Arduino -ni fuqarolik fani uchun ishlatish !: 14 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Ilm -fan bizga eng dolzarb savollarimizni berishga va har xil qiziqishlarni o'rganishga imkon beradi. Bir oz o'ylab, tirishqoqlik va sabr -toqat bilan biz o'z tadqiqotlarimizdan foydalanib, atrofimizdagi murakkab va go'zal dunyoni yaxshiroq tushunish va qadrlashimiz mumkin.

Bu qo'llanma sizga Arduino (uno) mikrokontrolleridan qanday foydalanishni, har xil turdagi sensorlardan foydalanishni, ma'lumotlarni yig'ish va vizualizatsiya qilishni o'rgatadi. Yo'l davomida biz uchta loyihani quramiz: burilish tugmasi, harorat va namlik sensori va yorug'lik sensori!

Qiyinchilik darajasi: boshlovchi

O'qish vaqti: 20 min

Qurilish vaqti: sizning loyihangizga bog'liq! (Ushbu darslikdagi loyihalar taxminan 15-20 daqiqa davom etadi)

1 -qadam: Pssst, fuqarolik fani va "rasmiy fan" o'rtasidagi farq nima?

Eng katta farq shundaki, fuqarolik fani, men aytmoqchi bo'lganidek, "qo'l to'lqinli", demak, ko'plab xatolar va noaniqliklar mavjud va ularni aniqlashda jiddiy jarayon yo'q. Shu sababli, fuqarolik fani orqali chiqarilgan xulosalar fan-fanga qaraganda ancha aniq emas va jiddiy/hayotni o'zgartiruvchi/hayotga xavf soluvchi da'volar yoki qarorlar qabul qilinishiga ishonmaslik kerak.

Aytish joizki, fuqarolik fani-bu har xil ajoyib ilmiy hodisalarni tubdan tushunishning ajoyib usuli va kundalik dasturlarning ko'pchiligi uchun etarlicha yaxshi.

*Agar siz fuqarolik fani bilan shug'ullanayotgan bo'lsangiz va potentsial xavfli narsani kashf qilsangiz (masalan, suvda qo'rg'oshinning yuqori darajasi), o'qituvchingizga xabar bering (agar mavjud bo'lsa) va yordam uchun tegishli idoralar va mutaxassislarga murojaat qiling.

2 -qadam: Arduino nima?

Arduino - bu mikrokontroldorlar paneli va Integrated Development Environment ("IDE"), bu "kodlash dasturi" ni aytishning ajoyib usuli. Yangi boshlanuvchilar uchun men Arduino Uno taxtalarini tavsiya qilaman, chunki ular juda mustahkam, ishonchli va kuchli.

Arduino platalari fuqarolik fanlari loyihalari uchun yaxshi tanlovdir, chunki ular analog va raqamli datchiklarda o'qish uchun juda ko'p kirish pinlariga ega (bu haqda keyinroq bilib olamiz).

Albatta, siz (yoki o'quvchilaringizning) ehtiyojlari, qobiliyati va qulaylik darajasiga qarab, fuqarolik fanlari uchun boshqa mikrokontrollerlardan foydalanishingiz mumkin. Siz uchun eng yaxshisini tanlashga yordam beradigan mikrokontrollerlarning umumiy ko'rinishi!

Arduino kartasini yoqish yoki dasturlash uchun uni USB orqali ulang, so'ng:

1. Asboblar -> Kengashlar ostida siz foydalanayotgan Arduino turini tanlang. (2 -rasm)

2. Portni tanlang (aka kompyuteringizga ulangan joy). (3 -rasm)

3. Yuklab olish tugmasini bosing va u yuklashni tugatganligini tekshiring. (4 -rasm)

3 -qadam: Asboblar va materiallar

Agar siz endigina boshlayotgan bo'lsangiz, to'plamni birdaniga bir nechta qismlarni olishning tez va oson usuli. Men bu darslikda foydalanadigan to'plam - Elegoo Arduino boshlang'ich to'plami.

Asboblar

• Arduino Uno
• USB A - B kabeli (printer kabeli)

• Jumper simlari

  • 3 erkak-erkak
  • 3 erkak-ayol

• Non paneli

  Majburiy emas, lekin hayotingizni oson va qiziqarli qilish uchun tavsiya etiladi:)

Materiallar

Ushbu qo'llanmada keltirilgan loyihalar uchun sizga Elegoo Arduino boshlang'ich to'plamining ushbu qismlari kerak bo'ladi:

• Burilish tugmasi
• DTH11 harorat va namlik sensori
• LED
• 100 Ohm qarshilik

*To'liq oshkor qilish: Men xuddi shu to'plamlarni ustaxonalar uchun sotib olaman, lekin bu qo'llanmada ishlatilgan to'plamni Elegoo -dagi sevimli odamlar sovg'a qilishgan.

