HackerBox 0035: Electroquímica: 11 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Aquest mes, HackerBox Hackers està explorant diversos sensors electroquímics i tècniques de proves per mesurar les propietats físiques dels materials. Aquest manual instructiu conté informació per començar a utilitzar el HackerBox # 0035, que es pot comprar aquí fins que acabin els subministraments. A més, si voleu rebre un HackerBox com aquest a la vostra bústia de correu cada mes, subscriviu-vos a HackerBoxes.com i uniu-vos a la revolució.

Temes i objectius d'aprenentatge per a HackerBox 0035:

• Configureu l'Arduino Nano per utilitzar-lo amb l'IDE Arduino
• Connecteu i codifiqueu un mòdul OLED per mostrar les mesures
• Construeix una demostració d'alcoholèmia mitjançant sensors d'alcohol
• Compareu els sensors de gas per realitzar mesures de qualitat de l’aire
• Determineu la qualitat de l'aigua en forma de sòlids dissolts totals (TDS)
• Proveu la detecció tèrmica sense contacte i submergible en aigua

HackerBoxes és el servei de caixa de subscripció mensual per a electrònica de bricolatge i tecnologia informàtica. Som aficionats, creadors i experimentadors. Som els somiadors dels somnis. HACK EL PLANETA!

Pas 1: HackerBox 0035: contingut de la caixa

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Pantalla I2C OLED 0,96 de 128x64 píxels
• Mesurador de qualitat de l'aigua TDS-3
• Mòdul de temperatura sense contacte GY-906
• Sensor de contaminació de la qualitat de l’aire MP503
• Sonda de temperatura impermeable DS18B20
• Mòdul de sensor d'alcohol MQ-3
• Mòdul del sensor de gas de perill aeri MQ-135
• Mòdul d’humitat i temperatura DHT11
• Mòdul làser KY-008
• Conjunt de LEDs, resistències 1K i botons tàctils
• Taula de pa "Clear Crystal" de 400 punts
• Jumper Wire Set - 65 peces
• Cable MircoUSB
• Pegatines exclusives de HackerBoxes

Algunes altres coses que us seran útils:

• Soldador, soldador i eines bàsiques de soldadura
• Ordinador per executar eines de programari

El més important és que necessiteu un sentiment d’aventura, esperit de bricolatge i curiositat per part dels pirates informàtics. L’electrònica de bricolatge dur no és una recerca trivial i els HackerBoxes no es dilueixen. L’objectiu és el progrés, no la perfecció. Quan persisteix i gaudeix de l’aventura, es pot obtenir una gran satisfacció a partir de l’aprenentatge de noves tecnologies i amb l’esperança que alguns projectes funcionin. Us suggerim fer cada pas lentament, tenint en compte els detalls i no tingueu por de demanar ajuda.

Hi ha una gran quantitat d'informació per a membres actuals i potencials a les PMF de HackerBoxes.

Pas 2: Electroquímica

L’electroquímica (Viquipèdia) és la branca de la química física que estudia la relació entre l’electricitat, com a fenomen mesurable i quantitatiu, i un canvi químic concret o viceversa. Les reaccions químiques impliquen càrregues elèctriques que es mouen entre elèctrodes i un electròlit (o ions en una solució). Així, l'electroquímica tracta la interacció entre l'energia elèctrica i el canvi químic.

Els dispositius electroquímics més habituals són les bateries diàries. Les bateries són dispositius que consisteixen en una o més cèl·lules electroquímiques amb connexions externes proporcionades per alimentar dispositius elèctrics com llanternes, telèfons intel·ligents i cotxes elèctrics.

Els sensors de gas electroquímics són detectors de gasos que mesuren la concentració d’un gas objectiu oxidant o reduint el gas objectiu d’un elèctrode i mesurant el corrent resultant.

L’electròlisi és una tècnica que utilitza un corrent elèctric directe (CC) per provocar una reacció química que no sigui espontània. L’electròlisi és important comercialment com a etapa en la separació d’elements de fonts naturals com els minerals utilitzant una cèl·lula electrolítica.

Pas 3: plataforma de microcontroladors Arduino Nano

Un Arduino Nano, o una placa de microcontrolador similar, és una opció fantàstica per a la interfície amb sensors electroquímics i visualitzacions de sortida a un ordinador o una pantalla de vídeo. El mòdul Arduino Nano inclòs ve amb pins de capçalera, però no es solden al mòdul. Deixeu els passadors apagats per ara. Realitzeu aquestes proves inicials del mòdul Arduino Nano abans de soldar els pins de la capçalera Arduino Nano. Tot el que es necessita per al següent parell de passos és un cable microUSB i el mòdul Nano just quan surt de la bossa.

