Elektroninių jutiklių supratimas: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Šis „Instructable“, skirtas paaiškinti įprastų pramoninių ir buitinių jutiklių veikimą, moko jus, kaip naudoti parduodamus jutiklius realiame pasaulyje, naudojant praktinius pratimus ir eksperimentus.

Ši pamoka trumpai apims grandines, kurios gali jausti šiuos dalykus:

• Temperatūros pokyčiai
• Palietus (talpus kontaktas su oda)
• Liesti (jungikliai ir mygtukai)
• Šviesos pokyčiai
• Garso pokyčiai
• Paspartėjimo pokyčiai (judėjimas ir gravitacija)

Taip pat aptariama reikalinga aparatinė ir programinė įranga, kur pirkti / atsisiųsti elementus, kaip nustatyti skaitinės išvesties grandines, kaip skaityti skaitinę išvestį ir kiekvieno jutiklio veikimo fonas.

Pradėkime!

1 žingsnis: kruopščiai išbandytas - aplinkos pirkimas ir atsisiuntimas

„Instructable“pamatysite, kad šios pamokos detales nuodugniai išbandė paaugliai, apsilankę vietiniame universitete, domėdamiesi mechatronika (robotika ir gamyba)

„Oreo“slapukai yra naudingi, bet neprivalomi

„Adafruit“žmonės pagamino lentą, kurią naudosime šiandien, pavadintą „Circuit Playground - Classic“, ir jie kruopščiai išbandė daugybę įrenginio naudojimo būdų. Kai kuriuos iš jų galite pamatyti jų puslapyje „Sužinokite“, kurie beveik apytiksliai seka šį instrukcinį laboratorinį eksperimentą ir papildomus veiksmus-mandagumo dėka šiame „Adafruit“puslapyje „Sužinokite“, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -ir „Bluetooth“-mažai energijos

Jums reikalingos dalys yra paprastos, nebrangios ir lengvai naudojamos įvairių amžiaus grupių eksperimentatoriams, net jauniems, kaip vidurinei mokyklai (galbūt 12 metų?)

1. Pirmiausia įsigykite vieną ar daugiau įrenginių čia: https://www.adafruit.com/product/3000, taip pat USB-Micro-B USB adapterį, skirtą prijungti prie kompiuterio, čia https://www.adafruit.com/ produktas/898. Bendra kaina yra mažesnė nei 40 USD su siuntimu, tačiau galite rasti pigiau.
2. Kai įsigysite ir gausite nebrangų „Circuit Playground“ir USB kabelį, turėsite jį prijungti prie asmeninio kompiuterio (PC), kuriame yra integruota „Arduino“tipo įrenginių kūrimo aplinka (IDE).
3. Šiame pavyzdyje mes naudojame IDE arduino-1.8.4-windows, bet kiti taip pat veiks. Būtinai įdiekite visas tvarkykles (šiuo atveju adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Įdiegę IDE, galite atidaryti IDE, pavadintą „Arduino“
5. Skiltyje Failas-> Nuostatos įterpkite šį papildomo valdytojo URL adresą https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, tada pasakykite Gerai, tada uždarykite ir vėl atidarykite IDE
6. Dabar prijunkite „Circuit Playground“įrenginį prie „Micro USB“. Žiūrėkite, kad ji įjungtų ir paleistų numatytąją programą „Circuit Playground Firmata“, rodydama vaivorykštinę žibintų seką. Galite patikrinti, ar jungiklis, esantis šalia akumuliatoriaus maitinimo lizdo, pakeičia tvarką ir vienas iš mygtukų atkuria kiekvieną spalvą.
7. Turite gauti „Circuit Playground“biblioteką ir tada išpakuokite „Circuit PLayground“biblioteką į dokumentus -> „Arduino“-> bibliotekų aplanką „Adafruit_CircuitPlayground -master“. Išpakuokite, pašalinkite priesagą „-master“iš aplanko pavadinimo. Sustabdykite ir paleiskite IDE iš naujo, įkelkite „Circuit Playground Board“tipą skiltyje „Įrankiai“-> „Lentos“-> „Lentų tvarkytuvė“, tada ieškokite tipo „Prisidėta“ir raktinių žodžių „Adafruit AVR“. Tai leis jums įdiegti „Adafruit AVR Boards“(naujausią versiją), po to turėtumėte sustabdyti ir iš naujo paleisti IDE
8. Dabar esate pasiruošę išbandyti „Circuit Playground“su demonstracine programa. Prisijunkite prie „Circuit Playground“, prijungto per USB. Eikite į Įrankiai -> Lentos ir įsitikinkite, kad pasirinkote „Circuit Playground“. Eikite į Įrankiai -> Prievadai ir įsitikinkite, kad pasirinkote tinkamą COM prievadą (tą, kuris prijungtas prie „USB Blaster“). Atsisiųskite demonstracinę programą taip: Pasirinkite: Failai -> Pavyzdžiai -> „Adafruit Circuit PLayground“-> demonstracinė versija, tada sukompiliuokite ir įkelkite (viską galite atlikti naudodami mygtuką „rodyklė dešinėn“)
9. Išbandykite demonstracinę programą atlikdami šiuos veiksmus: Patikrinkite, ar „Circuit Playground“mirksi vaivorykštės seka. Pasukite slankiklį ir pamatysite, kad dėl to groja natos (išjunkite jį atgal, kitaip tai tikrai erzins visus aplinkinius). Įsitikinkite, kad raudonas atsisiuntimo šviesos diodas mirksi laiko dažniu.
10. Dabar galite bendrauti su „Circuit Playground“naudodami teksto sąsają. IDE spustelėkite mygtuką „Serijinis monitorius“. Demo programos lango viršutiniame dešiniajame kampe jis atrodo tarsi padidinamasis stiklas. Jei norite geriau atrodyti, galbūt norėsite išjungti automatinį slinkimą.

Esate pasiruošę eksperimentuoti ir prisijungti prie visų skirtingų jutiklių!

2 žingsnis: temperatūros jutiklis

Pažiūrėkite į serijinio monitoriaus teksto išvesties „temperatūros“vertę. Kambario temperatūros vertė bus kažkur 30 -ajame dešimtmetyje. Aš išmatavau 39,43 laipsnius Celsijaus.

Termistorius, naudojamas temperatūrai matuoti, parodytas nuotraukoje. Tai jutiklis A0, šalia jo yra termometro grafika.

Švelniai uždėkite nykštį virš temperatūros jutiklio ir užrašykite, kiek sekundžių reikia pasiekti aukščiausią temperatūrą. Įsidėmėkite tai ir taip pat:

Norint pasiekti maksimalią piršto temperatūrą, prireikė _ sekundžių.

Kokią aukščiausią temperatūrą ji galiausiai pasiekė? _ C

Kokia ši vertė Farenheite? _ F. PATARIMAS: F = (C * 1,8) + 32

Ar tai šiltesnė ar vėsesnė nei įprasta kūno temperatūra? _

Ar šio termometro naudojimas su kažkieno nykščiu būtų geras karščiavimo rodiklis, rodantis, ar jis serga?

Kodėl? _

Termistorius yra specialus rezistorius, kuris keičia atsparumą priklausomai nuo temperatūros. Viename iš šio veiksmo paveikslėlių pavaizduota tipinė termistoriaus grandinės schema. ·

Kaip rodoma grandinėje, koks būtų voltų matuoklio rodmuo? _ PATARIMAS: naudokite įtampos daliklio taisyklę Vout = (5V * R1 omai) / (R1 omai + termistoriaus omai)

Jei termistoriaus reitingas yra „1,5% pasipriešinimo pokytis vienam C laipsniui“- koks bus termistoriaus atsparumas, jei temperatūra pakils iki 30 ° C? _

Esant 32 laipsnių C temperatūrai, koks būtų rodmuo voltų matuoklyje? _ PATARIMAS: Dabar pokytis yra 7 laipsniai.

Kur temperatūros jutikliai gali būti naudojami gaminant?

3 žingsnis: talpinis jutiklinis jutiklis

Nuotraukoje parodyta, kuri iš jungčių (arba „pagalvėlių“) taip pat gali būti naudojama prisilietimui aptikti. Jie vadinami talpiniais jutikliniais jutikliais, nes jie naudoja žmogaus kūną kaip elektroninį komponentą, vadinamą kondensatoriumi.

Saugumo sumetimais norime, kad bet kokia elektros srovė būtų labai maža. Dėl šios priežasties visos išorinės jungtys su trinkelėmis praeina per 1 mega omo rezistorių į bendrą zoną (mikroschemos #30 kaištį), todėl bendras pasipriešinimas tarp bet kurių dviejų trinkelių yra 2 mega omai.

• Jei didžiausia įtampa tarp bet kurių dviejų trinkelių yra 5 voltai, o varža - 2 mega omai, kokia būtų srovė, praeinanti tarp bet kurių dviejų trinkelių, jei jos būtų trumpai sujungtos? _ (NEGALIMA jų trumpai jungti)
• „Capsense“yra skaičiai, rodomi teksto sąsajoje. Kokiu atveju skaičiai yra didesni, kai liečiami jutikliai arba kai jie neliečiami? _
• Įrašykite keletą skaičių pavyzdžių, kai jutikliai nėra liečiami: _
• Įrašykite keletą skaičių pavyzdžių, kai liečiami jutikliai: _
• Kokį skirtumą pastebite, kai vienu metu liečiami keli jutikliai? _
• Kas atsitiks, jei laikysite ką nors metalo ir paliesite jutiklį? _
• Kas atsitiks, jei laikysite ką nors nemetalinio ir paliesite jutiklį? _
• Kadangi talpiniai jutikliniai jutikliai neturi judančių dalių, jie yra labai atsparūs vibracijai. Be to, jie gali būti padengti vandeniui atsparia apsaugine danga. Kodėl šie du aspektai gali būti naudingi gamybos aplinkoje? _

4 žingsnis: tradiciniai mygtukai ir slankikliai

Mygtukai ir jungikliai atrodo tokie paprasti ir „kasdieniški“, kad mes juos laikome savaime suprantamu, kai kalbama apie jų naudojimą kaip jutiklius. Klaviatūra yra puikus pavyzdys. Kai norime greitai įvesti tekstą, paspausime kelis „klaidingus“klavišus ir ilgai tarnausime daugelį metų - mechaniniai jungikliai (vienas po kiekvienu klaviatūros klavišu) yra puikus kelias.

Šiandien naudojamoje grandinėje yra trys paspaudžiami „pertraukiami“jungikliai. Tai reiškia, kad paleidus mygtuką, jie grįžta į pradinę padėtį (dėka spyruoklinio mechanizmo). Grandinėje taip pat yra jutiklis, skirtas dviejų padėčių slankikliui. Gali prireikti pastangų ją pastumti, tačiau nesulaužykite lentos bandydami tai padaryti - stumkite į šoną tvirtiau, nei paspausite. Šio tipo jutikliai yra labai stabilūs. Stabilus reiškia, kad nustumę jį į vieną ar kitą padėtį, galite visiškai tikėtis, kad galėsite nueiti ir sugrįžti dar ilgai, ir tikėtis, kad jis vis tiek bus toje pačioje padėtyje, net jei jis yra ant vibruojančio paviršiaus ir kt.

Kur jūs matėte tokį skaidrių jungiklį gamyboje ar net savo namuose?

_

Pažvelkite į teksto išvestį ir raskite jutiklio informaciją. Tokiu atveju jutiklis gali išvesti ne skaičių, o kažką kitą.

„Stumdomas“jungiklis turėtų nurodyti jo padėtį. Kokias vertes „skaidrių“jutiklis įgauna dviejose padėtyse?

_

Kažkas atsitinka vienoje iš dviejų skaidrių pozicijų. Kas tai?

_

P. S. Pagarbiai visiems kitiems, kai tik baigsite šį skyrių, pastumkite jungiklį į „mažiau erzinančią“padėtį.

5 žingsnis: šviesos jutikliai

Kaip ir temperatūros jutiklis, „Circuit Playground“plokštės šviesos jutiklio grandinė naudoja įtampos skirstytuvo grandinę - kur 5 voltai, varantys įrenginį, yra susmulkinti į dvi dalis - jutiklį ir fiksuotos vertės rezistorių. Vietoj „termistoriaus“šviesos jutiklis naudoja „fototranzistorių“, kuris keičia pasipriešinimą pagal jį skleidžiančios šviesos kiekį. Šalia plokštės akies grafikos galite pamatyti fototranzistorių „A5“.

Jei šviesos jutiklis nukreiptas į kambario lubas (į šviesas), „Šviesos jutiklio“vertė turėtų būti šimtai.

Kokią „Šviesos jutiklio“vertę pastebite, kai „akis“nukreipta į kambario lubas?

_

Ką daryti, jei nukreipiate „akį“į grindis - kokį skaičių stebite? _

Ką daryti, jei nukreipiate „akį“skirtingais kampais tarp lubų ir grindų? - Aprašykite, ką pastebėjote, įskaitant stebimų skaičių reikšmes ir ką darėte, kad gautumėte šiuos skaičius. _

Ką daryti, jei nukreipiate jutiklį į artimą (bet neliečiantį) tamsaus audinio gabalėlį - kokį skaičių pastebite? _

Uždengus jį (jutiklis šalia „akies“) pirštu, skaičius turėtų sumažėti. Ar tai? _

Atminkite, kad jūsų pirštas yra pusiau skaidrus, todėl ryškios šviečiančios šviesos diodo lemputės gali jį apšviesti per pirštą. Ką dar galėtumėte naudoti, kad uždengtumėte jutiklį, kad gautumėte mažesnį skaičių? _

Šviesos jutikliai gali būti šiek tiek smulkmeniški - jie ne visada pateikia tikslų rodmenį, kurio tikitės, ir labai priklauso nuo atspindžio, skaidrumo, apšvietimo kampo ir apšvietimo ryškumo. Gamybos vizijos sistemos siekia įveikti šiuos apribojimus, griežtai valdydamos šiuos kintamuosius. Pavyzdžiui, brūkšninio kodo skaitytuvas gali naudoti ryškiai sufokusuotą vienos spalvos lazerio juostą, kad sumažintų kambario apšvietimo poveikį. Kitame pavyzdyje pieno dėžutės konvejeris naudoja „garažo durų“stiliaus šviesos jutiklį, skaičiuojant pieno dėžutes, skaičiuojant, kiek kartų leidžiama šviesai praeiti tarp jų.

Pateikite kitą gamybos, namų ar verslo pavyzdį, kai kai kurie iš šių šviesos kintamųjų yra valdomi, kad gautumėte geresnį šviesos jutiklio rezultatą (be čia jau minėtų pavyzdžių):

6 žingsnis: garso jutiklis

„Circuit Playground“garso jutiklis iš tikrųjų yra gana sudėtinga mikroelektromechaninė sistema (MEMS), kuri gali būti naudojama ne tik garso lygiui aptikti, bet ir gali atlikti pagrindinę dažnio analizę. Galbūt matėte spektro analizatoriaus ekraną muzikos studijoje ar muzikos grotuvo programoje, kuri atrodo kaip juostos diagrama su žemomis natomis kairėje ir aukštesnėmis natomis dešinėje (kaip ir grafinis ekvalaizeris).

Teksto rodmenyje rodoma vertė iš tikrųjų yra neapdorota garso bangos forma. Laikui bėgant turėtume pridėti vertes, kad rastume bendrą garso galią (garso slėgio lygį).

Nepaisant to, šis MEMS įrenginys gali būti naudojamas roboto ar kito įrenginio veiksmams sukelti, kai yra garsų arba kai girdima tam tikra garsų seka. Be to, MEMS yra labai maži (tai prietaisas po ta maža skylute metalinėje dėžutėje, šalia „ausies“grafikos lentoje) ir mažos galios. Dėl šio derinio MEMS prietaisai yra labai naudingi akustiniams, biomedicininiams, mikro skysčių aptikimui, mikrochirurginiams įrankiams, dujų ir cheminių srautų jutikliams ir kt.

Kadangi išvestis yra garso bangos forma (o ne galios lygis), jūs matysite mažesnį verčių diapazoną, kai viskas tylu (~ 330 yra visiškai tylaus kambario vidurys), ir platesnį svyravimą, kad būtų galima garsiai (nuo 0 iki 800)).

Įrašykite „Garso jutiklio“reikšmes, kai yra tik foninis kambario triukšmas. Kokią vertę pastebite? Iš į _

Kokią vertę pastebite, jei kalbate įprastu balso tonu - maždaug 2 pėdų atstumu nuo jutiklio? Iš į _

Ar kalbėdami ar pakartotinai spragtelėję pirštais (ar plojant) gausite didesnį vertybių diapazoną?

Taip arba ne: _

Kaip manote, kodėl taip yra? _

Išbandykite kitų rūšių triukšmą ir užrašykite tai, ką pastebite, bet nelieskite lentos: _

P. S. MEMS veikia abiem kryptimis, o mikro mechaninėms dalims perkelti galima naudoti elektrą. Įmonė, vadinama „Audio Pixels“, stengiasi sugrupuoti šiuos įrenginius, kad būtų sukurtas visiškai plokščias mažytis garsiakalbis, galintis nukreipti garsą bet kuria kryptimi.

7 žingsnis: akselerometrai

Akselerometras taip pat yra MEMS tipas, o vienas iš šių prietaisų yra „Circuit Playground“lentoje. LIS3DH mikroschema, esanti šalia plokštės centro šalia XYZ grafikos, suteikia galimybę išmatuoti pagreitį bet kuria kryptimi kaip pagreičio vektorinę sumą X, Y ir Z kryptimi.

Kadangi gravitacijos jėga yra identiška jėgai, kurią jaučia pagreitėjimas (Einšteino reliatyvumo teorija), net ir stovėdamas čia, žemėje, prietaisas matuoja 9,8 metro per sekundę (9,8 m/s2) pagreitį.

Galite pasukti prietaisą, kad visa jėga būtų nukreipta „X“kryptimi.

Pabandykite pakreipti prietaisą taip, kad visas pagreitis būtų X kryptimi (pasukdami daiktus būkite švelnūs naudodami trumpą USB laidą). Kokių vertybių laikėtės? X: _ Y: _ Z: _

Dabar pakreipkite prietaisą, kad gautumėte beveik visą gravitacijos jėgą (pagreitį) Y kryptimi. Kokių vertybių laikėtės? X: _ Y: _ Z: _

Galiausiai pastatykite prietaisą taip, kad pagreitis nuo gravitacijos būtų padalintas tarp X ir Y krypčių ir būtų beveik 0 Z kryptimi (kažkur tarp dviejų ankstesnių padėčių). Kokių vertybių laikėtės? X: _ Y: _ Z: _

Naudokite Pitagoro teoremą, kad pridėtumėte ankstesnio matavimo pagreičio X ir Y vektorius. Galite nekreipti dėmesio į neigiamus ženklus, tai reiškia, kad prietaisas yra tiesiog apverstas ta kryptimi. Koks yra bendras pagreitis? _ Prisiminkite, kad bendras pagreitis = √ (X2 + Y2).

KITĄ EKSPERIMENTĄ BANDYTI TIK TAI, KAD JŪS TREČIŲ DIMENZIJŲ! Pakreipkite prietaisą taip, kad pagreitis nuo gravitacijos būtų padalintas tarp X, Y ir Z krypčių. Kokių vertybių laikėtės?

X: _ Y: _ Z: _ bendras pagreitis = _

Kaip matote, akselerometras (dėl traukos jėgos) taip pat gali būti naudojamas pakreipimui arba lentos padėčiai matuoti. Jei statytumėte roboto ranką su griebtuvu, kur galėtumėte įdėti akselerometro jutiklį ir kodėl? _

Akselerometrai, be pakreipimo ir žemės centro krypties, natūraliai taip pat gali matuoti pagreitį. Švelniai perkelkite plokštę pirmyn ir atgal (būkite švelnūs naudodami trumpą USB laidą, kai sukate daiktus). Kokių vertybių laikėtės?

Kryptis perkelta: _ X: _ Y: _ Z: _

Kryptis perkelta: _ X: _ Y: _ Z: _

8 žingsnis: baigėte

Sveikiname atlikus visus šiuos veiksmus ir suprantant elektroninius jutiklius!

Palikite komentarą, kad atsiųstumėte man atsiliepimų apie dalykus, kuriuos, jūsų manymu, reikėtų patobulinti, taip pat praneškite man, ar sugalvojote papildomai naudoti „Circuit Playground Classic“jutiklius!

Paulius Nussbaumas, daktaras