Kuptimi i sensorëve elektronikë: 8 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

I synuar për të shpjeguar funksionimin e sensorëve të zakonshëm industrial dhe shtëpiak, kjo "Instructable" ju mëson se si të përdorni sensorë komercialë të disponueshëm në një vendosje në botën reale duke përdorur ushtrime dhe eksperimente praktike.

Ky mësim do të mbulojë shkurtimisht qarqet që mund të kuptojnë sa vijon:

• Ndryshimet në Temperaturë
• Të prekurit (kontakti kapacitiv i lëkurës)
• Duke u prekur (Çelësat dhe butonat)
• Ndryshimet në Dritë
• Ndryshimet në Zë
• Ndryshimet në Përshpejtimin (Lëvizja dhe graviteti)

Gjithashtu mbulohet hardueri dhe softveri i nevojshëm, ku të blini / shkarkoni artikujt, si të vendosni qarqet për daljen numerike, si të lexoni daljen numerike dhe një sfond se si funksionon secili sensor.

Le të fillojmë!

Hapi 1: Testuar plotësisht - Blerja dhe Shkarkimi i Mjedisit

Ju do të shihni gjatë Instructable që detajet e këtij mësimi janë testuar plotësisht nga adoleshentët që vizitojnë një Universitet lokal si pjesë e interesit të tyre në Mekatronikë (robotikë dhe prodhim)

Cookies Oreo janë të dobishme, por nuk kërkohen

Njerëzit Adafruit prodhuan tabelën që do të përdorim sot, të quajtur "Sheshi i Lojërave - Klasike" dhe ata kanë testuar plotësisht një numër të madh mënyrash për të përdorur pajisjen. Ju mund t'i shihni disa nga këto në faqen e tyre "Mëso" këtu, të cilat pothuajse e përcjellin përafërsisht këtë eksperiment laboratorik udhëzues dhe nën-hapa-me mirësjellje të kësaj faqeje Adafruit "Learn", https://learn.adafruit.com/circuit-playground -dhe bluetooth-energji të ulët

Pjesët që ju nevojiten janë të thjeshta, të lira dhe të lehta për t'u përdorur për eksperimentuesit nga një gamë e gjerë grupmoshash, madje edhe të vegjël sa Shkolla e Mesme (ndoshta 12 vjeç?)

1. Së pari, blini një ose më shumë nga pajisjet këtu: https://www.adafruit.com/product/3000 dhe gjithashtu një përshtatës USB në Micro-B USB për t'u lidhur me kompjuterin tuaj këtu https://www.adafruit.com/ produkt/898. Kostoja totale është nën 40 dollarë me transport, por mund ta gjeni më lirë.
2. Pasi të blini dhe merrni kabllon tuaj të lirë Circuit Playground dhe USB, do t'ju duhet ta lidhni atë me një kompjuter personal (PC) që ka një mjedis zhvillimi të integruar (IDE) për pajisjet e tipit Arduino.
3. Në këtë shembull ne po përdorim dritaret IDE arduino-1.8.4, por të tjerët do të funksionojnë gjithashtu. Sigurohuni që të instaloni të gjithë drejtuesit (në këtë rast, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Pasi të keni instaluar IDE, mund të hapni IDE të quajtur "Arduino"
5. Nën Skedar-> Preferencat futni "URL-në shtesë të Menaxherit të Bordit" në vijim https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, pastaj thoni OK dhe pastaj mbyllni dhe rihapni IDE
6. Tani lidhni pajisjen Circuit Playground me Micro USB. Shihni që të fuqizohet dhe të ekzekutojë programin e paracaktuar "Circuit Playground Firmata" duke shfaqur një sekuencë ylberi të dritave. Mund të provoni që çelësi pranë prizës së energjisë së baterisë ndryshon rendin dhe një nga butonat luan një shënim për çdo ngjyrë.
7. Ju do të duhet të merrni Bibliotekën Circuit Playground dhe pastaj ta hapni Bibliotekën Circuit PLayground në Dokumentet -> Arduino -> dosja e bibliotekave "Adafruit_CircuitPlayground -master". Pasi të jetë hapur, hiqni prapashtesën "-master" nga emri i dosjes. Ndaloni dhe rinisni IDE -në dhe ngarkoni Llojin e Bordit të Sheshit të Lojërave nën Mjetet -> Bordet -> Menaxheri i Bordit dhe më pas kërkoni llojin "Kontribuar" dhe fjalët kyçe "Adafruit AVR". Kjo do t'ju lejojë të instaloni "Adafruit AVR Boards" (versioni i fundit), pas së cilës duhet të ndaloni dhe rinisni IDE
8. Tani jeni gati të provoni Sheshin e Lojërave me një program demo. Lidhuni me Sheshin e Lojërave të Qarkut të lidhur përmes USB. Shkoni te Tools -> Bordet dhe sigurohuni që të zgjidhni Circuit Playground. Shkoni te Veglat -> Portet dhe sigurohuni që të zgjidhni portën e duhur COM (atë të lidhur me USB Blaster). Shkarkoni një program demo si më poshtë: Zgjidhni: Skedarët -> Shembuj -> Adafruit Circuit PLAYground -> demonstrim dhe më pas përpiloni dhe ngarkoni (mund të përdorni butonin "shigjeta e drejtimit të djathtë" për të bërë gjithçka)
9. Provoni programin demo duke ndjekur këto hapa: Shihni që Sheshi i Lojërave të Qelqeve të ndezë në rendin e ylberit. Kthejeni çelësin e rrëshqitësit dhe shikoni se shkakton që të luhen shënime (ju lutemi fikeni përsëri, përndryshe me siguri do të shqetësojë të gjithë përreth jush). Shihni që LED -i i kuq i shkarkimit të pulsojë shpejtësinë e kohës.
10. Tani mund të komunikoni me Sheshin e Lojërave përmes Ndërfaqes së Tekstit. Klikoni në butonin "Serial Monitor" në IDE. Duket si një xham zmadhues në pjesën e sipërme të djathtë të dritares së programit demo. Ju mund të dëshironi të fikni lëvizjen automatike për të marrë një pamje më të mirë.

Ju jeni gati për të eksperimentuar dhe lidhur me të gjithë sensorët e ndryshëm!

Hapi 2: Ndjenja e temperaturës

Hidhini një sy vlerës së "temperaturës" në daljen e tekstit të monitorit tuaj serik. Do të ketë një vlerë të temperaturës së dhomës diku në vitet '30. Kam matur 39.43 gradë Celsius.

Termistori që përdoret për të matur temperaturën tregohet në foto. Sensorshtë sensori A0 dhe ka një grafik të një termometri pranë tij.

Butësisht vendoseni gishtin e madh mbi sensorin e temperaturës dhe regjistroni sa sekonda duhen për të arritur një temperaturë të lartë. Mbani shënim këtë, si dhe sa vijon:

Për të arritur temperaturën maksimale të gishtit u deshën _ sekonda.

Cila është temperatura më e lartë që arriti përfundimisht? _ C

Cila është kjo vlerë në Fahrenheit? _ F. K HSHILLA: F = (C * 1.8) + 32

A është kjo më e ngrohtë apo më e ftohtë se temperatura normale e trupit? _

A do të ishte përdorimi i këtij termometri me gishtin e madh të dikujt një tregues i mirë ethe për të treguar nëse është i sëmurë?

Pse? _

Një termistor është një lloj i veçantë i rezistencës që ndryshon rezistencën sipas temperaturës. Një nga fotografitë në këtë hap tregon një diagram tipik të qarkut të Termistorit. ·

Në qarkun e treguar, cili do të ishte leximi në njehsorin e voltit? _ KINSHILL: Përdorni rregullin e ndarjes së tensionit Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Nëse termistori ka një vlerësim "1.5% Ndryshimi i rezistencës për shkallën C" - cila do të jetë rezistenca e termistorit nëse temperatura shkon deri në 30 gradë C? _ K HSHILL: meqenëse është një ndryshim 5 gradë, dhe secila shkallë ndryshon rezistencën me 1.5%, marrim Thermistor Ohms = (5 * 0.015) + 10, 000 Ohms

Në 32 gradë C, cili do të ishte leximi në njehsorin e voltit? _ KINSHILL: Tani ndryshimi është 7 gradë.

Ku mund të përdoren sensorët e temperaturës në llojet e prodhimit?

Hapi 3: Sensori Kapacitiv i Prekjes

Fotografia tregon se cila nga lidhësit (ose "pads") mund të përdoret gjithashtu për të zbuluar prekjen. Ata quhen sensorë prekës me prekje sepse përdorin trupin e njeriut si një komponent elektronik të quajtur kondensator.

Për siguri, ne duam që çdo rrymë elektrike të jetë shumë e ulët. Për këtë arsye, të gjitha lidhjet e jashtme me jastëkët kalojnë përmes një rezistence 1 Mega Ohm në një zonë të përbashkët (kunja #30 e çipit) kështu që rezistenca totale midis çdo dy pads është 2 Mega Ohms.

• Nëse tensioni maksimal midis secilës prej dy shtyllave është 5 Volt, dhe rezistenca është 2 Mega Ohms, cila do të ishte rryma që kalon midis çdo dy pads nëse ato janë të qarkut të shkurtër? _ (MOS i lidhni ato shkurt)
• "Capsense" janë numrat që shfaqen nga ndërfaqja e tekstit. Në cilin rast numrat janë më të mëdhenj, kur sensorët preken, ose kur nuk preken? _
• Regjistroni disa shembuj të numrave kur sensorët NUK preken: _
• Regjistroni disa shembuj të numrave kur prekni sensorët: _
• Çfarë ndryshimi vëreni kur prekni sensorë të shumtë njëkohësisht? _
• Çfarë ndodh nëse mbani diçka metalike dhe prekni sensorin me të? _
• Çfarë ndodh nëse mbani diçka jo metalike dhe prekni sensorin me të? _
• Për shkak se sensorët prekës të prekjes nuk kanë pjesë lëvizëse, ato janë shumë rezistente ndaj dridhjeve. Gjithashtu, ato mund të mbulohen me një shtresë mbrojtëse të papërshkueshme nga uji. Pse këto dy aspekte mund të jenë të dobishme në një mjedis prodhimi? _

Hapi 4: Butonat tradicionalë dhe çelësat rrëshqitës

Butonat dhe çelsat e shtypjes duken aq të thjeshtë dhe "të përditshëm" saqë i marrim si të mirëqenë kur bëhet fjalë për përdorimin e tyre si sensorë. Tastiera është një shembull i shkëlqyeshëm. Kur duam të shtypim shpejt, të kemi pak goditje "të rreme" dhe të kemi një jetë të gjatë prej shumë vitesh përdorimi - çelsat mekanikë (një nën çdo çelës në tastierë) janë rruga për të shkuar.

Qarku që ne po përdorim sot ka tre çelsin "ndërprerës" të butonave. Kjo do të thotë që një që e lëshoni butonin, ato kthehen në pozicionin e tyre origjinal (falë një mekanizmi të ngarkuar me pranverë). Qarku gjithashtu ka një sensor të dedikuar për një ndërprerës rrëshqitës me dy pozicione. Mund të duhen disa përpjekje për ta rrëshqitur, por mos e prish bordin duke u përpjekur për ta bërë këtë - rrëshqit anash më fort se sa e shtyp poshtë. Ky lloj sensori është shumë i qëndrueshëm. I qëndrueshëm do të thotë që sapo ta rrëshqisni në një pozicion ose në tjetrin, mund të prisni plotësisht që të jeni në gjendje të largoheni dhe të ktheheni shumë kohë më vonë dhe të prisni që ai të jetë akoma në të njëjtin pozicion, edhe nëse është në një sipërfaqe vibruese, etj

Ku keni parë një ndërprerës të tillë rrëshqitës në prodhim, apo edhe shtëpinë tuaj?

_

Shikoni daljen e tekstit dhe gjeni informacionin e sensorit. Në këtë rast, sensori nuk mund të nxjerrë një numër, por diçka tjetër.

Ndërprerësi "Rrëshqitje" duhet të tregojë pozicionin e tij. Çfarë vlerash merr sensori "rrëshqitje" në të dy pozicionet?

_

Diçka tjetër ndodh në njërën nga dy pozicionet e rrëshqitjes. Cfare eshte ajo?

_

P. S. Si mirësjellje për të gjithë të tjerët, ju lutemi rrëshqiteni kalimin në pozicionin "më pak të bezdisshëm" sapo të keni mbaruar me këtë seksion.

Hapi 5: Sensorë të dritës

Ashtu si sensori i temperaturës, qarku i Sensorit të Dritës në tabelën "Circuit Playground" përdor një qark të ndarjes së tensionit - ku 5 voltët që drejtojnë pajisjen ndahen në dy pjesë, nga sensori dhe nga një rezistencë me vlerë fikse. Në vend të një "termistori" sensori i dritës përdor një "foto-tranzistor" i cili ndryshon rezistencën bazuar në sasinë e dritës që e godet atë. Ju mund të shihni fototransistorin "A5" menjëherë pranë grafikut të syrit në tabelën e qarkut.

Nëse sensori i dritës drejtohet drejt tavanit të dhomës (drejt dritave) vlera e "Sensorit të Dritës" duhet të jetë në qindra.

Çfarë vlere të "Sensorit të Dritës" vëren kur "syri" drejtohet drejt tavanit të dhomës?

_

Po sikur të drejtoni "syrin" drejt dyshemesë - çfarë numri vëreni? _

Po sikur ta drejtoni "syrin" në kënde të ndryshme midis tavanit dhe dyshemesë? - Përshkruani atë që keni vëzhguar, përfshirë vlerat e numrave që keni vëzhguar dhe çfarë keni bërë për të marrë ato numra. _

Po sikur ta drejtoni sensorin në një copë pëlhure të errët (por jo duke prekur) - cilin numër vini re? _

Mbulimi i tij (sensori pranë "syrit") me gisht duhet të ulë numrin. E bën atë? _

Vini re, gishti juaj është gjysmë transparent, kështu që dritat e ndritshme të LED-it që shkëlqen mund ta ndriçojnë atë përmes gishtit tuaj. Çfarë tjetër mund të përdorni për të mbuluar sensorin për të marrë një numër më të ulët? _

Sensorët e dritës mund të jenë disi të ndërlikuar - jo gjithmonë duke dhënë leximin e saktë që do të prisnit, dhe shumë në varësi të reflektimit, transparencës, këndit të ndriçimit dhe shkëlqimit të ndriçimit. Sistemet prodhuese të vizionit kërkojnë të kalojnë këto kufizime duke kontrolluar fort këto variabla. Për shembull, një skaner i kodit bar mund të përdorë një shirit lazer me një ngjyrë të fokusuar të ndritshme për të minimizuar ndikimin e ndriçimit të dhomës. Në një shembull tjetër, një rrip transportieri prej kartoni qumështi përdor një sensor të dritës në stilin e "derës së garazhit", duke numëruar kutitë e qumështit duke numëruar sa herë lejohet të kalojë drita midis tyre.

Jepni një shembull të ndryshëm nga prodhimi, shtëpia ose biznesi ku disa nga këto ndryshore të dritës kontrollohen për të marrë një rezultat më të mirë të sensorit të dritës (përveç shembujve që kam përmendur tashmë këtu):

Hapi 6: Sensori i zërit

Sensori i zërit në "Sheshin e Lojërave" është në të vërtetë një Sistem Mikro Elektro-Mekanik mjaft i sofistikuar (MEMS) i cili jo vetëm që mund të përdoret për të zbuluar nivelet e zërit, por gjithashtu mund të kryejë analiza bazë të frekuencës. Ju mund të keni parë një shfaqje të analizuesit të spektrit në një studio muzikore ose aplikacion muzikor - i cili duket si një grafik me shirita me notat e ulëta në të majtë dhe shënimet më të larta në të djathtë (ashtu si shfaqet një barazues grafik).

Vlera që shfaqet në leximin e tekstit është në fakt forma e valës së papërpunuar audio. Duhet të shtojmë vlerat me kalimin e kohës për të gjetur fuqinë totale të audios (niveli i presionit të zërit).

Sidoqoftë, kjo pajisje MEMS mund të përdoret për të shkaktuar veprime nga një robot ose pajisje tjetër kur tingujt janë të pranishëm, ose kur dëgjohet një sekuencë specifike e tingujve. Për më tepër, MEMS janë jashtëzakonisht të vogla (është pajisja nën atë vrimë të vogël në kutinë metalike, menjëherë pranë grafikut të "veshit" në tabelë) dhe fuqi të ulët. Ky kombinim i bën pajisjet MEMS jashtëzakonisht të dobishme për zbulimin akustik, biomjekësor, mikro-lëngje, mjetet mikrosurgjike, sensorët e rrjedhës së gazit dhe kimikateve dhe më shumë.

Për shkak se dalja është forma e valës audio (dhe jo niveli i fuqisë) ju do të shihni më pak diapazon në vlerat kur gjërat janë të qeta (30 330 është mesi për një dhomë krejtësisht të heshtur) dhe lëkundje më të gjera për zhurmat e forta (0 deri 800 ose më shumë)

Regjistroni vlerat e "Sensorit të Zërit" kur është e pranishme vetëm zhurma e sfondit të dhomës. Çfarë vlere vlerësoni për ju? Nga tek _

Çfarë vlere respektoni nëse flisni me një ton normal zëri - rreth 2 metra apo më shumë larg nga sensori? Nga tek _

A merrni një gamë më të lartë vlerash duke folur ose duke goditur gishtat (ose duke duartrokitur) në mënyrë të përsëritur?

Po ose jo: _ Zemërimi për duartrokitje/këputje shkon nga _ në _

Pse mendoni se është kështu? _

Provoni lloje të tjera të zhurmës dhe regjistroni atë që vëzhgoni - por ju lutemi mos prekni në tabelë: _

P. S. MEMS punon në të dy drejtimet, dhe është e mundur të përdoret energjia elektrike për të lëvizur pjesët mikro mekanike. Një kompani e quajtur "Audio Pixels" po punon në grupimin e këtyre pajisjeve së bashku për të bërë një altoparlant të vogël të përkryer të sheshtë që mund të drejtojë tingullin në çdo drejtim.

Hapi 7: Përshpejtuesit

Një përshpejtues është gjithashtu një lloj MEMS, dhe njëra prej këtyre pajisjeve ofrohet në tabelën "Circuit Playground". Çipi LIS3DH, pranë qendrës së tabelës pranë Grafikut XYZ, jep aftësinë për të matur nxitimin në çdo drejtim si shuma vektoriale e nxitimit në drejtimin X, Y dhe Z.

Meqenëse forca e gravitetit është identike me forcën e ndjerë nga përshpejtimi (teoria e relativitetit të Ajnshtajnit), edhe kur qëndroni ende në tokë, pajisja mat një përshpejtim prej 9.8 metrash për sekondë (9.8 m/s2).

Ju mund ta rrotulloni pajisjen për të marrë të gjithë forcën në drejtimin "X".

Mundohuni ta anoni pajisjen në mënyrë që e gjithë përshpejtimi të jetë në drejtimin X (ju lutemi tregohuni të butë me kabllon e shkurtër USB kur ktheni gjërat përreth). Cilat vlera keni respektuar? X: _ Y: _ Z: _

Tani anojeni pajisjen për të marrë pothuajse të gjithë forcën e gravitetit (nxitimi) në drejtimin Y. Cilat vlera keni respektuar? X: _ Y: _ Z: _

Së fundi, vendoseni pajisjen në mënyrë që nxitimi nga graviteti të ndahet midis drejtimeve X dhe Y, dhe të jetë gati 0 në drejtimin Z (diku në mes të dy pozicioneve të mëparshme). Cilat vlera keni respektuar? X: _ Y: _ Z: _

Përdorni Teoremën e Pitagorës për të shtuar vektorët X dhe Y të nxitimit nga matja e mëparshme. Ju mund të injoroni shenjat negative, do të thotë që pajisja është vetëm me kokë poshtë në atë drejtim. Sa është nxitimi total? _ Kujtojmë që nxitimi total = √ (X2 + Y2).

V ATSHTRIMI P EXR EKSPERIMIN E TJER N ISE JENI TRE-DIMENSIONAL! Anojeni pajisjen në mënyrë që nxitimi nga graviteti të ndahet midis drejtimeve X, Y dhe Z. Cilat vlera keni respektuar?

X: _ Y: _ Z: _ Përshpejtimi total = _

Siç mund ta shihni, përshpejtuesi (falë forcës së gravitetit) mund të përdoret gjithashtu për të matur pjerrësinë - ose pozicionin e tabelës. Nëse po ndërtonit një krah robot me një kapëse, ku mund ta vendosni sensorin e përshpejtuesit, dhe pse? _

Përveç pjerrësisë dhe drejtimit të qendrës së tokës, përshpejtuesit mund të matin natyrshëm edhe nxitimin. Lëvizni butësisht bordin mbrapa dhe me radhë (ju lutemi tregohuni të butë me kabllon e shkurtër USB kur ktheni gjërat përreth). Cilat vlera keni respektuar?

Drejtimi u zhvendos: _ X: _ Y: _ Z: _

Drejtimi u zhvendos: _ X: _ Y: _ Z: _

Hapi 8: Ju jeni bërë

Urime për përfundimin e të gjithë këtyre hapave dhe Kuptimin e Sensorëve Elektronikë!

Lini një koment për të më dërguar reagime për gjërat që mendoni se duhet të përmirësohen, dhe gjithashtu më tregoni nëse keni dalë me përdorime shtesë të sensorit të Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD