Азаматтық ғылым үшін Arduino қолдану!: 14 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Ғылым бізге өзекті сұрақтарды қоюға және барлық қызығушылықтарды зерттеуге мүмкіндік береді. Біраз ойлану, еңбекқорлық пен шыдамдылықпен біз өз зерттеулерімізді айналамыздағы күрделі және әдемі әлемді жақсырақ түсіну мен бағалау үшін қолдана аламыз.

Бұл оқулық сізге Arduino (uno) микроконтроллерін қолдануды, сенсорлардың әр түрін қолдануды, деректерді жинау мен визуализациялауды үйретеді. Жол бойында біз үш жоба жасаймыз: көлбеу қосқыш, температура мен ылғалдылық сенсоры және жарық сенсоры!

Қиындық деңгейі: бастаушы

Оқу уақыты: 20 мин

Жасалу уақыты: Сіздің жобаңызға байланысты! (Бұл оқулықтағы жобалар шамамен 15-20 минутты алады)

1 -қадам: Pssst, Азаматтық ғылым мен «ресми ғылымның» айырмашылығы неде?

Ең үлкен айырмашылық - бұл азаматтық ғылым, мен айтқысы келгендей, «қолдың толқыны», яғни көптеген қателіктер мен белгісіздіктер бар және оларды анықтаудың қатаң процесі жоқ. Осыған байланысты, азаматтық ғылым арқылы жасалған тұжырымдар ғылымға қарағанда әлдеқайда дәл емес және байыпты/өмірді өзгертетін/өмірге қауіп төндіретін шағымдар мен шешімдерге сенуге болмайды*.

Айтуынша, азаматтық ғылым-бұл барлық қызықты ғылыми құбылыстар туралы түбегейлі түсінік қалыптастырудың тамаша тәсілі және күнделікті қосымшалардың көпшілігі үшін жеткілікті.

*Егер сіз азаматтық ғылыммен айналысатын болсаңыз және сіз қауіпті нәрсені (мысалы, судағы қорғасынның жоғары деңгейін) анықтасаңыз, тәрбиешіңізге хабарлаңыз (бар болса) және көмек алу үшін тиісті органдар мен мамандарға хабарласыңыз.

2 -қадам: Arduino дегеніміз не?

Arduino - бұл микроконтроллер тақтасы және интеграцияланған даму ортасы («IDE»), бұл «кодтау бағдарламасы» деп айтудың сәнді әдісі. Жаңадан бастаушыларға Arduino Uno тақталарын ұсынамын, себебі олар өте берік, сенімді және қуатты.

Arduino тақталары - бұл азаматтық ғылыми жобалар үшін жақсы таңдау, себебі оларда аналогтық және цифрлық сенсорларда оқылатын көптеген кіріс түйреуіштері бар (бұл туралы кейінірек білеміз).

Әрине, сіз өзіңіздің (немесе оқушыларыңыздың) қажеттіліктеріңізге, қабілеттеріңізге және жайлылық деңгейіңізге байланысты басқа да микроконтроллерлерді азаматтық ғылым үшін қолдана аласыз. Сізге не қолайлы екенін шешуге көмектесетін микроконтроллерлерге шолу!

Arduino тақтасын жыпылықтау немесе бағдарламалау үшін оны USB арқылы қосыңыз, содан кейін:

1. Қолданылатын Arduino түрін Құралдар -> Тақталар астынан таңдаңыз. (Фото 2)

2. Портты таңдаңыз (ол компьютерге қосылған жерде). (Фото 3)

3. Жүктеу түймесін басып, жүктеудің аяқталғанын тексеріңіз. (Фото 4)

3 -қадам: Құралдар мен материалдар

Егер сіз жаңадан бастасаңыз, жинақты алу - бөлшектерді бірден алудың жылдам әрі қарапайым әдісі. Бұл оқулықта мен қолданатын жинақ - Elegoo Arduino Starter Kit*.

Құралдар

• Ардуино Уно
• USB A - B кабелі (принтер кабелі)

• Jumper Wires

  • 3 еркектен еркекке
  • 3 еркек-әйел

• Нан тақтасы

  Қосымша, бірақ сіздің өміріңізді жеңілдету және қызықты ету үшін ұсынылады:)

Материалдар

Бұл оқулықта қамтылған жобалар үшін сізге Elegoo Arduino стартер жинағының келесі бөліктері қажет:

• Еңкейту қосқышы
• DTH11 температура мен ылғалдылық сенсоры
• ЖАРЫҚ ДИОДТЫ ИНДИКАТОР
• 100 Ом резисторы

*Толық ақпарат: Мен дәл осындай жиынтықтарды шеберханаларға сатып аламын, бірақ бұл оқулықта пайдаланылған жиынтықты Elegoo -дағы сүйкімді адамдар сыйға тартты.