L'Arduino Nano és una placa Arduino miniaturitzada, compatible amb taulers de muntatge, amb superfície integrada i USB. És increïblement complet i fàcil de piratejar.

Característiques:

• Microcontrolador: Atmel ATmega328P
• Voltatge: 5V
• Pins d'E / S digitals: 14 (6 PWM)
• Pins d'entrada analògica: 8
• Corrent continu per pin d'E / S: 40 mA
• Memòria Flash: 32 KB (2 KB per al carregador d'arrencada)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Velocitat de rellotge: 16 MHz
• Dimensions: 17 mm x 43 mm

Aquesta variant particular de l'Arduino Nano és el disseny negre de Robotdyn. La interfície és mitjançant un port MicroUSB integrat que és compatible amb els mateixos cables MicroUSB que s’utilitzen amb molts telèfons mòbils i tauletes.

Arduino Nanos inclou un xip pont USB / sèrie integrat. En aquesta variant en particular, el xip pont és el CH340G. Tingueu en compte que hi ha diversos altres tipus de xips de pont USB / sèrie que s’utilitzen en els diversos tipus de plaques Arduino. Aquests xips permeten que el port USB de l'ordinador es comuniqui amb la interfície sèrie del xip del processador d'Arduino.

El sistema operatiu d’un ordinador requereix un controlador de dispositiu per comunicar-se amb el xip USB / sèrie. El controlador permet a l'IDE comunicar-se amb la placa Arduino. El controlador de dispositiu específic que es necessita depèn tant de la versió del sistema operatiu com del tipus de xip USB / sèrie. Per als xips USB / sèrie CH340, hi ha controladors disponibles per a molts sistemes operatius (UNIX, Mac OS X o Windows). El fabricant del CH340 subministra aquests controladors aquí.

Quan connecteu l’Arduino Nano per primera vegada a un port USB de l’ordinador, el llum verd d’encesa s’ha d’encendre i poc després el LED blau hauria de començar a parpellejar lentament. Això passa perquè Nano està precarregat amb el programa BLINK, que s’executa al flamant Arduino Nano.

Pas 4: Entorn de desenvolupament integrat (IDE) Arduino

Si encara no teniu instal·lat l’IDE Arduino, el podeu descarregar des d’Arduino.cc

Si voleu informació introductòria addicional per treballar a l’ecosistema Arduino, us recomanem que consulteu les instruccions del Taller d’inici de HackerBoxes.

Connecteu el Nano al cable MicroUSB i l’altre extrem del cable a un port USB de l’ordinador, engegueu el programari Arduino IDE i seleccioneu el port USB adequat a l’IDE a Eines> port (probablement un nom amb "wchusb" al seu interior). També seleccioneu "Arduino Nano" a l'IDE sota eines> tauler.

Finalment, carregueu un fragment de codi d'exemple:

Fitxer-> Exemples-> Conceptes bàsics-> Parpellejar

Aquest és en realitat el codi que s’ha precarregat al Nano i que hauria d’executar-se ara mateix per parpellejar lentament el LED blau. En conseqüència, si carreguem aquest codi d'exemple, no canviarà res. En canvi, modificem una mica el codi.

Si ho mireu de prop, podeu veure que el programa encén el LED, espera 1000 mil·lisegons (un segon), apaga el LED, espera un segon i, tot seguit, ho fa tot de nou, per sempre.

Modifiqueu el codi canviant les instruccions "delay (1000)" per "delay (100)". Aquesta modificació farà que el LED parpellegi deu vegades més ràpid, oi?

Carregem el codi modificat a Nano fent clic al botó CARREGAR (la icona de fletxa) just a sobre del codi modificat. Mireu a sota del codi la informació d’estat: "compilació" i després "càrrega". Finalment, l'IDE hauria d'indicar "Càrrega completa" i el LED hauria de parpellejar més ràpidament.

Si és així, felicitats! Acabeu de piratejar el vostre primer fragment de codi incrustat.

Un cop carregada i executada la versió de parpelleig ràpid, per què no veieu si podeu tornar a canviar el codi per fer que el LED parpellegi ràpidament dues vegades i espereu un parell de segons abans de repetir-lo? Prova-ho! Què tal uns altres patrons? Un cop hàgiu aconseguit visualitzar el resultat desitjat, codificar-lo i observar-lo com funciona, heu fet un pas enorme cap a convertir-vos en un pirata informàtic competent.

Pas 5: passadors de capçalera i OLED a la placa de pa sense soldadura

Ara que el vostre equip de desenvolupament s'ha configurat per carregar el codi a l'Arduino Nano i que s'ha provat el Nano, desconnecteu el cable USB del Nano i prepareu-vos per soldar els pins de la capçalera. Si és la primera nit al club de lluita, has de soldar! Hi ha moltes guies i vídeos fantàstics en línia sobre la soldadura (per exemple). Si creieu que necessiteu ajuda addicional, proveu de trobar un grup de fabricants locals o espai de pirates informàtics a la vostra zona. A més, els clubs de ràdio amateur sempre són excel·lents fonts d’experiència en electrònica.

Soldeu les dues capçaleres d’una sola fila (quinze pins cadascuna) al mòdul Arduino Nano. El connector ICSP de sis pins (programació sèrie en circuit) no s’utilitzarà en aquest projecte, de manera que només deixeu aquests pins apagats. Un cop finalitzada la soldadura, comproveu acuradament si hi ha ponts de soldadura i / o juntes de soldadura en fred. Finalment, torneu a connectar l’Arduino Nano al cable USB i verifiqueu que tot funcioni correctament.

Per connectar el OLED al Nano, inseriu-los en una placa de soldadura sense soldadura tal com es mostra i connecteu-los entre ells segons aquesta taula:

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

Per conduir la pantalla OLED, instal·leu el controlador de pantalla OLED SSD1306 que es troba aquí a l'IDE Arduino.

Proveu la pantalla OLED carregant l'exemple ssd1306 / snowflakes i programant-lo al Nano.

Altres exemples de la biblioteca SDD1306 són útils per explorar l'ús de la pantalla OLED.

Pas 6: demostració del sensor d'alcohol i l'alcoholèmia MQ-3

El sensor de gas d’alcohol MQ-3 (full de dades) és un sensor de semiconductor de baix cost que pot detectar la presència de gasos d’alcohol a concentracions de 0,05 mg / L a 10 mg / L. El material de detecció utilitzat al MQ-3 és SnO2, que presenta una conductivitat creixent quan s’exposa a concentracions creixents de gasos alcohòlics. El MQ-3 és altament sensible a l’alcohol i amb molt poca sensibilitat creuada al fum, al vapor o a la gasolina.

Aquest mòdul MQ-3 proporciona una sortida analògica bruta en relació amb la concentració d’alcohol. El mòdul també compta amb un comparador LM393 (full de dades) per llindar una sortida digital.

El mòdul MQ-3 es pot connectar a Nano segons aquesta taula:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… No s’utilitza

Codi de demostració del vídeo.

ADVERTÈNCIA: aquest projecte és només una demostració educativa. No és un instrument mèdic. No està calibrat. No es pretén, de cap manera, determinar els nivells d’alcoholèmia per avaluar els límits legals o de seguretat. No siguis estúpid. No beveu ni conduïu. Arriba viu!

Pas 7: Detecció de cetones

Les cetones són compostos simples que contenen un grup carbonil (un doble enllaç carboni-oxigen). Moltes cetones són importants tant en la indústria com en la biologia. L’acetona dissolvent comuna és la cetona més petita.

Avui en dia molts coneixen la dieta cetogènica. És una dieta basada en el consum de greixos, proteïnes adequades i pocs hidrats de carboni. Això obliga el cos a cremar greixos en lloc de carbohidrats. Normalment, els hidrats de carboni continguts en els aliments es converteixen en glucosa, que després es transporta per tot el cos i és particularment important per alimentar la funció cerebral. Tot i això, si hi ha poc hidrats de carboni a la dieta, el fetge converteix els greixos en àcids grassos i cossos cetònics. Els cossos cetònics passen al cervell i substitueixen la glucosa com a font d’energia. Un nivell elevat de cossos cetònics a la sang dóna lloc a un estat conegut com a cetosi.

