Az elektronikus érzékelők megértése: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Ez az általános, ipari és háztartási érzékelők működésének elmagyarázására szánt "Instructable" megtanítja a kereskedelmi forgalomban kapható szenzorok használatát a valós világban, gyakorlati gyakorlatok és kísérletek segítségével.

Ez a lecke röviden lefedi azokat az áramköröket, amelyek a következőket érzékelik:

• Hőmérséklet változások
• Megérintés (kapacitív bőrkontaktus)
• Megérintés (kapcsolók és gombok)
• Változások a fényben
• Változások a hangban
• A gyorsulás változásai (mozgás és gravitáció)

Szintén kiterjed a hardverre és a szoftverre, ahol megvásárolhatók / letölthetők az elemek, hogyan kell beállítani az áramköröket a numerikus kimenethez, hogyan kell leolvasni a numerikus kimenetet, valamint az egyes érzékelők működésének hátterét.

Lássunk neki!

1. lépés: Alaposan tesztelve - a környezet megvásárlása és letöltése

Látni fogja az Instructable -ban, hogy a lecke részleteit a helyi egyetemet látogató tinédzserek alaposan tesztelték a mechatronika (robotika és gyártás) iránti érdeklődésük részeként

Az Oreo cookie -k hasznosak, de nem kötelezőek

Az Adafruit emberek gyártották a táblát, amelyet ma használni fogunk, "Circuit Playground - Classic" néven, és alaposan tesztelték az eszköz használatának számos módját. Ezek közül néhányat a "Learn" oldalon találhat, amelyek nagyjából nagyjából követik ezt az Utasítható laboratóriumi kísérletet és allépéseket-az Adafruit "Learn" oldalának jóvoltából, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -és bluetooth-alacsony energiaigényű

A szükséges alkatrészek egyszerűek, olcsók és könnyen használhatók a különböző korosztályok kísérletezői számára, még a középiskolában is (talán 12 évesek?)

1. Először vásároljon egy vagy több eszközt itt: https://www.adafruit.com/product/3000, valamint USB-Micro-B USB adaptert a számítógéphez való csatlakoztatáshoz itt: https://www.adafruit.com/ termék/898. A teljes költség 40 dollár alatt van szállítással, de lehet, hogy olcsóbban találja.
2. Miután megvásárolta és megkapta az olcsó áramköri játszóteret és USB -kábelt, csatlakoztatnia kell azt egy személyi számítógéphez (PC), amely rendelkezik integrált fejlesztői környezettel (IDE) az Arduino típusú eszközök számára.
3. Ebben a példában az IDE arduino-1.8.4-ablakokat használjuk, de mások is működni fognak. Feltétlenül telepítse az összes illesztőprogramot (ebben az esetben az adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Az IDE telepítése után megnyithatja az "Arduino" nevű IDE -t
5. A Fájl-> Beállítások menüpontba illessze be a következő „További igazgatótanács-URL-t” https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, majd mondja ki az OK gombot, majd zárja be és nyissa meg újra az IDE-t
6. Most csatlakoztassa a Circuit Playground eszközt a Micro USB -hez. Győződjön meg arról, hogy bekapcsol és futtatja az alapértelmezett "Circuit Playground Firmata" programot a szivárványos fénysorozat megjelenítésével. Tesztelheti, hogy az akkumulátor csatlakozója közelében lévő kapcsoló megfordítja -e a sorrendet, és az egyik gomb minden színt megjegyez.
7. Meg kell szereznie a Circuit Playground Library -t, majd kicsomagolnia a Circuit PLayground Library -t a Dokumentumok -> Arduino -> könyvtárak „Adafruit_CircuitPlayground -master” mappájába. A kicsomagolás után távolítsa el a "-master" utótagot a mappa nevéből. Állítsa le és indítsa újra az IDE -t, és töltse be a Circuit Playground Board Type típust az Eszközök -> Táblák -> Board Manager menüpontba, majd keresse meg a "Contributed" típust és az "Adafruit AVR" kulcsszavakat. Ez lehetővé teszi az "Adafruit AVR Boards" (legújabb verzió) telepítését, majd állítsa le és indítsa újra az IDE -t
8. Most már készen áll a Circuit Playground tesztelésére egy demo programmal. Csatlakozzon az USB -n keresztül csatlakoztatott áramköri játszótérhez. Lépjen az Eszközök -> Táblák elemre, és győződjön meg arról, hogy az Áramköri játszótér lehetőséget választotta. Lépjen az Eszközök -> Portok oldalra, és győződjön meg arról, hogy a megfelelő COM -portot választotta (az USB Blasterhez csatlakoztatott portot). Töltsön le egy demo programot az alábbiak szerint: Válassza a: Fájlok -> Példák -> Adafruit Circuit PLayground -> demót, majd fordítsa le és töltse fel (a "jobbra mutató nyíl" gombbal mindent megtehet)
9. Tesztelje a demo programot az alábbi lépések végrehajtásával: Győződjön meg arról, hogy a Circuit Playground szivárványos sorrendben villog. Fordítsa el a csúszka kapcsolót, és nézze meg, hogy emiatt hangok szólalnak meg (kérjük, kapcsolja ki újra, különben mindenkit bosszanthat körülötte). Győződjön meg arról, hogy a piros letöltési LED villog az időzítési sebességgel.
10. Most már kommunikálhat a Circuit Playgrounddal a Text Interface segítségével. Az IDE -ben kattintson a "Soros monitor" gombra. Úgy néz ki, mint egy nagyító a demo program ablakának jobb felső sarkában. A jobb megjelenés érdekében kikapcsolhatja az automatikus görgetést.

Készen áll a kísérletezésre, és csatlakozhat a különböző érzékelőkhöz!

2. lépés: A hőmérséklet érzékelése

Vessen egy pillantást a "hőmérséklet" értékre a soros monitor szövegkimenetén. A szobahőmérséklet értéke valahol a 30 -as években lesz. 39,43 Celsius fokot mértem.

A képen látható a hőmérséklet mérésére használt termisztor. Ez az A0 érzékelő, és egy hőmérő grafikája van mellette.

Óvatosan tegye a hüvelykujját a hőmérséklet -érzékelő fölé, és jegyezze fel, hány másodpercbe telik a csúcshőmérséklet elérése. Jegyezze fel ezt, valamint a következőket:

A maximális ujjhőmérséklet eléréséhez _ másodperc kellett.

Mi a legmagasabb hőmérséklet, amelyet végül elért? _ C

Mi ez az érték Fahrenheitben? _ F. TIPP: F = (C * 1,8) + 32

Ez melegebb vagy hidegebb, mint a normál testhőmérséklet? _

A lázmérő használata valaki hüvelykujjával jó lázjelző lenne annak megállapítására, hogy beteg -e?

Miért? _

A termisztor egy speciális ellenállás, amely a hőmérsékletnek megfelelően változtatja az ellenállást. Ebben a lépésben az egyik kép egy tipikus termisztor kapcsolási rajzot mutat. ·

A bemutatott áramkörben mi lenne a Voltmérő leolvasása? _ TIPP: Használja a Vout feszültségosztó szabályt = (5V * R1 ohm) / (R1 ohm + termisztorohm)

Ha a termisztor minősítése „1,5% -os ellenállásváltozás C fokonként” - mekkora lesz a termisztor ellenállása, ha a hőmérséklet 30 ° C -ra emelkedik? _ TANÁCS: mivel ez 5 fokos változás, és minden fok 1,5%-kal változtatja az ellenállást, termisztor Ohm = (5 * 0,015) + 10 000 ohm értéket kapunk

32 ° C -on mi lenne a Voltmérő leolvasása? _ TIPP: Most 7 fokos a változás.

Hol használhatók hőmérséklet -érzékelők a gyártásban?

3. lépés: Kapacitív érintésérzékelő

A fényképen látható, hogy a csatlakozók (vagy „párnák”) közül melyik használható az érintés észlelésére is. Kapacitív érintésérzékelőnek nevezik őket, mert az emberi testet kondenzátornak nevezett elektronikus alkatrészként használják.

A biztonság érdekében azt szeretnénk, ha bármilyen elektromos áram nagyon alacsony lenne. Emiatt az összes külső csatlakozás a párnákhoz 1 Me ohmos ellenálláson áthalad egy közös területre (a chip #30. Tűje), így a két párna közötti teljes ellenállás 2 Me ohm.

• Ha bármelyik párna közötti csúcsfeszültség 5 volt, és az ellenállás 2 mega ohm, mi lenne az az áram, amelyik két párna között átmegy, ha rövidzárlatos? _ (NE zárja rövidre őket)
• A "Capsense" a szövegfelület által megjelenített számok. Melyik esetben nagyobbak a számok, amikor megérintik az érzékelőket, vagy amikor nem érintik őket? _
• Jegyezzen fel néhány példát a számokról, amikor NEM érinti az érzékelőket: _
• Jegyezzen fel néhány példát számokra, amikor az érzékelőket megérinti: _
• Mi a különbség, ha több érzékelőt érint egyszerre? _
• Mi történik, ha valami fémes anyagot fog, és ezzel megérinti az érzékelőt? _
• Mi történik, ha nemfémes tárgyat fog, és ezzel megérinti az érzékelőt? _
• Mivel a kapacitív érintésérzékelők nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, nagyon ellenállnak a rezgéseknek. Ezenkívül vízálló védőbevonattal is bevonhatók. Miért lehet hasznos ez a két szempont a gyártási környezetben? _

4. lépés: Hagyományos gombok és csúszkakapcsolók

A nyomógombok és a kapcsolók olyan egyszerűnek és „mindennaposnak” tűnnek, hogy természetesnek vesszük őket, amikor érzékelőként használják őket. A billentyűzet kiváló példa erre. Amikor gyorsan akarunk gépelni, kevés „hamis” billentyűleütést kell végrehajtanunk, és hosszú élettartamú, sokéves használatot kell végeznünk - a mechanikus kapcsolók (egy a billentyűzet minden billentyűje alatt) az út.

A ma használt áramkör három nyomógombos "szakaszos" kapcsolóval rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy ha elengedi a gombot, visszaállnak eredeti helyzetükbe (a rugós mechanizmusnak köszönhetően). Az áramkör rendelkezik egy kétállású csúszókapcsolóhoz rendelt érzékelővel is. Előfordulhat, hogy némi erőfeszítést igényel a csúsztatása, de ne törd össze a táblát ezzel a módszerrel - csúsztasd oldalra határozottabban, mint ahogy lenyomod. Ez a típusú érzékelő nagyon stabil. Stabil: azt jelenti, hogy ha az egyik vagy másik pozícióba csúsztatja, akkor teljes mértékben számíthat arra, hogy képes lesz elmenni és hosszú idő múlva visszajönni, és azt várja, hogy még mindig ugyanabban a helyzetben lesz, még akkor is, ha rezgő felületen van stb.

Hol láttál ilyen csúszkakapcsolót a gyártásban, vagy akár a házadban?

_

Nézze meg a szövegkimenetet, és keresse meg az érzékelő adatait. Ebben az esetben előfordulhat, hogy az érzékelő nem számot ad ki, hanem valami mást.

A "csúszka" kapcsolónak jeleznie kell helyzetét. Milyen értékeket vesz fel a „csúszó” érzékelő a két pozícióban?

_

Valami más történik a két dia pozíció egyikében. Mi az?

_

P. S. Mindenki jóvoltából, csúsztassa a kapcsolót a „kevésbé bosszantó” állásba, amint befejezte ezt a részt.

5. lépés: Fényérzékelők

A hőmérséklet -érzékelőhöz hasonlóan a „Circuit Playground” tábla Fényérzékelő áramköre feszültségosztó áramkört használ - ahol az eszközt meghajtó 5 V -ot két részre vágják, az érzékelő és a rögzített értékű ellenállás segítségével. A "termisztor" helyett a fényérzékelő "fototranzisztor" -ot használ, amely megváltoztatja az ellenállást az azt érő fénymennyiség alapján. Az „A5” fototranzisztor közvetlenül az áramkörön látható szem grafikája mellett látható.

Ha a fényérzékelő a szoba mennyezetére (a fények felé) mutat, akkor a „Fényérzékelő” értékét több százban kell megadni.

Milyen "fényérzékelő" értéket figyel meg, amikor a "szem" a szoba mennyezetére mutat?

_

Mi lenne, ha a „szemét” a padló felé fordítaná - milyen számot figyel meg? _

Mi van, ha a „szemet” különböző szögekbe irányítja a mennyezet és a padló között? - Írja le, mit figyelt meg, beleértve a megfigyelt számok értékeit, és mit tett azért, hogy megkapja ezeket a számokat. _

Mi van, ha az érzékelőt egy szoros (de nem érintő) sötét ruhára mutatja - milyen számot figyel meg? _

Ha felfelé takarja (az érzékelő a „szem” közelében) az ujjával, akkor le kell csökkentenie a számot. Csinálja? _

Ne feledje, hogy az ujja félig átlátszó, így az izzó LED fényes fényei felgyújthatják az ujját. Mit használhat még az érzékelő eltakarására, hogy alacsonyabb számot kapjon? _

A fényérzékelők kissé bonyolultak lehetnek - nem mindig a várt értéket adják, és nagymértékben függnek a fényvisszaverődéstől, az átlátszóságtól, a megvilágítási szögtől és a fényerősségtől. A gyártó látásrendszerek ezen változók szigorú ellenőrzésével igyekeznek túljutni ezen korlátokon. Például a vonalkód-szkenner fényes, fókuszált egyszínű lézersávokat használhat a helyiségvilágítás hatásának minimalizálására. Egy másik példában a tejesdobozos szállítószalag „garázskapu” stílusú fényérzékelőt használ, és a tejesdobozokat úgy számolja, hogy hányszor engedik át a fényt közöttük.

Mondjon más példát a gyártástól, az otthontól vagy az üzleti vállalkozástól, ahol ezeknek a fényváltozóknak a vezérlése a jobb fényérzékelő eredmény elérése érdekében (az itt már említett példákon kívül):

6. lépés: Hangérzékelő

A „Circuit Playground” hangérzékelő valójában egy meglehetősen kifinomult mikroelektromechanikus rendszer (MEMS), amely nemcsak a hangszint érzékelésére használható, hanem alapvető frekvenciaanalízist is végezhet. Lehet, hogy látott egy spektrum -elemző kijelzőt egy zenei stúdióban vagy zenelejátszó alkalmazásban - amely úgy néz ki, mint egy oszlopdiagram, az alsó hangok balra és a jobb hangok jobbra (mint egy grafikus hangszínszabályozó).

A szövegolvasáson megjelenő érték valójában a nyers audio hullámforma. Idővel hozzá kell adnunk az értékeket, hogy megtaláljuk a hang teljes teljesítményét (a hangnyomás szintjét).

Mindazonáltal ez a MEMS eszköz használható robot vagy más eszköz akcióinak kiváltására, ha hangok vannak jelen, vagy amikor meghatározott hangsorozat hallható. Ezenkívül a MEMS rendkívül kicsi (ez az eszköz a fémdobozon található kis lyuk alatt, közvetlenül a táblán lévő „fül” grafika mellett) és alacsony teljesítményű. Ez a kombináció rendkívül alkalmassá teszi a MEMS eszközöket akusztikai, orvosbiológiai, mikrofolyadék-észlelésre, mikrosebészeti eszközökre, gáz- és vegyi áramlásérzékelőkre stb.

Mivel a kimenet az audio hullámforma (és nem a teljesítményszint), kisebb értéktartományt fog látni, ha csendben van a dolog (~ 330 a középső egy tökéletesen csendes helyiséghez), és szélesebb lengéseket a hangos zajokhoz (0-800 vagy úgy)).

Jegyezze fel a „Hangérzékelő” értékeket, ha csak a szoba háttérzaja van jelen. Milyen értéket tartasz szem előtt? Tól-ig _

Milyen értéket figyel meg, ha normál hangnemben beszél - körülbelül 2 láb távolságra az érzékelőtől? Tól-ig _

Nagyobb értéktartományt kap beszéddel, vagy ujjainak többszörös csattanásával (vagy tapsolással)?

Igen vagy nem: _ A düh a tapsolásért/csattanásért _ -tól _ -ig tart

Szerinted miért? _

Próbáljon ki másfajta zajt, és jegyezze fel, amit észlel - de ne érintse meg a táblát: _

P. S. A MEMS mindkét irányban működik, és lehetséges a villamos energia a mikromechanikus alkatrészek mozgatására. Az „Audio Pixels” nevű vállalat azon dolgozik, hogy csoportosítsa ezeket az eszközöket, hogy tökéletesen lapos apró hangszórót készítsen, amely bármilyen irányba képes irányítani a hangot.

7. lépés: Gyorsulásmérők

A gyorsulásmérő is egyfajta MEMS, és ezen eszközök egyike megtalálható a „Circuit Playground” táblán. A LIS3DH chip, a tábla középpontja mellett, az XYZ Graphic mellett, lehetővé teszi a gyorsulás bármely irányú mérését, mint az X, Y és Z irányú gyorsulás vektorösszegét.

Mivel a gravitációs erő azonos a gyorsulással érzett erővel (Einstein relativitáselmélete), még akkor is, ha itt áll a földön, a készülék 9,8 méter/másodperc (9,8 m/s2) gyorsulást mér.

Elforgathatja a készüléket, hogy az egész erőt az „X” irányba tegye.

Próbálja megdönteni a készüléket úgy, hogy az összes gyorsulás az X irányba menjen (kérjük, óvatosan bánjon a rövid USB -kábellel, amikor megcsavarja a dolgokat). Milyen értékeket figyelt meg? X: _ Y: _ Z: _

Most döntse meg a készüléket, hogy szinte az összes gravitációs erőt (gyorsulást) Y irányba tegye. Milyen értékeket figyelt meg? X: _ Y: _ Z: _

Végül helyezze el a készüléket úgy, hogy a gravitációból származó gyorsulás megoszlik az X és Y irány között, és Z irányban közel 0 legyen (valahol az előző két pozíció között). Milyen értékeket figyelt meg? X: _ Y: _ Z: _

A Pitagorasz -tétel segítségével add hozzá az előző mérésből származó gyorsulás X és Y vektorát. Figyelmen kívül hagyhatja a negatív jeleket, ez azt jelenti, hogy a készülék csak fejjel lefelé van ebben az irányban. Mekkora a teljes gyorsulás? _ Emlékezzünk vissza, hogy a teljes gyorsulás = √ (X2 + Y2).

CSAK A KÖVETKEZŐ KÍSÉRLETET KIPRÓBÁLJA, HA HÁROMMÉRETŰ! Döntse meg a készüléket úgy, hogy a gravitációból származó gyorsulás megoszlik az X, Y és Z irányok között. Milyen értékeket figyelt meg?

X: _ Y: _ Z: _ teljes gyorsulás = _

Mint látható, a gyorsulásmérő (a gravitációs erőnek köszönhetően) a dőlés - vagy a tábla helyzetének - mérésére is használható. Ha robotkarot építene fogóval, hová teheti a gyorsulásmérő érzékelőt, és miért? _

A gyorsulásmérők a dőlésszög és a földközéppont iránya mellett természetesen a gyorsulást is mérhetik. Óvatosan mozgassa a táblát előre -hátra (kérjük, legyen óvatos a rövid USB -kábellel, amikor csavarja a dolgokat). Milyen értékeket figyelt meg?

Irány áthelyezve: _ X: _ Y: _ Z: _

Irány áthelyezve: _ X: _ Y: _ Z: _

8. lépés: Kész

Gratulálunk az összes fenti lépés elvégzéséhez és az elektronikus érzékelők megértéséhez!

Hagyjon megjegyzést, és küldjön visszajelzést azokról a dolgokról, amelyeket úgy gondolja, hogy javítani kell, és jelezze nekem, ha a Circuit Playground Classic további érzékelőhasználatával találkozott!

Paul Nussbaum, PhD