Comprensione dei sensori elettronici: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Destinato a spiegare il funzionamento dei comuni sensori industriali e domestici, questo "Instructable" ti insegna come utilizzare i sensori disponibili in commercio in una distribuzione nel mondo reale utilizzando esercizi ed esperimenti pratici.

Questa lezione tratterà brevemente i circuiti che possono rilevare quanto segue:

• Cambiamenti di temperatura
• Essere toccati (contatto capacitivo con la pelle)
• Essere toccati (interruttori e pulsanti)
• Cambiamenti nella luce
• Cambiamenti nel suono
• Variazioni di accelerazione (movimento e gravità)

Viene inoltre trattato l'hardware e il software necessari, dove acquistare/scaricare gli articoli, come impostare i circuiti per l'output numerico, come leggere l'output numerico e un background su come funziona ciascun sensore.

Iniziamo!

Passaggio 1: testato a fondo: acquisto e download dell'ambiente

Vedrai in Instructable che i dettagli di questa lezione sono stati accuratamente testati da adolescenti che visitano un'università locale come parte del loro interesse per la meccatronica (robotica e produzione)

I cookie Oreo sono utili, ma non necessari

Le persone di Adafruit hanno prodotto la scheda che useremo oggi, chiamata "Circuit Playground - Classic" e hanno testato a fondo un gran numero di modi per utilizzare il dispositivo. Puoi vedere alcuni di questi nella loro pagina "Impara" qui, che tracciano più o meno questo esperimento di laboratorio Instructable e passaggi secondari - per gentile concessione di questa pagina "Impara" di Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -e-bluetooth-low-energy

Le parti di cui hai bisogno sono semplici, economiche e facili da usare per gli sperimentatori di una vasta gamma di fasce d'età, anche giovani come la scuola media (12 anni, forse?)

1. Innanzitutto, acquista uno o più dispositivi qui: https://www.adafruit.com/product/3000 e anche un adattatore da USB a USB Micro-B per il collegamento al PC qui https://www.adafruit.com/ prodotto/898. Il costo totale è inferiore a $ 40 con spedizione, ma potresti trovarlo più economico.
2. Una volta acquistato e ricevuto l'economico Circuit Playground e il cavo USB, dovrai collegarlo a un Personal Computer (PC) dotato di un ambiente di sviluppo integrato (IDE) per dispositivi di tipo Arduino.
3. In questo esempio stiamo usando l'IDE arduino-1.8.4-windows, ma anche altri funzioneranno. Assicurati di installare tutti i driver (in questo caso, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Una volta installato l'IDE, puoi aprire l'IDE chiamato "Arduino"
5. In File -> Preferenze inserisci il seguente "URL aggiuntivo Board Manager" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, quindi pronuncia OK, quindi chiudi e riapri l'IDE
6. Ora collega il dispositivo Circuit Playground con la Micro USB. Verifica che si accenda ed esegua il programma predefinito "Circuit Playground Firmata" visualizzando una sequenza di luci arcobaleno. Puoi verificare che l'interruttore vicino al jack di alimentazione della batteria inverta l'ordine e che uno dei pulsanti riproduca una nota per ogni colore.
7. Dovrai ottenere la libreria Circuit Playground e quindi decomprimere la libreria Circuit Playground nella cartella Documenti -> Arduino -> librerie "Adafruit_CircuitPlayground-master". Una volta decompresso, rimuovi il suffisso "-master" dal nome della cartella. Arrestare e riavviare l'IDE e caricare il tipo di scheda del parco giochi per circuiti in Strumenti -> Schede -> Gestione schede, quindi cercare il tipo "Contribuito" e le parole chiave "Adafruit AVR". Questo ti permetterà di installare "Adafruit AVR Boards" (ultima versione) dopo di che dovresti fermare e riavviare l'IDE
8. Ora sei pronto per testare Circuit Playground con un programma demo. Collegati al Circuit Playground collegato tramite USB. Vai su Strumenti -> Schede e assicurati di selezionare Circuit Playground. Vai su Strumenti -> Porte e assicurati di selezionare la porta COM appropriata (quella collegata a USB Blaster). Scarica un programma demo come segue: Seleziona: File -> Esempi -> Adafruit Circuit Playground -> demo e poi compila e carica (puoi usare il pulsante "freccia a destra" per fare tutto)
9. Prova il programma demo seguendo questi passaggi: Verifica che Circuit Playground lampeggi in sequenza arcobaleno. Ruota l'interruttore a scorrimento e vedi che fa suonare le note (spegnilo di nuovo, altrimenti sicuramente infastidirà tutti quelli che ti circondano). Vedere che il LED di download rosso lampeggia con la frequenza di temporizzazione.
10. Ora puoi comunicare con Circuit Playground tramite l'interfaccia di testo. Fare clic sul pulsante "Monitor seriale" nell'IDE. Sembra una sorta di lente d'ingrandimento nell'angolo in alto a destra della finestra del programma demo. Potresti voler disattivare lo scorrimento automatico per avere un aspetto migliore.

