Memahami Sensor Elektronik: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Ditujukan untuk menjelaskan operasi sensor industri dan isi rumah yang biasa, "Instructable" ini mengajar anda bagaimana menggunakan sensor yang tersedia secara komersial dalam penggunaan dunia nyata dengan menggunakan latihan dan eksperimen langsung.

Pelajaran ini akan merangkumi rangkaian yang dapat merasakan perkara berikut:

• Perubahan Suhu
• Tersentuh (Sentuhan kulit kapasitif)
• Sedang disentuh (Suis dan butang)
• Perubahan Cahaya
• Perubahan dalam Suara
• Perubahan Pecutan (Pergerakan dan graviti)

Diperlukan juga perkakasan dan perisian yang diperlukan, di mana untuk membeli / memuat turun item, cara mengatur rangkaian untuk output numerik, cara membaca output berangka, dan latar belakang bagaimana setiap sensor berfungsi.

Mari kita mulakan!

Langkah 1: Diuji dengan Benar - Membeli dan Memuat turun Alam Sekitar

Anda akan melihat sepanjang Instructable bahawa perincian pelajaran ini diuji secara menyeluruh oleh remaja yang mengunjungi Universiti tempatan sebagai sebahagian daripada minat mereka terhadap Mekatronik (robotik dan pembuatan)

Kuki Oreo berguna, tetapi tidak diperlukan

Orang Adafruit mengeluarkan papan yang akan kita gunakan hari ini, yang disebut "Circuit Playground - Classic" dan mereka telah menguji sebilangan besar cara untuk menggunakan peranti ini. Anda dapat melihat beberapa perkara ini di halaman "Belajar" mereka di sini, yang hampir keseluruhannya mengesan eksperimen dan sub-langkah makmal Instruktif ini - dari halaman "Belajar" Adafruit ini, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -dan-bluetooth-tenaga rendah

Bahagian yang anda perlukan adalah sederhana, murah, dan mudah digunakan untuk para eksperimen dari pelbagai kumpulan umur, bahkan semuda Sekolah Menengah (mungkin 12 tahun?)

1. Pertama, beli satu atau lebih peranti di sini: https://www.adafruit.com/product/3000 dan juga penyesuai USB ke Mikro-B USB untuk menyambung ke PC anda di sini https://www.adafruit.com/ produk / 898. Jumlah kosnya di bawah $ 40 dengan penghantaran, tetapi anda mungkin merasa lebih murah.
2. Sebaik sahaja anda membeli dan menerima Circuit Playground dan kabel USB yang murah, anda perlu menyambungkannya ke Komputer Peribadi (PC) yang mempunyai Persekitaran Pembangunan Bersepadu (IDE) untuk peranti jenis Arduino.
3. Dalam contoh ini kita menggunakan windows IDE arduino-1.8.4, tetapi yang lain akan berfungsi juga. Pastikan memasang semua pemacu (dalam kes ini, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Setelah memasang IDE, anda boleh membuka IDE yang disebut "Arduino"
5. Di bawah Fail -> Pilihan masukkan "URL Pengurus Papan Tambahan" berikut https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, kemudian katakan OK dan kemudian tutup dan buka semula IDE
6. Sekarang sambungkan peranti Circuit Playground dengan Micro USB. Lihat bahawa ia menghidupkan dan menjalankan program lalai "Circuit Playground Firmata" dengan memaparkan urutan lampu pelangi. Anda boleh menguji bahawa suis di dekat soket kuasa bateri membalikkan urutan dan salah satu butang memainkan nota untuk setiap warna.
7. Anda perlu mendapatkan Circuit Playground Library dan kemudian membuka zip Circuit PLayground Library ke folder Documents -> Arduino -> folder "Adafruit_CircuitPlayground-master." Setelah dizip, keluarkan akhiran "-master" dari nama folder. Hentikan dan mulakan semula IDE, dan muatkan Jenis Papan Taman Litar di bawah Alat -> Papan -> Pengurus Papan dan kemudian cari jenis "Disumbang" dan kata kunci "Adafruit AVR". Ini akan membolehkan anda memasang "Adafruit AVR Boards" (versi terkini) selepas itu anda harus berhenti dan memulakan semula IDE
8. Sekarang anda sudah bersedia untuk menguji Circuit Playground dengan program demo. Sambung ke Circuit Playground yang disambungkan melalui USB. Pergi ke Alat -> Papan dan pastikan anda memilih Circuit Playground. Pergi ke Alat -> Pelabuhan dan pastikan anda memilih port COM yang sesuai (yang disambungkan ke USB Blaster). Muat turun program demo seperti berikut: Pilih: Fail -> Contoh -> Adafruit Circuit PLayground -> demo kemudian kompilasi dan muat naik (boleh menggunakan butang "anak panah menunjuk kanan" untuk melakukan semua)
9. Uji program demo dengan mengikuti langkah-langkah berikut: Lihat bahawa Circuit Playground berkedip dalam urutan pelangi. Putar suis gelangsar dan lihat bahawa ia menyebabkan nota dimainkan (sila matikan semula, jika tidak, ia pasti akan mengganggu semua orang di sekitar anda). Lihat bahawa LED muat turun merah berkedip pada kadar masa.
10. Kini anda dapat berkomunikasi dengan Circuit Playground melalui Text Interface. Klik pada butang "Monitor Bersiri" di IDE. Ia kelihatan seperti kaca pembesar di sebelah kanan atas tetingkap program demo. Anda mungkin mahu mematikan tatal automatik untuk mendapatkan penampilan yang lebih baik.

Anda sudah bersedia untuk bereksperimen dan menyambung ke semua sensor yang berbeza!

Langkah 2: Sensing Temperature

Lihatlah nilai "suhu" pada output teks monitor bersiri anda. Ia akan mempunyai nilai suhu bilik di sekitar 30-an. Saya mengukur 39.43 darjah Celsius.

Termistor yang digunakan untuk mengukur suhu ditunjukkan dalam foto. Ia adalah sensor A0 dan mempunyai grafik termometer di sebelahnya.

Letakkan ibu jari anda dengan perlahan ke atas sensor suhu dan catat berapa saat yang diperlukan untuk mencapai suhu tertinggi. Perhatikan perkara ini, dan juga perkara berikut:

Untuk mencapai suhu jari maksimum, mengambil masa _ saat.

Berapakah suhu tertinggi yang akhirnya dicapai? _ C

Berapakah nilai ini di Fahrenheit? _ F. PETUNJUK: F = (C * 1.8) + 32

Adakah ini lebih panas atau sejuk daripada suhu badan biasa? _

Adakah menggunakan termometer ini dengan ibu jari seseorang menjadi petunjuk demam yang baik untuk mengetahui sama ada mereka sakit?

Kenapa? _

Thermistor adalah sejenis perintang khas yang mengubah rintangan mengikut suhu. Salah satu gambar dalam langkah ini menunjukkan gambarajah litar Thermistor khas. ·

Pada litar yang ditunjukkan, apakah bacaan pada Volt Meter? _ PETUNJUK: Gunakan peraturan pembahagi voltan Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Sekiranya termistor mempunyai penilaian "Perubahan rintangan 1.5% setiap darjah C" - berapakah rintangan termistor jika suhu naik hingga 30 darjah C? _ PETUNJUK: kerana ia adalah perubahan 5 darjah, dan setiap darjah mengubah rintangan sebanyak 1,5%, kita mendapat Thermistor Ohms = (5 * 0,015) + 10, 000 Ohms

Pada suhu 32 darjah C, apakah bacaan pada Volt Meter? _ PETUNJUK: Sekarang perubahannya ialah 7 darjah.

Di manakah sensor suhu boleh digunakan dalam jenis pembuatan?

Langkah 3: Sensor Sentuh Kapasitif

Foto menunjukkan penyambung mana (atau "pad") yang juga dapat digunakan untuk mengesan sentuhan. Mereka dipanggil sensor sentuh kapasitif kerana mereka menggunakan tubuh manusia sebagai komponen elektronik yang disebut kapasitor.

Untuk keselamatan, kami mahu arus elektrik menjadi sangat rendah. Atas sebab ini, semua sambungan luaran ke pad melintasi perintang 1 Mega Ohm ke kawasan yang sama (pin # 30 cip) sehingga jumlah rintangan antara dua pad adalah 2 Mega Ohms.

• Sekiranya voltan puncak antara kedua-dua pad adalah 5 Volt, dan rintangannya adalah 2 Mega Ohms, berapakah arus yang boleh melintas di antara kedua-dua pad jika ia litar pintas? _ (JANGAN litar pintas)
• "Capsense" adalah nombor yang ditunjukkan oleh antara muka teks. Dalam keadaan manakah jumlahnya lebih besar, ketika sensor sedang disentuh, atau ketika mereka tidak disentuh? _
• Catat beberapa contoh nombor apabila sensor TIDAK disentuh: _
• Rekodkan beberapa contoh nombor apabila sensor disentuh: _
• Apakah perbezaan yang anda perhatikan apabila pelbagai sensor disentuh secara serentak? _
• Apa yang berlaku jika anda memegang sesuatu yang logam, dan menyentuh sensornya? _
• Apa yang berlaku jika anda memegang sesuatu yang bukan logam, dan menyentuh sensornya? _
• Kerana sensor sentuh kapasitif tidak mempunyai bahagian yang bergerak, mereka sangat tahan terhadap getaran. Juga, mereka boleh ditutup dengan lapisan pelindung kalis air. Mengapa kedua-dua aspek ini berguna dalam persekitaran pembuatan? _

Langkah 4: Butang Tradisional dan Suis Gelangsar

Butang tekan dan suis kelihatan begitu sederhana dan "sehari-hari" sehingga kami menganggapnya biasa ketika digunakan sebagai sensor. Papan kekunci adalah contoh yang baik. Apabila kita ingin menaip dengan cepat, mempunyai sedikit penekanan kekunci "palsu", dan mempunyai jangka hayat yang panjang selama bertahun-tahun - suis mekanikal (satu di bawah setiap kekunci pada papan kekunci) adalah cara yang tepat.

Litar yang kita gunakan hari ini mempunyai tiga sakelar "berselang". Ini bermakna bahawa anda melepaskan butang, mereka kembali ke kedudukan semula (berkat mekanisme pegas yang dimuatkan). Litar ini juga mempunyai sensor yang didedikasikan untuk suis slaid dua kedudukan. Mungkin memerlukan sedikit usaha untuk meluncurkannya, tetapi jangan putus papan untuk melakukannya - meluncur ke sisi lebih kuat daripada yang anda tekan ke bawah. Sensor jenis ini sangat stabil. Stabil bermaksud bahawa apabila anda meluncurkannya ke satu kedudukan atau yang lain, anda dapat mengharapkan dapat berjalan jauh dan kembali lama kemudian dan mengharapkannya masih dalam kedudukan yang sama, walaupun berada di permukaan yang bergetar, dan lain-lain.

Di manakah anda melihat pergeseran slaid seperti itu dalam pembuatan, atau juga rumah anda?

_

Lihat output teks dan cari maklumat sensor. Dalam kes ini, sensor mungkin tidak mengeluarkan nombor melainkan sesuatu yang lain.

Suis "Slide" harus menunjukkan kedudukannya. Nilai apa yang diambil oleh sensor "slaid" dalam dua kedudukan tersebut?

_

Sesuatu yang lain berlaku di salah satu daripada dua kedudukan slaid. Apakah itu?

_

P. S. Sebagai penghargaan kepada orang lain, sila geser suis ke posisi "kurang menjengkelkan" sebaik sahaja anda selesai dengan bahagian ini.

Langkah 5: Sensor Cahaya

Seperti sensor suhu, litar Sensor Cahaya di papan "Circuit Playground" menggunakan litar pembahagi voltan - di mana 5 Volt yang menggerakkan peranti dipotong menjadi dua bahagian, oleh sensor dan oleh perintang nilai tetap. Daripada "termistor", sensor cahaya menggunakan "transistor foto" yang mengubah rintangan berdasarkan jumlah cahaya yang memukulnya. Anda dapat melihat transistor foto "A5" tepat di sebelah grafik mata pada papan litar.

Sekiranya sensor cahaya dihalakan ke arah siling ruangan (menuju lampu) nilai "Sensor Cahaya" haruslah beratus-ratus.

Nilai "Sensor Cahaya" apa yang anda perhatikan ketika "mata" dihalakan ke arah siling ruangan?

_

Bagaimana jika anda mengarahkan "mata" ke lantai - berapa jumlah yang anda perhatikan? _

Bagaimana jika anda mengarahkan “mata” dalam sudut yang berbeza antara siling dan lantai? - Huraikan apa yang anda perhatikan, termasuk nilai nombor yang anda perhatikan, dan apa yang anda lakukan untuk mendapatkan nombor tersebut. _

Bagaimana jika anda menghalakan sensor ke sehelai kain gelap (tetapi tidak menyentuh) - nombor apa yang anda perhatikan? _

Dengan menutupnya (sensor di dekat "mata") dengan jari anda mesti menurunkan nombornya. Adakah ia? _

Perhatikan, jari anda separa telus, jadi lampu terang LED yang menyala dapat memancarkannya melalui jari anda. Apa lagi yang dapat anda gunakan untuk menutupi sensor untuk mendapatkan bilangan yang lebih rendah? _

Sensor cahaya boleh menjadi agak rapuh - tidak selalu memberikan bacaan yang tepat yang anda harapkan, dan sangat bergantung pada pantulan, ketelusan, sudut pencahayaan, dan kecerahan pencahayaan. Sistem penglihatan pembuatan berusaha mengatasi had ini dengan mengawal pemboleh ubah ini dengan ketat. Sebagai contoh, pengimbas kod bar boleh menggunakan jalur laser warna tunggal yang berfokus terang untuk mengurangkan kesan pencahayaan bilik. Dalam contoh lain, tali sawat kadbod susu menggunakan sensor cahaya gaya "pintu garaj", menghitung kadbod susu dengan mengira berapa kali cahaya dibenarkan melintas di antara mereka.

Berikan contoh yang berbeza dari pembuatan, rumah, atau perniagaan di mana beberapa pemboleh ubah cahaya ini dikendalikan untuk mendapatkan hasil sensor cahaya yang lebih baik (selain contoh yang telah saya nyatakan di sini):

Langkah 6: Sensor Bunyi

Sensor suara di "Circuit Playground" sebenarnya adalah Sistem Elektro-Mekanikal Mikro (MEMS) yang agak canggih yang tidak hanya dapat digunakan untuk mengesan tahap audio, tetapi juga dapat melakukan analisis frekuensi dasar. Anda mungkin pernah melihat paparan penganalisis spektrum di studio muzik atau aplikasi pemain muzik - yang kelihatan seperti graf bar dengan nota rendah di sebelah kiri dan nota yang lebih tinggi di sebelah kanan (seperti paparan penyamaan grafik).

Nilai yang dipaparkan pada bacaan teks sebenarnya adalah bentuk gelombang audio mentah. Kita mesti menambah nilai dari masa ke masa untuk mencari kekuatan audio keseluruhan (tahap tekanan suara).

Walaupun begitu, peranti MEMS ini dapat digunakan untuk memicu tindakan oleh robot atau peranti lain ketika suara ada, atau ketika urutan suara tertentu didengar. Selain itu, MEMS sangat kecil (ini adalah peranti di bawah lubang kecil pada kotak logam, tepat di sebelah grafik "telinga" di papan) dan daya rendah. Gabungan ini menjadikan peranti MEMS sangat berguna untuk pengesanan akustik, bioperubatan, mikro-cecair, alat bedah mikro, sensor aliran gas dan kimia, dan banyak lagi.

Oleh kerana outputnya adalah bentuk gelombang audio (dan bukan tahap daya) anda akan melihat jarak yang lebih rendah dalam nilai ketika keadaan tenang (~ 330 adalah tengah untuk bilik yang sangat sunyi) dan ayunan yang lebih luas untuk bunyi yang kuat (0 hingga 800 atau lebih).

Catat nilai "Sensor Suara" apabila hanya terdapat bunyi latar belakang ruangan. Nilai apa yang anda perhatikan? Daripada kepada _

Nilai apa yang anda perhatikan jika anda bercakap dengan nada suara yang normal - kira-kira 2 kaki atau lebih jauh dari sensor? Daripada kepada _

Adakah anda mendapat julat nilai yang lebih tinggi dengan bercakap atau dengan menjentikkan jari anda (atau bertepuk tangan) berulang kali?

Ya atau tidak: _ Kemarahan untuk bertepuk tangan / menjentik bermula Dari _ Hingga _

Kenapa anda fikir begitu? _

Cuba jenis bunyi yang lain dan rakam apa yang anda amati - tetapi jangan tekan di papan tulis: _

P. S. MEMS berfungsi di kedua arah, dan mungkin menggunakan elektrik untuk menggerakkan bahagian mekanikal mikro. Sebuah syarikat bernama "Audio Pixels" sedang berusaha mengumpulkan peranti ini untuk membuat pembesar suara kecil yang rata yang dapat mengarahkan suara ke arah mana pun.

Langkah 7: Pecut

Accelerometer juga sejenis MEMS, dan salah satu peranti ini disediakan di papan "Circuit Playground". Cip LIS3DH, berhampiran pusat papan di sebelah Grafik XYZ, memberikan kemampuan untuk mengukur pecutan ke arah mana pun sebagai jumlah pecutan vektor dalam arah X, Y, dan Z.

Oleh kerana daya gravitasi sama dengan gaya yang dirasakan dengan mempercepat (teori relativiti Einstein), bahkan ketika berdiri diam di bumi, alat ini mengukur percepatan 9.8 meter sesaat sesaat (9.8 m / s2).

Anda boleh memutar peranti untuk mendapatkan seluruh kekuatan ke arah "X".

Cuba memiringkan peranti supaya semua pecutan berada pada arah X (harap lembut dengan kabel USB pendek ketika memutar barang). Nilai apa yang anda perhatikan? X: _ Y: _ Z: _

Sekarang condongkan peranti untuk mendapatkan hampir semua daya graviti (pecutan) ke arah Y. Nilai apa yang anda perhatikan? X: _ Y: _ Z: _

Akhirnya, letakkan peranti sehingga pecutan dari graviti terbelah antara arah X dan Y, dan hampir 0 pada arah Z (di suatu tempat di antara dua kedudukan sebelumnya). Nilai apa yang anda perhatikan? X: _ Y: _ Z: _

Gunakan Teorema Pythagoras untuk menambahkan vektor pecutan X dan Y dari pengukuran sebelumnya. Anda boleh mengabaikan tanda negatif, ini bermaksud peranti terbalik ke arah itu. Berapakah pecutan total? _ Ingat bahawa pecutan total = √ (X2 + Y2).

HUBUNGI EKSPERIMEN SETERUSNYA HANYA JIKA ANDA TIGA DIMENSI! Miringkan peranti sehingga pecutan dari graviti terbelah antara arah X, Y, dan Z. Nilai apa yang anda perhatikan?

X: _ Y: _ Z: _ Pecutan Jumlah = _

Seperti yang anda lihat, pecutan (berkat kekuatan graviti) juga dapat digunakan untuk mengukur kecondongan - atau kedudukan papan. Sekiranya anda membangun lengan robot dengan gripper, di mana mungkin anda memasang sensor accelerometer, dan mengapa? _

Selain kecondongan dan arah pusat bumi, akselerometer secara semula jadi juga dapat mengukur pecutan. Gerakkan papan dengan perlahan-lahan (sila lembut dengan kabel USB pendek semasa memutar-mutar perkara). Nilai apa yang anda perhatikan?

Arah bergerak: _ X: _ Y: _ Z: _

Arah bergerak: _ X: _ Y: _ Z: _

Langkah 8: Anda Selesai

Selamat menyelesaikan semua langkah ini dan Memahami Sensor Elektronik!

Tinggalkan komen untuk menghantar maklum balas kepada saya mengenai perkara-perkara yang anda fikir harus diperbaiki, dan juga beritahu saya jika anda telah menggunakan penggunaan sensor tambahan dari Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD