HackerBox 0035: אלקטרוכימיה: 11 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

החודש חוקרי האקר בוקס בוחנים חיישנים אלקטרוכימיים שונים וטכניקות בדיקה למדידת התכונות הפיזיות של חומרים. מדריך זה מכיל מידע לתחילת העבודה עם HackerBox #0035, אותו ניתן לרכוש כאן עד גמר המלאי. כמו כן, אם תרצה לקבל HackerBox כזה ישירות בתיבת הדואר שלך בכל חודש, אנא הירשם ב- HackerBoxes.com והצטרף למהפכה!

נושאים ויעדי למידה עבור HackerBox 0035:

• הגדר את ה- Arduino Nano לשימוש עם ה- Arduino IDE
• חברו וקודו מודול OLED להצגת מדידות
• בנה הדגמת מכשיר לנשימה באמצעות חיישני אלכוהול
• השווה בין חיישני גז לביצוע מדידות איכות אוויר
• קבע את איכות המים מהמוצקים המומסים הכוללים (TDS)
• בדוק חישה תרמית נטולת מגע וטבילה במים

HackerBoxes הוא שירות תיבות המנויים החודשי לאלקטרוניקה DIY וטכנולוגיית מחשבים. אנחנו חובבים, יוצרים ונסיינים. אנחנו חולמי החלומות. פריץ לכוכב הלכת!

שלב 1: האקרבוקס 0035: תכולת הקופסה

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0.96 128x64 פיקסל I2C תצוגה
• מד איכות מים TDS-3
• מודול טמפרטורה ללא מגע GY-906
• חיישן זיהום איכות האוויר MP503
• בדיקת טמפרטורה עמידה במים DS18B20
• מודול חיישן אלכוהול MQ-3
• מודול חיישן גז מפגע MQ-135
• מודול לחות וטמפרטורה DHT11
• מודול לייזר KY-008
• סט נוריות, נגדים 1K וכפתורי מישוש
• לוח קרשים "קריסטל שקוף" 400 נקודות
• סט חוט מגשר - 65 חלקים
• כבל MircoUSB
• מדבקות בלעדיות של האקרבוקס

עוד כמה דברים שיהיו מועילים:

• מלחם, הלחמה וכלי הלחמה בסיסיים
• מחשב להפעלת כלי תוכנה

והכי חשוב, תצטרך תחושה של הרפתקאות, רוח DIY וסקרנות האקרים. אלקטרוניקה הארדקור DIY היא לא עיסוק טריוויאלי, ו- HackerBoxes אינם מושקים. המטרה היא התקדמות, לא שלמות. כאשר אתה מתמיד ונהנה מההרפתקה, ניתן להפיק סיפוק רב מלימוד טכנולוגיה חדשה ובתקווה לגרום לפרויקטים מסוימים לפעול. אנו מציעים לבצע כל צעד לאט, להתייחס לפרטים, ואל תפחד לבקש עזרה.

יש המון מידע לחברים הנוכחיים והפוטנציאליים בשאלות הנפוצות של HackerBoxes.

שלב 2: אלקטרוכימיה

אלקטרוכימיה (ויקיפדיה) היא ענף הכימיה הפיזיקלית החוקר את הקשר בין חשמל, כתופעה מדידה וכמותית, לבין שינוי כימי מסוים או להיפך. התגובות הכימיות כוללות מטענים חשמליים הנעים בין אלקטרודות לאלקטרוליט (או יונים בתמיסה). כך אלקטרוכימיה עוסקת באינטראקציה בין אנרגיה חשמלית לשינוי כימי.

המכשירים האלקטרוכימיים הנפוצים ביותר הם סוללות יומיומיות. סוללות הן מכשירים המורכבים מתא אלקטרוכימי אחד או יותר עם חיבורים חיצוניים המסופקים להפעלת מכשירים חשמליים כגון פנסים, סמארטפונים ומכוניות חשמליות.

חיישני גז אלקטרוכימיים הם גלאי גז המודדים את ריכוז גז המטרה על ידי חמצון או הפחתת גז המטרה באלקטרודה ומדידת הזרם המתקבל.

אלקטרוליזה היא טכניקה המשתמשת בזרם חשמלי ישיר (DC) כדי להניע תגובה כימית אחרת שאינה ספונטנית. אלקטרוליזה חשובה מבחינה מסחרית כשלב בהפרדת אלמנטים ממקורות טבעיים כגון עפרות באמצעות תא אלקטרוליטי.

שלב 3: פלטפורמת מיקרו -בקר Arduino Nano

לוח Arduino Nano, או לוח מיקרו -בקר דומה, הוא בחירה מצוינת לממשק עם חיישנים אלקטרוכימיים ויציאות תצוגה למחשב או לצג וידאו. מודול Arduino Nano הכלול מגיע עם סיכות כותרת, אך הם אינם מולחמים למודול. עזוב את הסיכות בינתיים. בצע את הבדיקות הראשוניות הללו של מודול ה- Arduino Nano PRIOR להלחמת סיכות הכותרת של ה- Arduino Nano. כל מה שצריך לשני השלבים הבאים הוא כבל microUSB ומודול הננו בדיוק כפי שהוא יוצא מהתיק.

ה- Arduino Nano הוא לוח ארדואינו ממוזער ידידותי ללוח על משטח עם USB משולב. הוא בעל תכונות מלאות להפליא וקל לפריצה.

מאפיינים:

• מיקרו -בקר: Atmel ATmega328P
• מתח: 5V
• סיכות קלט/פלט דיגיטליות: 14 (6 PWM)
• סיכות קלט אנלוגיות: 8
• זרם DC לפין I/O: 40 mA
• זיכרון פלאש: 32 KB (2KB למטען אתחול)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• מהירות שעון: 16 מגה -הרץ
• מידות: 17 מ"מ על 43 מ"מ

גרסה מסוימת זו של הארדואינו ננו היא העיצוב השחור של רובוטדין. הממשק הוא על ידי יציאת MicroUSB המשולבת התואמת את אותם כבלי MicroUSB המשמשים טלפונים ניידים וטאבלטים רבים.

Arduino Nanos כולל שבב USB/סידורי גשר מובנה. על גרסה מסוימת זו, שבב הגשר הוא CH340G. שים לב שישנם סוגים אחרים של שבבי גשר USB/סידורי המשמשים על סוגי הלוחות של Arduino. שבבים אלה מאפשרים ליציאת ה- USB של המחשב לתקשר עם הממשק הטורי שבב המעבד של הארדואינו.

מערכת ההפעלה של מחשב דורשת מנהלי התקנים לתקשר עם השבב USB/סידורי. הנהג מאפשר ל- IDE לתקשר עם לוח Arduino. מנהל ההתקן הספציפי הדרוש תלוי גם בגרסת מערכת ההפעלה וגם בסוג שבב USB/סידורי. עבור שבבי USB/סידורי CH340, ישנם מנהלי התקנים זמינים עבור מערכות הפעלה רבות (UNIX, Mac OS X או Windows). יצרנית CH340 מספקת את הנהגים האלה כאן.

כאשר אתה מחבר את ה- Arduino Nano לראשונה ליציאת USB של המחשב שלך, נורית ההפעלה הירוקה צריכה להידלק וזמן קצר לאחר הנורית הכחולה תתחיל להבהב לאט. זה קורה מכיוון שהנאנו נטען מראש בתוכנית BLINK, שפועלת במותג החדש Arduino Nano.

שלב 4: סביבת פיתוח משולבת של Arduino (IDE)

אם עדיין אין לך את Arduino IDE מותקן, תוכל להוריד אותו מ- Arduino.cc

אם אתה מעוניין במידע היכרות נוסף לעבודה במערכת האקולוגית של ארדואינו, אנו ממליצים לבדוק את ההוראות של סדנת המתח של HackerBoxes.

חבר את ה- Nano לכבל MicroUSB ואת הקצה השני של הכבל ליציאת USB במחשב, הפעל את תוכנת ה- Arduino IDE, בחר את יציאת ה- USB המתאימה ב- IDE תחת כלים> יציאה (סביר להניח כי שם הוא "wchusb" בתוכו)). בחר גם "Arduino Nano" ב- IDE תחת כלים> לוח.

לבסוף, טען פיסת קוד לדוגמה:

קובץ-> דוגמאות-> יסודות-> מהבהב

זהו למעשה הקוד שטוען מראש ל- Nano וצריך לפעול כרגע כדי להבהב לאט את הנורית הכחולה. בהתאם, אם נטען את קוד הדוגמה הזה, שום דבר לא ישתנה. במקום זאת, בואו נשנה מעט את הקוד.

במבט מקרוב אתה יכול לראות שהתוכנית מדליקה את הנורית, ממתינה 1000 אלפיות השנייה (שנייה אחת), מכבה את הנורית, ממתינה עוד שנייה ואז עושה הכל שוב - לנצח.

שנה את הקוד על ידי שינוי שני הצהרות "העיכוב (1000)" ל"השהיה (100) ". שינוי זה יגרום לנורית להבהב עשר פעמים מהר יותר, נכון?

בואו נטען את הקוד שהשתנה ל- Nano על ידי לחיצה על כפתור ה- UPLOAD (סמל החץ) ממש מעל הקוד שהשתנה. צפה מתחת לקוד למידע על הסטטוס: "קומפילציה" ולאחר מכן "העלאה". בסופו של דבר, ה- IDE אמור לציין "ההעלאה הושלמה" והנורית שלך אמורה להבהב מהר יותר.

אם כן, מזל טוב! זה עתה פרצת את הקוד הקוד המוטבע הראשון שלך.

לאחר שגירסת המהבהב המהיר שלך נטענת ופועלת, מדוע שלא תראה אם תוכל לשנות את הקוד שוב כדי לגרום לנורית להבהב מהר פעמיים ולאחר מכן להמתין מספר שניות לפני החזרה? תן לזה הזדמנות! מה עם כמה דפוסים אחרים? ברגע שאתה מצליח לדמיין את התוצאה הרצויה, לקודד אותה ולצפות בה לפעול כמתוכנן, עשית צעד עצום לקראת הפיכת האקר חומרה מוכשר.

שלב 5: סיכות כותרת ו- OLED על לוח לחם ללא הלחמה

כעת, לאחר שמחשב הפיתוח שלך הוגדר לטעון קוד ל- Arduino Nano וה- Nano נבדק, נתק את כבל ה- USB מהנאנו והתכונן להלחם את סיכות הכותרת. אם זה הלילה הראשון שלך במועדון קרב, אתה חייב להלחם! יש הרבה מדריכים וסרטונים מצוינים באינטרנט על הלחמה (למשל). אם אתה מרגיש שאתה זקוק לעזרה נוספת, נסה למצוא קבוצת יצרנים מקומית או שטח האקרים באזור שלך. כמו כן, מועדוני רדיו חובבים הם תמיד מקורות מצוינים לחוויית אלקטרוניקה.

הלחם את שתי כותרות השורה היחידה (חמישה עשר סיכות כל אחת) למודול Arduino Nano. מחבר ICSP (תכנות סידורי במעגל) בן שש פינים לא ישמש בפרויקט זה, אז פשוט השאר את הסיכות האלה. לאחר השלמת ההלחמה, בדוק היטב אם יש גשר הלחמה ו/או מפרקי הלחמה קרה. לבסוף, חבר את ה- Arduino Nano בחזרה לכבל ה- USB וודא שהכל עדיין פועל כראוי.

כדי לחבר את ה- OLED ל- Nano, הכנס את שניהם ללוח הלחם ללא הלחמה כפי שמוצג וחבר ביניהם בהתאם לטבלה זו:

OLED…. NanoGND….. GNDVCC…..5VSCL….. A5SDA….. A4

כדי להניע את צג OLED, התקן את מנהל ההתקן של תצוגת OLED SSD1306 המצוי כאן ב- Arduino IDE.

בדוק את תצוגת OLED על ידי טעינת הדוגמה של ssd1306/פתיתי שלג ותכנת אותה בננו.

דוגמאות אחרות מספריית SDD1306 שימושיות לחקר השימוש בתצוגת OLED.

שלב 6: חיישן אלכוהול MQ-3 והדגמת נשימה

חיישן גז האלכוהול MQ-3 (גליון נתונים) הוא חיישן מוליכים למחצה בעלות נמוכה אשר יכול לזהות נוכחות של גזי אלכוהול בריכוזים של 0.05 מ"ג/ל 'עד 10 מ"ג/ל'. חומר החישה המשמש ב- MQ-3 הוא SnO2, המציג מוליכות גוברת כאשר הוא נחשף לריכוז גדל של אלכוהול. ה- MQ-3 הוא בעל רגישות גבוהה לאלכוהול עם מעט רגישות צולבת לעשן, אדים או בנזין.

מודול MQ-3 זה מספק פלט אנלוגי גולמי ביחס לריכוז האלכוהול. המודול כולל גם משווה LM393 (גליון נתונים) לסף פלט דיגיטלי.

ניתן לחבר את מודול MQ-3 ל- Nano בהתאם לטבלה זו:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… לא בשימוש

קוד הדגמה מתוך סרטון.

אזהרה: פרויקט זה הוא רק הדגמה חינוכית. זה לא מכשיר רפואי. הוא אינו מכויל. זה לא נועד, בשום אופן, לקבוע את רמות האלכוהול בדם להערכת גבולות חוקיים או בטיחותיים. אל תהיה טיפש. אל תשתה וסע. תגיעו חיים!

שלב 7: איתור קטונים

קטונים הם תרכובות פשוטות המכילות קבוצת קרבוניל (קשר כפול פחמן-חמצן). קטונים רבים חשובים הן בתעשייה והן בביולוגיה. אצטון הממס הנפוץ הוא הקטון הקטן ביותר.

כיום, רבים מכירים את הדיאטה הקטוגנית. זוהי דיאטה המבוססת על צריכת שומנים עתירי חלבון ומעט פחמימות. זה מאלץ את הגוף לשרוף שומנים ולא פחמימות. בדרך כלל, הפחמימות הכלולות במזון הופכות לגלוקוז, המועבר לאחר מכן לגוף וחשוב במיוחד להנעת תפקוד המוח. עם זאת, אם יש מעט פחמימות בתזונה, הכבד הופך שומן לחומצות שומן וגופי קטון. גופי הקטון עוברים למוח ומחליפים את הגלוקוז כמקור אנרגיה. רמה מוגברת של גופי קטון בדם גורמת למצב המכונה קטוזיס.

פרויקט חישת קטונים לדוגמה

עוד דוגמא לפרויקט חישת קטונים

השוואת חיישני גז MQ-3 לעומת TGS822

שלב 8: חישת איכות אוויר

זיהום אוויר מתרחש כאשר חומרים מזיקים או מוגזמים של חומרים כולל גזים, חלקיקים ומולקולות ביולוגיות מוחדרים לאטמוספירה. זיהום עלול לגרום לבני אדם למחלות, אלרגיות ואפילו מוות. הוא עלול גם לגרום נזק לאורגניזמים חיים אחרים כגון בעלי חיים, גידולי מזון, והסביבה בכלל. פעילות אנושית ותהליכים טבעיים יכולים לייצר זיהום אוויר. זיהום אוויר פנימי ואיכות אוויר עירונית ירודה מופיעים כשתי בעיות הזיהום הרעילות החמורות בעולם.

אנו יכולים להשוות את הפעולה של שני חיישני איכות אוויר (או סיכון אוויר) שונים. אלה הם MQ-135 (גיליון נתונים) ו- MP503 (גיליון נתונים).

ה- MQ-135 רגיש למתאן, תחמוצות חנקן, אלכוהול, בנזן, עשן, CO2 ומולקולות אחרות. הממשק הזהה לממשק MQ-3.

MP503 רגיש לגז פורמלדהיד, בנזן, פחמן חד חמצני, מימן, אלכוהול, אמוניה, עשן סיגריות, ריחות רבים ומולקולות אחרות. הממשק פשוט למדי, המספק שתי יציאות דיגיטליות לייעוד ארבע רמות של ריכוזי מזהמים. למחבר ברירת המחדל ב- MP503 יש כותרת גברית עטופה מפלסטיק, הניתנת להסרה ולהחלפה בכותרת רגילה בעלת 4 פינים (מסופקת בשקית) לשימוש עם לוחות לחם ללא הלחמה, מגשרים DuPont או מחברים נפוצים דומים.

שלב 9: חישת איכות מים

בודק איכות מים TDS-3

סה כ מוצקים מומסים (TDS) הם הכמות הכוללת של יונים טעונים ניידים, כולל מינרלים, מלחים או מתכות מומסות בנפח מים נתון. TDS, המבוסס על מוליכות, מתבטא בחלקים למיליון (ppm) או מיליגרם לליטר (mg/L). מוצקים מומסים כוללים כל אלמנט אורגני מוליך הקיים מלבד מולקולות המים הטהורים (H2O) ומוצקים מושעים. רמת הזיהום המרבית של TDS לצריכת אדם היא 500 עמודים לדקה.

ביצוע מדידות TDS

1. הסר את מכסה המגן.
2. הפעל את מד ה- TDS. מתג הפעלה/כיבוי ממוקם בלוח.
3. טבלו את המונה במים/בתמיסה עד למקסימום. רמת טבילה (2”).
4. מערבבים קלות את המונה כדי לעקור בועות אוויר.
5. המתן עד שהתצוגה תתייצב. לאחר התייצבות הקריאה (כ -10 שניות), לחץ על לחצן HOLD כדי לצפות בקריאה מחוץ למים.
6. אם המונה מציג סמל 'x10' מהבהב, הכפל את הקריאה ב -10.
7. לאחר השימוש, יש לנער את עודפי המים מהמדד שלך. החזר את המכסה.

מקור: גיליון הוראות מלא

ניסוי: בנה מד TDS פשוט משלך (פרויקט עם סרטון כאן) שניתן לכייל אותו ולבדוק אותו מול TDS-3.

שלב 10: חישה תרמית

מודול חיישן טמפרטורה ללא מגע GY-906

מודול החישה התרמית GY-906 מצויד ב- MLX90614 (פרטים). זהו מד חום אינפרא אדום חד-פעמי פשוט לשימוש אך עוצמתי מאוד, המסוגל לחוש טמפרטורות אובייקטים שבין -70 ל -380 מעלות צלזיוס. הוא משתמש בממשק I2C כדי לתקשר, מה שאומר שאתה רק צריך להקדיש שני חוטים מהמיקרו -בקר שלך כדי להתממשק איתו.

פרויקט הדגשת תרמו-חישה.

עוד פרויקט תרמו-חישה.

חיישן טמפרטורה הוכחת מים DS18B20

חיישן טמפרטורת חוט אחד DS18B20 (פרטים) יכול למדוד טמפרטורה מ -55 ℃ עד 125 ℃ עם דיוק של ± 5.

שלב 11: פריצת כוכב הלכת

אם נהנית מהמדריך הזה ורוצה לקבל מארז מגניב של פרוייקטים אלקטרוניים וטכנולוגיות מחשבים הניתנים לפתיחה בכל חודש, אנא הצטרף למהפכה על ידי גלישה אל HackerBoxes.com והרשמה לקבלת תיבת ההפתעה החודשית שלנו.

הושיט יד ושתף את הצלחתך בתגובות למטה או בדף הפייסבוק של HackerBoxes. בהחלט יידע אותנו אם יש לך שאלות או שאתה זקוק לעזרה במשהו. תודה שהיית חלק מהאקרבוקס!