Elektron sensorlarni tushunish: 8 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:28

Umumiy sanoat va maishiy datchiklarning ishlashini tushuntirishga mo'ljallangan ushbu "Ko'rsatma" sizga amaliy mashg'ulotlar va tajribalar yordamida real dunyoda sotuvda mavjud bo'lgan sensorlardan qanday foydalanishni o'rgatadi.

Bu dars quyidagilarni sezadigan davralarni qisqacha qamrab oladi.

• Haroratning o'zgarishi
• Tegilgan (teriga sig'adigan)
• Tegish (kalit va tugmalar)
• Nurdagi o'zgarishlar
• Ovozdagi o'zgarishlar
• Tezlanishdagi o'zgarishlar (harakat va tortishish kuchi)

Shuningdek, kerakli uskunalar va dasturiy ta'minot, buyumlarni qayerdan sotib olish / yuklab olish, raqamli chiqish sxemalarini o'rnatish, raqamli chiqishni o'qish va har bir sensorning qanday ishlashi haqida ma'lumot beriladi.

Qani boshladik!

1 -qadam: sinchkovlik bilan tekshirildi - atrof -muhitni sotib olish va yuklab olish

Siz ko'rsatma davomida ko'rasiz, bu dars tafsilotlari mahalliy universitetga tashrif buyurgan o'smirlar tomonidan Mexatronikaga (robototexnika va ishlab chiqarish) qiziqish doirasida sinchkovlik bilan tekshirilgan

Oreo cookie fayllari foydali, lekin shart emas

Adafruit odamlari bugun biz foydalanadigan "O'yin maydonchasi - klassik" deb nomlangan taxtani ishlab chiqarishdi va ular qurilmadan foydalanishning ko'plab usullarini sinab ko'rishdi. Siz ulardan bir nechtasini bu erda "O'rganish" sahifasida ko'rishingiz mumkin, bu ko'rsatmali laboratoriya tajribasi va kichik bosqichlarini deyarli kuzatadi-bu Adafruit "O'rganing" sahifasi, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -va bluetooth-kam quvvatli

Sizga kerak bo'lgan qismlar har xil yoshdagi tajribachilar uchun oddiy, arzon va ulardan foydalanish oson, hatto o'rta maktabda ham (12 yoshda, balki?)

1. Birinchidan, bu erda bir yoki bir nechta qurilmani sotib oling: https://www.adafruit.com/product/3000, shuningdek, kompyuterga ulanish uchun USB-dan Micro-B USB-adapteri bu erda https://www.adafruit.com/ mahsulot/898. Yetkazib berishning umumiy narxi 40 dollardan past, lekin siz uni arzonroq topishingiz mumkin.
2. Qimmatbaho O'yin maydonchasi va USB kabelini sotib olgandan so'ng, uni Arduino tipidagi qurilmalar uchun birlashtirilgan rivojlanish muhiti (IDE) bo'lgan shaxsiy kompyuterga ulashingiz kerak bo'ladi.
3. Bu misolda biz IDE arduino-1.8.4-windows-dan foydalanmoqdamiz, lekin boshqalar ham ishlaydi. Barcha drayverlarni o'rnatganingizga ishonch hosil qiling (bu holda, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. IDE -ni o'rnatganingizdan so'ng, "Arduino" deb nomlangan IDE -ni ochishingiz mumkin.
5. Fayl-> Tanlovlar ostiga "Qo'shimcha boshqaruv menejeri URL-manzilini" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac… kiriting, so'ng OK ni ayting va keyin IDE-ni yoping va qayta oching.
6. Endi Circuit Playground qurilmasini Micro USB bilan ulang. Ko'ring, u kamalak chiroqlarining ketma -ketligini ko'rsatish orqali "Circuit Playground Firmata" dasturini ishga tushiradi va ishlaydi. Siz tekshirishingiz mumkin, batareya quvvat ulagichi yonidagi kalit tartibni o'zgartiradi va tugmalardan biri har bir rang uchun yozuvni o'ynaydi.
7. O'yin maydonchasi kutubxonasini olishingiz kerak, so'ngra O'yin maydonidagi kutubxonani "Adafruit_CircuitPlayground -master" hujjatlari papkasida -Arduino -papkasida oching. Zip ochilgandan so'ng, papka nomidan "-master" qo'shimchasini olib tashlang. IDE -ni to'xtating va qayta ishga tushiring va asboblar -> taxtalar -> taxta menejeri ostidagi O'yin maydonchasi taxtasi turini yuklang va "Adafruit AVR" kalit so'zlarini qidiring. Bu sizga "Adafruit AVR platalarini" (oxirgi versiya) o'rnatishga imkon beradi, shundan so'ng siz IDE -ni to'xtatib, qayta ishga tushirishingiz kerak bo'ladi.
8. Endi siz O'yin maydonini demo dasturi bilan sinab ko'rishga tayyormiz. USB orqali ulangan O'yin maydonchasiga ulaning. Asboblar -> Kengashlarga o'ting va O'yin maydonchasini tanlashingizga ishonch hosil qiling. Asboblar -> Portlar -ga o'ting va tegishli COM portini (USB Blaster -ga ulangan) tanlaganingizga ishonch hosil qiling. Demo dasturini quyidagicha yuklab oling: Tanlang: Fayllar -> Misollar -> Adafruit Circuit PLayground -> demo, so'ngra kompilyatsiya qiling va yuklang (barchasini bajarish uchun "o'ngga yo'naltirilgan o'q" tugmachasidan foydalanishingiz mumkin).
9. Quyidagi amallarni bajarib, demo dasturini sinab ko'ring: O'yin maydonchasi kamalak ketma -ketligida miltillayotganini ko'ring. Slayder tugmachasini aylantiring va u notalar ijro etilishiga olib kelishini ko'ring (iltimos, uni o'chiring, aks holda u atrofdagilarni bezovta qiladi). Qizil yuklash LEDining vaqt tezligi yonib turishini ko'ring.
10. Endi siz O'yin maydonchasi bilan matnli interfeys orqali muloqot qilishingiz mumkin. IDE -dagi "Serial monitor" tugmasini bosing. Bu demo dasturi oynasining o'ng yuqori qismidagi kattalashtiruvchi oynaga o'xshaydi. Yaxshi ko'rish uchun siz avtomatik aylantirishni o'chirib qo'yishingiz mumkin.

Siz tajriba o'tkazishga va har xil sensorlarga ulanishga tayyormiz!

2 -qadam: haroratni sezish

Seriyali monitor matnidagi "harorat" qiymatiga qarang. 30 -yillarda u xona harorati qiymatiga ega bo'ladi. Men 39,43 daraja Selsiy bo'yicha o'lchaganman.

Haroratni o'lchash uchun ishlatiladigan termistor fotosuratda ko'rsatilgan. Bu sensor A0 va uning yonida termometrning grafigi bor.

Bosh barmog'ingizni harorat sensori ustiga sekin qo'ying va yuqori haroratga yetish uchun necha soniya kerakligini yozib oling. Bunga, shuningdek quyidagilarga e'tibor bering.

Barmoqlarning maksimal haroratiga erishish uchun _ soniya kerak bo'ldi.

Oxir -oqibat u erishgan eng yuqori harorat nima? _ C.

Farengeytda bu qiymat nima? _ F. MASLAHAT: F = (C * 1.8) + 32

Bu normal tana haroratidan issiqroqmi yoki sovuqroqmi? _

Kimning bosh barmog'i bilan bu termometrdan foydalanish isitma kasalligini aniqlash uchun yaxshi ko'rsatkich bo'larmidi?

Nima uchun? _

Termistor - qarshilikka qarab, haroratga qarab o'zgaradi. Ushbu qadamdagi rasmlardan biri odatda termistorning elektron sxemasini ko'rsatadi. ·

Ko'rsatilgan sxemada voltmetr ko'rsatkichi qanday bo'ladi? _ MASLAHATA: Vout = (5V * R1 Ohm) / (R1 Ohm + Termistor Ohm) kuchlanish bo'luvchi qoidasidan foydalaning.

Agar termistor "C gradusiga 1,5% qarshilik o'zgarishi" reytingiga ega bo'lsa - agar harorat 30 darajagacha ko'tarilsa, termistorning qarshiligi qanday bo'ladi? _ MASLAHAT: chunki 5 graduslik o'zgarish va har bir daraja qarshilikni 1,5%ga o'zgartirganda, biz termistor Ohms = (5 * 0,015) + 10 000 Ohmni olamiz.

32 daraja haroratda voltmetrda o'qish qanday bo'lar edi? _ MASLAHAT: Endi o'zgarish 7 daraja.

Ishlab chiqarish turlarida harorat sensori qayerda ishlatilishi mumkin?

3 -qadam: Sensorli sig'im sensori

Fotosuratda teginishni aniqlash uchun qaysi ulagichlardan (yoki "prokladkalar") foydalanish mumkinligi ko'rsatilgan. Ular sig'imli sensorli sensorlar deb ataladi, chunki ular inson tanasini kondensator deb nomlangan elektron komponent sifatida ishlatadi.

Xavfsizlik uchun biz har qanday elektr tokining juda past bo'lishini xohlaymiz. Shu sababli, prokladkalarga barcha tashqi ulanishlar 1 Mega Ohmli rezistor orqali umumiy maydonga o'tadi (chipning 30 -pinli), shuning uchun har qanday ikkita prokladkaning umumiy qarshiligi 2 Mega Ohmni tashkil qiladi.

• Agar har qanday ikkita prokladka orasidagi tepalik kuchlanishi 5 volt, qarshilik esa 2 megamm bo'lsa, ular qisqa tutashuvli bo'lsa, har qanday ikkita prokladkaning orasidagi oqim qanday bo'ladi? _ (ularni qisqa tutashuv qilmang)
• "Capsense" - bu matn interfeysi orqali ko'rsatiladigan raqamlar. Qaysi holatda raqamlar kattaroq, sensorlarga tegsa yoki ularga tegmasa? _
• Sensorlarga tegilmaganda raqamlarga misollar yozing: _
• Sensorlarga tegilganda raqamlarga misollar yozing: _
• Bir vaqtning o'zida bir nechta sensorlarga tegsa, qanday farqni ko'rasiz? _
• Agar siz metall buyumni ushlasangiz va sensor bilan ushlasangiz nima bo'ladi? _
• Agar siz metall bo'lmagan narsalarni ushlab tursangiz va sensor bilan ushlasangiz nima bo'ladi? _
• Kapasitiv sensorli sensorlarning harakatlanuvchi qismlari bo'lmaganligi uchun ular tebranishga juda chidamli. Bundan tashqari, ular suv o'tkazmaydigan himoya qoplamasi bilan qoplanishi mumkin. Nima uchun bu ikki jihat ishlab chiqarish muhitida foydali bo'lishi mumkin? _

4 -qadam: An'anaviy tugmalar va slayder kalitlari

Bosish tugmachalari va kalitlari shunchalik sodda va "har kungi" bo'lib tuyuladiki, biz ularni datchik sifatida ishlatishga odatlangan holda qabul qilamiz. Klaviatura ajoyib misol. Qachonki biz tez terishni xohlasak, "soxta" tugmachalari kam va uzoq yillar ishlatilgan - mexanik kalitlar (klaviaturadagi har bir tugma ostida).

Bugun biz foydalanayotgan sxemada uchta tugmachali "intervalgacha" kalit mavjud. Bu shuni anglatadiki, siz tugmani qo'yib yuborsangiz, ular asl holatiga qaytadi (buloqli mexanizm tufayli). Shuningdek, sxemada ikki pozitsiyali slaydni almashtirishga mo'ljallangan sensor mavjud. Uni siljitish uchun biroz harakat talab qilinishi mumkin, lekin buni qilishga urinayotgan taxtani sindirmang - bosganingizdan ko'ra yon tomonga qattiqroq suring. Ushbu turdagi sensor juda barqaror. Barqaror degani, siz uni bir joyga yoki boshqa joyga siljitganingizda, siz uzoq vaqtdan keyin uzoqlashib, orqaga qaytishingizni kutishingiz mumkin va hatto u tebranadigan yuzada bo'lsa ham, xuddi shunday holatda bo'ladi., va boshqalar.

Ishlab chiqarishda yoki hatto sizning uyingizda bunday slaydni almashtirishni qayerda ko'rdingiz?

_

Matn chiqishiga qarang va sensor ma'lumotlarini toping. Bunday holda, sensor raqamni emas, balki boshqa narsani ko'rsatishi mumkin.

"Slayd" tugmasi o'z o'rnini ko'rsatishi kerak. "Slayd" sensori ikkita pozitsiyada qanday qiymatlarni oladi?

_

Slaydning ikkita pozitsiyasidan birida boshqa narsa sodir bo'ladi. Bu nima?

_

P. S. Boshqalarga xushmuomalalik bilan, ushbu bo'limni tugatgandan so'ng, kalitni "kamroq zerikarli" holatiga o'tkazing.

5 -qadam: yorug'lik sensori

Harorat sensori singari, "O'yin maydonchasi" taxtasidagi yorug'lik sensori sxemasi kuchlanishni taqsimlovchi sxemadan foydalanadi - bu erda qurilmani boshqaruvchi 5 voltsli sensor va aniq qiymatli rezistor orqali ikki qismga bo'linadi. "Termistor" o'rniga yorug'lik sezgichi yorug'lik tushishiga qarab qarshilikni o'zgartiradigan "foto-tranzistor" dan foydalanadi. Siz "A5" foto-tranzistorini elektron kartadagi ko'z chizig'ining yonida ko'rishingiz mumkin.

Agar yorug'lik sensori xonaning shipiga (chiroqlar tomon) qaragan bo'lsa, "yorug'lik sensori" qiymati yuzlab bo'lishi kerak.

"Ko'z" xonaning shiftiga qaraganida, "yorug'lik sensori" ning qanday qiymatini ko'rasiz?

_

Agar siz "ko'zni" erga qaratsangiz nima bo'ladi - qanday raqamni kuzatasiz? _

Agar siz "ko'zni" ship va zamin o'rtasida turli burchaklarda ko'rsatsangiz -chi? - Siz nimani kuzatganingizni, shu jumladan siz kuzatgan raqamlarning qiymatlarini va bu raqamlarni olish uchun nima qilganingizni tasvirlab bering. _

Agar siz sensorni yopiq (lekin tegmaydigan) qorong'i matoga yo'naltirsangiz -chi, qanday raqamni kuzatasiz? _

Barmog'ingiz bilan uni yopib ("ko'z" yaqinidagi sensor) raqamni pastga tushirish kerak. Shundaymi? _

E'tibor bering, barmog'ingiz yarim shaffof, shuning uchun yonib turgan LEDning yorqin chiroqlari uni barmog'ingiz orqali yoritishi mumkin. Kamroq raqamni olish uchun sensorni yashirish uchun yana nima ishlatishingiz mumkin? _

Yorug'lik datchiklari biroz murakkab bo'lishi mumkin - har doim ham siz kutgan aniq o'qishni bermaydi va aksincha, shaffoflik, yorug'lik burchagi va yorug'likning yorqinligiga bog'liq. Ishlab chiqarish ko'rish tizimlari ushbu o'zgaruvchilarni qattiq nazorat qilib, bu cheklovlardan o'tishga intiladi. Masalan, shtrix-kod skaneri xona yoritilishining ta'sirini kamaytirish uchun yorqin rangli bitta rangli lazer chizig'idan foydalanishi mumkin. Boshqa bir misolda, sutli kartonli konveyer tasmasi "garaj eshigi" uslubidagi yorug'lik sezgichidan foydalanadi, sut qutilarini hisoblash, ular orasidagi yorug'lik necha marta o'tishini hisoblash.

Ishlab chiqarishdan, uydan yoki biznesdan boshqa misol keltiring, bu yorug'lik o'zgaruvchilarining ba'zilari yorug'lik sensori yaxshiroq natija olish uchun boshqariladi (men yuqorida aytib o'tgan misollardan tashqari):

6 -qadam: Ovoz sensori

"O'chirish maydonchasi" dagi ovoz sensori aslida juda murakkab mikro-elektromekanik tizim (MEMS) bo'lib, u nafaqat ovoz darajasini aniqlash uchun, balki asosiy chastota tahlilini ham bajarishi mumkin. Siz musiqa studiyasida yoki musiqa pleyerining ilovasida spektrli analizatorni ko'rgandirsiz, u chap tomonda past notalar va o'ng tomonda yuqori notalar bo'lgan chiziqli grafikaga o'xshaydi (xuddi grafik ekvalayzerda bo'lgani kabi).

Matnni o'qishda ko'rsatiladigan qiymat, aslida, to'lqinlarning xom shakli. Ovozning umumiy quvvatini (ovoz bosimi darajasi) topish uchun vaqt o'tishi bilan qiymatlarni qo'shish kerak bo'ladi.

Shunga qaramay, ushbu MEMS qurilmasi tovushlar mavjud bo'lganda yoki ma'lum bir tovush ketma -ketligi eshitilganda, robot yoki boshqa qurilma harakatlarini boshlash uchun ishlatilishi mumkin. Bundan tashqari, MEMS juda kichik (bu metall qutidagi kichik tuynuk ostidagi, taxtadagi "quloq" chizig'ining yonidagi qurilma) va quvvati past. Bu kombinatsiya MEMS qurilmalarini akustik, biomedikal, mikro suyuqlikni aniqlash, mikroxirurgik asboblar, gaz va kimyoviy oqim sensorlar va boshqalar uchun juda foydali qiladi.

Chiqish ovozli to'lqin shakli bo'lgani uchun (va quvvat darajasi emas), hamma narsa tinch bo'lganda (~ 330 - mutlaqo jim xonaning o'rtasi) va baland shovqinlar uchun kengroq tebranishlarni (0 dan 800 gacha) ko'rsangiz, siz qiymatlarni kamroq ko'rasiz.).

"Ovoz sensori" qiymatlarini faqat xonaning fon shovqini bo'lganda yozib oling. Siz nimani qadrlaysiz? Ushbudan boshlab: ushbugacha _

Oddiy ovoz ohangida gapirganda - sensordan 2 fut yoki undan uzoqroqda gapirsangiz, qanday qiymatni ko'rasiz? Ushbudan boshlab: ushbugacha _

Gapirish yoki barmoqlaringizni bir necha marta urish (yoki qarsak chalish) orqali siz ko'proq qadriyatlarga ega bo'lasizmi?

Ha yoki yo'q: _ Qarsak olishdan g'azablanish _dan _gacha davom etadi.

Nima deb o'ylaysiz? _

Boshqa turdagi shovqinlarni sinab ko'ring va kuzatganlaringizni yozib oling - lekin taxtaga tegmang: _

P. S. MEMS har ikki yo'nalishda ham ishlaydi va mikro mexanik qismlarni harakatlantirish uchun elektr energiyasidan foydalanish mumkin. "Audio Pixels" deb nomlangan kompaniya bu qurilmalarni guruhlab, ovozni istalgan tomonga yo'naltira oladigan, mukammal tekis tekis karnay yasash ustida ishlamoqda.

7 -qadam: akselerometr

Akselerometr ham MEMS turiga kiradi va ulardan biri "O'yin maydonchasi" taxtasida joylashgan. LIS3DH chipi, XYZ Graphic yonidagi taxtaning markaziga yaqin, har qanday yo'nalishda tezlikni o'lchash qobiliyatini beradi, bu tezlanishning vektor yig'indisi X, Y va Z yo'nalishlarida.

Og'irlik kuchi tezlashganda seziladigan kuch bilan bir xil bo'lgani uchun (Eynshteynning nisbiylik nazariyasi), hatto er yuzida turganda ham, qurilma sekundiga 9,8 metr tezlikni o'lchaydi (9,8 m/s2).

Siz butun kuchni "X" yo'nalishi bo'yicha aylantirishingiz mumkin.

Qurilmani egilishga harakat qiling, shunda barcha tezlashuvlar X yo'nalishda bo'ladi (atrofdagi narsalarni burish paytida qisqa USB kabeli bilan yumshoq bo'ling). Siz qanday qadriyatlarni kuzatdingiz? X: _ Y: _ Z: _

Endi deyarli barcha tortishish kuchini (tezlanishini) Y yo'nalishi bo'yicha olish uchun qurilmani egib qo'ying. Siz qanday qadriyatlarni kuzatdingiz? X: _ Y: _ Z: _

Nihoyat, qurilmani tortishish tezligi X va Y yo'nalishlari o'rtasida bo'linadigan qilib joylashtiring va Z yo'nalishi bo'yicha deyarli 0 ga teng (oldingi ikkita pozitsiya o'rtasida). Siz qanday qadriyatlarni kuzatdingiz? X: _ Y: _ Z: _

Oldingi o'lchovdan X va Y tezlanish vektorlarini qo'shish uchun Pifagor teoremasidan foydalaning. Siz salbiy belgilarni e'tiborsiz qoldirishingiz mumkin, bu shuni anglatadiki, qurilma teskari yo'nalishda. Umumiy tezlanish nima? _ Eslatib o'tamiz, umumiy tezlanish = √ (X2 + Y2).

Keyingi tajribaga faqat uch o'lchovli bo'lsangiz harakat qiling! Qurilmani tortish tezligi X, Y va Z yo'nalishlarga bo'linadigan qilib eging. Siz qanday qadriyatlarni kuzatdingiz?

X: _ Y: _ Z: _ Umumiy tezlanish = _

Ko'rib turganingizdek, akselerometr (tortish kuchi tufayli) qiyalikni yoki taxtaning holatini o'lchash uchun ham ishlatilishi mumkin. Agar siz tutqichli robot qo'lini qurayotgan bo'lsangiz, akselerometr sensorini qaerga qo'yishingiz mumkin va nima uchun? _

Nishab va yer markazining yo'nalishidan tashqari, akselerometrlar ham tezlikni o'lchashi mumkin. Taxtani oldinga va orqaga sekin siljiting (atrofdagi narsalarni burish paytida qisqa USB kabeli bilan yumshoq bo'ling). Siz qanday qadriyatlarni kuzatdingiz?

Yo'nalish ko'chirildi: _ X: _ Y: _ Z: _

Yo'nalish ko'chirildi: _ X: _ Y: _ Z: _

8 -qadam: Siz tugadingiz

Ushbu qadamlarni bajarganingiz va elektron sensorlarni tushunganingiz bilan tabriklaymiz!

Fikringizni qoldiring, menimcha, siz yaxshilanishi kerak bo'lgan narsalar haqida fikr -mulohazalaringizni yuboring, shuningdek, Circuit Playground Classic -dan qo'shimcha sensorlardan foydalangan bo'lsangiz, menga xabar bering!

Pol Nussbaum, fan doktori