Sei pronto per sperimentare e connetterti a tutti i diversi sensori!

Passaggio 2: rilevamento della temperatura

Dai un'occhiata al valore "temperatura" sull'output di testo del monitor seriale. Avrà un valore di temperatura ambiente da qualche parte negli anni '30. Ho misurato 39,43 gradi Celsius.

Il termistore utilizzato per misurare la temperatura è mostrato nella foto. È il sensore A0 e ha un grafico di un termometro accanto.

Metti delicatamente il pollice sul sensore di temperatura e registra quanti secondi ci vogliono per raggiungere una temperatura massima. Prendi nota di questo, oltre a quanto segue:

Per raggiungere la temperatura massima del dito ci sono voluti _ secondi.

Qual è la temperatura massima raggiunta alla fine? _ C

Qual è questo valore in Fahrenheit? _ FA. SUGGERIMENTO: FA = (DO * 1.8) + 32

È più calda o più fredda della normale temperatura corporea? _

Usare questo termometro con il pollice di qualcuno sarebbe un buon indicatore di febbre per dire se sono malati?

Come mai? _

Un termistore è un tipo speciale di resistore che cambia la resistenza in base alla temperatura. Una delle immagini in questo passaggio mostra un tipico schema circuitale del termistore. ·

Nel circuito mostrato, quale sarebbe la lettura sul Voltmetro? _ SUGGERIMENTO: utilizzare la regola del partitore di tensione Vout = (5V * R1 Ohm) / (R1 Ohm + Termistore Ohm)

Se il termistore ha una valutazione di "1,5% variazione di resistenza per grado C", quale sarà la resistenza del termistore se la temperatura sale a 30 gradi C? _ SUGGERIMENTO: poiché si tratta di una variazione di 5 gradi e ogni grado cambia la resistenza dell'1,5%, otteniamo Termistore Ohm = (5 * 0,015) + 10.000 Ohm

A 32 gradi C, quale sarebbe la lettura sul voltmetro? _ SUGGERIMENTO: Ora la variazione è di 7 gradi.

Dove potrebbero essere utilizzati i sensori di temperatura nei tipi di produzione?

Passaggio 3: sensore tattile capacitivo

La foto mostra quale dei connettori (o "pad") può essere utilizzato anche per rilevare il tocco. Sono chiamati sensori tattili capacitivi perché utilizzano il corpo umano come un componente elettronico chiamato condensatore.

Per sicurezza, vogliamo che qualsiasi corrente elettrica sia molto bassa. Per questo motivo, tutte le connessioni esterne ai pad passano attraverso un resistore da 1 Mega Ohm in un'area comune (pin #30 del chip), quindi la resistenza totale tra due pad qualsiasi è di 2 Mega Ohm.

• Se la tensione di picco tra due pad qualsiasi è 5 Volt e la resistenza è 2 Mega Ohm, quale sarebbe la corrente che passa tra due pad se sono in corto circuito? _ (NON cortocircuitarli)
• "Capsense" sono i numeri visualizzati dall'interfaccia di testo. In quale caso i numeri sono più grandi, quando i sensori vengono toccati o quando non vengono toccati? _
• Registrare alcuni esempi di numeri quando i sensori NON vengono toccati: _
• Registrare alcuni esempi di numeri quando si toccano i sensori: _
• Che differenza noti quando più sensori vengono toccati contemporaneamente? _
• Cosa succede se tieni qualcosa di metallico e tocchi il sensore con quello? _
• Cosa succede se tieni qualcosa di non metallico e tocchi il sensore con quello? _
• Poiché i sensori tattili capacitivi non hanno parti mobili, sono molto resistenti alle vibrazioni. Inoltre, possono essere coperti con un rivestimento protettivo impermeabile. Perché questi due aspetti potrebbero essere utili in un ambiente di produzione? _

Passaggio 4: pulsanti tradizionali e interruttori a scorrimento

Pulsanti e interruttori sembrano così semplici e "quotidiani" che li diamo per scontati quando si tratta del loro utilizzo come sensori. La tastiera è un ottimo esempio. Quando vogliamo digitare velocemente, avere poche battute "false" e avere una lunga durata di molti anni di utilizzo, gli interruttori meccanici (uno sotto ogni tasto della tastiera) sono la strada da percorrere.

