HackerBox 0035: Elettrochimica: 11 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questo mese, HackerBox Hacker sta esplorando vari sensori elettrochimici e tecniche di test per misurare le proprietà fisiche dei materiali. Questo Instructable contiene informazioni per iniziare con HackerBox #0035, che può essere acquistato qui fino ad esaurimento scorte. Inoltre, se desideri ricevere un HackerBox come questo direttamente nella tua casella di posta ogni mese, iscriviti a HackerBoxes.com e unisciti alla rivoluzione!

Argomenti e obiettivi di apprendimento per HackerBox 0035:

• Configura Arduino Nano per l'utilizzo con l'IDE Arduino
• Cablare e codificare un modulo OLED per visualizzare le misurazioni
• Costruisci una demo dell'etilometro utilizzando i sensori di alcol
• Confronta i sensori di gas per eseguire misurazioni della qualità dell'aria
• Determinare la qualità dell'acqua dai solidi disciolti totali (TDS)
• Prova il rilevamento termico senza contatto e per immersione in acqua

HackerBoxes è il servizio di box in abbonamento mensile per l'elettronica fai da te e la tecnologia informatica. Siamo hobbisti, maker e sperimentatori. Siamo i sognatori dei sogni. HACK IL PIANETA!

Passaggio 1: HackerBox 0035: Contenuto della confezione

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Display I2C OLED 0,96 128x64 pixel
• Misuratore di qualità dell'acqua TDS-3
• Modulo di temperatura senza contatto GY-906
• MP503 Sensore di inquinamento della qualità dell'aria
• Sonda di temperatura impermeabile DS18B20
• Modulo sensore di alcol MQ-3
• Modulo sensore di gas per rischio d'aria MQ-135
• Modulo umidità e temperatura DHT11
• Modulo laser KY-008
• Set di LED, resistori 1K e pulsanti tattili
• Tagliere "Crystal Clear" 400 punti
• Set di cavi per ponticelli - 65 pezzi
• Cavo MicroUSB
• Decalcomanie esclusive HackerBoxes

Alcune altre cose che saranno utili:

• Saldatore, saldatore e strumenti di saldatura di base
• Computer per l'esecuzione di strumenti software

Soprattutto, avrai bisogno di un senso di avventura, spirito fai-da-te e curiosità da hacker. L'elettronica fai-da-te hardcore non è una ricerca banale e gli HackerBox non sono annacquati. L'obiettivo è il progresso, non la perfezione. Quando persisti e ti godi l'avventura, una grande soddisfazione può derivare dall'apprendimento di nuove tecnologie e, si spera, dal far funzionare alcuni progetti. Ti suggeriamo di fare ogni passo lentamente, prestando attenzione ai dettagli e non aver paura di chiedere aiuto.

C'è una grande quantità di informazioni per i membri attuali e potenziali nelle FAQ di HackerBoxes.

Fase 2: Elettrochimica

L'elettrochimica (Wikipedia) è la branca della chimica fisica che studia la relazione tra l'elettricità, come fenomeno misurabile e quantitativo, e un particolare cambiamento chimico o viceversa. Le reazioni chimiche coinvolgono cariche elettriche che si muovono tra gli elettrodi e un elettrolita (o ioni in una soluzione). Quindi l'elettrochimica si occupa dell'interazione tra energia elettrica e cambiamento chimico.

I dispositivi elettrochimici più comuni sono le batterie di tutti i giorni. Le batterie sono dispositivi costituiti da una o più celle elettrochimiche con connessioni esterne fornite per alimentare dispositivi elettrici come torce, smartphone e auto elettriche.

I sensori di gas elettrochimici sono rilevatori di gas che misurano la concentrazione di un gas target ossidando o riducendo il gas target in corrispondenza di un elettrodo e misurando la corrente risultante.

L'elettrolisi è una tecnica che utilizza una corrente elettrica continua (DC) per guidare una reazione chimica altrimenti non spontanea. L'elettrolisi è commercialmente importante come fase nella separazione degli elementi da fonti naturali come i minerali utilizzando una cella elettrolitica.