Exemple de projecte de detecció de cetona

Un altre exemple de projecte de detecció de cetona

Comparant els sensors de gas MQ-3 i TGS822

Pas 8: detecció de la qualitat de l'aire

La contaminació de l'aire es produeix quan s'introdueixen a l'atmosfera quantitats nocives o excessives de substàncies, inclosos gasos, partícules i molècules biològiques. La contaminació pot causar malalties, al·lèrgies i fins i tot mort als humans. També pot causar danys a altres organismes vius com animals, cultius alimentaris i el medi ambient en general. Tant l’activitat humana com els processos naturals poden generar contaminació atmosfèrica. La contaminació de l’aire interior i la mala qualitat de l’aire urbà apareixen com a dos dels pitjors problemes de contaminació tòxica del món.

Podem comparar el funcionament de dos sensors de qualitat de l’aire (o perillositat de l’aire) diferents. Aquests són el MQ-135 (full de dades) i el MP503 (full de dades).

El MQ-135 és sensible al metà, òxids de nitrogen, alcohols, benzè, fum, CO2 i altres molècules. La seva interfície és idèntica a la interfície MQ-3.

El MP503 és sensible al gas formaldehid, benzè, monòxid de carboni, hidrogen, alcohol, amoníac, fum de cigarreta, moltes olors i altres molècules. La seva interfície és bastant senzilla, ja que proporciona dues sortides digitals per designar quatre nivells de concentracions de contaminants. El connector per defecte del MP503 té una capçalera masculina recoberta de plàstic, que es pot treure i substituir per una capçalera estàndard de 4 pins (que es proporciona a la bossa) per utilitzar-la amb taulers sense soldar, ponts DuPont o connectors comuns similars.

Pas 9: detecció de la qualitat de l'aigua

Probador de qualitat de l'aigua TDS-3

Els sòlids dissolts totals (TDS) són la quantitat total d’ions mòbils carregats, inclosos minerals, sals o metalls dissolts en un determinat volum d’aigua. El TDS, que es basa en la conductivitat, s’expressa en parts per milió (ppm) o mil·ligrams per litre (mg / L). Els sòlids dissolts inclouen qualsevol element inorgànic conductor present que no sigui les molècules d’aigua pura (H2O) i els sòlids en suspensió. El nivell màxim de contaminants EPA de TDS per al consum humà és de 500 ppm.

Prendre mesures TDS

1. Traieu la tapa protectora.
2. Engegueu el comptador TDS. L'interruptor ON / OFF es troba al tauler.
3. Immergiu el comptador a l’aigua / solució fins al màxim. nivell d’immersió (2”).
4. Remeneu lleugerament el comptador per desallotjar les bombolles d’aire.
5. Espereu fins que la pantalla s'estabilitzi. Un cop la lectura s'estabilitzi (aprox. 10 segons), premeu el botó HOLD per veure la lectura fora de l'aigua.
6. Si el comptador mostra un símbol "x10" intermitent, multipliqueu la lectura per 10.
7. Després d'utilitzar-lo, sacseu l'excés d'aigua del comptador. Torneu a col·locar la tapa.

Font: full d’instruccions complet

Experiment: Construïu el vostre propi comptador TDS senzill (projecte amb vídeo aquí) que es pugui calibrar i provar amb el TDS-3.

Pas 10: detecció tèrmica

Mòdul del sensor de temperatura sense contacte GY-906

El mòdul de detecció tèrmica GY-906 està equipat amb un MLX90614 (detalls). Es tracta d’un termòmetre infraroig d’una sola zona, senzill d’utilitzar, però molt potent, capaç de detectar temperatures dels objectes entre -70 i 380 ° C. Utilitza una interfície I2C per comunicar-se, cosa que significa que només heu de dedicar dos cables del vostre microcontrolador a la interfície amb ell.

Projecte de termodetecció demo.

Un altre projecte de termodetecció.

Sensor de temperatura a prova d'aigua DS18B20

El sensor de temperatura d'un fil DS18B20 (detalls) pot mesurar la temperatura des de -55 ℃ fins a 125 ℃ amb una precisió de ± 5.

Pas 11: HACK EL PLANETA

Si us ha agradat aquest Instructable i voleu que cada mes caigui una bona caixa de productes electrònics piratejables i de tecnologia informàtica a la vostra bústia, uniu-vos a la revolució navegant a HackerBoxes.com i subscrivint-vos per rebre la nostra caixa sorpresa mensual.

Arribeu i compartiu el vostre èxit als comentaris següents o a la pàgina de Facebook de HackerBoxes. Indiqueu-nos si teniu cap pregunta o necessiteu ajuda per res. Gràcies per formar part de HackerBoxes.