Sử dụng Arduino cho Khoa học công dân !: 14 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Khoa học cho phép chúng ta hỏi những câu hỏi cấp bách nhất của mình và khám phá tất cả những điều tò mò. Với một số suy nghĩ, làm việc chăm chỉ và kiên nhẫn, chúng ta có thể sử dụng những khám phá của mình để xây dựng sự hiểu biết và đánh giá tốt hơn về thế giới phức tạp và tươi đẹp xung quanh chúng ta.

Hướng dẫn này sẽ dạy bạn cách sử dụng vi điều khiển Arduino (chưa), cách sử dụng các loại cảm biến khác nhau và cách thu thập và trực quan hóa dữ liệu. Trong quá trình này, chúng tôi sẽ xây dựng ba dự án: công tắc nghiêng, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm và cảm biến ánh sáng!

Mức độ khó khăn: Người mới bắt đầu

Thời gian đọc: 20 phút

Thời gian xây dựng: Phụ thuộc vào dự án của bạn! (Các dự án trong hướng dẫn này mất khoảng 15 - 20 phút)

Bước 1: Pssst, Sự khác biệt giữa Khoa học Công dân và "Khoa học chính thức" là gì?

Sự khác biệt lớn nhất là khoa học công dân, như tôi thường nói, "bàn tay gợn sóng", có nghĩa là có rất nhiều sai sót và không chắc chắn và không có quy trình nghiêm ngặt để xác định chúng. Do đó, các kết luận đạt được thông qua khoa học công dân kém chính xác hơn nhiều so với khoa học-khoa học và không nên dựa vào đó để đưa ra các tuyên bố hoặc quyết định nghiêm trọng / thay đổi cuộc sống / đe dọa tính mạng. *

Nói như vậy, khoa học công dân là một cách tuyệt vời để xây dựng sự hiểu biết cơ bản về tất cả các loại hiện tượng khoa học hấp dẫn và đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng hàng ngày.

* Nếu bạn đang nghiên cứu khoa học công dân và bạn phát hiện ra điều gì đó có thể nguy hiểm (ví dụ như hàm lượng chì cao trong nước), hãy thông báo cho nhà giáo dục của bạn (nếu có) và liên hệ với các cơ quan và chuyên gia có liên quan để được hỗ trợ.

Bước 2: Arduino là gì ??

Arduino là một bo mạch vi điều khiển và Môi trường phát triển tích hợp ("IDE"), là một cách nói hoa mỹ để nói "chương trình mã hóa". Đối với người mới bắt đầu, tôi thực sự khuyên bạn nên sử dụng bảng Arduino Uno vì chúng siêu mạnh mẽ, đáng tin cậy và mạnh mẽ.

Bo mạch Arduino là một lựa chọn tốt cho các dự án khoa học công dân vì chúng có rất nhiều chân đầu vào để đọc trong cả cảm biến Analog và Digital (chúng ta sẽ đi sâu hơn vào vấn đề này sau).

Tất nhiên, bạn có thể sử dụng các bộ vi điều khiển khác cho khoa học công dân tùy thuộc vào nhu cầu, khả năng và mức độ thoải mái của bạn (hoặc sinh viên của bạn). Dưới đây là tổng quan về vi điều khiển để giúp bạn quyết định điều gì là tốt nhất cho bạn!