Passaggio 3: piattaforma di microcontrollori Arduino Nano

Un Arduino Nano, o una scheda microcontrollore simile, è un'ottima scelta per l'interfacciamento con sensori elettrochimici e uscite di visualizzazione su un computer o un display video. Il modulo Arduino Nano incluso viene fornito con pin di intestazione, ma non sono saldati al modulo. Lascia perdere i pin per ora. Eseguire questi test iniziali del modulo Arduino Nano PRIMA di saldare i pin dell'intestazione dell'Arduino Nano. Tutto ciò che serve per i prossimi due passaggi è un cavo microUSB e il modulo Nano così come esce dalla borsa.

Arduino Nano è una scheda Arduino miniaturizzata a montaggio superficiale, compatibile con la breadboard, con USB integrato. È sorprendentemente completo e facile da hackerare.

Caratteristiche:

• Microcontrollore: Atmel ATmega328P
• Tensione: 5V
• Pin I/O digitali: 14 (6 PWM)
• Pin di ingresso analogico: 8
• Corrente CC per pin I/O: 40 mA
• Memoria Flash: 32 KB (2 KB per bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Velocità di clock: 16 MHz
• Dimensioni: 17 mm x 43 mm

Questa particolare variante di Arduino Nano è il design Robotdyn nero. L'interfaccia è tramite una porta MicroUSB integrata compatibile con gli stessi cavi MicroUSB utilizzati con molti telefoni cellulari e tablet.

Arduino Nanos è dotato di un chip bridge USB/seriale integrato. Su questa particolare variante, il chip bridge è il CH340G. Si noti che esistono vari altri tipi di chip bridge USB/seriale utilizzati sui vari tipi di schede Arduino. Questi chip consentono alla porta USB del computer di comunicare con l'interfaccia seriale sul chip del processore di Arduino.

Il sistema operativo di un computer richiede un driver di dispositivo per comunicare con il chip USB/seriale. Il driver consente all'IDE di comunicare con la scheda Arduino. Il driver del dispositivo specifico necessario dipende sia dalla versione del sistema operativo che dal tipo di chip USB/seriale. Per i chip USB/seriale CH340, sono disponibili driver per molti sistemi operativi (UNIX, Mac OS X o Windows). Il produttore del CH340 fornisce questi driver qui.

Quando colleghi per la prima volta Arduino Nano a una porta USB del tuo computer, la spia di alimentazione verde dovrebbe accendersi e poco dopo il LED blu dovrebbe iniziare a lampeggiare lentamente. Questo accade perché il Nano è precaricato con il programma BLINK, che è in esecuzione sul nuovissimo Arduino Nano.

Passaggio 4: ambiente di sviluppo integrato Arduino (IDE)

Se non hai ancora installato l'IDE Arduino, puoi scaricarlo da Arduino.cc

Se desideri ulteriori informazioni introduttive per lavorare nell'ecosistema Arduino, ti suggeriamo di consultare le istruzioni per HackerBoxes Starter Workshop.

Collega il Nano al cavo MicroUSB e l'altra estremità del cavo a una porta USB del computer, avvia il software Arduino IDE, seleziona la porta USB appropriata nell'IDE in strumenti>porta (probabilmente un nome con "wchusb" in esso). Seleziona anche "Arduino Nano" nell'IDE in strumenti>scheda.

Infine, carica un pezzo di codice di esempio:

File->Esempi->Base->Blink

Questo è in realtà il codice che è stato precaricato sul Nano e dovrebbe essere in esecuzione in questo momento per far lampeggiare lentamente il LED blu. Di conseguenza, se carichiamo questo codice di esempio, non cambierà nulla. Invece, modifichiamo un po' il codice.

Guardando da vicino, puoi vedere che il programma accende il LED, aspetta 1000 millisecondi (un secondo), spegne il LED, aspetta un altro secondo e poi ripete tutto - per sempre.

Modificare il codice modificando entrambe le istruzioni "delay(1000)" in "delay(100)". Questa modifica farà lampeggiare il LED dieci volte più velocemente, giusto?

Carichiamo il codice modificato nel Nano facendo clic sul pulsante UPLOAD (l'icona a forma di freccia) appena sopra il codice modificato. Guarda sotto il codice per le informazioni sullo stato: "compiling" e poi "uploading". Alla fine, l'IDE dovrebbe indicare "Caricamento completato" e il LED dovrebbe lampeggiare più velocemente.

Se è così, congratulazioni! Hai appena hackerato il tuo primo pezzo di codice incorporato.

Una volta che la tua versione con lampeggio veloce è stata caricata e funzionante, perché non vedere se riesci a cambiare di nuovo il codice per far lampeggiare velocemente il LED due volte e poi aspettare un paio di secondi prima di ripetere? Provaci! Che ne dici di altri modelli? Una volta che sei riuscito a visualizzare un risultato desiderato, codificarlo e osservarlo per funzionare come previsto, hai fatto un enorme passo avanti per diventare un hacker hardware competente.

Passaggio 5: pin dell'intestazione e OLED su breadboard senza saldatura

Ora che il tuo computer di sviluppo è stato configurato per caricare il codice su Arduino Nano e il Nano è stato testato, scollega il cavo USB dal Nano e preparati a saldare i pin dell'intestazione. Se è la tua prima notte al fight club, devi saldare! Ci sono molte ottime guide e video online sulla saldatura (ad esempio). Se ritieni di aver bisogno di ulteriore assistenza, prova a trovare un gruppo di produttori locali o uno spazio hacker nella tua zona. Inoltre, i club di radioamatori sono sempre ottime fonti di esperienza nel campo dell'elettronica.

Saldare le due intestazioni a riga singola (quindici pin ciascuna) al modulo Arduino Nano. Il connettore a sei pin ICSP (programmazione seriale in-circuit) non verrà utilizzato in questo progetto, quindi lascia semplicemente quei pin spenti. Una volta completata la saldatura, controllare attentamente la presenza di ponti di saldatura e/o giunti di saldatura freddi. Infine, collega l'Arduino Nano al cavo USB e verifica che tutto funzioni ancora correttamente.

Per collegare l'OLED al Nano, inserirli entrambi in una breadboard senza saldatura come mostrato e collegarli tra loro secondo questa tabella:

OLED…. NanoGND….. GNDVCC…..5VSCL….. A5SDA….. A4

Per pilotare il display OLED, installa il driver del display OLED SSD1306 che trovi qui nell'IDE Arduino.

Prova il display OLED caricando l'esempio ssd1306/snowflakes e programmandolo nel Nano.

Altri esempi dalla libreria SDD1306 sono utili per esplorare l'uso del display OLED.

Passaggio 6: dimostrazione del sensore di alcol MQ-3 e dell'etilometro

Il sensore di gas alcolico MQ-3 (scheda tecnica) è un sensore a semiconduttore a basso costo in grado di rilevare la presenza di gas alcolici a concentrazioni da 0,05 mg/L a 10 mg/L. Il materiale di rilevamento utilizzato nell'MQ-3 è SnO2, che mostra una conduttività crescente se esposto a concentrazioni crescenti di gas alcolici. L'MQ-3 è altamente sensibile all'alcol con pochissima sensibilità incrociata al fumo, al vapore o alla benzina.

Questo modulo MQ-3 fornisce un'uscita analogica grezza relativa alla concentrazione di alcol. Il modulo dispone anche di un comparatore LM393 (scheda tecnica) per la soglia di un'uscita digitale.

Il modulo MQ-3 può essere cablato al Nano secondo questa tabella:

MQ-3…. NanoA0……A0VCC…..5VGND….. GNDD0……Non utilizzato

Codice demo dal video.

ATTENZIONE: Questo progetto è solo una dimostrazione educativa. Non è uno strumento medico. Non è calibrato. Non si intende, in alcun modo, determinare i livelli di alcol nel sangue per la valutazione dei limiti legali o di sicurezza. Non essere stupido. Non bere e guidare. Arrivo vivo!

Passaggio 7: rilevamento dei chetoni

I chetoni sono composti semplici che contengono un gruppo carbonilico (un doppio legame carbonio-ossigeno). Molti chetoni sono importanti sia nell'industria che nella biologia. Il comune acetone solvente è il chetone più piccolo.

Oggi molti hanno familiarità con la dieta chetogenica. È una dieta basata sul consumo di grassi, proteine adeguate e pochi carboidrati. Questo costringe il corpo a bruciare i grassi piuttosto che i carboidrati. Normalmente, i carboidrati contenuti negli alimenti vengono convertiti in glucosio, che viene poi trasportato in tutto il corpo ed è particolarmente importante per alimentare le funzioni cerebrali. Tuttavia, se la dieta contiene pochi carboidrati, il fegato converte il grasso in acidi grassi e corpi chetonici. I corpi chetonici passano nel cervello e sostituiscono il glucosio come fonte di energia. Un livello elevato di corpi chetonici nel sangue provoca uno stato noto come chetosi.

Esempio di progetto di rilevamento dei chetoni

Un altro esempio di progetto di rilevamento dei chetoni

Confronto tra sensori di gas MQ-3 e TGS822

Passaggio 8: rilevamento della qualità dell'aria

L'inquinamento atmosferico si verifica quando quantità dannose o eccessive di sostanze tra cui gas, particolato e molecole biologiche vengono introdotte nell'atmosfera. L'inquinamento può causare malattie, allergie e persino la morte degli esseri umani. Può anche causare danni ad altri organismi viventi come animali, colture alimentari e l'ambiente in generale. Sia l'attività umana che i processi naturali possono generare inquinamento atmosferico. L'inquinamento dell'aria interna e la scarsa qualità dell'aria urbana sono elencati come due dei peggiori problemi di inquinamento tossico del mondo.

Possiamo confrontare il funzionamento di due diversi sensori di qualità dell'aria (o rischio aereo). Questi sono l'MQ-135 (scheda tecnica) e l'MP503 (scheda tecnica).

L'MQ-135 è sensibile a metano, ossidi di azoto, alcoli, benzene, fumo, CO2 e altre molecole. La sua interfaccia è identica all'interfaccia MQ-3.

L'MP503 è sensibile a gas formaldeide, benzene, monossido di carbonio, idrogeno, alcool, ammoniaca, fumo di sigaretta, molti odori e altre molecole. La sua interfaccia è abbastanza semplice, fornendo due uscite digitali per designare quattro livelli di concentrazioni di inquinanti. Il connettore predefinito sull'MP503 ha un'intestazione maschio rivestita in plastica, che può essere rimossa e sostituita da un'intestazione standard a 4 pin (fornita nella borsa) per l'uso con breadboard senza saldatura, ponticelli DuPont o connettori comuni simili.

Passaggio 9: rilevamento della qualità dell'acqua

Tester per la qualità dell'acqua TDS-3

I solidi disciolti totali (TDS) sono la quantità totale di ioni mobili caricati, inclusi minerali, sali o metalli disciolti in un dato volume di acqua. Il TDS, che si basa sulla conduttività, è espresso in parti per milione (ppm) o milligrammi per litro (mg/L). I solidi disciolti includono qualsiasi elemento inorganico conduttivo presente diverso dalle molecole di acqua pura (H2O) e dai solidi sospesi. Il livello massimo di contaminanti EPA di TDS per il consumo umano è di 500 ppm.

Effettuare misurazioni TDS

1. Rimuovere il cappuccio protettivo.
2. Accendere il misuratore TDS. L'interruttore ON/OFF si trova sul pannello.
3. Immergere il misuratore nell'acqua/soluzione fino al max. livello di immersione (2”).
4. Mescolare leggermente il misuratore per rimuovere eventuali bolle d'aria.
5. Attendere che il display si stabilizzi. Una volta che la lettura si stabilizza (circa 10 secondi), premere il pulsante HOLD per visualizzare la lettura fuori dall'acqua.
6. Se lo strumento visualizza un simbolo "x10" lampeggiante, moltiplicare la lettura per 10.
7. Dopo l'uso, scrollarsi di dosso l'acqua in eccesso dal contatore. Sostituire il cappuccio.

Fonte: foglio di istruzioni completo

Esperimento: costruisci il tuo semplice misuratore TDS (progetto con video qui) che può essere calibrato e testato con il TDS-3.

Passaggio 10: rilevamento termico

Modulo sensore di temperatura senza contatto GY-906

Il modulo di rilevamento termico GY-906 è dotato di un MLX90614 (dettagli). Questo è un termometro a infrarossi a zona singola semplice da usare, ma molto potente, in grado di rilevare la temperatura degli oggetti tra -70 e 380°C. Utilizza un'interfaccia I2C per comunicare, il che significa che devi solo dedicare due fili dal tuo microcontrollore per interfacciarti con esso.

Progetto dimostrativo termosensibile.

Un altro progetto di termorilevamento.

Sensore di temperatura a prova d'acqua DS18B20

Il sensore di temperatura a un filo DS18B20 (dettagli) può misurare la temperatura da -55 a 125 con una precisione di ±5.

Passaggio 11: HACK IL PIANETA

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