Il circuito che stiamo usando oggi ha tre interruttori "intermittenti" a pulsante. Ciò significa che se lasci andare il pulsante, tornano alla loro posizione originale (grazie a un meccanismo a molla). Il circuito ha anche un sensore dedicato a un interruttore a scorrimento a due posizioni. Potrebbe essere necessario uno sforzo per farlo scorrere, ma non rompere la tavola cercando di farlo: scivola lateralmente più saldamente di quanto premi verso il basso. Questo tipo di sensore è molto stabile. Stabile significa che una volta che lo fai scorrere in una posizione o nell'altra, puoi aspettarti di poter andare via e tornare molto tempo dopo e aspettarti che sia ancora nella stessa posizione, anche se si trova su una superficie vibrante, eccetera.

Dove hai visto un tale interruttore a scorrimento nella produzione, o anche a casa tua?

_

Guarda l'output di testo e trova le informazioni sul sensore. In questo caso, il sensore potrebbe non emettere un numero ma piuttosto qualcos'altro.

L'interruttore "Slide" dovrebbe indicare la sua posizione. Che valori assume il sensore “a scorrimento” nelle due posizioni?

_

Qualcos'altro accade in una delle due posizioni di scorrimento. Cos'è quello?

_

P. S. Per cortesia verso tutti gli altri, fai scorrere l'interruttore sulla posizione "meno fastidiosa" non appena hai finito con questa sezione.

Passaggio 5: sensori di luce

Come il sensore di temperatura, il circuito del sensore di luce sulla scheda "Circuit Playground" utilizza un circuito divisore di tensione - dove i 5 Volt che guidano il dispositivo vengono tagliati in due parti, dal sensore e da un resistore a valore fisso. Invece di un "termistore", il sensore di luce utilizza un "fototransistor" che cambia la resistenza in base alla quantità di luce che lo colpisce. Puoi vedere il fototransistor "A5" proprio accanto alla grafica dell'occhio sul circuito.

Se il sensore di luce è puntato verso il soffitto della stanza (verso le luci) il valore di "Sensore di luce" dovrebbe essere nell'ordine delle centinaia.

Quale valore di "Light Sensor" osservi quando l'"occhio" è puntato verso il soffitto della stanza?

_

Che dire se punti l'"occhio" verso il pavimento: quale numero osservi? _

E se punti l'"occhio" in diverse angolazioni tra il soffitto e il pavimento? – Descrivi cosa hai osservato, inclusi i valori dei numeri che hai osservato, e cosa hai fatto per ottenere quei numeri. _

Che dire se punti il sensore su un pezzo di stoffa scuro vicino (ma non a contatto): quale numero osservi? _

Coprirlo (sensore vicino all'"occhio") con il dito dovrebbe far scendere il numero. lo fa? _

Nota, il tuo dito è semitrasparente, quindi le luci brillanti del LED luminoso possono illuminarlo attraverso il dito. Cos'altro potresti usare per coprire il sensore per ottenere un numero inferiore? _

I sensori di luce possono essere alquanto pignoli, non sempre danno la lettura esatta che ti aspetteresti e dipendono molto dalla riflettività, dalla trasparenza, dall'angolo di illuminazione e dalla luminosità dell'illuminazione. I sistemi di visione di produzione cercano di superare queste limitazioni controllando strettamente queste variabili. Ad esempio, uno scanner di codici a barre può utilizzare una striscia laser a un colore focalizzata brillante per ridurre al minimo l'impatto dell'illuminazione della stanza. In un altro esempio, un nastro trasportatore di cartoni di latte utilizza un sensore di luce in stile "porta del garage", contando i cartoni di latte contando il numero di volte in cui la luce può passare tra di loro.

Fornisci un esempio diverso dalla produzione, dalla casa o dall'azienda in cui alcune di queste variabili di luce sono controllate per ottenere un miglior risultato del sensore di luce (oltre agli esempi che ho già menzionato qui):

Passaggio 6: sensore sonoro

Il sensore sonoro sul "Circuit Playground" è in realtà un sistema micro elettromeccanico (MEMS) piuttosto sofisticato che può essere utilizzato non solo per rilevare i livelli audio, ma può anche eseguire analisi di frequenza di base. Potresti aver visto un analizzatore di spettro visualizzato in uno studio musicale o in un'app per lettore musicale, che sembra un grafico a barre con le note basse a sinistra e le note alte a destra (proprio come viene visualizzato un equalizzatore grafico).

Il valore visualizzato sulla lettura del testo è infatti la forma d'onda audio grezza. Dovremmo aggiungere i valori nel tempo per trovare la potenza totale dell'audio (il livello di pressione sonora).

