Comprensió dels sensors electrònics: 8 passos

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

Amb la intenció d’explicar el funcionament dels sensors industrials i domèstics habituals, aquest "instructable" us ensenya a utilitzar sensors disponibles comercialment en un desplegament del món real mitjançant exercicis i experiments pràctics.

Aquesta lliçó tractarà breument els circuits que poden percebre el següent:

• Canvis de temperatura
• Tocar-se (contacte capacitiu amb la pell)
• Quan es toca (commutadors i botons)
• Canvis de llum
• Canvis en el so
• Canvis en l'acceleració (moviment i gravetat)

També es cobreix el maquinari i el programari necessari, on comprar / descarregar els articles, com configurar els circuits per a la sortida numèrica, com llegir la sortida numèrica i un antecedent sobre el funcionament de cada sensor.

Comencem!

Pas 1: comprovació exhaustiva: compra i descàrrega del medi ambient

Veureu al llarg de l’Instruible que els adolescents que visiten una universitat local van provar a fons els detalls d’aquesta lliçó com a part del seu interès per la mecatrònica (robòtica i fabricació)

Les cookies Oreo són útils, però no són necessàries

La gent d'Adafruit va fabricar la placa que utilitzarem avui, anomenada "Circuit Playground - Classic" i han provat a fons una gran quantitat de maneres d'utilitzar el dispositiu. Podeu veure alguns d'aquests a la seva pàgina "Aprèn" aquí, que fa un seguiment aproximat d'aquest experiment de laboratori instructiu i dels passos següents: cortesia d'aquesta pàgina "Aprendre" d'Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -i-bluetooth-de baixa energia

Les parts que necessiteu són senzilles, econòmiques i fàcils d’utilitzar per a experimentadors d’un ampli ventall de grups d’edat, fins i tot tan joves com els de secundària (12 anys, potser?)

1. En primer lloc, compreu un o més dels dispositius aquí: https://www.adafruit.com/product/3000 i també un adaptador USB de USB a Micro-B per connectar-vos al vostre PC aquí https://www.adafruit.com/ producte / 898. El cost total és inferior a 40 dòlars amb l’enviament, però és possible que el trobeu més barat.
2. Un cop hàgiu comprat i rebut el vostre circuit USB i el vostre pati de circuit, haureu de connectar-lo a un ordinador personal (PC) que tingui un entorn de desenvolupament integrat (IDE) per a dispositius tipus Arduino.
3. En aquest exemple, fem servir l'IDE arduino-1.8.4-windows, però també funcionaran d'altres. Assegureu-vos d’instal·lar tots els controladors (en aquest cas, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Un cop instal·lat l'IDE, podeu obrir l'IDE anomenat "Arduino"
5. A Fitxer -> Preferències, inseriu el següent "URL del gestor de taules addicional" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, després digueu D'acord i, a continuació, tanqueu i torneu a obrir l'IDE
6. Ara connecteu el dispositiu Circuit Playground amb el micro USB. Comproveu que s'encén i executa el programa predeterminat "Circuit Playground Firmata" mostrant una seqüència de llums de l'arc de Sant Martí. Podeu comprovar que l’interruptor situat a prop de la presa d’alimentació de la bateria inverteix l’ordre i que un dels botons reprodueix una nota per a cada color.
7. Haureu d’aconseguir la biblioteca Circuit Playground i, a continuació, descomprimiu la biblioteca Circuit PLayground a la carpeta Documents -> Arduino -> biblioteques "Adafruit_CircuitPlayground-master". Un cop descomprimida, traieu el sufix "-master" del nom de la carpeta. Atureu i reinicieu l'IDE i carregueu el tipus de placa de circuit de jocs a Eines -> Taules -> Gestor de taules i, a continuació, cerqueu el tipus "Contribuït" i les paraules clau "Adafruit AVR". Això us permetrà instal·lar els "Adafruit AVR Boards" (última versió), després dels quals hauríeu d'aturar i reiniciar l'IDE.
8. Ara ja esteu a punt per provar el Circuit Playground amb un programa de demostració. Connecteu-vos al Circuit Playground connectat mitjançant USB. Aneu a Eines -> Taulers i assegureu-vos que seleccioneu Circuit Playground. Aneu a Eines -> Ports i assegureu-vos de seleccionar el port COM adequat (el connectat al USB Blaster). Baixeu-vos un programa de demostració de la següent manera: Seleccioneu: Fitxers -> Exemples -> Adafruit Circuit PLayground -> demostració i després compileu-lo i pengeu-lo (podeu fer servir el botó "fletxa apuntant a la dreta" per fer-ho tot)
9. Proveu el programa de demostració seguint aquests passos: Comproveu que el Circuit Playground parpelleja en seqüència arc de Sant Martí. Gireu el botó lliscant i comproveu que es reprodueixen notes (si us plau, torneu-lo a activar, en cas contrari molestarà a tots els que us envolten). Comproveu que el LED de descàrrega vermell parpelleja la velocitat de sincronització.
10. Ara podeu comunicar-vos amb el Circuit Playground mitjançant la interfície de text. Feu clic al botó "Monitor de sèrie" a l'IDE. Sembla una lupa a la part superior dreta de la finestra del programa de demostració. És possible que vulgueu desactivar el desplaçament automàtic per obtenir un millor aspecte.

Ja esteu a punt per experimentar i connectar-vos a tots els diferents sensors.

Pas 2: detecció de la temperatura

Mireu el valor de "temperatura" a la sortida de text del monitor sèrie. Tindrà un valor de temperatura ambient en algun lloc dels anys 30. Vaig mesurar 39,43 graus centígrads.

A la foto es mostra el termistor que s’utilitza per mesurar la temperatura. És el sensor A0 i té al costat un gràfic d’un termòmetre.

Col·loqueu suaument el polze sobre el sensor de temperatura i anoteu quants segons es triga a assolir la temperatura màxima. Anoteu això, així com el següent:

Per arribar a la temperatura màxima dels dits es van trigar _ segons.

Quina és la temperatura més alta que va assolir finalment? _ C

Quin valor té aquest valor en Fahrenheit? _ F. CONSELL: F = (C * 1,8) + 32

És més càlid o més fred que la temperatura corporal normal? _

L’ús d’aquest termòmetre amb el polze d’algú seria un bon indicador de febre per saber si està malalt?

Per què? _

Un termistor és un tipus especial de resistència que canvia la resistència segons la temperatura. Una de les imatges d’aquest pas mostra un diagrama típic del circuit de termistor. ·

Al circuit que es mostra, quina seria la lectura del voltímetre? _ SUGGERIMENT: Utilitzeu la regla del divisor de tensió Vout = (5V * R1 ohms) / (R1 ohms + termistor ohms)

Si el termistor té un índex de “1,5% de canvi de resistència per grau C”, quina serà la resistència del termistor si la temperatura puja a 30 graus C? _ SUGGERIMENT: ja que es tracta d’un canvi de 5 graus i cada grau canvia la resistència un 1,5%, obtenim Termistor Ohms = (5 * 0,015) + 10 000 Ohms

A 32 graus C, quina seria la lectura del voltímetre? _ CONSELL: Ara el canvi és de 7 graus.

On es podrien utilitzar els sensors de temperatura en els tipus de fabricació?

Pas 3: sensor tàctil capacitiu

La foto mostra quins dels connectors (o “coixinets”) també es poden utilitzar per detectar el tacte. S’anomenen sensors tàctils capacitius perquè utilitzen el cos humà com a component electrònic anomenat condensador.

Per seguretat, volem que qualsevol corrent elèctric sigui molt baix. Per aquest motiu, totes les connexions externes als coixinets passen a través d’una resistència d’1 mega ohm a una zona comuna (pin # 30 del xip), de manera que la resistència total entre dos coixinets és de 2 mega ohms.

• Si el voltatge màxim entre dos coixinets és de 5 volts i la resistència és de 2 mega ohms, quin seria el corrent que passa entre dos coixinets si estan curtcircuitats? _ (NO els curtcircuiteu)
• "Capsense" són els números que es mostren a la interfície de text. En quin cas són les xifres més grans, quan es toquen els sensors o quan no es toquen? _
• Anoteu alguns exemples de números quan NO es toquen els sensors: _
• Anoteu alguns exemples de números quan es toquen els sensors: _
• Quina diferència observeu quan es toquen múltiples sensors simultàniament? _
• Què passa si manteniu alguna cosa metàl·lica i toqueu el sensor amb això? _
• Què passa si manteniu una cosa no metàl·lica i toqueu el sensor amb això? _
• Com que els sensors tàctils capacitius no tenen parts mòbils, són molt resistents a les vibracions. A més, es poden cobrir amb un revestiment protector impermeable. Per què aquests dos aspectes poden ser útils en un entorn de fabricació? _

Pas 4: botons tradicionals i commutadors lliscants

Els botons i els commutadors semblen tan senzills i "quotidians" que els donem per descomptats quan es tracta d'utilitzar-los com a sensors. El teclat és un gran exemple. Quan volem escriure ràpidament, tenim poques pulsacions de tecles "falses" i tenim una vida útil de molts anys: els interruptors mecànics (un sota cada tecla del teclat) són el camí a seguir.

El circuit que fem servir avui té tres commutadors "intermitents" amb polsador. Això vol dir que si deixeu anar el botó, tornen a la seva posició original (gràcies a un mecanisme de molla). El circuit també té un sensor dedicat a un commutador de lliscament de dues posicions. Pot trigar una mica d’esforç a lliscar-lo, però no trenqueu el tauler intentant fer-ho; llisqueu cap als laterals amb més fermesa del que premeu cap avall. Aquest tipus de sensor és molt estable. Estable significa que una vegada que la feu lliscar cap a una o altra posició, podeu esperar completament a poder allunyar-vos i tornar-hi molt de temps després i esperar que continuï a la mateixa posició, fins i tot si es troba en una superfície vibrant., etc.

On heu vist aquest interruptor lliscant a la fabricació o fins i tot a casa vostra?

_

Mireu la sortida de text i cerqueu la informació del sensor. En aquest cas, és possible que el sensor no emeti un número, sinó una altra cosa.

El commutador "Slide" ha d'indicar la seva posició. Quins valors pren el sensor "slide" en les dues posicions?

_

Una altra cosa passa en una de les dues posicions de la diapositiva. Què és això?

_

P. S. Com a cortesia de la resta, llisqueu el commutador a la posició "menys molest" tan bon punt hàgiu acabat aquesta secció.

Pas 5: Sensors de llum

Igual que el sensor de temperatura, el circuit del sensor de llum de la placa "Circuit Playground" utilitza un circuit divisor de tensió, on els 5 volts que condueixen el dispositiu es tallen en dues parts, mitjançant el sensor i una resistència de valor fix. En lloc d'un "termistor", el sensor de llum utilitza un "foto-transistor" que canvia la resistència en funció de la quantitat de llum que la colpeja. Podeu veure el foto-transistor "A5" just al costat del gràfic de l'ull a la placa de circuit.

Si el sensor de llum apunta cap al sostre de l'habitació (cap a les llums), el valor de "Light Sensor" hauria de ser centenari.

Quin valor de "sensor de llum" observeu quan l '"ull" apunta cap al sostre de l'habitació?

_

Què passa si apunteu "l'ull" cap al terra: quin número observeu? _

Què passa si apuntes l '"ull" en diferents angles entre el sostre i el terra? - Descriviu què heu observat, inclosos els valors dels números que heu observat, i què heu fet per obtenir-los. _

Què passa si apunteu el sensor cap a un tros de tela fosca proper (però que no es toca): quin número observeu? _

Si el tapeu (sensor situat a prop de "l'ull") amb el dit, haureu de baixar el número. Ho fa? _

Tingueu en compte que el dit és semitransparent, de manera que les llums brillants del LED brillant el poden brillar a través del dit. Què més podríeu utilitzar per tapar el sensor per obtenir un nombre inferior? _

Els sensors de llum poden ser una mica complicats, no sempre donen la lectura exacta que esperaríeu i depenen molt de la reflectivitat, la transparència, l’angle d’il·luminació i la brillantor de la il·luminació. Els sistemes de visió de fabricació busquen superar aquestes limitacions controlant estretament aquestes variables. Per exemple, un escàner de codis de barres pot utilitzar una franja làser d’un color amb focus brillant per minimitzar l’impacte de la il·luminació de l’habitació. En un altre exemple, una cinta transportadora de cartró de llet utilitza un sensor de llum d'estil "porta de garatge", comptant els cartrons de llet comptant el nombre de vegades que es deixa passar la llum entre ells.

Posa un exemple diferent de la fabricació, la llar o l’empresa on es controlen algunes d’aquestes variables de llum per obtenir un millor resultat del sensor de llum (a més dels exemples que ja he esmentat aquí):

Pas 6: sensor de so

El sensor de so del "Circuit Playground" és en realitat un sistema micro electromecànic (MEMS) força sofisticat que no només es pot utilitzar per detectar nivells d'àudio, sinó que també pot realitzar anàlisis bàsiques de freqüència. És possible que hàgiu vist un analitzador d’espectre en un estudi de música o en una aplicació de reproductor de música, que sembla un gràfic de barres amb les notes baixes a l’esquerra i les notes més altes a la dreta (igual que es mostra un equalitzador gràfic).

El valor que es mostra a la lectura de text és, de fet, la forma d'ona d'àudio en brut. Hauríem d’afegir els valors al llarg del temps per trobar la potència total de l’àudio (el nivell de pressió sonora).

No obstant això, aquest dispositiu MEMS es pot utilitzar per desencadenar accions d'un robot o d'un altre dispositiu quan hi ha sons presents o quan se sent una seqüència específica de sons. A més, els MEMS són extremadament petits (és el dispositiu que hi ha a sota d’aquest petit forat de la caixa metàl·lica, just al costat del gràfic “orella” del tauler) i tenen poca potència. Aquesta combinació fa que els dispositius MEMS siguin extremadament útils per a la detecció acústica, biomèdica, de micro-fluids, eines microquirúrgiques, sensors de flux de gasos i productes químics, etc.

Com que la sortida és la forma d'ona d'àudio (i no el nivell de potència), veureu menys abast en els valors quan les coses siguin silencioses (~ 330 és el centre per a una habitació perfectament silenciosa) i oscil·lacions més amples per a sorolls forts (de 0 a 800 més o menys)).

Enregistreu els valors del "sensor de so" quan només hi hagi el soroll de fons de l'habitació. Quin valor observes per a tu? De _ A _

Quin valor observeu si parleu amb un to de veu normal, a uns 2 peus més o menys del sensor? De _ A _

Obteniu un rang de valors més alt parlant o picant els dits (o aplaudint) repetidament?

Sí o no: _ La ràbia per aplaudir / trencar passa de _ A _

Per què creus que és això? _

Proveu altres tipus de soroll i anoteu el que observeu, però no toqueu el tauler: _

P. S. Els MEMS funcionen en ambdues direccions i és possible utilitzar electricitat per moure les parts micro mecàniques. Una empresa anomenada "Audio Pixels" treballa en l'agrupació d'aquests dispositius per crear un altaveu petit i perfectament pla que pugui apuntar el so en qualsevol direcció.

Pas 7: acceleròmetres

Un acceleròmetre també és un tipus de MEMS i un d’aquests dispositius es proporciona al tauler “Circuit Playground”. El xip LIS3DH, prop del centre de la placa al costat del gràfic XYZ, proporciona la capacitat de mesurar l’acceleració en qualsevol direcció com la suma vectorial de l’acceleració en la direcció X, Y i Z.

Atès que la força de la gravetat és idèntica a la que se sent en accelerar (teoria de la relativitat d’Einstein), fins i tot quan es queda quiet aquí a la terra, el dispositiu mesura una acceleració de 9,8 metres per segon per segon (9,8 m / s2).

Podeu girar el dispositiu per obtenir tota la força en la direcció "X".

Intenteu inclinar el dispositiu de manera que tota l’acceleració estigui en la direcció X (sigueu suaus amb el curt cable USB quan torceu les coses). Quins valors vau observar? X: _ Y: _ Z: _

Ara inclineu el dispositiu per obtenir gairebé tota la força de gravetat (acceleració) en direcció Y. Quins valors vau observar? X: _ Y: _ Z: _

Finalment, col·loqueu el dispositiu de manera que l’acceleració de la gravetat es divideixi entre les direccions X i Y i sigui gairebé 0 en la direcció Z (en algun lloc entre les dues posicions anteriors). Quins valors vau observar? X: _ Y: _ Z: _

Utilitzeu el teorema de Pitàgores per afegir els vectors X i Y d’acceleració de la mesura anterior. Podeu ignorar els signes negatius, vol dir que el dispositiu només està capgirat en aquesta direcció. Quina és l’acceleració total? _ Recordem que l’acceleració total = √ (X2 + Y2).

PROVEU EL PROXIM EXPERIMENT NOMÉS SI ÉS TRIDIMENSIONAL! Inclineu el dispositiu de manera que l'acceleració de la gravetat es divideixi entre les direccions X, Y i Z. Quins valors vau observar?

X: _ Y: _ Z: _ Acceleració total = _

Com podeu veure, l’acceleròmetre (gràcies a la força de la gravetat) també es pot utilitzar per mesurar la inclinació o la posició del tauler. Si construíssiu un braç de robot amb una pinça, on podríeu posar el sensor de l’acceleròmetre i per què? _

A més de la inclinació i la direcció del centre de la terra, els acceleròmetres també poden mesurar l’acceleració. Mou suaument el tauler cap endavant i cap enrere (si us plau, tingueu cura amb el curt cable USB quan torceu les coses). Quins valors vau observar?

Direcció moguda: _ X: _ Y: _ Z: _

Direcció moguda: _ X: _ Y: _ Z: _

Pas 8: ja heu acabat

Enhorabona per haver completat tots aquests passos i conèixer els sensors electrònics.

Deixeu un comentari per enviar-me comentaris sobre les coses que creieu que haurien de millorar, i també aviseu-me si heu tingut cap ús addicional del sensor del Circuit Playground Classic.

Paul Nussbaum, doctor