Để flash hoặc lập trình bảng Arduino, hãy cắm nó qua USB, sau đó:

1. Chọn loại Arduino bạn đang sử dụng trong Công cụ -> Bảng. (Ảnh 2)

2. Chọn cổng (hay còn gọi là cổng kết nối với máy tính của bạn). (Ảnh 3)

3. Nhấp vào nút Tải lên và kiểm tra xem nó đã hoàn tất quá trình tải lên chưa. (Ảnh 4)

Bước 3: Công cụ & Vật liệu

Nếu bạn chỉ mới bắt đầu, nhận một bộ phụ kiện là một cách nhanh chóng và dễ dàng để có được một loạt các bộ phận cùng một lúc. Bộ tôi đang sử dụng trong hướng dẫn này là Bộ khởi động Elegoo Arduino. *

Công cụ

• Arduino Uno
• Cáp USB A đến B (hay còn gọi là cáp máy in)

• Dây nhảy

  • 3 nam sang nam
  • 3 nam sang nữ

• Breadboard

  Tùy chọn nhưng được khuyến nghị để làm cho cuộc sống của bạn dễ dàng hơn và vui vẻ hơn:)

Vật liệu

Đối với các dự án được đề cập trong hướng dẫn này, bạn sẽ cần các phần này từ Bộ khởi động Elegoo Arduino:

• Công tắc nghiêng
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DTH11
• DẪN ĐẾN
• Điện trở 100 Ohm

* Tiết lộ đầy đủ: Tôi mua những bộ dụng cụ tương tự này cho các buổi hội thảo, nhưng bộ dụng cụ được sử dụng trong hướng dẫn này được tặng bởi những người đáng yêu tại Elegoo.

Bước 4: Chúng ta có thể sử dụng loại cảm biến nào?

Khi thiết kế một thí nghiệm khoa học, chúng ta thường bắt đầu với một câu hỏi: Thực vật hấp thụ bao nhiêu CO2 trong một ngày? Lực tác động của bước nhảy là gì? Ý thức là gì ??

Dựa trên câu hỏi của chúng tôi, sau đó chúng tôi có thể xác định những gì chúng tôi muốn đo lường và thực hiện một số nghiên cứu để tìm ra loại cảm biến nào chúng tôi có thể sử dụng để thu thập dữ liệu (mặc dù hơi khó để thu thập dữ liệu cho câu hỏi cuối cùng đó!).

Khi làm việc với điện tử, có hai loại tín hiệu dữ liệu cảm biến chính: Digital và Analog. Trong ảnh, hai hàng bộ phận đầu tiên đều là cảm biến kỹ thuật số, trong khi hai hàng trên cùng là cảm biến tương tự.

Có nhiều loại cảm biến kỹ thuật số khác nhau và một số loại cảm biến kỹ thuật số khó làm việc hơn những loại khác. Khi thực hiện nghiên cứu cho dự án khoa học công dân của bạn, hãy luôn kiểm tra cách cảm biến đưa ra dữ liệu (srsly tho) và đảm bảo bạn có thể tìm thấy thư viện (Arduino) cho cảm biến cụ thể đó.

Trong ba dự án được đề cập trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ sử dụng hai loại cảm biến kỹ thuật số và một cảm biến tương tự. Hãy cùng học!

Bước 5: Cảm biến kỹ thuật số! Phần 1: Những người dễ dàng

Hầu hết các cảm biến bạn sẽ sử dụng đầu ra là Tín hiệu kỹ thuật số, là tín hiệu bật hoặc tắt. * Chúng tôi sử dụng số nhị phân để biểu thị hai trạng thái sau: tín hiệu Bật được cho bởi 1 hoặc Đúng, trong khi Tắt là 0, Hay sai. Nếu chúng ta vẽ một bức tranh về tín hiệu nhị phân trông như thế nào, nó sẽ là một sóng vuông giống như trong Ảnh 2.

Có một số cảm biến kỹ thuật số, như công tắc, đo lường siêu dễ dàng và đơn giản vì nút được nhấn và chúng ta nhận được tín hiệu (1) hoặc không được đẩy và chúng ta không có tín hiệu (0). Các cảm biến ở hàng dưới cùng của bức ảnh đầu tiên đều là loại bật / tắt đơn giản. Các cảm biến ở hàng trên cùng phức tạp hơn một chút và được che lại sau dự án đầu tiên của chúng tôi.

Hai dự án đầu tiên trong hướng dẫn này sẽ dạy bạn cách sử dụng cả hai loại! Tiếp tục xây dựng dự án đầu tiên của chúng tôi !!

* On có nghĩa là một tín hiệu điện dưới dạng dòng điện và điện áp. Tắt nghĩa là không có tín hiệu điện!

Bước 6: Dự án 1: Cảm biến kỹ thuật số công tắc nghiêng

Đối với dự án đầu tiên này, hãy sử dụng một công tắc nghiêng, cảm biến hình trụ màu đen có hai chân! Bước 1: Cắm một chân của công tắc nghiêng vào Arduino Digital Pin 13 và chân kia vào chân GND ngay bên cạnh chân 13. Định hướng không quan trọng.

Bước 2: Viết bản phác thảo đọc và in ra trạng thái của Chân số 13

Hoặc bạn chỉ có thể sử dụng của tôi!

Nếu bạn mới bắt đầu viết mã, hãy đọc qua các bình luận để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của bản phác thảo và thử thay đổi một số thứ để xem điều gì sẽ xảy ra! Bạn có thể phá vỡ mọi thứ, đó là một cách tuyệt vời để học! Bạn luôn có thể tải xuống lại tệp và bắt đầu lại:)

Bước 3: Để xem dữ liệu trực tiếp của bạn, hãy nhấp vào nút Serial Monitor (ảnh 2)

.. aaa và thế là xong! Bây giờ bạn có thể sử dụng công tắc nghiêng để đo hướng! Thiết lập nó để gọi mèo con của bạn khi nó xô ngã vật gì đó hoặc sử dụng nó để theo dõi cách các cành cây di chuyển khi có bão!.. & có lẽ có những ứng dụng khác ở giữa hai thái cực đó.

Bước 7: Cảm biến kỹ thuật số! Phần 2: PWM và giao tiếp nối tiếp

Có nhiều cách để tạo ra các tín hiệu kỹ thuật số phức tạp hơn! Một phương pháp được gọi là Điều chế độ rộng xung ("PWM"), là một cách nói ưa thích của một tín hiệu bật trong một khoảng thời gian nhất định và tắt trong một khoảng thời gian nhất định. Động cơ servo (có thể được sử dụng để đo vị trí) và cảm biến siêu âm là những ví dụ về cảm biến sử dụng tín hiệu PWM.

Cũng có những cảm biến sử dụng giao tiếp nối tiếp để gửi dữ liệu một bit, hoặc chữ số nhị phân, tại một thời điểm. Các cảm biến này yêu cầu bạn phải làm quen với việc đọc các biểu dữ liệu và có thể khá phức tạp nếu bạn mới bắt đầu. May mắn thay, các cảm biến nối tiếp thông thường sẽ có thư viện mã * và các chương trình mẫu để lấy từ đó, do đó bạn vẫn có thể kết hợp một thứ gì đó hoạt động với nhau. Thông tin chi tiết về các giao thức giao tiếp nối tiếp nằm ngoài phạm vi của hướng dẫn này, nhưng đây là một nguồn tài nguyên tuyệt vời về giao tiếp nối tiếp từ SparkFun để tìm hiểu thêm!

Đối với dự án mẫu này, hãy sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11)! Đây là một hình vuông màu xanh có lỗ và 3 chốt.

Đầu tiên, chúng ta sẽ cần một vài thư viện đặc biệt cho cảm biến DHT11: thư viện DHT11 và thư viện Adafruit Unified Sensor. Để cài đặt các thư viện này (và hầu hết các thư viện Arduino khác):

Bước 1: Mở trình quản lý thư viện Arduino bằng cách đi tới Sketch -> Libraries -> management Library (Ảnh 2)

Bước 2: Cài đặt và kích hoạt thư viện DHT bằng cách tìm kiếm "DHT" và sau đó nhấp vào Cài đặt cho "Thư viện Arduino DHT" (Ảnh 3)

Bước 3: Cài đặt và kích hoạt thư viện Adafruit Unified Sensor bằng cách tìm kiếm "Adafruit Unified Sensor" và nhấp vào cài đặt.

Bước 4: Chèn thư viện DHT vào bản phác thảo đang mở của bạn bằng cách đi tới Sketch -> Libraries và nhấp vào "Thư viện DHT Arduino. (Ảnh 4) Thao tác này sẽ chèn một vài dòng mới ở đầu bản phác thảo của bạn, có nghĩa là thư viện hiện đang hoạt động và sẵn sàng sử dụng! (Ảnh 5)

* Cũng giống như thư viện địa phương yêu thích của bạn, thư viện mã là vô số kiến thức và là công việc khó khăn của những người khác mà chúng ta có thể sử dụng để làm cho cuộc sống của chúng ta dễ dàng hơn, yay!

Bước 8: Dự án 2: Cảm biến nối tiếp kỹ thuật số nhiệt độ và độ ẩm

Lấy 3 dây nhảy từ nam sang nữ từ Bộ khởi động Elegoo Arduino và chúng tôi đã sẵn sàng!

Bước 1: Với các chân tiêu đề đối diện với bạn, hãy kết nối chân tiêu đề ngoài cùng bên phải trên DHT11 với chân nối đất ("GND") của Arduino.

Bước 2: Kết nối chân tiêu đề giữa với chân đầu ra 5V của Arduino.

Bước 3: Kết nối chân cắm tiêu đề ngoài cùng bên trái với Chân cắm kỹ thuật số 2 của Arduino

Bước 4: Cuối cùng, hãy đọc thư viện DHT và thử sức với việc viết một bản phác thảo! Hoặc bạn có thể sử dụng bản phác thảo ví dụ kiểm tra của tôi hoặc DHT trong Arduino -> Ví dụ!

Khi bạn đã thiết lập và chạy, hãy ra ngoài và đo nhiệt độ và độ ẩm của tất cả mọi thứ!.. Như hơi thở của động vật, nhà kính hoặc địa điểm leo núi yêu thích của bạn vào các thời điểm khác nhau trong năm để tìm nhiệt độ gửi * hoàn hảo *.

Bước 9: Cảm biến tương tự

Sau những khó khăn đi sâu vào cảm biến kỹ thuật số, cảm biến tương tự có thể trở nên dễ dàng! Tín hiệu tương tự là một tín hiệu liên tục, như trong hình thứ 2. Hầu hết thế giới vật chất tồn tại ở dạng tương tự (ví dụ: nhiệt độ, tuổi, áp suất, v.v.), nhưng vì máy tính là kỹ thuật số * nên hầu hết các cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu kỹ thuật số. Một số bộ vi điều khiển, như bo mạch Arduino, cũng có thể đọc ở dạng tín hiệu tương tự **.

Đối với hầu hết các cảm biến tương tự, chúng tôi cấp nguồn cho cảm biến, sau đó đọc tín hiệu tương tự bằng các chân Đầu vào tương tự. Đối với thử nghiệm này, chúng tôi sẽ sử dụng một thiết lập thậm chí còn đơn giản hơn để đo điện áp trên đèn LED khi chúng tôi chiếu đèn vào đó.

* Máy tính sử dụng tín hiệu kỹ thuật số để lưu trữ và truyền tải thông tin. Điều này là do tín hiệu kỹ thuật số dễ phát hiện hơn và đáng tin cậy hơn, vì tất cả những gì chúng ta phải lo lắng là có nhận được tín hiệu hay không chứ không phải lo lắng về chất lượng / độ chính xác của tín hiệu.

** Để đọc tín hiệu tương tự trên thiết bị kỹ thuật số, chúng ta phải sử dụng bộ chuyển đổi Tương tự sang kỹ thuật số hoặc ADC, bộ chuyển đổi này gần đúng với tín hiệu tương tự bằng cách so sánh đầu vào với điện áp đã biết trên thiết bị, sau đó đếm thời gian. cần để đạt được điện áp đầu vào. Để biết thêm thông tin, đây là một trang web hữu ích.

Bước 10: Dự án 3: LED làm cảm biến ánh sáng

Lấy một đèn LED (bất kỳ màu nào trừ màu trắng), một điện trở 100 Ohm và 2 dây nối. Oh, và một breadboard!

Bước 1: Chèn đèn LED vào breadboard với chân dài hơn ở phía bên phải.

Bước 2: Kết nối dây jumper từ Arduino Analog Pin A0 và chân LED dài hơn

Bước 3: Nối điện trở giữa chân LED ngắn hơn và thanh nguồn âm breadboard (bên cạnh vạch màu xanh).

Bước 4: Kết nối chân Arduino GND với thanh nguồn âm trên bảng mạch.

Bước 5: Viết bản phác thảo đọc trong Pin Analog A0 và in ra Màn hình nối tiếp

Đây là một mã mẫu để bắt đầu.

Bước 11: Trực quan hóa dữ liệu: Arduino IDE

Arduino IDE đi kèm với các công cụ tích hợp để trực quan hóa dữ liệu. Chúng tôi đã khám phá những điều cơ bản về Serial Monitor cho phép chúng tôi in các giá trị cảm biến. Nếu bạn muốn lưu và phân tích dữ liệu của mình, hãy sao chép đầu ra trực tiếp từ Trình theo dõi nối tiếp và dán vào trình soạn thảo văn bản, bảng tính hoặc công cụ phân tích dữ liệu khác.

Công cụ thứ hai mà chúng ta có thể sử dụng để xem dữ liệu của mình trong chương trình Arduino là Serial Plotter, một phiên bản trực quan (hay còn gọi là đồ thị) của Serial Monitor. Để sử dụng Serial Plotter, hãy chuyển đến Tools Serial Plotter. Biểu đồ trong Ảnh 2 là đầu ra của đèn LED dưới dạng cảm biến ánh sáng từ Dự án 3! *

Biểu đồ sẽ tự động chia tỷ lệ và miễn là bạn đang sử dụng Serial.println () cho các cảm biến của mình, nó cũng sẽ in tất cả các cảm biến của bạn bằng các màu khác nhau. Hoan hô! Đó là nó!

* Nếu bạn nhìn vào phần cuối, có một dạng sóng siêu thú vị có thể là do Dòng điện xoay chiều ("AC") trong đèn chiếu sáng trên không của chúng ta!

Bước 12: Trực quan hóa dữ liệu: Excel! Phần 1

Để phân tích dữ liệu nghiêm túc hơn, có một phần bổ trợ siêu thú vị (và miễn phí!) Cho Excel có tên là Data Streamer *, bạn có thể tải xuống tại đây.

Phần bổ trợ này đọc từ cổng nối tiếp, vì vậy chúng ta có thể sử dụng cùng một kỹ thuật mã hóa chính xác để in dữ liệu sang nối tiếp để lấy dữ liệu trực tiếp vào Excel.. heck yes !!

Cách sử dụng Phần bổ trợ Data Streamer:

1. Sau khi bạn đã cài đặt nó (hoặc nếu bạn có O365), hãy nhấp vào tab Data Streamer (ngoài cùng bên phải) trong Excel.

2. Cắm Arduino của bạn và nhấp vào "Kết nối thiết bị", sau đó chọn Arduino từ menu thả xuống. (Ảnh 1)

3. Nhấp vào "Bắt đầu dữ liệu" để bắt đầu thu thập dữ liệu! (Ảnh 2) Bạn sẽ thấy ba trang tính mới mở ra: "Dữ liệu vào", "Dữ liệu ra" và "Cài đặt".

Dữ liệu trực tiếp được in trong trang Dữ liệu trong. (Ảnh 3) Mỗi hàng tương ứng với một số đọc cảm biến, với giá trị mới nhất được in ở hàng cuối cùng.

Theo mặc định, chúng tôi chỉ nhận được 15 hàng dữ liệu, nhưng bạn có thể thay đổi điều này bằng cách đi tới "Cài đặt". Chúng tôi có thể tập hợp tối đa 500 hàng (giới hạn là do băng thông của Excel - có rất nhiều điều xảy ra trong nền!).

* Tiết lộ đầy đủ: Mặc dù hướng dẫn này không được liên kết, nhưng tôi làm việc với nhóm Microsoft Hacking STEM đã phát triển phần bổ trợ này.

Bước 13: Trực quan hóa dữ liệu: Excel! Phần 2

4. Thêm một lô dữ liệu của bạn! Thực hiện một số phân tích dữ liệu! Biểu đồ phân tán cho bạn thấy các số đọc cảm biến thay đổi như thế nào theo thời gian, đó là điều chúng ta đã thấy trong Máy vẽ nối tiếp Arduino.

Để thêm một Lô phân tán:

Đi tới Chèn -> Biểu đồ -> Phân tán. Khi âm mưu bật lên, nhấp chuột phải vào nó và chọn "Chọn dữ liệu", sau đó Thêm. Chúng tôi muốn dữ liệu của mình được hiển thị trên trục y, với "thời gian" * trên trục x. Để thực hiện việc này, hãy nhấp vào mũi tên bên cạnh trục y, đi tới trang Dữ liệu trong và chọn tất cả dữ liệu cảm biến đến (Ảnh 2).

Chúng tôi cũng có thể thực hiện các phép tính và so sánh trong Excel! Để viết công thức, hãy nhấp vào ô trống và nhập dấu bằng ("="), sau đó là phép tính bạn muốn thực hiện. Có rất nhiều lệnh tích hợp như trung bình, tối đa và tối thiểu.

Để sử dụng một lệnh, hãy nhập dấu bằng, tên lệnh và dấu ngoặc đơn mở, sau đó chọn dữ liệu bạn đang phân tích và đóng dấu ngoặc đơn (Ảnh 3)

5. Để gửi nhiều cột dữ liệu (AKA nhiều hơn một cảm biến), hãy in các giá trị trên cùng một dòng được phân tách bằng dấu phẩy, với một dòng mới trống cuối cùng, như sau:

Serial.print (sensorReading1);

Serial.print (","); Serial.print (sensorReading2); Serial.print (","); Serial.println ();

* Nếu bạn muốn thời gian thực nằm trên trục x, hãy chọn dấu thời gian trong Cột A trên trang Dữ liệu Trong trang tính cho các giá trị trục x trong Biểu đồ phân tán của bạn. Dù bằng cách nào, chúng ta sẽ thấy dữ liệu của mình thay đổi theo thời gian.

Bước 14: Tiến lên và đo lường tất cả mọi thứ !

Được rồi mọi người, vậy thôi! Đã đến lúc đi ra ngoài và hướng lên! Sử dụng điều này làm nền tảng để bắt đầu khám phá các cảm biến, mã hóa Arduino và phân tích dữ liệu để giải quyết các câu hỏi, sự tò mò và bí ẩn yêu thích của bạn trong thế giới rộng lớn, xinh đẹp này.

Hãy nhớ rằng: có rất nhiều người sẵn sàng giúp đỡ bạn trong suốt chặng đường, vì vậy hãy để lại bình luận nếu bạn có câu hỏi!

Cần thêm một số ý tưởng? Dưới đây là cách tạo công tắc thay đổi trạng thái có thể đeo, cảm biến nhiệt độ từ xa chạy bằng năng lượng mặt trời và quy mô công nghiệp có kết nối Internet!

Thích hướng dẫn này và muốn xem thêm? Hỗ trợ các dự án của chúng tôi trên Patreon!:NS