Электронды сенсорларды түсіну: 8 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Жалпы өндірістік және тұрмыстық сенсорлардың жұмысын түсіндіруге арналған бұл «Нұсқау» сізге практикалық жаттығулар мен эксперименттерді қолдана отырып, нақты әлемде сатылымда бар сенсорларды қолдануға үйретеді.

Бұл сабақ төмендегілерді сезетін тізбектерді қысқаша қарастырады:

• Температураның өзгеруі
• Қол тигізу (терінің сыйымдылығы)
• Қол тигізу (қосқыштар мен түймелер)
• Жарықтағы өзгерістер
• Дыбыстың өзгеруі
• Акселерацияның өзгеруі (қозғалыс және ауырлық күші)

Сондай -ақ, қажет жабдықтар мен бағдарламалық қамтамасыз ету, элементтерді қайдан сатып алуға / жүктеуге болатынын, сандық шығыс схемаларын қалай орнату керектігін, сандық шығуды қалай оқу керектігін және әр сенсордың қалай жұмыс істейтіні туралы фонды қамтиды.

Бастайық!

1 -қадам: мұқият тексерілген - қоршаған ортаны сатып алу және жүктеу

Нұсқаулықта сіз Мехатроникаға (робототехника және өндіріс) қызығушылық таныту үшін жергілікті университетке келген жасөспірімдер осы сабақтың егжей -тегжейлі тексерілгенін көресіз

Oreo печеньесі пайдалы, бірақ қажет емес

Адафруттықтар біз қолданатын тақтаны шығарды, ол «Circuit Playground - Classic» деп аталады және олар құрылғыны қолданудың көптеген жолдарын мұқият тексерді. Сіз олардың кейбіреулерін осы «Нұсқаулық» зертханалық эксперимент пен кіші қадамдарды шамамен бақылайтын «Үйрену» бетінен көре аласыз-осы Adafruit «Үйрену» бетінің рұқсатымен, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -және Bluetooth-төмен энергия

Сізге қажет бөлшектер қарапайым, арзан және әр түрлі жастағы топтардағы экспериментаторлар үшін, тіпті орта мектеп жасында (12 жаста, мүмкін?) Қолдануға оңай.

1. Алдымен мына жерден бір немесе бірнеше құрылғыларды сатып алыңыз: https://www.adafruit.com/product/3000, сонымен қатар компьютерге қосылу үшін USB-Micro-B USB адаптері https://www.adafruit.com/ өнім/898. Жеткізу кезінде жалпы құны 40 доллардан төмен, бірақ сіз оны арзанырақ таба аласыз.
2. Сіз қымбат емес ойын алаңы мен USB кабелін сатып алғаннан кейін, оны Arduino типті құрылғыларға арналған интеграцияланған даму ортасы (IDE) бар дербес компьютерге (ДК) қосуыңыз қажет.
3. Бұл мысалда біз IDE arduino-1.8.4-терезелерін қолданамыз, бірақ басқалары да жұмыс істейді. Барлық драйверлерді орнатуды ұмытпаңыз (бұл жағдайда adafruit_drivers_2.0.0.0
4. IDE орнатқаннан кейін сіз «Arduino» деп аталатын IDE ашуға болады.
5. Файл-> Параметрлер астына https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac… «Қосымша тақта менеджерінің URL мекенжайын» енгізіңіз, содан кейін OK деп айтыңыз, содан кейін IDE жабыңыз және қайта ашыңыз.
6. Енді Circuit Playground құрылғысын Micro USB арқылы қосыңыз. Ол кемпірқосақ шамдарының тізбегін көрсету арқылы «Circuit Playground Firmata» бағдарламасын іске қосатынын және іске қосатынын көріңіз. Батарея ұясының жанындағы қосқыштың ретін өзгертетінін тексеруге болады және түймелердің бірінде әр түске жазба бар.
7. Сізге Circuit Playground кітапханасын алу керек, содан кейін Circuit PLayground кітапханасын Құжаттарға -> Arduino -> «Adafruit_CircuitPlayground -master» қалтасынан ашу керек. Ашылғаннан кейін қалта атауынан «-мастер» жұрнағын алып тастаңыз. IDE -ді тоқтатыңыз және қайта іске қосыңыз, содан кейін құралдар -> тақталар -> тақта менеджері астындағы ойын алаңының тақта түрін жүктеңіз, содан кейін «үлестірілген» түрін және «Adafruit AVR» кілт сөздерін іздеңіз. Бұл сізге «Adafruit AVR тақталарын» орнатуға мүмкіндік береді (соңғы нұсқа), содан кейін IDE -ді тоқтатып, қайта бастау керек.
8. Енді сіз Circuit Playground -ді демо -бағдарламамен тексеруге дайынсыз. USB арқылы қосылған ойын алаңына қосылыңыз. Құралдар -> Тақталар бөліміне өтіп, «Ойын алаңы» тармағын таңдағаныңызға көз жеткізіңіз. Құралдар -> Порттар тармағына өтіңіз және сәйкес COM портын таңдағаныңызға көз жеткізіңіз (USB Blaster -ге қосылған). Демонстрациялық бағдарламаны төмендегідей жүктеңіз: Файлдар -> Мысалдар -> Adafruit Circuit PLayground -> демонстрациясын таңдаңыз, содан кейін құрастырыңыз және жүктеңіз (барлығын жасау үшін «оңға бағытталған көрсеткі» түймесін пайдалануға болады)
9. Келесі қадамдарды орындау арқылы демонстрациялық бағдарламаны тексеріңіз: Ойын алаңының кемпірқосақ ретімен жыпылықтап тұрғанын қараңыз. Жүгірткі қосқышты бұраңыз және оның ноталарды ойнатуға себеп болатынын көріңіз (оны өшіріңіз, әйтпесе ол айналаңыздағы адамдардың барлығын ашуландырады). Қызыл жүктеу жарық диоды уақыт жылдамдығын жыпылықтататынын қараңыз.
10. Енді сіз айналмалы ойын алаңымен мәтіндік интерфейс арқылы байланыса аласыз. IDE ішіндегі «Сериялық монитор» түймесін басыңыз. Бұл демонстрациялық терезенің жоғарғы оң жағындағы үлкейткішке ұқсайды. Жақсы көріну үшін автоматты айналдыруды өшіру қажет болуы мүмкін.

Сіз эксперимент жасауға және барлық сенсорларға қосылуға дайынсыз!

2 -қадам: Температураны сезу

Монитордың мәтіндік шығысындағы «температура» мәнін қараңыз. Ол 30 -шы жылдары бөлме температурасының мәніне ие болады. Мен Цельсий бойынша 39,43 градус өлшедім.

Фотосуретте температураны өлшеу үшін қолданылатын термистор көрсетілген. Бұл A0 сенсоры және жанында термометрдің графигі бар.

Бас бармағыңызды температура сенсорының үстіне жайлап қойып, жоғарғы температураға жету үшін қанша секунд қажет екенін жазыңыз. Бұл туралы, сондай -ақ келесілерді жазыңыз:

Саусақтың максималды температурасына жету үшін _ секунд қажет болды.

Ақырында ол жеткен ең жоғары температура қандай? _ C.

Фаренгейтте бұл құндылық қандай? _ F. НҰСҚАУ: F = (C * 1.8) + 32

Бұл қалыпты дене температурасына қарағанда жылы ма, әлде суық па? _

Бұл термометрді біреудің саусағымен қолдану олардың ауруын анықтау үшін қызбаның жақсы көрсеткіші бола ма?

Неге? _

Термистор - бұл қарсылықты температураға байланысты өзгертетін ерекше резистор түрі. Бұл қадамдағы суреттердің бірі әдеттегі термисторлық схеманы көрсетеді. ·

Көрсетілген тізбекте вольт өлшегіштің көрсеткіші қандай болады? _ КЕҢЕС: Vout = (5V * R1 Ом) / (R1 Ом + Термистор Ом) кернеу бөлгіш ережесін қолданыңыз.

Егер термистордың «C градусқа қарсылықтың 1,5% өзгеруі» рейтингі болса - температура 30 градусқа дейін көтерілсе, термистордың кедергісі қандай болады? _ НҰСҚАУ: бұл 5 градусқа өзгеріс болғандықтан және әр градус қарсылықты 1,5%-ға өзгертеді, біз термистор Ом = (5 * 0,015) + 10 000 Ом

32 градус температурада вольт өлшегіште көрсеткіш қандай болады? _ КЕҢЕС: Қазір өзгеріс 7 градус.

Өндіріс түрлерінде температура сенсорларын қайда қолдануға болады?

3 -қадам: сыйымдылық сенсоры

Фотосуретте сенсорды анықтау үшін қосқыштардың қайсысын (немесе «жастықшаларды») қолдануға болатынын көрсетеді. Олар сыйымдылық сенсорлары деп аталады, себебі олар адам денесін конденсатор деп аталатын электронды компонент ретінде пайдаланады.

Қауіпсіздік үшін біз кез келген электр тогының өте төмен болғанын қалаймыз. Осы себепті, жастықшаларға барлық сыртқы байланыстар 1 Мега Ом резисторы арқылы ортақ аймаққа өтеді (чиптің №30 түйреуіші), сондықтан кез келген екі төсемнің арасындағы жалпы қарсылық 2 Мега Ом.

• Егер кез келген екі жастықшаның арасындағы ең жоғары кернеу 5 вольт, ал қарсылық 2 мега Ом болса, егер олар қысқа тұйықталса, кез келген екі жастықшаның арасында қандай ток өтеді? _ (оларды қысқа тұйықтауға болмайды)
• «Capsense» - бұл мәтіндік интерфейс арқылы көрсетілетін сандар. Қандай жағдайда сандар сенсорларға тиіп тұрғанда немесе оларға тиіп тұрғанда үлкенірек болады? _
• Датчиктерге тимеген кезде сандардың кейбір мысалдарын жазыңыз: _
• Датчиктерге қол тигізгенде сандардың кейбір мысалдарын жазыңыз: _
• Бір мезгілде бірнеше сенсорға қол тигізгенде қандай айырмашылықты байқайсыз? _
• Егер сіз металл зат ұстасаңыз және сенсорға қол тигізсеңіз не болады? _
• Егер сіз металл емес нәрсені ұстасаңыз және сенсорға тигізсеңіз не болады? _
• Сыйымдылық сенсорларының қозғалмалы бөліктері болмағандықтан, олар тербеліске өте төзімді. Сонымен қатар, олар су өткізбейтін қорғаныс қабығымен жабылуы мүмкін. Неліктен бұл екі аспект өндірістік ортада пайдалы болуы мүмкін? _

4 -қадам: Дәстүрлі түймелер мен сырғытпалар

Түймешіктер мен қосқыштар соншалықты қарапайым және «күнделікті» болып көрінеді, сондықтан оларды сенсор ретінде қолдануда біз оларды әдеттегідей қабылдаймыз. Пернетақта - керемет үлгі. Біз тез тергіміз келсе, «жалған» пернелер тіркесімі аз болса және ұзақ жылдар бойы қолданылса - механикалық қосқыштар (пернетақтадағы әр перненің астында біреуі бар).

Біз қазір қолданатын тізбекте үш «батырмалы» ажыратқыш бар. Бұл дегеніміз, сіз түймені босатсаңыз, олар бастапқы күйіне оралады (серіппелі механизмнің арқасында). Сондай-ақ, схемада екі позициялы сырғытқышқа арналған сенсор бар. Оны сырғыту үшін біраз күш қажет болуы мүмкін, бірақ мұны істеуге тырысатын тақтаны сындырмаңыз - басқаннан гөрі бүйірге сырғытыңыз. Сенсордың бұл түрі өте тұрақты. Тұрақты дегеніміз, сіз оны бір позицияға жылжытыңыз, сіз кетуге және ұзақ уақыт өткеннен кейін қайтып оралуға болады деп күтуге болады, тіпті егер ол діріл бетінде болса да, бұрынғы күйінде қалады деп күтуге болады. және т.

Өндірісте, тіпті сіздің үйіңізде мұндай сырғытқышты қайдан көрдіңіз?

_

Мәтіннің шығуын қараңыз және сенсор туралы ақпаратты табыңыз. Бұл жағдайда сенсор нөмірді емес, басқа нәрсені шығаруы мүмкін.

«Слайд» қосқышы оның орнын көрсетуі керек. «Сырғымалы» сенсор екі позицияда қандай мәндерді қабылдайды?

_

Слайдтың екі позициясының бірінде тағы бір нәрсе болады. Ол не?

_

P. S. Басқаларға рұқсат ретінде, осы бөлімді аяқтаған соң, ауысуды «аз мазалайтын» күйге жылжытыңыз.

5 -қадам: жарық сенсорлары

Температура сенсоры сияқты, «Ойын алаңының» тақтасындағы жарық сенсоры тізбегі кернеуді бөлу схемасын қолданады - мұнда құрылғыны басқаратын 5 вольт сенсормен және бекітілген мәндік резистор арқылы екіге бөлінеді. Жарық сенсоры «термистордың» орнына түсетін жарық мөлшеріне байланысты қарсылықты өзгертетін «фото-транзисторды» қолданады. Сіз «А5» фото-транзисторын тақтадағы көздің графигінің жанында көре аласыз.

Егер жарық сенсоры бөлменің төбесіне (жарыққа қарай) бағытталған болса, «жарық сенсоры» мәні жүздеген болуы керек.

«Көз» бөлменің төбесіне қараған кезде сіз «жарық сенсорының» қандай мәнін байқайсыз?

_

Егер сіз «көзді» еденге қаратсаңыз ше - сіз қандай санды байқайсыз? _

Егер сіз «көзді» төбе мен еден арасындағы әр түрлі бұрышта көрсетсеңіз ше? - Байқаған сандарыңыздың мәндерін қоса, не байқағаныңызды және сол сандарды алу үшін не істегеніңізді сипаттаңыз. _

Егер сенсорды қараңғы матаның бір бөлігіне (бірақ тигізбейтін) көрсетсеңіз ше - сіз қандай санды байқайсыз? _

Оны саусағыңызбен жабу («көздің» жанындағы сенсор) санды төмендетуі керек. Солай ма? _

Назар аударыңыз, саусағыңыз жартылай мөлдір, сондықтан жарық диодты шамдар оны саусағыңызбен жарқырата алады. Сенсорды жабу үшін тағы не қолдануға болады? _

Жарық сенсорлары біршама күрделі болуы мүмкін - әрқашан сіз күткендей дәл оқылымды бермейді, және шағылуға, мөлдірлікке, жарық бұрышына және жарықтың жарықтығына байланысты. Өндірістік көру жүйелері осы айнымалыларды қатаң бақылау арқылы осы шектеулерден өтуге тырысады. Мысалы, штрих-код сканері бөлмедегі жарықтандырудың әсерін азайту үшін жарқын фокусталған бір түсті лазер жолағын қолдануы мүмкін. Басқа мысалда, сүт қорапшасының конвейерінде «гараж есігі» стиліндегі жарық сенсоры қолданылады, олардың арасына қанша рет жарық түсетінін санау арқылы сүт қораптарын санау.

Өндірістен, үйден немесе бизнестен басқа мысал келтіріңіз, онда кейбір жарық айнымалылары жақсы жарық сенсоры нәтижесін алу үшін басқарылады (мен жоғарыда айтқан мысалдардан басқа):

6 -қадам: дыбыс сенсоры

«Ойын алаңындағы» дыбыс сенсоры-бұл шын мәнінде өте күрделі микроэлектромеханикалық жүйе (MEMS), оны тек дыбыс деңгейін анықтау үшін ғана емес, сонымен қатар негізгі жиілік талдауын да жасауға болады. Сіз музыкалық студияда немесе музыкалық ойнатқыш қосымшасында спектрлік анализатордың дисплейін көрген боларсыз, ол сол жақта төменгі ноталары бар жолақ диаграммасына және оң жағында жоғары ноталарға ұқсайды (графикалық эквалайзердің дисплейіндей).

Мәтінді оқуда көрсетілетін мән шын мәнінде дыбыстық толқынды пішін болып табылады. Дыбыстың жалпы қуатын (дыбыс қысымының деңгейін) табу үшін уақыт өте келе мәндерді қосу керек болады.

Соған қарамастан, бұл MEMS құрылғысы дыбыстар болған кезде немесе дыбыстардың белгілі бір тізбегі естілген кезде роботтың немесе басқа құрылғының әрекетін іске қосу үшін пайдаланылуы мүмкін. Сонымен қатар, MEMS өте кішкентай (бұл металл қораптағы кішкене тесіктің астындағы құрылғы, тақтадағы «құлақ» графикасының жанында) және қуаты төмен. Бұл комбинация MEMS құрылғыларын акустикалық, биомедициналық, микро сұйықтықты анықтау, микрохирургиялық құралдар, газ және химиялық ағын сенсорлары және т.б. үшін өте пайдалы етеді.

Шығу дыбыс толқыны болып табылатындықтан (қуат деңгейі емес), бәрі тыныш болған кезде (~ 330 - мүлдем үнсіз бөлменің ортасы) мәндердегі диапазонды аз көресіз және қатты дыбыстар үшін (0 -ден 800 -ге дейін)).

«Дыбыс сенсоры» мәндерін тек бөлменің фондық шуылында жазыңыз. Сіз қандай құндылықты байқайсыз? _ бастап _ дейін

Егер сіз сенсордан шамамен 2 фут қашықтықта қалыпты дауыспен сөйлесеңіз, қандай мәнді байқайсыз? _ бастап _ дейін

Сіз сөйлеу немесе саусақтарыңызды бірнеше рет қағу (немесе шапалақтау) арқылы жоғары мәндер диапазонын аласыз ба?

Иә немесе жоқ: _ Шапалақ соғу қаупі _ бастап _ дейін болады

Неліктен бұлай деп ойлайсың? _

Шудың басқа түрлерін қолданып, байқағандарыңызды жазыңыз - бірақ тақтаға тигізбеңіз: _

P. S. MEMS екі бағытта да жұмыс істейді және микро механикалық бөлшектерді жылжыту үшін электр энергиясын қолдануға болады. «Аудио пиксельдер» деп аталатын компания бұл құрылғыларды топтастырып, дыбысты кез келген бағытта көрсете алатын өте тегіс шағын динамик жасау үшін жұмыс жасауда.

7 -қадам: акселерометрлер

Акселерометр MEMS -тің бір түрі болып табылады және бұл құрылғылардың бірі «Ойын алаңы» тақтасында орналасқан. LIS3DH чипі, XYZ Graphic жанындағы тақта орталығына жақын, кез келген бағыттағы үдеуді X, Y және Z бағыттарындағы үдеудің векторлық қосындысы ретінде өлшеуге мүмкіндік береді.

Ауырлық күші үдеу арқылы сезілетін күшпен бірдей болғандықтан (Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы), тіпті жерде тұрғанда да, құрылғы секундына 9,8 метр жылдамдықты өлшейді (9,8 м/с2).

Сіз барлық күшті «X» бағытында алу үшін құрылғыны айналдыра аласыз.

Құрылғыны барлық үдеу X бағытында болатындай етіп еңкейтуге тырысыңыз (айналадағы заттарды бұру кезінде қысқа USB кабелімен жұмсақ болыңыз). Сіз қандай құндылықтарды байқадыңыз? X: _ Y: _ Z: _

Енді ауырлық күшінің барлығын (үдеуді) Y бағытында алу үшін құрылғыны еңкейтіңіз. Сіз қандай құндылықтарды байқадыңыз? X: _ Y: _ Z: _

Ақырында, құрылғыны ауырлық күшінің үдеуі X және Y бағыттары арасында бөлінетін және Z бағытында 0 -ге жуық болатындай етіп орналастырыңыз (алдыңғы екі позиция арасында). Сіз қандай құндылықтарды байқадыңыз? X: _ Y: _ Z: _

Пифагор теоремасын қолданыңыз, алдыңғы өлшеудегі үдеудің X және Y векторларын қосыңыз. Теріс белгілерді елемеуге болады, бұл құрылғы сол бағытта төңкерілгенін білдіреді. Толық үдеу дегеніміз не? _ Естеріңізге сала кетейік, жалпы үдеу = √ (X2 + Y2).

КЕЛЕСІ ЭКСПЕРИМЕНТТІ ҮШ өлшемді болсаңыз ғана қолданыңыз! Құрылғыны ауырлық күшінің үдеуі X, Y және Z бағыттарына бөлінетін етіп еңкейтіңіз. Сіз қандай құндылықтарды байқадыңыз?

X: _ Y: _ Z: _ Жалпы үдеу = _

Көріп отырғаныңыздай, акселерометрді (ауырлық күшінің арқасында) көлбеуді немесе тақтаның орнын өлшеу үшін де қолдануға болады. Егер сіз ұстағышпен робот қолын жасасаңыз, акселерометр сенсорын қайда қоюға болады және неге? _

Көлбеу мен жер центрінің бағытынан басқа акселерометрлер үдеуді табиғи түрде өлшей алады. Тақтаны ақырын алға және артқа жылжытыңыз (айналадағы заттарды бұру кезінде қысқа USB кабелімен жұмсақ болыңыз). Сіз қандай құндылықтарды байқадыңыз?

Бағыт жылжытылды: _ X: _ Y: _ Z: _

Бағыт жылжытылды: _ X: _ Y: _ Z: _

8 -қадам: Сіз дайынсыз

Осы қадамдардың барлығын аяқтағаныңыз және электронды сенсорларды түсінгеніңізбен құттықтаймын!

Маған жақсартылуы керек нәрселер туралы пікір жіберу үшін түсініктеме қалдырыңыз, сонымен қатар Circuit Playground Classic сенсорының қосымша қолданылуын ойластырғаныңыз туралы маған хабарлаңыз!

Пол Нусбаум, PhD