הבנת חיישנים אלקטרוניים: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

הכוונה להסביר את הפעולה של חיישנים תעשייתיים ומשק ביתיים, "מדריך זה" מלמד אותך כיצד להשתמש בחיישנים זמינים מסחרית בפריסה בעולם האמיתי באמצעות תרגילים וניסויים מעשיים.

שיעור זה יסקור בקצרה מעגלים שיכולים לחוש את הדברים הבאים:

• שינויים בטמפרטורה
• מגע (מגע עור קיבולי)
• נגיעה (מתגים וכפתורים)
• שינויים באור
• שינויים בקול
• שינויים בתאוצה (תנועה וכוח משיכה)

כמו כן מכוסה חומרה ותוכנה, היכן ניתן לרכוש / להוריד את הפריטים, כיצד להגדיר את המעגלים עבור פלט מספרי, כיצד לקרוא את הפלט המספרי ורקע כיצד פועל כל חיישן.

בואו נתחיל!

שלב 1: נבדק היטב - רכישה והורדה של הסביבה

לאורך המדריך תראה שפרטי השיעור נבדקו ביסודיות על ידי בני נוער המבקרים באוניברסיטה המקומית כחלק מהעניין שלהם במכטרוניקה (רובוטיקה וייצור)

עוגיות אוראו מועילות אך אינן נחוצות

אנשי Adafruit ייצרו את הלוח בו נשתמש היום, שנקרא "מגרש המשחקים - קלאסי" והם בדקו היטב מספר דרכים לשימוש במכשיר. אתה יכול לראות כמה מאלה בדף ה"למד "שלהם כאן, אשר עוקבים באופן די גס אחר ניסוי מעבדה הניתן להנחיה ושלבי משנה-באדיבות דף" למד "של Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -ו- bluetooth-אנרגיה נמוכה

החלקים שאתה צריך הם פשוטים, זולים וקלים לשימוש לנסיינים ממגוון רחב של קבוצות גיל, אפילו צעירים כמו חטיבת הביניים (בני 12 אולי?)

1. ראשית, רכשו אחד או יותר מהמכשירים כאן: https://www.adafruit.com/product/3000 וגם מתאם USB ל- Micro-B לחיבור למחשב שלכם כאן https://www.adafruit.com/ מוצר/898. העלות הכוללת היא מתחת ל -40 $ עם משלוח, אך ייתכן שתמצא את זה זול יותר.
2. לאחר רכישת וקבלת מגרש המשחקים הזול וכבל ה- USB, יהיה עליך לחבר אותו למחשב אישי (PC) הכולל סביבת פיתוח משולבת (IDE) עבור התקנים מסוג Arduino.
3. בדוגמה זו אנו משתמשים ב- IDE arduino-1.8.4-windows, אך גם אחרים יעבדו. הקפד להתקין את כל מנהלי ההתקנים (במקרה זה, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. לאחר התקנת ה- IDE, תוכל לפתוח את IDE בשם "Arduino"
5. תחת קובץ-> העדפות הכנס את "כתובת URL נוספת של מנהל הלוח" הבא https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, לאחר מכן אמור אישור ואז סגור ופתח מחדש את ה- IDE
6. כעת חבר את מכשיר ה- Circuit Playground באמצעות ה- Micro USB. ראו שהוא מפעיל ומפעיל את תוכנית ברירת המחדל "Firmata Playground Circuit" על ידי הצגת רצף של קשת בענן. אתה יכול לבדוק שהמתג ליד שקע החשמל של הסוללה הופך את הסדר ואחד הלחצנים משחק פתק לכל צבע.
7. יהיה עליך להשיג את ספריית מגרש המשחקים ולאחר מכן לפתוח את הספרייה של Circuit PLayground לתיקיה Documents -> Arduino -> libraries "Adafruit_CircuitPlayground -master". לאחר הפירוק, הסר את הסיומת "-master" משם התיקייה. עצור והפעל מחדש את ה- IDE וטען את סוג לוח המעגלים תחת כלים -> לוחות -> מנהל לוח ולאחר מכן חפש את סוג "תורם" ואת מילות המפתח "Adafruit AVR". זה יאפשר לך להתקין את "לוחות Adafruit AVR" (הגרסה האחרונה) שאחריהם עליך לעצור ולהפעיל מחדש את ה- IDE
8. כעת אתה מוכן לבדוק את מגרש המשחקים עם תוכנית הדגמה. התחבר למגרש המשחקים המחובר באמצעות USB. עבור אל כלים -> לוחות וודא שבחרת במעגל המשחקים. עבור אל כלים -> יציאות וודא שבחרת ביציאת ה- COM המתאימה (זו המחוברת ל- USB Blaster). הורד תוכנית הדגמה באופן הבא: בחר: קבצים -> דוגמאות -> Adafruit Circuit PLayground -> הדגמה ולאחר מכן הידור והעלאה (ניתן להשתמש בכפתור "חץ הצבעה ימינה" כדי לעשות הכל)
9. בדוק את תוכנית ההדגמה על ידי ביצוע השלבים הבאים: בדוק שמעגל המשחקים מהבהב ברצף הקשת. סובב את מתג המחוון וראה שהוא גורם להשמעת תווים (אנא כבה אותו חזרה, אחרת הוא בוודאי יעצבן את כולם מסביבך). ראו שנורית ההורדה האדומה מהבהבת את קצב התזמון.
10. עכשיו אתה יכול לתקשר עם מגרש המשחקים באמצעות ממשק טקסט. לחץ על כפתור "צג סידורי" ב- IDE. זה נראה כמו זכוכית מגדלת בפינה השמאלית העליונה של חלון תוכנית ההדגמה. ייתכן שתרצה לכבות את הגלילה האוטומטית כדי לקבל מבט טוב יותר.

אתה מוכן להתנסות ולהתחבר לכל החיישנים השונים!

שלב 2: חישת טמפרטורה

תסתכל על ערך ה"טמפרטורה "בפלט הטקסט הצג הטרי שלך. יהיה לו ערך טמפרטורת החדר אי שם בשנות ה -30. מדדתי 39.43 מעלות צלזיוס.

התרמיסטור המשמש למדידת טמפרטורה מוצג בתמונה. זהו חיישן A0 ולידו גרפיקה של מדחום.

הניחו בעדינות את האגודל מעל חיישן הטמפרטורה ורשמו כמה שניות לוקח להגיע לטמפרטורה עליונה. רשום זאת, כמו גם את הדברים הבאים:

כדי להגיע לטמפרטורת האצבע המרבית זה לקח _ שניות.

מהי הטמפרטורה הגבוהה ביותר שהגיעה אליה בסופו של דבר? _ ג

מהו הערך הזה ב פרנהייט? _ F. רמז: F = (C * 1.8) + 32

האם זה חם או קריר יותר מחום הגוף הרגיל? _

האם שימוש במד חום זה עם אגודל של מישהו יהיה אינדיקטור טוב לחום כדי לדעת אם הוא חולה?

למה? _

תרמיסטור הוא סוג מיוחד של נגד שמשנה את ההתנגדות בהתאם לטמפרטורה. אחת התמונות בשלב זה מציגה תרשים מעגל תרמיסטור טיפוסי. ·

במעגל המוצג, מה תהיה הקריאה במד וולט? _ רמז: השתמש בכלל מחלק המתח Vout = (5V * R1 אוהם) / (R1 אוהם + אוהם תרמיסטור)

אם לתרמיסטור יש דירוג של "1.5% שינוי התנגדות לכל מעלה C" - מה תהיה ההתנגדות של הטרמיסטור אם הטמפרטורה תעלה עד 30 מעלות צלזיוס? _ רמז: מכיוון שמדובר בשינוי של 5 מעלות, וכל תואר משנה את ההתנגדות ב -1.5%, אנו מקבלים אוהם תרמיסטור = (5 * 0.015) + 10, 000 אוהם

ב 32 מעלות צלזיוס, מה תהיה הקריאה על מד וולט? _ רמז: כעת השינוי הוא 7 מעלות.

היכן ניתן להשתמש בחיישני טמפרטורה בסוגי הייצור?

שלב 3: חיישן מגע קיבולי

התמונה מראה אילו מהמחברים (או "רפידות") יכולים לשמש גם לזיהוי מגע. הם נקראים חיישני מגע קיבולי מכיוון שהם משתמשים בגוף האדם כרכיב אלקטרוני הנקרא קבל.

ליתר ביטחון, אנו רוצים שכל זרם חשמלי יהיה נמוך מאוד. מסיבה זו, כל החיבורים החיצוניים לרפידות עוברים בנגד 1 מגה אוהם לאזור משותף (סיכה 30 של השבב) כך שההתנגדות הכוללת בין כל שתי רפידות היא 2 מגה אוהם.

• אם מתח השיא בין כל שתי רפידות הוא 5 וולט, וההתנגדות היא 2 מגה אוהם, מה יהיה הזרם שעובר בין כל שתי רפידות אם הם קצרים? _ (אין לקצר אותם)
• "Capsense" הם המספרים המוצגים על ידי ממשק הטקסט. באיזה מקרה המספרים גדולים יותר, כאשר נוגעים בחיישנים או כאשר לא נוגעים בהם? _
• רשום כמה דוגמאות למספרים כאשר לא נוגעים בחיישנים: _
• רשום כמה דוגמאות למספרים כאשר נוגעים בחיישנים: _
• איזה הבדל אתה מבחין כאשר נוגעים במספר חיישנים בו זמנית? _
• מה קורה אם אתה מחזיק משהו מתכתי, ונוגע בזה בחיישן? _
• מה יקרה אם אתה מחזיק משהו לא מתכתי, ונוגע בזה בחיישן? _
• מכיוון שחיישני מגע קיבולי אין חלקים נעים, הם עמידים מאוד בפני רעידות. כמו כן, הם יכולים להיות מכוסים בציפוי מגן עמיד למים. מדוע שני היבטים אלה עשויים להיות שימושיים בסביבת ייצור? _

שלב 4: כפתורים מסורתיים ומתגי מחוון

כפתורי לחיצה ומתגים נראים כל כך פשוטים ו"יומיומיים "שאנו לוקחים אותם כמובן מאליו בכל הנוגע לשימוש בהם כחיישנים. המקלדת היא דוגמא מצוינת. כשאנחנו רוצים להקליד במהירות, יש כמה הקשות "שקריות", וחיי חיים ארוכים של שנים רבות של שימוש - מתגים מכניים (אחד מתחת לכל מקש במקלדת) הם הדרך.

המעגל בו אנו משתמשים כיום כולל שלושה מתגים "לסירוגין" בלחצנים. זה אומר שאחד שמשחרר את הכפתור הוא חוזר למקומו המקורי (הודות למנגנון קפיץ). במעגל יש גם חיישן המיועד למתג שקופיות דו-עמדי. זה עלול לקחת קצת מאמץ להחליק אותו, אך אל תשבור את הלוח בניסיון לעשות זאת - החלק החלק הצידה חזק יותר מכפי שאתה לוחץ כלפי מטה. חיישן מסוג זה יציב מאוד. יציב פירושו שברגע שתחליק אותו למיקום כזה או אחר, תוכל לצפות במלואו שתוכל להתרחק ולחזור זמן רב אחר כך ולצפות שהוא עדיין יהיה באותו מצב, גם אם הוא נמצא על משטח רוטט., וכו.

היכן ראית מתג שקופיות כזה בייצור, או אפילו את הבית שלך?

_

תסתכל על פלט הטקסט ומצא את מידע החיישן. במקרה זה, החיישן לא יכול להוציא מספר אלא משהו אחר.

מתג "שקף" צריך לציין את מיקומו. אילו ערכים לוקח חיישן "השקופית" בשתי העמדות?

_

משהו אחר קורה באחת משתי עמדות השקופיות. מה זה?

_

נ.ב. כאדיבות לכולם, אנא העבר את המתג למצב "פחות מעצבן" ברגע שתסיים עם סעיף זה.

שלב 5: חיישני אור

בדומה לחיישן הטמפרטורה, מעגל חיישן האור בלוח "מגרש המשחקים" משתמש במעגל מחלק מתח - שבו 5 וולט המניעים את המכשיר נחתכים לשני חלקים, על ידי החיישן ועל ידי נגד בעל ערך קבוע. במקום "תרמיסטור" חיישן האור משתמש ב"צילום-טרנזיסטור "שמשנה את ההתנגדות בהתבסס על כמות האור הפוגעת בו. אתה יכול לראות את טרנזיסטור הצילום "A5" ממש ליד הגרפיקה של העין בלוח המעגלים.

אם חיישן האור מופנה כלפי תקרת החדר (כלפי האורות) הערך של "חיישן אור" צריך להיות במאות.

איזה ערך של "חיישן אור" אתה מבחין כאשר "העין" מופנית כלפי תקרת החדר?

_

מה אם תצביע את "העין" לכיוון הרצפה - איזה מספר אתה צופה? _

מה אם תצביע את "העין" בזוויות שונות בין התקרה לרצפה? - תאר את מה שראית, כולל ערכי המספרים שראית, ומה עשית כדי להשיג את המספרים האלה. _

מה אם אתה מצביע על החיישן על פיסת בד כהה קרובה (אך לא נוגעת בה) - איזה מספר אתה מבחין? _

כיסוי זה (חיישן ליד "העין") באצבע אמור להוריד את המספר למטה. עושה את זה? _

שימו לב, האצבע שלכם שקופה למחצה, כך שהאורות הבהירים של ה- LED הזוהר יכולים להאיר אותה באמצעות האצבע. במה עוד תוכל להשתמש כדי לכסות את החיישן כדי לקבל מספר נמוך יותר? _

חיישני אור יכולים להיות מעט מסובכים - לא תמיד נותנים את הקריאה המדויקת שאתה מצפה ותלוי במידה רבה ברפלקטיביות, שקיפות, זווית תאורה ובהירות התאורה. מערכות ראייה בייצור מבקשות להתגבר על מגבלות אלה על ידי שליטה הדוקה במשתנים אלה. לדוגמה, סורק ברקוד עשוי להשתמש בפס לייזר בצבע אחד ממוקד בהיר כדי למזער את ההשפעה של תאורת החדר. בדוגמה אחרת, מסוע קרטון חלב משתמש בחיישן אור בסגנון "דלת המוסך", וספירת קרטוני חלב על ידי ספירת מספר הפעמים שמותר לאור לעבור ביניהם.

תן דוגמה אחרת מייצור, מבית או מעסק שבו חלק ממשתפי האור האלה נשלטים כדי לקבל תוצאה טובה יותר של חיישן אור (מלבד הדוגמאות שכבר הזכרתי כאן):

שלב 6: חיישן קול

חיישן הקול ב"מעגל המשחקים "הוא למעשה מערכת מיקרו אלקטרו-מכנית מתוחכמת למדי (MEMS), שלא ניתן להשתמש בה רק לאיתור רמות שמע, אלא גם לבצע ניתוח תדרים בסיסי. יתכן שראית מציג מנתח ספקטרום באולפן מוזיקה או באפליקציית נגן מוזיקה - שנראה כמו תרשים עמודות עם התווים הנמוכים משמאל וההערות הגבוהות יותר מימין (בדיוק כמו מציג אקולייזר גרפי).

הערך המוצג בקריאת הטקסט הוא למעשה צורת גל השמע הגולמית. נצטרך להוסיף את הערכים לאורך זמן כדי למצוא את העוצמה הכוללת של השמע (רמת לחץ הקול).

אף על פי כן, ניתן להשתמש במכשיר MEMS זה להפעלת פעולות על ידי רובוט או מכשיר אחר כאשר קולות קיימים, או כאשר נשמע רצף ספציפי של צלילים. בנוסף, ה- MEMS הם קטנים במיוחד (זהו המכשיר מתחת לחור הקטן הזה על קופסת המתכת, ממש ליד הגרפיקה "האוזן" בלוח) והספק נמוך. שילוב זה הופך את מכשירי MEMS ליעילים ביותר לגילוי אקוסטי, ביו-רפואי, מיקרו-נוזלים, כלים מיקרו-כירורגים, חיישני זרימה גז וכימית ועוד.

מכיוון שהפלט הוא צורת גל השמע (ולא רמת ההספק) תראה פחות טווח בערכים כאשר הדברים שקטים (~ 330 הוא האמצע לחדר שקט לחלוטין) ותנודות רחבות יותר לרעשים חזקים (0 עד 800 בערך)).

הקלט את ערכי "חיישן הקול" כאשר קיים רק רעש הרקע של החדר. איזה ערך אתה רואה? מ ל _

איזה ערך אתה מבחין אם אתה מדבר בטון דיבור רגיל - במרחק של בערך 2 מטרים מהחיישן? מ ל _

האם אתה מקבל טווח ערכים גבוה יותר על ידי דיבור או על ידי הצמדת אצבעות (או מחיאת כפיים) שוב ושוב?

כן או לא: _ הזעם על מחיאות כפיים/הצליפות עובר מ _ ל _

למה אתה חושב שזה כך? _

נסה סוגים אחרים של רעש והקלט את מה שאתה רואה - אך נא לא להקיש על הלוח: _

נ.ב. MEMS פועלים לשני הכיוונים, ואפשר להשתמש בחשמל כדי להזיז את החלקים המיקרו מכניים. חברה בשם "פיקסלי אודיו" עובדת על קיבוץ מכשירים אלה כדי ליצור רמקול זעיר שטוח לחלוטין שיכול להפנות את הצליל לכל כיוון.

שלב 7: מד תאוצה

מד תאוצה הוא גם סוג של MEMS, ואחד מהמכשירים הללו מסופק על לוח "מעגל המשחקים". שבב LIS3DH, ליד מרכז הלוח ליד ה- XYZ Graphic, נותן את היכולת למדוד תאוצה לכל כיוון כסכום ההאצה הווקטורי בכיוון X, Y ו- Z.

מכיוון שכוח הכבידה זהה לכוח המורגש על ידי האצה (תורת היחסות של איינשטיין), גם כאשר הוא עומד דומם כאן על פני כדור הארץ, המכשיר מודד תאוצה של 9.8 מטר לשנייה לשנייה (9.8 מ '/s2).

אתה יכול לסובב את המכשיר כדי לקבל את כל הכוח בכיוון "X".

נסה להטות את המכשיר כך שכל ההאצה תהיה בכיוון X (אנא היו עדינים עם כבל ה- USB הקצר בעת סיבוב הדברים). אילו ערכים שמתם לב? X: _ Y: _ Z: _

כעת הטה את המכשיר בכדי לקבל כמעט את כל כוח הכבידה (האצה) בכיוון Y. אילו ערכים שמתם לב? X: _ Y: _ Z: _

לבסוף, מקם את המכשיר כך שהתאוצה מכוח הכבידה מתחלקת בין כיווני X ו- Y, והיא כמעט 0 בכיוון Z (אי שם בין שתי העמדות הקודמות). אילו ערכים שמתם לב? X: _ Y: _ Z: _

השתמש במשפט פיתגורס כדי להוסיף את וקטורי האצה X ו- Y מהמדידה הקודמת. אתה יכול להתעלם מסימנים שליליים, זה אומר שהמכשיר פשוט הפוך לכיוון הזה. מהי ההאצה הכוללת? _ נזכיר כי ההאצה הכוללת = √ (X2 + Y2).

נסה את הניסוי הבא רק אם אתה תלת מימדי! הטה את המכשיר כך שהתאוצה מכוח הכבידה מתחלקת בין הכיוונים X, Y ו- Z. אילו ערכים שמתם לב?

X: _ Y: _ Z: _ האצה כוללת = _

כפי שאתה יכול לראות, ניתן להשתמש במד התאוצה (הודות לכוח הכבידה) גם למדידת הטיה - או מיקום הלוח. אם היית בונה זרוע רובוט עם אחיזה, היכן תוכל לשים את חיישן מד התאוצה, ומדוע? _

מלבד הטיה וכיוון מרכז כדור הארץ, מדי תאוצה יכולים באופן טבעי גם למדוד תאוצה. העבר את הלוח בעדינות קדימה ואחורה (אנא היה עדין עם כבל ה- USB הקצר בעת סיבוב דברים). אילו ערכים שמתם לב?

הכיוון הועבר: _ X: _ Y: _ Z: _

הכיוון הועבר: _ X: _ Y: _ Z: _

שלב 8: סיימת

ברכותיך על השלמת כל השלבים הללו והבנת חיישנים אלקטרוניים!

השאירו תגובה כדי לשלוח לי משוב על דברים שלדעתכם יש לשפר, והודיעו לי גם אם הגעתם לשימושי חיישנים נוספים של ה- Circuit Playground Classic!

פול נוסבאום, דוקטור