Tuttavia, questo dispositivo MEMS può essere utilizzato per attivare azioni da parte di un robot o altro dispositivo quando sono presenti suoni o quando si sente una sequenza specifica di suoni. Inoltre, i MEMS sono estremamente piccoli (è il dispositivo sotto quel piccolo foro sulla scatola di metallo, proprio accanto alla grafica "orecchio" sulla scheda) e a bassa potenza. Questa combinazione rende i dispositivi MEMS estremamente utili per il rilevamento acustico, biomedico, di microfluidi, strumenti microchirurgici, sensori di flusso di gas e prodotti chimici e altro ancora.

Poiché l'uscita è la forma d'onda audio (e non il livello di potenza) vedrai una gamma minore nei valori quando le cose sono silenziose (~ 330 è il mezzo per una stanza perfettamente silenziosa) e oscillazioni più ampie per rumori forti (da 0 a 800 circa).

Registrare i valori del “Sound Sensor” quando è presente solo il rumore di fondo della stanza. Quale valore per te osservi? Da A _

Quale valore osservi se parli con un tono di voce normale, a circa 60 cm di distanza dal sensore? Da A _

Ottieni una gamma di valori più ampia parlando o schioccando le dita (o battendo le mani) ripetutamente?

Sì o no: _ La rabbia per l'applauso/scatto va da _ a _

Perché pensi che sia così? _

Prova altri tipi di rumore e registra ciò che osservi, ma per favore non toccare la lavagna: _

P. S. I MEMS funzionano in entrambe le direzioni ed è possibile utilizzare l'elettricità per muovere le micro parti meccaniche. Una società chiamata "Audio Pixels" sta lavorando per raggruppare questi dispositivi per creare un minuscolo altoparlante perfettamente piatto in grado di puntare il suono in qualsiasi direzione.

Passaggio 7: accelerometri

Un accelerometro è anche un tipo di MEMS e uno di questi dispositivi è fornito sulla scheda "Circuit Playground". Il chip LIS3DH, vicino al centro della scheda accanto al grafico XYZ, offre la possibilità di misurare l'accelerazione in qualsiasi direzione come somma vettoriale dell'accelerazione nella direzione X, Y e Z.

Poiché la forza di gravità è identica alla forza percepita accelerando (teoria della relatività di Einstein), anche stando fermo qui sulla terra, il dispositivo misura un'accelerazione di 9,8 metri al secondo al secondo (9,8 m/s2).

Puoi ruotare il dispositivo per ottenere l'intera forza nella direzione "X".

Prova a inclinare il dispositivo in modo che tutta l'accelerazione sia nella direzione X (si prega di essere gentile con il cavo USB corto quando si torcono le cose). Quali valori hai osservato? X: _ Y: _ Z: _

Ora inclina il dispositivo per ottenere quasi tutta la forza di gravità (accelerazione) nella direzione Y. Quali valori hai osservato? X: _ Y: _ Z: _

Infine, posiziona il dispositivo in modo che l'accelerazione di gravità sia divisa tra le direzioni X e Y e sia quasi 0 nella direzione Z (da qualche parte tra le due posizioni precedenti). Quali valori hai osservato? X: _ Y: _ Z: _

Usa il teorema di Pitagora per aggiungere i vettori X e Y di accelerazione dalla misurazione precedente. Puoi ignorare i segni negativi, significa che il dispositivo è capovolto in quella direzione. Qual è l'accelerazione totale? _ Ricorda che l'accelerazione totale = √(X2 + Y2).

TENTA IL PROSSIMO ESPERIMENTO SOLO SE SEI TRIDIMENSIONALE! Inclinare il dispositivo in modo che l'accelerazione di gravità sia suddivisa tra le direzioni X, Y e Z. Quali valori hai osservato?

X: _ Y: _ Z: _ Accelerazione totale = _

Come puoi vedere, l'accelerometro (grazie alla forza di gravità) può essere utilizzato anche per misurare l'inclinazione – ovvero la posizione della tavola. Se dovessi costruire un braccio robotico con una pinza, dove potresti mettere il sensore dell'accelerometro e perché? _

Oltre all'inclinazione e alla direzione del centro della terra, gli accelerometri possono naturalmente misurare anche l'accelerazione. Spostare delicatamente la scheda avanti e indietro (si prega di fare attenzione con il cavo USB corto quando si attorcigliano le cose). Quali valori hai osservato?

Direzione spostata: _ X: _ Y: _ Z: _

Direzione spostata: _ X: _ Y: _ Z: _

Passaggio 8: hai finito

Congratulazioni per aver completato tutti questi passaggi e per aver capito i sensori elettronici!

Lascia un commento per inviarmi un feedback su cose che ritieni debbano essere migliorate e fammi anche sapere se hai trovato ulteriori utilizzi del sensore del Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD