Pag-unawa sa Mga Elektronikong Sensor: 8 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Inilaan na ipaliwanag ang pagpapatakbo ng mga karaniwang pang-industriya at sambahayan sensor, ang "Maituturo" na ito ay nagtuturo sa iyo kung paano gumamit ng mga magagamit na komersyal na sensor sa isang tunay na pag-deploy ng mundo gamit ang hands-on na ehersisyo at mga eksperimento.

Ang araling ito ay maikling sasaklawin ang mga circuit na maaaring maunawaan ang mga sumusunod:

• Mga pagbabago sa Temperatura
• Pagiging Baliw (Makipag-ugnay sa balat na Capacitive)
• Nahihipo (Mga switch at pindutan)
• Mga Pagbabago sa Liwanag
• Mga Pagbabago sa Tunog
• Mga Pagbabago sa Pagpapabilis (Pagkilos at gravity)

Saklaw din ang kailangan ng hardware at software, kung saan bibili / mag-download ng mga item, kung paano i-set up ang mga circuit para sa output na bilang, kung paano basahin ang output na bilang, at isang background sa kung paano gumagana ang bawat sensor.

Magsimula na tayo!

Hakbang 1: Masusing Nasubukan - Pagbili at Pagda-download ng Kapaligiran

Makikita mo sa buong Instructable na ang mga detalye ng araling ito ay lubusang nasubok ng mga kabataan na bumibisita sa isang lokal na Unibersidad bilang bahagi ng kanilang interes sa Mechatronics (robotics at manufacturing)

Nakatutulong ang mga cookies ng Oreo, ngunit hindi kinakailangan

Ang mga taong Adafruit ay gumawa ng board na gagamitin namin ngayon, na tinawag na "Circuit Playground - Classic" at lubusang nasubukan nila ang isang malaking bilang ng mga paraan upang magamit ang aparato. Maaari mong makita ang ilan sa mga ito sa kanilang pahinang "Alamin" dito, na halos masusubaybayan ang eksperimentong ito ng Laboratory na eksperto at mga sub-hakbang - sa kabutihang loob ng pahinang "Alamin" ng Adafruit na ito, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -at-Bluetooth-mababang-enerhiya

Ang mga bahagi na kailangan mo ay simple, mura, at madaling gamitin para sa mga eksperimento mula sa isang malawak na hanay ng mga pangkat ng edad, kahit na kasing bata ng Middle School (12 taong gulang, marahil?)

