Înțelegerea senzorilor electronici: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Destinat să explice funcționarea senzorilor industriali și de uz casnic obișnuiți, acest „instructabil” vă învață cum să utilizați senzori disponibili comercial într-o desfășurare din lumea reală folosind exerciții și experimente practice.

Această lecție va acoperi pe scurt circuitele care pot simți următoarele:

• Modificări ale temperaturii
• A fi atins (contact capacitiv cu pielea)
• A fi atins (comutatoare și butoane)
• Schimbări în lumină
• Modificări ale sunetului
• Schimbări în accelerație (mișcare și gravitație)

De asemenea, este acoperit hardware-ul și software-ul necesar, de unde să cumpărați / descărcați articolele, cum să configurați circuitele pentru ieșirea numerică, cum să citiți ieșirea numerică și un fundal despre modul în care funcționează fiecare senzor.

Să începem!

Pasul 1: testat temeinic - achiziționarea și descărcarea mediului

Veți vedea pe tot parcursul Instructable că detaliile acestei lecții au fost testate temeinic de adolescenții care vizitează o universitate locală ca parte a interesului lor pentru Mecatronică (robotică și fabricație)

Cookie-urile Oreo sunt utile, dar nu sunt necesare

Oamenii Adafruit au fabricat placa pe care o vom folosi astăzi, numită „Circuit Playground - Classic” și au testat temeinic un număr mare de moduri de utilizare a dispozitivului. Puteți vedea câteva dintre acestea în pagina lor „Aflați” aici, care urmărește aproximativ acest experiment și sub-pașii de laborator instructabili - datorită acestei pagini Adafruit „Aflați”, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -și-bluetooth-cu energie redusă

Piesele de care aveți nevoie sunt simple, ieftine și ușor de utilizat pentru experimentatori dintr-o gamă largă de grupe de vârstă, chiar și la vârsta de școală medie (12 ani, poate?)

1. În primul rând, cumpărați unul sau mai multe dintre dispozitivele de aici: https://www.adafruit.com/product/3000 și, de asemenea, un adaptor USB la Micro-B USB pentru a vă conecta la computer aici https://www.adafruit.com/ produs / 898. Costul total este sub 40 USD la expediere, dar s-ar putea să-l găsiți mai ieftin.
2. Odată ce ați achiziționat și primiți câmpul de joacă pentru circuite ieftin și cablul USB, va trebui să îl conectați la un computer personal (PC) care are un mediu de dezvoltare integrat (IDE) pentru dispozitivele de tip Arduino.
3. În acest exemplu, folosim IDE arduino-1.8.4-windows, dar și alții vor funcționa. Asigurați-vă că instalați toți driverele (în acest caz, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Odată ce ați instalat IDE, puteți deschide IDE numit „Arduino”
5. Sub Fișier -> Preferințe, introduceți următoarea „Adresă suplimentară a administratorului de bord” https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, apoi spuneți OK, apoi închideți și redeschideți IDE
6. Acum conectați dispozitivul Circuit Playground cu Micro USB. Vedeți că se pornește și rulează programul implicit „Circuit Playground Firmata” afișând o secvență curcubeu de lumini. Puteți testa dacă comutatorul de lângă mufa de alimentare a bateriei inversează ordinea și unul dintre butoane redă o notă pentru fiecare culoare.
7. Va trebui să obțineți Circuit Playground Library și apoi să dezarhivați Circuit PLayground Library în folderul Documents -> Arduino -> biblioteci „Adafruit_CircuitPlayground-master”. Odată dezarhivat, eliminați sufixul „-master” din numele folderului. Opriți și reporniți IDE-ul și încărcați tipul plăcii circuitului de joacă sub Instrumente -> Plăci -> Administrator placă și apoi căutați tipul "Contribuit" și cuvintele cheie "Adafruit AVR". Acest lucru vă va permite să instalați „Adafruit AVR Boards” (cea mai recentă versiune), după care ar trebui să opriți și să reporniți IDE-ul
8. Acum sunteți gata să testați Circuit Playground cu un program demonstrativ. Conectați-vă la Circuit Playground conectat prin USB. Accesați Instrumente -> Panouri și asigurați-vă că selectați Circuit Playground. Accesați Instrumente -> Porturi și asigurați-vă că selectați portul COM adecvat (cel conectat la USB Blaster). Descărcați un program demo după cum urmează: Selectați: Fișiere -> Exemple -> Adafruit Circuit PLayground -> demo și apoi compilați și încărcați (puteți utiliza butonul „săgeată îndreptată spre dreapta” pentru a face toate)
9. Testați programul demonstrativ urmând acești pași: Vedeți dacă Circuitul de joacă clipește în ordine curcubeu. Rotiți comutatorul glisor și vedeți că provoacă redarea notelor (vă rugăm să îl dezactivați, altfel sigur îi va enerva pe toți cei din jur). Vedeți dacă LED-ul roșu de descărcare clipește viteza de sincronizare.
10. Acum puteți comunica cu Circuit Playground prin interfață text. Faceți clic pe butonul „Monitor serial” din IDE. Arată ca o lupă în dreapta sus a ferestrei programului demo. Poate doriți să dezactivați derularea automată pentru a avea un aspect mai bun.

Sunteți gata să experimentați și să vă conectați la toți senzorii diferiți!

Pasul 2: detectarea temperaturii

Aruncați o privire la valoarea „temperaturii” de pe ieșirea de text a monitorului serial. Va avea o valoare a temperaturii camerei undeva prin anii '30. Am măsurat 39,43 grade Celsius.

Termistorul utilizat pentru măsurarea temperaturii este prezentat în fotografie. Este senzorul A0 și are alături un grafic al unui termometru.

Puneți ușor degetul mare peste senzorul de temperatură și înregistrați câte secunde durează pentru a atinge temperatura maximă. Notați acest lucru, precum și următoarele:

Pentru a atinge temperatura maximă a degetului a durat _ secunde.

Care este cea mai mare temperatură la care a ajuns în cele din urmă? _ C

Care este această valoare în Fahrenheit? _ F. SUGESTIE: F = (C * 1,8) + 32

Este mai cald sau mai rece decât temperatura normală a corpului? _

Utilizarea acestui termometru cu degetul mare al cuiva ar fi un bun indicator al febrei pentru a spune dacă este bolnav?

De ce? _

Un termistor este un tip special de rezistență care schimbă rezistența în funcție de temperatură. Una dintre imaginile din acest pas prezintă o diagramă tipică a circuitului termistorului. ·

În circuitul prezentat, care ar fi citirea pe Volt Meter? _ SUGESTIE: Utilizați regula divizorului de tensiune Vout = (5V * R1 ohmi) / (R1 ohmi + termistor ohmi)

În cazul în care termistorul are o evaluare de „1,5% Rezistență modificată pe grad C” - care va fi rezistența termistorului dacă temperatura crește până la 30 de grade C? _ SUGESTIE: deoarece este o schimbare de 5 grade și fiecare grad schimbă rezistența cu 1,5%, obținem Termistor Ohm = (5 * 0,015) + 10, 000 Ohm

La 32 de grade C, care ar fi citirea pe voltmetru? _ SUGESTIE: Acum schimbarea este de 7 grade.

Unde ar putea fi folosiți senzorii de temperatură în tipurile de fabricație?

Pasul 3: Senzor tactil capacitiv

Fotografia arată care dintre conectori (sau „tampoane”) pot fi folosite și pentru a detecta atingerea. Se numesc senzori tactili capacitivi, deoarece utilizează corpul uman ca o componentă electronică numită condensator.

Pentru siguranță, dorim ca orice curent electric să fie foarte scăzut. Din acest motiv, toate conexiunile externe la tampoane trec printr-un rezistor de 1 Mega Ohm către o zonă comună (pinul # 30 al cipului), astfel încât rezistența totală dintre oricare două plăci este de 2 Mega Ohmi.

• Dacă tensiunea de vârf între oricare două plăcuțe este de 5 volți, iar rezistența este de 2 mega ohmi, care ar fi curentul care trece între oricare două plăcuțe dacă acestea sunt scurtcircuitate? _ (NU le scurtcircuitați)
• „Capsense” sunt numerele afișate de interfața text. În ce caz sunt numerele mai mari, când senzorii sunt atinși sau când nu sunt atinși? _
• Înregistrați câteva exemple de numere atunci când senzorii NU sunt atinși: _
• Înregistrați câteva exemple de numere când senzorii sunt atinși: _
• Ce diferență observați atunci când mai mulți senzori sunt atinși simultan? _
• Ce se întâmplă dacă țineți ceva metalic și atingeți senzorul cu asta? _
• Ce se întâmplă dacă țineți ceva nemetalic și atingeți senzorul cu asta? _
• Deoarece senzorii tactili capacitivi nu au părți mobile, sunt foarte rezistenți la vibrații. De asemenea, pot fi acoperite cu un strat protector impermeabil. De ce ar putea fi utile aceste două aspecte într-un mediu de fabricație? _

Pasul 4: Butoane tradiționale și comutatoare glisante

Butoanele și comutatoarele par atât de simple și de „cotidiene” încât le luăm de la sine înțeles când vine vorba de utilizarea lor ca senzori. Tastatura este un exemplu excelent. Când vrem să tastăm rapid, avem puține apăsări de taste „false” și avem o durată lungă de viață de mulți ani de utilizare - comutatoarele mecanice (una sub fiecare tastă de pe tastatură) sunt calea de urmat.

Circuitul pe care îl folosim astăzi are trei comutatoare „intermitente” cu buton. Asta înseamnă că unul pe care îl dai drumul butonului, acesta revine la poziția inițială (datorită unui mecanism cu arc). Circuitul are, de asemenea, un senzor dedicat unui comutator cu două poziții. Poate fi nevoie de un efort pentru al glisa, dar nu rupeți placa încercând să faceți acest lucru - glisați lateral mai ferm decât apăsați în jos. Acest tip de senzor este foarte stabil. Stabil înseamnă că odată ce îl glisați într-o poziție sau alta, vă puteți aștepta pe deplin să vă puteți îndepărta și să reveniți mult timp mai târziu și să vă așteptați să fie în continuare în aceeași poziție, chiar dacă este pe o suprafață vibrantă, etc.

Unde ați văzut un astfel de comutator glisant în producție sau chiar casa dvs.?

_

Uită-te la ieșirea textului și găsește informațiile despre senzor. În acest caz, este posibil ca senzorul să nu emită un număr, ci mai degrabă altceva.

Comutatorul „Slide” ar trebui să indice poziția sa. Ce valori ia senzorul „slide” în cele două poziții?

_

Altceva se întâmplă într-una din cele două poziții ale diapozitivului. Ce este asta?

_

P. S. Ca o mulțumire pentru toți ceilalți, vă rugăm să glisați comutatorul în poziția „mai puțin enervant” imediat ce ați terminat cu această secțiune.

Pasul 5: senzori de lumină

La fel ca senzorul de temperatură, circuitul senzorului de lumină de pe placa „Circuit Playground” folosește un circuit divizor de tensiune - unde cei 5 volți care conduc dispozitivul sunt tăiați în două părți, de senzor și de un rezistor cu valoare fixă. În locul unui „termistor” senzorul de lumină folosește un „foto-tranzistor” care schimbă rezistența în funcție de cantitatea de lumină care îl lovește. Puteți vedea foto-tranzistorul „A5” chiar lângă graficul ochiului de pe placa de circuit.

Dacă senzorul de lumină este îndreptat spre tavanul camerei (spre lumină) valoarea „senzorului de lumină” ar trebui să fie în sute.

Ce valoare a „senzorului de lumină” observați atunci când „ochiul” este îndreptat spre tavanul camerei?

_

Dar dacă îndreptați „ochiul” spre podea - ce număr observați? _

Dar dacă îndreptați „ochiul” în unghiuri diferite între tavan și podea? - Descrieți ceea ce ați observat, inclusiv valorile numerelor observate și ce ați făcut pentru a obține aceste numere. _

Dar dacă îndreptați senzorul către o bucată de pânză închisă (dar care nu se atinge) - ce număr observați? _

Acoperirea acestuia (senzorul lângă „ochi”) cu degetul ar trebui să scadă numărul. Nu? _

Rețineți, degetul este semi-transparent, astfel încât luminile puternice ale LED-ului strălucitor îl pot străluci prin deget. Ce altceva ai putea folosi pentru a acoperi senzorul pentru a obține un număr mai mic? _

Senzorii de lumină pot fi oarecum nervoși - nu oferă întotdeauna citirea exactă pe care v-o așteptați și depinde în mare măsură de reflectivitate, transparență, unghiul de iluminare și luminozitatea luminii. Sistemele de viziune de fabricație încearcă să depășească aceste limitări prin controlul strict al acestor variabile. De exemplu, un scaner de coduri de bare poate utiliza o bandă laser cu o singură culoare, focalizată, pentru a minimiza impactul iluminării camerei. Într-un alt exemplu, o bandă transportoare de carton cu lapte folosește un senzor de lumină de tip „ușă de garaj”, numărând cutii de lapte prin numărarea de câte ori este permisă trecerea luminii între ele.

Dați un exemplu diferit față de producție, acasă sau de afaceri, unde unele dintre aceste variabile de lumină sunt controlate pentru a obține un rezultat mai bun al senzorului de lumină (pe lângă exemplele pe care le-am menționat deja aici):

Pasul 6: senzor de sunet

Senzorul de sunet de pe „Circuit Playground” este de fapt un sistem micro-electromecanic (MEMS) destul de sofisticat care nu numai că poate fi utilizat pentru a detecta nivelurile audio, ci poate efectua și analize de frecvență de bază. Este posibil să fi văzut un afișaj de analizor de spectru într-un studio de muzică sau o aplicație pentru music player - care arată ca un grafic cu bare cu notele joase la stânga și notele superioare la dreapta (la fel ca un afișaj egalizator grafic).

Valoarea care se afișează pe citirea textului este de fapt forma de undă audio brută. Ar trebui să adăugăm valorile în timp pentru a găsi puterea totală a sunetului (nivelul presiunii sonore).

Cu toate acestea, acest dispozitiv MEMS poate fi utilizat pentru a declanșa acțiuni de către un robot sau alt dispozitiv atunci când sunetele sunt prezente sau când se aude o anumită secvență de sunete. În plus, MEMS sunt extrem de mici (este dispozitivul de sub acea mică gaură de pe cutia metalică, chiar lângă graficul „urechii” de pe tablă) și cu putere redusă. Această combinație face ca dispozitivele MEMS să fie extrem de utile pentru detecția acustică, biomedicală, a micro-fluidelor, a instrumentelor microchirurgicale, a senzorilor de flux de gaze și chimice și multe altele.

Deoarece ieșirea este forma de undă audio (și nu nivelul de putere), veți vedea o gamă mai mică în valori atunci când lucrurile sunt liniștite (~ 330 este mijlocul pentru o cameră perfect silențioasă) și leagăne mai largi pentru zgomote puternice (de la 0 la 800 sau cam așa ceva)).

Înregistrați valorile „Sound Sensor” atunci când este prezent doar zgomotul de fundal al camerei. Ce valoare observi pentru tine? De la catre _

Ce valoare observați dacă vorbiți pe un ton normal al vocii - la aproximativ 2 metri sau mai puțin de senzor? De la catre _

Obțineți o gamă mai mare de valori vorbind sau pocnind degetele (sau batând din palme) în mod repetat?

Da sau nu: _ Furia pentru batere din palme / rupere trece de la _ la _

De ce crezi că este? _

Încercați alte tipuri de zgomot și înregistrați ceea ce observați - dar vă rugăm să nu atingeți tabloul: _

P. S. MEMS funcționează în ambele direcții și este posibil să se utilizeze electricitate pentru a muta piesele micro mecanice. O companie numită „Pixeli audio” lucrează la gruparea acestor dispozitive pentru a crea un difuzor mic, perfect plat, care poate orienta sunetul în orice direcție.

Pasul 7: Accelerometre

Un accelerometru este, de asemenea, un tip de MEMS, iar unul dintre aceste dispozitive este furnizat pe placa „Circuit Playground”. Cipul LIS3DH, lângă centrul plăcii de lângă graficul XYZ, oferă capacitatea de a măsura accelerația în orice direcție ca suma vectorială a accelerației în direcția X, Y și Z.

Întrucât forța gravitației este identică cu forța resimțită prin accelerare (teoria relativității a lui Einstein), chiar și atunci când stați aici pe pământ, dispozitivul măsoară o accelerație de 9,8 metri pe secundă pe secundă (9,8 m / s2).

Puteți roti dispozitivul pentru a obține toată forța în direcția „X”.

Încercați să înclinați dispozitivul astfel încât toată accelerația să fie în direcția X (vă rugăm să fiți blând cu cablul USB scurt atunci când răsuciți lucrurile în jur). Ce valori ați observat? X: _ Y: _ Z: _

Acum înclinați dispozitivul pentru a obține aproape toată forța de greutate (accelerație) în direcția Y. Ce valori ați observat? X: _ Y: _ Z: _

În cele din urmă, poziționați dispozitivul astfel încât accelerația de la gravitație să fie împărțită între direcțiile X și Y și să fie aproape 0 în direcția Z (undeva între cele două poziții anterioare). Ce valori ați observat? X: _ Y: _ Z: _

Utilizați teorema lui Pitagora pentru a adăuga vectorii de accelerație X și Y din măsurarea anterioară. Puteți ignora semnele negative, înseamnă că dispozitivul este doar cu capul în jos în acea direcție. Care este accelerația totală? _ Reamintim că accelerația totală = √ (X2 + Y2).

ÎNCERCĂ URMĂTORUL EXPERIMENT NUMAI DACĂ EȘTI TRIDIMENSIONAL! Înclinați dispozitivul astfel încât accelerația de la gravitație să fie împărțită între direcțiile X, Y și Z. Ce valori ați observat?

X: _ Y: _ Z: _ Accelerare totală = _

După cum puteți vedea, accelerometrul (datorită forței gravitaționale) poate fi folosit și pentru măsurarea înclinării - sau a poziției plăcii. Dacă construiți un braț robot cu o priză, unde ați putea pune senzorul accelerometrului și de ce? _

Pe lângă înclinare și direcția centrului pământului, accelerometrele pot măsura în mod natural și accelerația. Mutați ușor placa înainte și înapoi (vă rugăm să fiți blând cu cablul scurt USB când răsuciți lucrurile în jur). Ce valori ați observat?

Direcția mutată: _ X: _ Y: _ Z: _

Direcția mutată: _ X: _ Y: _ Z: _

Pasul 8: Ai terminat

Felicitări pentru că ați parcurs toți acești pași și ați înțeles senzorii electronici!

Lasă un comentariu pentru a-mi trimite feedback cu privire la lucrurile despre care crezi că ar trebui îmbunătățite și, de asemenea, anunță-mă dacă ai venit cu utilizări suplimentare ale senzorilor Circuit Playground Classic!

Dr. Paul Nussbaum