4 -қадам: Біз қандай сенсорларды қолдана аламыз?

Ғылыми экспериментті жобалау кезінде біз әдетте сұрақтан бастаймыз: өсімдіктер бір күнде қанша СО2 сіңіреді? Секірудің әсер ету күші қандай? Сана дегеніміз не ??

Біздің сұраққа сүйене отырып, біз нені өлшегіміз келетінін анықтай аламыз және деректерді жинау үшін қандай сенсорды қолдануға болатынын анықтау үшін зерттеу жүргізе аламыз (дегенмен бұл соңғы сұраққа деректерді жинау қиынға соғады!).

Электроникамен жұмыс кезінде сенсорлық деректер сигналының екі негізгі түрі бар: сандық және аналогтық. Фотосуретте бөлшектердің алғашқы екі қатары цифрлық сенсорлар, ал жоғарғы екі қатар аналогты.

Сандық сенсорлардың көптеген түрлері бар, ал басқаларымен жұмыс істеу қиынырақ. Азаматтық ғылыми жобаны зерттеу кезінде әрқашан сенсордың деректерді қалай шығаратынын тексеріңіз және сол сенсорға арналған (Arduino) кітапханасын таба алатындығыңызға көз жеткізіңіз.

Бұл оқулықта қарастырылған үш жобада біз цифрлық сенсорлардың екі түрін және бір аналогты сенсорды қолданамыз. Үйренейік!

5 -қадам: Сандық датчиктер! 1 -бөлім: Оңайлар

Сенсорлардың көпшілігі цифрлық сигналды қолданады, ол қосулы немесе өшірулі сигнал болып табылады.* Біз екілік сандарды осы екі күйді көрсету үшін қолданамыз: Қосу сигналы 1 немесе True арқылы беріледі, ал Өшіру - 0, немесе жалған. Егер біз екілік сигналдың қандай болатынын суретке түсіретін болсақ, ол 2 -суреттегідей шаршы толқын болар еді.

Кейбір цифрлық сенсорлар бар, мысалы, қосқыштар, өлшеу өте қарапайым және қарапайым, себебі түйме басылады, біз сигнал аламыз (1), немесе ол басылмайды және бізде сигнал жоқ (0). Бірінші фотосуреттің төменгі жолында бейнеленген сенсорлардың барлығы қосылу/өшірудің қарапайым түрлері. Жоғарғы қатардағы сенсорлар біршама күрделі және біздің бірінші жобадан кейін жабылады.

Бұл оқулықтағы алғашқы екі жоба сізге екі түрді де қолдануға үйретеді! Алғашқы жобамызды жасаймыз !!

*Қосу электр тогы мен кернеу түріндегі электр сигналын білдіреді. Өшіру электр сигналының жоқтығын білдіреді!

6 -қадам: 1 -жоба: Tilt Switch сандық сенсоры

Бұл бірінші жоба үшін көлбеу қосқышты, яғни екі аяғы бар қара цилиндрлік сенсорды қолданайық! 1 -қадам: көлбеу қосқыштың бір аяғын Arduino Digital Pin 13 -ке, ал екінші аяқты 13 -істіктің жанындағы GND істігіне салыңыз. маңызды емес.

2 -қадам: Digital Pin 13 күйін оқитын және басып шығаратын эскиз жазыңыз

Немесе сіз тек менікін қолдана аласыз!

Егер сіз кодтауды жаңадан бастасаңыз, эскиздің қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін түсініктемелерді оқып шығыңыз және не болатынын білу үшін кейбір нәрселерді өзгертуге тырысыңыз! Бір нәрсені бұзу дұрыс, бұл үйренудің тамаша тәсілі! Сіз әрқашан файлды қайта жүктей аласыз және қайтадан бастай аласыз:)

3 -қадам: Тікелей деректерді көру үшін сериялық монитор түймесін басыңыз (2 -сурет)

.. ааа және бұл! Енді бағдарды өлшеу үшін көлбеу қосқышты қолдануға болады! Оны котят бірдеңені қағып кетсе шақыруға немесе дауыл кезінде ағаш бұтақтары қалай қозғалатынын қадағалау үшін орнатыңыз!.. & мүмкін, бұл екі шектен басқа қосымшалар бар шығар.

7 -қадам: Сандық датчиктер! 2 -бөлім: PWM және сериялық байланыс

Күрделі цифрлық сигналдарды құрудың көптеген жолдары бар! Бір әдіс импульстік ен модуляциясы («PWM») деп аталады, бұл белгілі бір уақыт ішінде қосылатын және белгілі бір уақыт аралығында өшетін сигналды айтудың сәнді әдісі. Серво қозғалтқыштары (позицияны өлшеу үшін қолдануға болады) және ультрадыбыстық датчиктер - PWM сигналдарын қолданатын сенсорлардың мысалдары.

Деректерді бір разрядты немесе екілік разрядты бір уақытта жіберу үшін сериялық байланысты қолданатын сенсорлар бар. Бұл сенсорлар мәліметтер кестесін оқуды қажет етеді және егер сіз жаңадан бастасаңыз, қиын болуы мүмкін. Бақытымызға орай, қарапайым сериялық сенсорларда код кітапханалары* және үлгілік бағдарламалар болады, осылайша сіз функционалды нәрсені біріктіре аласыз. Сериялық байланыс протоколдары туралы толығырақ бұл оқулықтың ауқымында емес, бірақ мұнда көбірек білу үшін SparkFun сериялық байланыс бойынша тамаша ресурс!

Бұл үлгі жобасы үшін температура мен ылғалдылық датчигін (DHT11) қолданайық! Бұл саңылаулары мен 3 түйреуіштері бар көгілдір квадрат.

Алдымен бізге DHT11 сенсоры үшін бірнеше арнайы кітапхана қажет: DHT11 кітапханасы мен Adafruit Unified Sensor кітапханасы. Бұл кітапханаларды (және басқа Arduino кітапханаларының көпшілігін) орнату үшін:

1 -қадам: Sketch -> Кітапханалар -> Кітапхананы басқару бөліміне өту арқылы Arduino кітапхана менеджерін ашыңыз (2 -сурет)

2 -қадам: «DHT» іздеп, содан кейін «DHT Arduino кітапханасы» үшін Орнату түймесін басу арқылы DHT кітапханасын орнатыңыз және белсендіріңіз (3 -сурет)

3 -қадам: «Adafruit Unified Sensor» іздеп, орнату түймесін басу арқылы Adafruit Unified Sensor кітапханасын орнатыңыз және іске қосыңыз.

4 -қадам: DHT кітапханасын Sketch -> Libraries бөліміне өтіп, «DHT Arduino кітапханасы» бөліміне өтіп, эскизге енгізіңіз. (Сурет 4) Бұл эскиздің жоғарғы жағына бірнеше жаңа жолдарды енгізеді, бұл біздің кітапхана қазір белсенді және пайдалануға дайын! (Фото 5)

*Сіздің сүйікті жергілікті кітапхана сияқты, код кітапханалары - бұл біздің өмірімізді жеңілдету үшін қолдануға болатын көптеген білім мен басқа адамдардың еңбегі.

8 -қадам: 2 -жоба: Температура мен ылғалдылықтың сандық сериялық сенсоры

Elegoo Arduino стартерлік жинағынан ерлер мен әйелдерге арналған 3 сымдарды алыңыз, біз дайынбыз!

1 -қадам: Тірек түйреуіштері сізге қараған кезде, DHT11 -дегі оң жақ штырьді Arduino жерге («GND») түйреуішіне қосыңыз.

2 -қадам: Ортаңғы тақырып түйреуішін Arduino 5V шығыс істігіне қосыңыз.

3 -қадам: Arduino Digital Pin 2 -ге ең жоғарғы сол жақ түйреуішті қосыңыз

4 -қадам: Соңында, DHT кітапханасын оқып, эскиз жазуда өзіңізді сынап көріңіз! Oooor, сіз Arduino ішіндегі менікі немесе DHT тестінің үлгі нобайын пайдалана аласыз -> Мысалдар!

Сіз оны іске қосқаннан кейін, барлық заттардың температурасы мен ылғалдылығын өлшеңіз!.. Жылдың әр мезгілінде * тамаша * жіберу темпін табу үшін жануарлардың тынысы, жылыжай немесе сіздің сүйікті альпинистік нүкте сияқты.

9 -қадам: Аналогты сенсорлар

Цифрлық сенсорларға қиын енуден кейін аналогтық сенсорлар жел сияқты көрінуі мүмкін! Аналогтық сигналдар 2 -суретте көрсетілгендей үздіксіз сигнал болып табылады. Физикалық әлемнің көп бөлігі аналогтық түрде бар (мысалы, температура, жас, қысым және т.б.), бірақ компьютерлер цифрлық*болғандықтан, сенсорлардың көпшілігі цифрлық сигнал шығарады. Кейбір микроконтроллерлер, Arduino тақталары сияқты, аналогтық сигналдарда ** оқи алады.

Көптеген аналогтық сенсорлар үшін біз сенсорға қуат береміз, содан кейін аналогтық кіріс түйреуіштері арқылы аналогтық сигналда оқимыз. Бұл сынақ үшін біз жарық түсірген кезде жарық диодты кернеуді өлшеу үшін одан да қарапайым қондырғыны қолданамыз.

*Компьютерлер ақпаратты сақтау және беру үшін цифрлық сигналдарды қолданады. Себебі цифрлық сигналдарды анықтау оңайырақ және сенімдірек, өйткені біз сигналдың сапасына/дәлдігіне алаңдамауымыз керек.

** Цифрлық құрылғыдағы аналогтық сигналды оқу үшін біз аналогтық сигналға жақындататын аналогты-цифрлық немесе ADC түрлендіргішті қолдануымыз керек, ол кірісті құрылғыдағы белгілі кернеуге салыстырады, содан кейін оның қанша уақыт екенін есептейді. кіріс кернеуіне жету үшін қажет. Қосымша ақпарат алу үшін бұл пайдалы сайт.

10 -қадам: 3 -жоба: Жарық сенсоры ретінде жарық диоды

Жарық диодты (ақ түстен басқа кез келген түсті), 100 Ом резисторды және 2 өтпелі кабельді алыңыз. О, және нан тақтасы!

1 -қадам: Жарық диодты ұзын аяғы оң жақта орналасқан тақтаға салыңыз.

2 -қадам: Arduino аналогтық пин A0 мен ұзағырақ жарықдиодты табанның қосқыш сымын жалғаңыз

3 -қадам: Резисторды қысқа жарықдиодты табан мен теріс тақтаның теріс рельсінің арасына қосыңыз (көк сызықтың жанында).

4 -қадам: Arduino GND түйреуішін нан тақтасындағы теріс қуат рельсіне жалғаңыз.

5 -қадам: A0 аналогтық пинінде оқылатын және сериялық мониторға басып шығаратын эскиз жазыңыз

Міне, бастау үшін код үлгісі.

11 -қадам: Деректерді визуализациялау: Arduino IDE

Arduino IDE деректерді визуализациялауға арналған кіріктірілген құралдармен бірге келеді. Біз сенсорлық мәндерді басып шығаруға мүмкіндік беретін сериялық монитордың негіздерін зерттедік. Егер сіз өз деректеріңізді сақтап, талдағыңыз келсе, шығуды тікелей сериялық монитордан көшіріп, мәтіндік редакторға, электрондық кестеге немесе басқа деректерді талдау құралына қойыңыз.

Біз Arduino бағдарламасында өз деректерімізді көру үшін қолдануға болатын екінші құрал - бұл сериялық монитордың визуалды нұсқасы (aka graph) - сериялық плоттер. Сериялық плоттерді пайдалану үшін Tools Serial Plotter бөліміне өтіңіз. 2 -суреттегі график - бұл 3 -жобаның жарық сенсоры ретінде жарық диодты шығыс!*

Сюжет автоматты түрде масштабталады және сенсорлар үшін Serial.println () қолданған кезде ол сенсорлардың барлығын түрлі түсті басып шығарады. Ура! Міне бітті!

*Егер сіз соңына қарасаңыз, біздің шамдардағы айнымалы токтың («айнымалы ток») әсерінен болатын өте қызықты толқындар үлгісі бар!

12 -қадам: Деректерді визуализациялау: Excel! 1 -бөлім

Деректерді неғұрлым байыпты талдау үшін Excel бағдарламасына Data Streamer*деп аталатын өте керемет (және ақысыз!) Қондырмасы бар, оны мына жерден жүктеуге болады.

Бұл қондырма сериялық порттан оқиды, сондықтан біз деректерді Excel-ге тікелей алу үшін деректерді сериялы басып шығарудың дәл сол кодтау әдісін қолдана аламыз.. иә !!

Data Streamer қондырмасын қалай қолдануға болады:

1. Оны орнатқаннан кейін (немесе сізде O365 болса), Excel бағдарламасындағы Деректер ағыны қойындысын (оң жақта) басыңыз.

2. Arduino-ды қосыңыз және «Құрылғыны қосу» түймесін басыңыз, содан кейін ашылмалы мәзірден Arduino таңдаңыз. (1-сурет)

3. Деректерді жинауды бастау үшін «Деректерді бастау» түймесін басыңыз! (Фото 2) Сіз үш жаңа парақтың ашылғанын көресіз: «Деректерді енгізу», «Деректерді шығару» және «Параметрлер».

Тікелей деректер Data In парағында басылады. (3 -сурет) Әрбір жол сенсордың көрсеткішіне сәйкес келеді, соңғы жолда ең жаңа мән басылады.

Әдепкі бойынша біз тек 15 жолды аламыз, бірақ сіз оны «Параметрлер» бөліміне өту арқылы өзгерте аласыз. Біз 500 жолға дейін жинай аламыз (шектеу Excel өткізу қабілеттілігіне байланысты - фонда көп нәрсе болады!).

*Толық ашылу: Бұл оқулық қосылмағанмен, мен бұл қондырманы әзірлеген Microsoft Hacking STEM командасымен жұмыс жасаймын.

13 -қадам: Деректерді визуализациялау: Excel! 2 -бөлім

4. Мәліметтердің сюжетін қосыңыз! Деректерге талдау жасаңыз! Шашыраңқы сюжеттер сенсор көрсеткіштері уақыт өте келе қалай өзгеретінін көрсетеді, бұл біз Arduino сериялық плоттерінде көрген нәрсе.

Шашырату сызбасын қосу үшін:

Кірістіру -> Диаграммалар -> Шашыраңқы бөліміне өтіңіз. Сюжет пайда болған кезде, оны тінтуірдің оң жақ түймесімен нұқыңыз және «Деректерді таңдау», содан кейін Қосу таңдаңыз. Біздің деректер y осінде, уақыт осінде «уақыт»* көрсетілуін қалаймыз. Мұны істеу үшін y осінің жанындағы көрсеткіні нұқыңыз, Data In парағына өтіңіз және кіретін сенсорлық деректердің барлығын таңдаңыз (2-сурет).

Біз Excel -де есептеулер мен салыстыруларды жасай аламыз! Формуланы жазу үшін бос ұяшықты шертіп, теңдік белгісін теріңіз («=»), содан кейін есептегіңіз келеді. Орташа, максималды және минималды сияқты көптеген енгізілген командалар бар.

Пәрменді пайдалану үшін теңдік белгісін, пәрмен атын және ашық жақшаны теріңіз, содан кейін талдап жатқан деректерді таңдап, жақшаны жабыңыз (3 -сурет)

5. Деректердің бірнеше бағанын жіберу үшін (АКА бірнеше сенсор), мәндерді үтірмен бөлінген сол жолдағы соңғы бос жолмен келесідей басып шығарыңыз:

Serial.print (sensorReading1);

Serial.print («,»); Serial.print (sensorReading2); Serial.print («,»); Serial.println ();

*Егер сіз нақты уақыттың осьте болуын қаласаңыз, Scatter Plot-тегі x осінің мәндері үшін Data In парағындағы A бағанындағы уақыт белгісін таңдаңыз. Қалай болғанда да, біз өз деректерімізді уақыт өте келе өзгеретінін көреміз.

14 -қадам: Алға барыңыз және барлық нәрсені өлшеңіз

Жарайсыңдар, бәрі осы! Сыртқа және жоғары қарай жүрудің уақыты келді! Бұл үлкен, әдемі әлемдегі сұрақтарға, қызығушылықтар мен құпияларға жауап беру үшін сенсорларды, Arduino кодтауды және деректерді талдауды бастау үшін негіз ретінде пайдаланыңыз.

Есіңізде болсын: жолда сізге көмектесетін көптеген адамдар бар, сондықтан сұрақтарыңыз болса пікір қалдырыңыз!

Тағы бірнеше идея қажет пе? Міне, тозуға болатын күйді өзгерту қосқышы, күн сәулесінен қуат алатын қашықтағы температура сенсоры және Интернетке қосылған өнеркәсіптік шкаланы қалай жасауға болады!

Бұл оқулық ұнайды және көбірек көргіңіз келе ме? Patreon -дағы біздің жобаларға қолдау көрсетіңіз!: D