1. Una, bumili ng isa o higit pa sa mga aparato dito: https://www.adafruit.com/product/3000 at isang USB din sa Micro-B USB adapter upang kumonekta sa iyong PC dito https://www.adafruit.com/ produkto / 898. Ang kabuuang gastos ay nasa ilalim ng $ 40 kasama ang pagpapadala, ngunit maaari mo itong makita na mas mura.
2. Sa sandaling bumili ka at matanggap ang iyong murang Circuit Playground at USB cable, kakailanganin mong ikonekta ito sa isang Personal Computer (PC) na mayroong isang Integrated Development Environment (IDE) para sa mga aparatong uri ng Arduino.
3. Sa halimbawang ito gumagamit kami ng IDE arduino-1.8.4-windows, ngunit gagana rin ang iba. Tiyaking i-install ang lahat ng mga driver (sa kasong ito, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Kapag na-install mo na ang IDE, maaari mong buksan ang IDE na tinatawag na "Arduino"
5. Sa ilalim ng File -> Mga Kagustuhan ipasok ang sumusunod na "Karagdagang URL ng Board Manager" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, pagkatapos ay sabihin ang OK at pagkatapos isara at muling buksan ang IDE
6. Ikonekta ngayon ang aparato ng Circuit Playground gamit ang Micro USB. Tingnan na ito ay nagpapatakbo at nagpapatakbo ng default na programa na "Circuit Playground Firmata" sa pamamagitan ng pagpapakita ng isang pagkakasunud-sunod ng bahaghari ng mga ilaw. Maaari mong subukan na ang switch malapit sa power jack ng baterya ay binabaligtad ang pagkakasunud-sunod at ang isa sa mga pindutan ay nagpe-play ng isang tala para sa bawat kulay.
7. Kakailanganin mong makuha ang Circuit Playground Library at pagkatapos ay i-unzip ang Circuit PLayground Library sa Mga Dokumento -> Arduino -> folder ng mga aklatan na "Adafruit_CircuitPlayground-master." Kapag na-zip na, alisin ang panlapi na "-master" mula sa pangalan ng folder. Ihinto at i-restart ang IDE, at i-load ang Uri ng Lupon ng Lugar ng Palaruan sa ilalim ng Mga Tool -> Mga Lupon -> Board Manager at pagkatapos ay hanapin ang uri na "Naambag" at mga keyword na "Adafruit AVR". Papayagan ka nitong i-install ang "Adafruit AVR Boards" (pinakabagong bersyon) pagkatapos nito ay dapat mong ihinto at i-restart ang IDE
8. Handa ka na ngayong subukan ang Circuit Playground gamit ang isang demo program. Kumonekta sa Circuit Playground na konektado sa pamamagitan ng USB. Pumunta sa Mga Tool -> Mga Lupon at tiyaking pipiliin mo ang Circuit Playground. Pumunta sa Mga Tool -> Mga Port at siguraduhin na pinili mo ang naaangkop na COM port (ang isang konektado sa USB Blaster). Mag-download ng isang programa ng demo tulad ng sumusunod: Piliin ang: Mga File -> Mga Halimbawa -> Adafruit Circuit PLayground -> demo at pagkatapos ay pag-ipon at pag-upload (maaaring magamit ang pindutan na "tamang pagturo ng arrow" upang magawa ang lahat)
9. Subukan ang programang demo sa pamamagitan ng pagsunod sa mga hakbang na ito: Tingnan na ang Circuit Playground ay kumikislap sa pagkakasunud-sunod ng bahaghari. I-on ang switch ng slider at makita na sanhi ito upang i-play ang mga tala (mangyaring i-off ito, kung hindi man ay tiyak na makakainis ito sa lahat sa paligid mo). Tingnan na ang pulang LED na pag-download ay kumikislap sa rate ng tiyempo.
10. Ngayon ay maaari kang makipag-usap sa Circuit Playground sa pamamagitan ng Text Interface. Mag-click sa pindutang "Serial Monitor" sa IDE. Mukha itong uri ng isang magnifying glass sa kanang itaas ng window ng programa ng demo. Maaari mong hilingin na patayin ang auto scroll upang makakuha ng isang mas mahusay na hitsura.

Handa ka nang mag-eksperimento at kumonekta sa lahat ng iba't ibang mga sensor!

Hakbang 2: Sensing Temperatura

Tingnan ang halagang "temperatura" sa iyong serial monitor na output ng teksto. Magkakaroon ito ng halaga ng temperatura sa silid sa kung saan sa 30's. Sinukat ko ang 39.43 degrees Celsius.

Ang thermistor na ginagamit upang sukatin ang temperatura ay ipinapakita sa larawan. Ito ay sensor A0 at mayroong graphic ng isang thermometer sa tabi nito.

Dahan-dahang ilagay ang iyong hinlalaki sa sensor ng temperatura at itala kung ilang segundo ang kinakailangan upang maabot ang isang pinakamataas na temperatura. Gumawa ng tala nito, pati na rin ang mga sumusunod:

Upang maabot ang maximum na temperatura ng daliri ay tumagal ito ng _ segundo.

Ano ang pinakamataas na temperatura na naabot nito sa huli? _ C

Ano ang halagang ito sa Fahrenheit? _ F. Pahiwatig: F = (C * 1.8) + 32

Mas mainit ba ito o mas cool kaysa sa normal na temperatura ng katawan? _

Ang paggamit ba ng thermometer na ito na may hinlalaki ng isang tao ay magiging isang mahusay na tagapagpahiwatig ng lagnat upang sabihin kung sila ay may sakit?

Bakit? _

Ang isang Thermistor ay isang espesyal na uri ng risistor na nagbabago ng paglaban ayon sa temperatura. Ang isa sa mga larawan sa hakbang na ito ay nagpapakita ng isang karaniwang diagram ng circuit ng Thermistor. ·

Sa ipinakitang circuit, ano ang magiging pagbasa sa Volt Meter? _ Pahiwatig: Gamitin ang panuntunan sa divider ng boltahe Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Kung ang thermistor ay may rating na "1.5% Pagbabago ng paglaban bawat degree C" - ano ang magiging pagtutol ng thermistor kung ang temperatura ay umabot sa 30 degree C? _ Pahiwatig: dahil ito ay isang pagbabago ng 5 degree, at binabago ng bawat degree ang paglaban ng 1.5%, nakukuha namin ang Thermistor Ohms = (5 * 0.015) + 10, 000 Ohms

Sa 32 degree C, ano ang magiging pagbasa sa Volt Meter? _ Pahiwatig: Ngayon ang pagbabago ay 7 degree.

Saan maaaring magamit ang mga sensor ng temperatura sa mga uri ng pagmamanupaktura?

Hakbang 3: Capacitive Touch Sensor

Ipinapakita ng larawan kung alin sa mga konektor (o "pad") ay maaari ding magamit upang matukoy ang ugnayan. Tinatawag silang capacitive touch sensors dahil ginagamit nila ang katawang tao bilang isang elektronikong sangkap na tinatawag na isang capacitor.

Para sa kaligtasan, nais naming ang anumang kasalukuyang kuryente ay napakababa. Para sa kadahilanang ito, ang lahat ng mga panlabas na koneksyon sa mga pad ay dumaan sa isang 1 Mega Ohm risistor sa isang karaniwang lugar (pin # 30 ng maliit na tilad) kaya ang kabuuang paglaban sa pagitan ng anumang dalawang pad ay 2 Mega Ohms.

• Kung ang rurok na boltahe sa pagitan ng anumang dalawang pad ay 5 Volts, at ang paglaban ay 2 Mega Ohms, ano ang kasalukuyang dumadaan sa pagitan ng anumang dalawang pad kung sila ay maiikli? _ (HUWAG iikot ang mga ito)
• Ang "Capsense" ay ang mga numero na ipinapakita ng interface ng teksto. Saang kaso mas malaki ang mga numero, kung ang mga sensor ay hinahawakan, o kapag hindi ito hinahawakan? _
• Itala ang ilang mga halimbawa ng mga numero kung ang mga sensor ay HINDI hinawakan: _
• Itala ang ilang mga halimbawa ng mga numero kapag ang mga sensor AY hinawakan: _
• Anong pagkakaiba ang napansin mo kapag maraming sensor ang sabay na hinawakan? _
• Ano ang mangyayari kung humawak ka ng isang bagay na metal, at hawakan iyon ang sensor? _
• Ano ang mangyayari kung humawak ka ng isang bagay na hindi metal, at hawakan iyon ng sensor? _
• Dahil ang mga capacitive touch sensor ay walang gumagalaw na mga bahagi, ang mga ito ay napaka-lumalaban sa mga panginginig ng boses. Gayundin, maaari silang sakop ng isang hindi tinatagusan ng tubig na proteksiyon na patong. Bakit maaaring maging kapaki-pakinabang ang dalawang aspeto na ito sa isang kapaligiran sa pagmamanupaktura? _

Hakbang 4: Mga Tradisyunal na Butones at Mga Slider Switch

Ang mga pindutan ng push at switch ay tila napakasimple at "araw-araw" na binibigyan natin sila nang walang halaga pagdating sa kanilang paggamit bilang mga sensor. Ang keyboard ay isang mahusay na halimbawa. Kapag nais naming mag-type nang mabilis, magkaroon ng ilang "maling" mga keystroke, at magkaroon ng mahabang buhay ng maraming taon ng paggamit - ang mga mechanical switch (isa sa ilalim ng bawat key sa keyboard) ay ang paraan upang pumunta.

Ang circuit na ginagamit namin ngayon ay may tatlong push-button na "intermittent" switch. Nangangahulugan iyon na ang isang bitawan mo, ang mga ito ay bumalik sa kanilang orihinal na posisyon (salamat sa isang mekanismo na puno ng spring). Ang circuit ay mayroon ding sensor na nakatuon sa isang dalawang-posisyon na slide switch. Maaaring tumagal ng kaunting pagsisikap upang i-slide ito, ngunit huwag basagin ang board na sinusubukang gawin iyon - mas mabilis na dumulas sa tagilid kaysa sa iyong pagpindot. Ang uri ng sensor na ito ay napaka matatag. Ang ibig sabihin ng matatag na sa sandaling i-slide mo ito sa isang posisyon o sa iba pa, maaari mong asahan nang lubos na makapaglakad at bumalik ng mahabang panahon sa paglaon at asahan na nasa parehong posisyon pa rin ito, kahit na ito ay nasa isang nanginginig na ibabaw, atbp.

Saan mo nakita ang tulad ng isang slide switch sa pagmamanupaktura, o kahit na ang iyong bahay?

_

Tingnan ang output ng teksto at hanapin ang impormasyon ng sensor. Sa kasong ito, ang sensor ay maaaring hindi maglabas ng isang numero sa halip na may iba pa.

Ang "Slide" switch ay dapat ipahiwatig ang posisyon nito. Anong mga halaga ang nakuha ng "slide" sensor sa dalawang posisyon?

_

May iba pang nangyayari sa isa sa dalawang posisyon sa slide. Ano yan?

_

P. S. Bilang isang kagandahang-loob sa iba pa, mangyaring i-slide ang switch sa posisyon na "hindi gaanong nakakainis" sa oras na matapos ka sa seksyong ito.

Hakbang 5: Mga Light Sensor

Tulad ng sensor ng temperatura, ang Light Sensor circuit sa board na "Circuit Playground" ay gumagamit ng isang voltage divider circuit - kung saan ang 5 Volts na nagmamaneho ng aparato ay tinadtad sa dalawang bahagi, ng sensor at ng isang nakapirming halaga ng risistor. Sa halip na isang "thermistor" ang light sensor ay gumagamit ng isang "photo-transistor" na nagbabago ng paglaban batay sa dami ng ilaw na nakakaakit dito. Maaari mong makita ang photo-transistor na "A5" sa tabi mismo ng graphic ng mata sa circuit board.

Kung ang sensor ng ilaw ay itinuro patungo sa kisame ng silid (patungo sa mga ilaw) ang halaga ng "Light Sensor" ay dapat na daan-daang.

Anong halaga ng "Light Sensor" ang napansin mo kapag ang "mata" ay nakaturo patungo sa kisame ng silid?

_

Paano kung ituturo mo ang "mata" patungo sa sahig - anong numero ang iyong naobserbahan? _

Paano kung ituturo mo ang "mata" sa iba't ibang mga anggulo sa pagitan ng kisame at sahig? - Ilarawan kung ano ang iyong naobserbahan, kasama ang mga halaga ng mga bilang na napansin mo, at kung ano ang iyong ginawa upang makuha ang mga numerong iyon. _

Paano kung ituturo mo ang sensor sa isang malapit (ngunit hindi hawakan) na piraso ng madilim na tela - anong bilang ang napansin mo? _

Ang pagtakip dito (sensor malapit sa "mata") gamit ang iyong daliri ay dapat na ibaba ang numero. Hindi ba _

Tandaan, ang iyong daliri ay semi-transparent, kaya ang mga maliliwanag na ilaw ng kumikinang na LED ay maaaring magpakinang sa pamamagitan ng iyong daliri. Ano pa ang maaari mong gamitin upang masakop ang sensor upang makakuha ng isang mas mababang numero? _

Ang mga light sensor ay maaaring maging medyo makulit - hindi palaging nagbibigay ng eksaktong pagbabasa na nais mong asahan, at lubos na nakasalalay sa pagsasalamin, transparency, anggulo ng pag-iilaw, at ningning ng pag-iilaw. Ang mga sistema ng paningin sa paggawa ng paggawa ay naghahangad na lampasan ang mga limitasyong ito sa pamamagitan ng mahigpit na pagkontrol sa mga variable na ito. Halimbawa, ang isang bar code scanner ay maaaring gumamit ng isang maliwanag na nakatuon na solong kulay na laser stripe upang i-minimize ang epekto ng pag-iilaw ng silid. Sa isa pang halimbawa, ang isang milk carton conveyor belt ay gumagamit ng light sensor na "pintuan ng garahe", na binibilang ang mga karton ng gatas sa pamamagitan ng pagbibilang ng bilang ng beses na pinapayagan na dumaan ang ilaw sa pagitan nila.

Magbigay ng ibang halimbawa mula sa pagmamanupaktura, bahay, o negosyo kung saan ang ilan sa mga light variable na ito ay kinokontrol upang makakuha ng isang mas mahusay na resulta ng light sensor (bukod sa mga halimbawang nabanggit ko na dito):

Hakbang 6: Sound Sensor

Ang sensor ng tunog sa "Circuit Playground" ay talagang isang sopistikadong Micro Electro-Mechanical System (MEMS) na hindi lamang magagamit upang makita ang mga antas ng audio, ngunit maaari ring magsagawa ng pangunahing pagsusuri ng dalas. Maaaring nakakita ka ng isang display ng spectrum analyzer sa isang music studio o music player app - na parang isang graph ng bar na may mababang mga tala sa kaliwa at ang mas mataas na mga tala sa kanan (tulad ng ipinapakitang graphic equalizer).

Ang halagang ipinapakita sa pagbabasa ng teksto ay sa katunayan ang hilaw na audio format. Kailangan naming idagdag ang mga halaga sa paglipas ng panahon upang makita ang kabuuang lakas ng audio (ang antas ng presyon ng tunog).

Gayunpaman, ang aparato ng MEMS na ito ay maaaring magamit upang magpalitaw ng mga aksyon ng isang robot o iba pang aparato kapag naroroon ang mga tunog, o kapag naririnig ang isang tukoy na pagkakasunud-sunod ng mga tunog. Bilang karagdagan, ang MEMS ay napakaliit (ito ang aparato sa ilalim ng maliit na butas sa metal box, sa tabi mismo ng graphic na "tainga" sa board) at mababang lakas. Ginagawa ng kombinasyong ito ang mga aparato ng MEMS na lubhang kapaki-pakinabang para sa acoustic, biomedical, micro-fluid detection, mga microsurgical tool, gas at sensor ng daloy ng kemikal, at marami pa.

Dahil ang output ay ang audio form ng alon (at hindi ang antas ng kuryente) makikita mo ang mas kaunting saklaw ng mga halaga kapag ang mga bagay ay tahimik (~ 330 ang gitna para sa isang perpektong tahimik na silid) at mas malawak na pag-swing para sa malakas na ingay (0 hanggang 800 o higit pa).

Itala ang mga halagang "Sound Sensor" kapag ang ingay sa background lamang ng silid ang naroroon. Anong halaga ang naobserbahan mo? Mula sa _

Anong halaga ang napapansin mo kung nagsasalita ka sa isang normal na tono ng boses - mga 2 talampakan o kaya malayo sa sensor? Mula sa _

Nakakakuha ka ba ng mas mataas na hanay ng mga halaga sa pamamagitan ng pagsasalita o sa pamamagitan ng pag-snap ng iyong mga daliri (o pagpalakpak) nang paulit-ulit?

Opo o hindi:

Bakit sa palagay mo ganun? _

Subukan ang iba pang mga uri ng ingay at itala kung ano ang napansin mo - ngunit mangyaring huwag mag-tap sa pisara: _

P. S. Gumagana ang MEMS sa parehong direksyon, at posible na gumamit ng kuryente upang ilipat ang mga micro mechanical na bahagi. Ang isang kumpanya na tinawag na "Audio Pixels" ay nagtatrabaho sa pagpapangkat ng mga aparatong ito nang sama-sama upang makagawa ng isang perpektong flat maliit na speaker na maaaring ituro ang tunog sa anumang direksyon.

Hakbang 7: Mga Accelerometro

Ang isang accelerometer ay isang uri ng MEMS, at ang isa sa mga aparatong ito ay ibinibigay sa board na "Circuit Playground". Ang chip ng LIS3DH, malapit sa gitna ng board sa tabi ng XYZ Graphic, ay nagbibigay ng kakayahang sukatin ang pagpabilis sa anumang direksyon bilang vector kabuuan ng pagpabilis sa direksyon ng X, Y, at Z.

Dahil ang lakas ng grabidad ay magkapareho sa puwersang nadama ng pagbilis (teorya ng relatividad ni Einstein), kahit na nakatayo pa rin dito sa mundo, sumusukat ang aparato ng isang bilis ng 9.8 metro bawat segundo bawat segundo (9.8 m / s2).

Maaari mong paikutin ang aparato upang makuha ang buong puwersa sa direksyon na "X".

Subukang ikiling ang aparato upang ang lahat ng pagpapabilis ay nasa direksyong X (mangyaring maging banayad sa maikling USB cable kapag pinaikot ang mga bagay sa paligid). Anu-anong pagpapahalaga ang napansin mo? X: _ Y: _ Z: _

Ikiling ang aparato upang makuha ang halos lahat ng puwersa ng gravity (acceleration) sa direksyon ng Y. Anu-anong pagpapahalaga ang napansin mo? X: _ Y: _ Z: _

Panghuli, iposisyon ang aparato upang ang pagpabilis mula sa gravity ay nahahati sa pagitan ng mga direksyon ng X at Y, at halos 0 sa direksyong Z (sa isang lugar sa pagitan ng naunang dalawang posisyon). Anu-anong pagpapahalaga ang napansin mo? X: _ Y: _ Z: _

Gamitin ang Pythagorean Theorem upang idagdag ang X at Y na mga vector ng pagpabilis mula sa nakaraang pagsukat. Maaari mong balewalain ang mga negatibong palatandaan, nangangahulugan ito na ang aparato ay baligtad lamang sa direksyong iyon. Ano ang kabuuang bilis? _ Alalahanin na ang kabuuang pagpapabilis = √ (X2 + Y2).

ATTEMPT THE NEXT EXPERIMENT LANG KUNG IKATLONG DIMENSIONAL KA! Ikiling ang aparato upang ang bilis mula sa gravity ay nahahati sa pagitan ng mga direksyon na X, Y, at Z. Anu-anong pagpapahalaga ang napansin mo?

X: _ Y: _ Z: _ Kabuuang Pagpapabilis = _

Tulad ng nakikita mo, ang accelerometer (salamat sa lakas ng gravity) ay maaari ding magamit upang sukatin ang pagkiling - o ang posisyon ng board. Kung nagtatayo ka ng isang braso ng robot na may isang gripper, saan mo mailalagay ang sensor ng accelerometer, at bakit? _

Bukod sa ikiling at direksyon ng gitnang daigdig, natural na masusukat din ng mga accelerometro ang bilis. Dahan-dahang ilipat ang board pabalik-balik (mangyaring maging banayad gamit ang maikling USB cable kapag paikutin ang mga bagay sa paligid). Anu-anong pagpapahalaga ang napansin mo?

Inilipat ang direksyon: _ X: _ Y: _ Z: _

Inilipat ang direksyon: _ X: _ Y: _ Z: _

Hakbang 8: Tapos Na

Binabati kita sa pagkumpleto ng lahat ng mga hakbang na ito at Pag-unawa sa Mga Elektronikong Sensor!

Mag-iwan ng isang puna upang magpadala sa akin ng puna sa mga bagay na sa palagay mo ay dapat na mapabuti, at ipaalam din sa akin kung nakakuha ka ng karagdagang paggamit ng sensor ng Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD