova, utilitzarem una configuració encara més senzilla per mesurar el voltatge a través d’un LED quan hi encenguem una llum.

* Els ordinadors utilitzen senyals digitals per emmagatzemar i transmetre informació. Això es deu al fet que els senyals digitals són més fàcils de detectar i són més fiables, ja que l’únic que ens ha de preocupar és obtenir o no un senyal en comptes d’haver-nos de preocupar per la qualitat / precisió del senyal.

** Per llegir un senyal analògic en un dispositiu digital, hem d’utilitzar un convertidor analògic a digital o ADC, que s’aproxima al senyal analògic comparant l’entrada amb una tensió coneguda del dispositiu i comptant quant de temps triga a arribar a la tensió d’entrada. Per obtenir més informació, aquest és un lloc útil.

Pas 10: Projecte 3: el LED com a sensor de llum

Agafeu un LED (qualsevol color excepte el blanc), una resistència de 100 Ohm i 2 cables de pont. Ah, i una pissarra!

Pas 1: introduïu el LED a la taula de suport amb la cama més llarga al costat dret.

Pas 2: connecteu un cable de pont des del pin analògic A0 d'Arduino i la cama LED més llarga

Pas 3: connecteu la resistència entre la pota del LED més curta i el rail d'alimentació negativa de la placa de connexió (al costat de la línia blava).

Pas 4: connecteu el pin Arduino GND al rail d'alimentació negatiu de la placa de control.

Pas 5: escriviu un esbós que es llegeixi al pin analògic A0 i que s’imprimeixi al monitor sèrie

Aquí teniu un exemple de codi per començar.

Pas 11: Visualització de dades: Arduino IDE

L'Arduino IDE inclou eines integrades per visualitzar les dades. Ja hem explorat els conceptes bàsics del monitor sèrie que ens permet imprimir els valors del sensor. Si voleu desar i analitzar les vostres dades, copieu la sortida directament del Serial Monitor i enganxeu-la a un editor de text, full de càlcul o una altra eina d’anàlisi de dades.

La segona eina que podem utilitzar per veure les nostres dades al programa Arduino és el Serial Plotter, una versió visual (també coneguda com a gràfica) del Serial Monitor. Per utilitzar el Plotter en sèrie, aneu a Eines Plotter en sèrie. El gràfic de la foto 2 és la sortida del LED com a sensor de llum del projecte 3! *

La trama es redimensionarà automàticament i, sempre que utilitzeu Serial.println () per als vostres sensors, també imprimirà tots els vostres sensors en diferents colors. Hurra! Això és!

* Si ens fixem al final, hi ha un patró d’ones molt interessant que probablement es deu al corrent altern ("AC") a les nostres llums aèries.

Pas 12: Visualització de dades: Excel. Part 1

Per a una anàlisi de dades més seriosa, hi ha un complement fantàstic (i gratuït!) Per a Excel anomenat Data Streamer *, que podeu descarregar aquí.

Aquest complement es llegeix des del port sèrie, de manera que podem utilitzar exactament la mateixa tècnica de codificació d'impressió de dades en sèrie per obtenir dades directament a Excel … diable sí!

Com s'utilitza el complement Data Streamer:

1. Un cop instal·lat (o si teniu O365), feu clic a la pestanya Data Streamer (a la dreta) d'Excel.

2. Connecteu el vostre Arduino i feu clic a "Connecta el dispositiu" i, a continuació, seleccioneu l'Arduino al menú desplegable. (Foto 1)

3. Feu clic a "Inicia dades" per iniciar la recopilació de dades. (Foto 2) Veureu tres fulls nous: "Data In", "Data Out" i "Settings".

Les dades en directe s’imprimeixen al full Data In. (Foto 3) Cada fila correspon a una lectura del sensor, amb el valor més nou imprès a la darrera fila.

Per defecte, només obtenim 15 files de dades, però podeu canviar-ho anant a "Configuració". Podem reunir fins a 500 files (el límit es deu a l’amplada de banda d’Excel; en segon pla hi ha moltes coses).

* Divulgació completa: tot i que aquest tutorial no està afiliat, treballo amb l'equip de Microsoft Hacking STEM que va desenvolupar aquest complement.

Pas 13: Visualització de dades: Excel. Part 2

4. Afegiu un gràfic de les vostres dades. Feu una anàlisi de dades. Els gràfics de dispersió us mostren com canvien les lectures del sensor amb el pas del temps, que és el mateix que vam veure al Plotter sèrie Arduino.

Per afegir un diagrama de dispersió:

Aneu a Insereix -> Gràfics -> Dispers. Quan aparegui la trama, feu-hi clic dret i trieu "Selecciona dades" i, a continuació, Afegeix. Volem que les nostres dades es mostrin a l'eix y, amb "temps" * a l'eix x. Per fer-ho, feu clic a la fletxa que hi ha al costat de l'eix y, aneu al full Data in i seleccioneu totes les dades del sensor entrant (foto 2).

També podem fer càlculs i comparacions a Excel. Per escriure una fórmula, feu clic a una cel·la buida i escriviu un signe igual ("=") i, a continuació, el càlcul que voleu fer. Hi ha moltes ordres integrades, com ara mitjana, màxima i mínima.

Per utilitzar una ordre, escriviu el signe igual, el nom de l'ordre i un parèntesi obert i, a continuació, seleccioneu les dades que esteu analitzant i tanqueu els parèntesis (Foto 3)

5. Per enviar més d'una columna de dades (AKA més d'un sensor), imprimiu els valors a la mateixa línia separats per una coma, amb una línia nova en blanc final, així:

Serial.print (sensorReading1);

Serial.print (","); Serial.print (sensorReading2); Serial.print (","); Serial.println ();

* Si voleu que el temps real estigui a l'eix x, seleccioneu la marca de temps a la columna A del full Data In per als valors de l'eix x al vostre diagrama de dispersió. Sigui com sigui, veurem les nostres dades a mesura que canvien amb el pas del temps.

Pas 14: endavant i mesura totes les coses

Molt bé, gent, això és tot! És hora de sortir cap amunt i cap amunt! Utilitzeu-ho com a base per començar a explorar els sensors, la codificació Arduino i l’anàlisi de dades per abordar les vostres preguntes, curiositats i misteris favorables en aquest gran i bell món.

Recordeu: hi ha molta gent per ajudar-vos en el camí, així que si teniu alguna pregunta, deixeu un comentari.

Necessiteu algunes idees més? A continuació, s’explica com fer un commutador de canvi d’estat, un sensor de temperatura remot alimentat per energia solar i una escala industrial connectada a Internet.

T'agrada aquest tutorial i vols veure'n més? Donar suport als nostres projectes a Patreon!: D