4 -qadam: Qanday turdagi sensorlardan foydalanishimiz mumkin?

Ilmiy tajribani loyihalashda biz odatda savol bilan boshlaymiz: O'simliklar bir kunda qancha CO2 yutadi? Sakrashning zarba kuchi nima? Ong nima?

Bizning savolimizga asoslanib, biz nimani o'lchashni xohlayotganimizni aniqlay olamiz va ma'lumotlarni to'plash uchun qanday sensordan foydalanishimiz mumkinligini aniqlashimiz mumkin (garchi bu oxirgi savol uchun ma'lumotlarni yig'ish biroz qiyin bo'lsa ham!).

Elektronika bilan ishlashda sensorlar ma'lumotlarining ikkita asosiy turi mavjud: Raqamli va Analog. Suratda qismlarning birinchi ikki qatori raqamli datchiklar, yuqori ikki qator esa analog.

Raqamli sensorlarning har xil turlari mavjud va ularning ba'zilari bilan ishlash boshqalarga qaraganda qiyinroq. Fuqarolaringizning ilmiy loyihasi bo'yicha tadqiqot olib borayotganda, har doim sensorning ma'lumotlarni qanday chiqarishini tekshiring va shu sensor uchun (Arduino) kutubxonasini topishingizga ishonch hosil qiling.

Ushbu qo'llanmada keltirilgan uchta loyihada biz ikkita turdagi raqamli sensorlar va bitta analog sensorlardan foydalanamiz. Keling, o'rganamiz!

5 -qadam: Raqamli sensorlar! 1 -qism: Oson odamlar

Sensorlarning ko'pchiligi raqamli signalni ishlatadi, bu signal yoqilgan yoki o'chirilgan.* Biz bu ikki holatni ifodalash uchun ikkilik raqamlardan foydalanamiz: yoqish signali 1 yoki True bilan beriladi, O'chirish esa 0, yoki yolg'on. Agar biz ikkilik signal qanday ko'rinishini chizadigan bo'lsak, bu 2 -rasmdagi kabi to'lqin bo'ladi.

Raqamli datchiklar bor, masalan, kalitlar, o'lchash juda oson va sodda, chunki tugma bosilsa, biz signal olamiz (1), yoki u bosilmaydi va bizda signal yo'q (0). Birinchi fotosuratning pastki qatorida tasvirlangan datchiklarning hammasi yoqish/o'chirishning oddiy turlari. Yuqori qatorda joylashgan sensorlar biroz murakkabroq va bizning birinchi loyihamizdan keyin qoplangan.

Bu darslikdagi dastlabki ikkita loyiha sizga ikkala turni ham ishlatishni o'rgatadi! Birinchi loyihamizni qurishda davom eting !!

*On - elektr toki va kuchlanish ko'rinishidagi elektr signalini bildiradi. O'chirish elektr signalining yo'qligini anglatadi!

6 -qadam: 1 -loyiha: Tilt Switch raqamli sensori

Bu birinchi loyiha uchun, ikki oyoqli, qora silindrsimon sensorni burish kalitidan foydalanamiz! 1 -qadam: burilish kalitining bir oyog'ini Arduino Digital Pin 13 ga, ikkinchi oyog'ini GND piniga 13 -pinning yoniga joylashtiring. muhim emas.

2 -qadam: Raqamli pin 13 holatini o'qadigan va chop etadigan eskiz yozing

Yoki siz shunchaki menikidan foydalanishingiz mumkin!

Agar siz kodlashni endigina boshlayotgan bo'lsangiz, eskiz qanday ishlashini yaxshiroq tushunish uchun sharhlarni o'qing va nima bo'lishini bilish uchun ba'zi narsalarni o'zgartiring! Biror narsani buzish yaxshi, bu o'rganishning ajoyib usuli! Siz har doim faylni qayta yuklab olishingiz va boshidan boshlashingiz mumkin:)

3 -qadam: Jonli ma'lumotlarni ko'rish uchun Serial Monitor tugmasini bosing (2 -rasm)

.. aaa va hammasi shu! Endi siz burilish tugmachasidan foydalanib, yo'nalishni o'lchashingiz mumkin! Mushukchani biror narsa yiqitganda uni chaqiradigan qilib sozlang yoki bo'ron paytida daraxt shoxlari qanday harakat qilayotganini kuzatib boring!.. va, ehtimol, bu ikki chegaraning o'rtasida boshqa ilovalar ham bor.

7 -qadam: Raqamli sensorlar! 2 -qism: PWM va ketma -ket aloqa

Keyinchalik murakkab raqamli signallarni yaratishning ko'plab usullari mavjud! Bir usul puls kengligi modulyatsiyasi ("PWM") deb nomlanadi, bu ma'lum vaqt davomida yoqilgan va ma'lum vaqt davomida o'chirilgan signalni aytishning ajoyib usuli. Servo dvigatellar (ular o'rnini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin) va ultratovushli sensorlar PWM signallarini ishlatadigan sensorlarga misol bo'la oladi.

Ma'lumotlarni bir vaqtning o'zida bitta bitli yoki ikkilik raqamli yuborish uchun ketma -ket aloqadan foydalanadigan sensorlar ham mavjud. Bu datchiklar ma'lumotlar jadvallarini o'qish bilan tanishishni talab qiladi va agar siz endigina boshlayotgan bo'lsangiz, bu juda qiyin bo'lishi mumkin. Yaxshiyamki, odatiy ketma -ket sensorlar kod kutubxonalari* va namunaviy dasturlarga ega bo'ladi, shuning uchun siz hali ham biron bir funktsiyani birlashtira olasiz. Ketma -ket aloqa protokollari haqida batafsil ma'lumot bu darslik doirasidan tashqarida, lekin bu erda ko'proq ma'lumot olish uchun SparkFun -dan ketma -ket aloqa bo'yicha ajoyib manba!

Namuna loyihasi uchun harorat va namlik sensori (DHT11) dan foydalanaylik! Bu teshiklari va 3 pinli ko'k rangli kvadrat.

Birinchidan, bizga DHT11 sensori uchun bir nechta maxsus kutubxona kerak bo'ladi: DHT11 kutubxonasi va Adafruit birlashtirilgan sensorlar kutubxonasi.

1 -qadam: Sketch -> Kutubxonalar -> Kutubxonani boshqarish -ga o'ting Arduino kutubxona menejerini oching (2 -rasm)

2 -qadam: DHT kutubxonasini o'rnating va faollashtiring, "DHT" ni qidiring va "DHT Arduino kutubxonasi" ni o'rnatish uchun bosing (3 -rasm).

3 -qadam: Adafruit Unified Sensor kutubxonasini o'rnating va faollashtiring, "Adafruit Unified Sensor" ni qidirib, O'rnatishni bosing.

4 -qadam: Sketch -> Kutubxonalar bo'limiga o'ting va "DHT Arduino kutubxonasi" ni bosing va DHT kutubxonasini ochiq eskizga kiriting. 4 -rasm. kutubxona endi faol va foydalanishga tayyor! (5 -rasm)

*Xuddi sizning sevimli mahalliy kutubxonangiz singari, kod kutubxonalari ham bilim va boshqa odamlarning mehnati bo'lib, biz o'z hayotimizni osonlashtiramiz.

8 -qadam: 2 -loyiha: Harorat va namlikning raqamli seriyali sensori

Elegoo Arduino boshlang'ich to'plamidan erkak-ayol 3 ta o'tish simini oling va biz borishga tayyormiz!

1 -qadam: Sarlavha pimlari sizga qaragan holda, DHT11 ustidagi eng o'ngdagi bosh pinini Arduino topraklama ("GND") piniga ulang.

2 -qadam: O'rta sarlavha pinini Arduino 5V chiqish piniga ulang.

3 -qadam: Arduino Raqamli Pin 2 -ning eng chap burchagini ulang

4 -qadam: Nihoyat, DHT kutubxonasini o'qing va eskiz yozishda qo'lingizni sinab ko'ring! Oooor siz Arduino ichidagi meniki yoki DHT test namunasi eskizidan foydalanishingiz mumkin -> Misollar!

Ishga tushganingizdan so'ng, hamma narsaning harorati va namligini o'lchang!.. Yilning turli vaqtlarida * mukammal * yuborish tempini topish uchun hayvonning nafasi, issiqxona yoki sizning sevimli toqqa chiqish joyingiz kabi.

9 -qadam: Analog sensorlar

Raqamli datchiklarga sho'ng'ishdan keyin analog sensorlar shamoldek tuyulishi mumkin! Analog signallar 2 -rasmda ko'rsatilgandek uzluksiz signaldir. Jismoniy dunyoning ko'p qismi analogda mavjud (masalan, harorat, yosh, bosim va boshqalar), lekin kompyuterlar raqamli*bo'lgani uchun ko'pchilik sensorlar raqamli signal chiqaradi. Ba'zi mikrokontrollerlar, masalan, Arduino platalari, analog signallarda o'qishlari mumkin **.

Ko'pgina analog sensorlar uchun biz sensor quvvatini beramiz, keyin analog signal pinlari yordamida analog signalda o'qiymiz. Ushbu sinov uchun biz yorug'lik chiqarilganda LEDdagi kuchlanishni o'lchash uchun oddiyroq sozlamalardan foydalanamiz.

*Kompyuterlar ma'lumotlarni saqlash va uzatish uchun raqamli signallardan foydalanadilar. Buning sababi shundaki, raqamli signallarni aniqlash osonroq va ishonchliroq, chunki biz tashvishlanishimiz kerak bo'lgan narsa - signal olish yoki signal sifati/aniqligi haqida qayg'urish emas.

** Raqamli qurilmadagi analog signalda o'qish uchun biz analog signalga yaqin keladigan analog-raqamli yoki ADC konvertoridan foydalanishimiz kerak, bu kirishni qurilmadagi ma'lum kuchlanish bilan taqqoslab, keyin qancha vaqtni hisoblab chiqadi. kirish voltajiga erishish uchun kerak. Qo'shimcha ma'lumot olish uchun bu foydali sayt.

10 -qadam: 3 -loyiha: yorug'lik sensori sifatida LED

LEDni (oqdan tashqari har qanday rang), 100 Ohmli rezistorni va 2 o'tish kabelini oling. Oh, va non paneli!

1 -qadam: LEDni uzun oyog'i o'ng tomonda joylashgan non paneliga joylashtiring.

2 -qadam: Arduino analog pin A0 va uzunroq LED oyog'idan o'tish simini ulang

3 -qadam: Rezistorni qisqa LED oyog'i va non panelidagi salbiy elektr rayı (ko'k chiziq yonida) o'rtasida ulang.

4 -qadam: Arduino GND pinini non taxtasidagi manfiy quvvat simiga ulang.

5 -qadam: A0 analog pinida o'qiladigan va ketma -ket monitorga chop etiladigan eskizni yozing

Mana, boshlash uchun namuna kodi.

11 -qadam: ma'lumotlarni vizualizatsiya qilish: Arduino IDE

Arduino IDE ma'lumotlarni vizualizatsiya qilish uchun o'rnatilgan vositalar bilan ta'minlangan. Biz allaqachon ketma -ket monitor asoslarini o'rganib chiqdik, bu bizga sensor qiymatlarini chop etish imkonini beradi. Agar siz ma'lumotlarni saqlamoqchi va tahlil qilmoqchi bo'lsangiz, chiqishni to'g'ridan -to'g'ri ketma -ket monitordan nusxa ko'chiring va matn muharriri, elektron jadval yoki boshqa ma'lumotlarni tahlil qilish vositasiga joylashtiring.

Ma'lumotlarimizni Arduino dasturida ko'rishimiz mumkin bo'lgan ikkinchi vosita - bu Serial monitorning vizual versiyasi (aka grafik) - Serial Plotter. Ketma -ket Plotter -dan foydalanish uchun Tools Serial Plotter -ga o'ting. 2 -rasmdagi grafik - bu 3 -loyihadagi yorug'lik sensori sifatida LEDning chiqishi!*

Syujet avtomatik ravishda o'lchanadi va siz sensorlar uchun Serial.println () dan foydalansangiz, u sizning barcha datchiklaringizni turli ranglarda chop etadi. Xayr! Bo'ldi shu!

*Agar siz oxirigacha qarasangiz, bizning chiroqlarimizdagi o'zgaruvchan tok ("AC") tufayli juda qiziqarli to'lqinlar sxemasi mavjud!

12 -qadam: ma'lumotlarni vizualizatsiya qilish: Excel! 1 -qism

Ma'lumotni jiddiyroq tahlil qilish uchun Excel uchun Data Streamer*deb nomlangan juda zo'r (va bepul!) Qo'shimchasi mavjud, uni bu erdan yuklab olishingiz mumkin.

Bu plagin ketma-ket portdan o'qiladi, shuning uchun biz ma'lumotlarni Excelga to'g'ridan-to'g'ri olish uchun ma'lumotlarni ketma-ket chop etishning bir xil kodlash texnikasidan foydalanishimiz mumkin.. ha ha !!

Ma'lumot uzatuvchi qo'shimchasidan qanday foydalanish kerak:

1. O'rnatganingizdan so'ng (yoki sizda O365 bo'lsa), Excelda Data Streamer yorlig'ini (o'ngda) bosing.

2. Arduino-ni ulang va "Qurilmani ulash" -ni bosing, so'ngra ochiladigan menyudan Arduino-ni tanlang. (1-rasm)

3. Ma'lumot yig'ishni boshlash uchun "Ma'lumotni ishga tushirish" tugmasini bosing! (2 -rasm) Siz uchta yangi varaqni ko'rasiz: "Ma'lumotlar kirishi", "Ma'lumotlar chiqishi" va "Sozlamalar".

Ma'lumotlar ma'lumotlar sahifasida jonli ma'lumotlar chop etiladi. (3 -rasm) Har bir satr sensori o'qishiga mos keladi va oxirgi satrda eng yangi qiymat chop etiladi.

Odatiy bo'lib, biz faqat 15 qatorli ma'lumotlarni olamiz, lekin siz buni "Sozlamalar" ga o'tish orqali o'zgartirishingiz mumkin. Biz 500 qatorgacha to'plashimiz mumkin (chegara Excelning o'tkazuvchanligi bilan bog'liq - fonda ko'p narsa sodir bo'lyapti!).

*To'liq oshkor qilish: Garchi bu qo'llanma bog'liq bo'lmasa-da, men ushbu plaginni ishlab chiqqan Microsoft Hacking STEM jamoasi bilan ishlayman.

13 -qadam: ma'lumotlarni vizualizatsiya qilish: Excel! 2 -qism

4. Ma'lumotlar uchastkasini qo'shing! Ma'lumotni tahlil qiling! Tarqatish uchastkalari vaqt o'tishi bilan sensor o'qishlari qanday o'zgarishini ko'rsatadi, bu biz Arduino Serial Plotter -da ko'rgan narsamiz.

Tarqatish uchastkasini qo'shish uchun:

Qo'shish -> Diagrammalar -> Tarqalish -ga o'ting. Hujjat paydo bo'lganda, sichqonchaning o'ng tugmachasini bosing va "Ma'lumotni tanlash" -ni tanlang, so'ngra Qo'shish. Ma'lumotlarimiz y o'qida, x o'qida "vaqt"* ko'rsatilishini xohlaymiz. Buning uchun y o'qi yonidagi o'qni bosing, Ma'lumotlar varagiga o'ting va kiruvchi sensor ma'lumotlarining barchasini tanlang (2-rasm).

Biz Excel -da hisob -kitob va taqqoslashni ham qila olamiz! Formulani yozish uchun bo'sh katakchani bosing va unga tenglik belgisini kiriting ("="), keyin siz hisoblashni xohlaysiz. O'rta, maksimal va minimal kabi ko'plab o'rnatilgan buyruqlar mavjud.

Buyruqni ishlatish uchun tenglik belgisini, buyruq nomini va ochiq qavsni kiriting, so'ng tahlil qilayotgan ma'lumotlarni tanlang va qavsni yoping (3 -rasm)

5. Bir nechta ma'lumotlar ustunini yuborish uchun (AKA bir nechta sensorlar), xuddi shu satrda vergul bilan ajratilgan, oxirgi bo'sh yangi satr bilan quyidagi qiymatlarni chop eting:

Ketma -ket chop etish (sensorReading1);

Serial.print (","); Ketma -ket chop etish (sensorReading2); Serial.print (","); Serial.println ();

*Agar siz haqiqiy vaqt x o'qida bo'lishini xohlasangiz, Tarqatish uchastkasidagi x o'qi qiymatlari uchun Ma'lumotlar varag'i A ustunidagi vaqt tamg'asini tanlang. Qanday bo'lmasin, vaqt o'tishi bilan ma'lumotlarimiz o'zgaradi.

14 -qadam: Oldinga boring va hamma narsani o'lchang !

Yaxshi odamlar, hammasi shu! Tashqariga va yuqoriga chiqish vaqti keldi! Bu katta, go'zal dunyoda savollaringizni, qiziqishlaringizni va sevimli sirlaringizni hal qilish uchun sensorlarni, Arduino kodlashni va ma'lumotlarni tahlil qilishni o'rganishni boshlash uchun asos sifatida foydalaning.

Esda tuting: bu erda sizga yordam beradigan ko'plab odamlar bor, shuning uchun agar savolingiz bo'lsa, sharh qoldiring!

Yana fikrlar kerakmi? Quyida taqiladigan holatni o'zgartirish kalitini, quyosh energiyali masofadan boshqariladigan harorat sensori va Internetga ulangan sanoat o'lchovini qanday qilish kerakligi ko'rsatilgan.

Bu darslik sizga yoqdimi va ko'proq ko'rishni xohlaysizmi? Patreon -dagi loyihalarimizni qo'llab -quvvatlang!: D