HackerBox 0035: ElectroChemistry: 11 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Tháng này, Hacker HackerBox đang khám phá các cảm biến điện hóa khác nhau và các kỹ thuật thử nghiệm để đo các tính chất vật lý của vật liệu. Có thể hướng dẫn này chứa thông tin để bắt đầu với HackerBox # 0035, bạn có thể mua thông tin này tại đây trong khi hết hàng. Ngoài ra, nếu bạn muốn nhận được một HackerBox như thế này ngay trong hộp thư của mình mỗi tháng, hãy đăng ký tại HackerBoxes.com và tham gia cuộc cách mạng!

Các chủ đề và mục tiêu học tập cho HackerBox 0035:

• Định cấu hình Arduino Nano để sử dụng với Arduino IDE
• Nối dây và mã một mô-đun OLED để hiển thị các phép đo
• Xây dựng bản demo máy lọc hơi thở bằng cách sử dụng cảm biến nồng độ cồn
• So sánh các cảm biến khí để thực hiện các phép đo chất lượng không khí
• Xác định chất lượng nước dạng tổng chất rắn hòa tan (TDS)
• Kiểm tra cảm biến nhiệt không tiếp xúc và chìm trong nước

HackerBoxes là dịch vụ hộp đăng ký hàng tháng dành cho công nghệ máy tính và điện tử DIY. Chúng tôi là những người có sở thích, nhà sản xuất và thử nghiệm. Chúng ta là những kẻ mơ mộng. HACK KẾ HOẠCH!

Bước 1: HackerBox 0035: Nội dung hộp

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Màn hình I2C OLED 0,96 128x64 pixel
• Máy đo chất lượng nước TDS-3
• Mô-đun nhiệt độ không tiếp xúc GY-906
• Cảm biến ô nhiễm chất lượng không khí MP503
• Đầu dò nhiệt độ chống thấm DS18B20
• Mô-đun cảm biến độ cồn MQ-3
• Mô-đun cảm biến khí nguy hiểm không khí MQ-135
• DHT11 Mô-đun độ ẩm và nhiệt độ
• Mô-đun Laser KY-008
• Bộ đèn LED, điện trở 1K và các nút xúc giác
• 400 Point "Crystal Clear" Breadboard
• Bộ dây Jumper - 65 miếng
• Cáp MircoUSB
• Đề can HackerBoxes độc quyền

Một số điều khác sẽ hữu ích:

• Hàn sắt, thuốc hàn và các dụng cụ hàn cơ bản
• Máy tính để chạy các công cụ phần mềm

Quan trọng nhất, bạn sẽ cần cảm giác phiêu lưu, tinh thần tự làm và sự tò mò của hacker. Thiết bị điện tử Hardcore DIY không phải là một mục tiêu tầm thường và HackerBoxes không bị hạ nhiệt. Mục tiêu là sự tiến bộ, không phải sự hoàn hảo. Khi bạn kiên trì và tận hưởng cuộc phiêu lưu, bạn có thể thấy rất nhiều sự hài lòng khi học công nghệ mới và hy vọng sẽ có được một số dự án hoạt động. Chúng tôi khuyên bạn nên thực hiện từng bước một cách chậm rãi, chú ý đến các chi tiết và đừng ngại yêu cầu sự giúp đỡ.

Có rất nhiều thông tin cho các thành viên hiện tại và tương lai trong Câu hỏi thường gặp về HackerBoxes.

Bước 2: Điện hóa học

Điện hóa học (Wikipedia) là một nhánh của hóa học vật lý nghiên cứu mối quan hệ giữa điện, như một hiện tượng có thể đo lường và định lượng, và một sự thay đổi hóa học cụ thể hoặc ngược lại. Các phản ứng hóa học liên quan đến các điện tích di chuyển giữa các điện cực và chất điện phân (hoặc các ion trong dung dịch). Do đó, điện hóa học giải quyết sự tương tác giữa năng lượng điện và sự thay đổi hóa học.

Các thiết bị điện hóa phổ biến nhất là pin hàng ngày. Pin là thiết bị bao gồm một hoặc nhiều tế bào điện hóa có kết nối bên ngoài được cung cấp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện như đèn pin, điện thoại thông minh và ô tô điện.

Cảm biến khí điện hóa là thiết bị phát hiện khí đo nồng độ của khí mục tiêu bằng cách oxy hóa hoặc khử khí mục tiêu tại một điện cực và đo dòng điện tạo thành.

Điện phân là một kỹ thuật sử dụng dòng điện một chiều (DC) để thúc đẩy một phản ứng hóa học không tự phát. Điện phân có vai trò quan trọng về mặt thương mại như một giai đoạn trong quá trình tách các nguyên tố khỏi các nguồn tự nhiên như quặng bằng cách sử dụng một tế bào điện phân.

Bước 3: Nền tảng vi điều khiển Arduino Nano

Arduino Nano, hoặc bo mạch vi điều khiển tương tự, là lựa chọn tuyệt vời để giao tiếp với các cảm biến điện hóa và hiển thị đầu ra với máy tính hoặc màn hình video. Mô-đun Arduino Nano đi kèm có các chân cắm tiêu đề, nhưng chúng không được hàn vào mô-đun. Để các ghim tắt ngay bây giờ. Thực hiện các thử nghiệm ban đầu này đối với mô-đun Arduino Nano TRƯỚC KHI hàn các chân tiêu đề của Arduino Nano. Tất cả những gì cần thiết cho một vài bước tiếp theo là cáp microUSB và mô-đun Nano ngay khi nó ra khỏi túi.

Arduino Nano là một bo mạch Arduino thu nhỏ, thân thiện với bề mặt, thân thiện với bảng mạch và có USB tích hợp. Nó có đầy đủ tính năng và dễ dàng để hack.

Đặc trưng:

• Bộ vi điều khiển: Atmel ATmega328P
• Điện áp: 5V
• Chân I / O kỹ thuật số: 14 (6 PWM)
• Chân đầu vào tương tự: 8
• Dòng điện DC trên mỗi chân I / O: 40 mA
• Bộ nhớ Flash: 32 KB (2KB cho bộ nạp khởi động)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Tốc độ đồng hồ: 16 MHz
• Kích thước: 17mm x 43mm

Biến thể đặc biệt này của Arduino Nano là thiết kế Robotdyn màu đen. Giao diện bằng cổng MicroUSB trên bo mạch tương thích với cùng loại cáp MicroUSB được sử dụng với nhiều điện thoại di động và máy tính bảng.

Arduino Nanos có chip cầu nối USB / Serial tích hợp. Trên biến thể cụ thể này, chip cầu nối là CH340G. Lưu ý rằng có nhiều loại chip cầu nối USB / Serial khác được sử dụng trên các loại bảng Arduino khác nhau. Các chip này cho phép bạn sử dụng cổng USB của máy tính để giao tiếp với giao diện nối tiếp trên chip xử lý của Arduino.

Hệ điều hành của máy tính yêu cầu Trình điều khiển thiết bị để giao tiếp với chip USB / Serial. Trình điều khiển cho phép IDE giao tiếp với bảng Arduino. Trình điều khiển thiết bị cụ thể cần thiết phụ thuộc vào cả phiên bản hệ điều hành và loại chip USB / Serial. Đối với chip CH340 USB / Serial, có sẵn các trình điều khiển cho nhiều hệ điều hành (UNIX, Mac OS X hoặc Windows). Nhà sản xuất CH340 cung cấp các trình điều khiển đó ở đây.

Khi bạn lần đầu tiên cắm Arduino Nano vào cổng USB của máy tính, đèn nguồn màu xanh lá cây sẽ bật sáng và ngay sau đó đèn LED màu xanh lam sẽ bắt đầu nhấp nháy chậm. Điều này xảy ra vì Nano được tải sẵn chương trình BLINK, đang chạy trên Arduino Nano hoàn toàn mới.

Bước 4: Môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE)

Nếu bạn chưa cài đặt Arduino IDE, bạn có thể tải xuống từ Arduino.cc

Nếu bạn muốn có thêm thông tin giới thiệu để làm việc trong hệ sinh thái Arduino, chúng tôi khuyên bạn nên xem hướng dẫn cho Hội thảo dành cho người mới bắt đầu HackerBoxes.

Cắm Nano vào cáp MicroUSB và đầu còn lại của cáp vào cổng USB trên máy tính, khởi chạy phần mềm Arduino IDE, chọn cổng USB thích hợp trong IDE bên dưới công cụ> cổng (có thể là tên có "wchusb" trong đó). Cũng chọn "Arduino Nano" trong IDE dưới công cụ> bảng.

Cuối cùng, tải lên một đoạn mã ví dụ:

Tệp-> Ví dụ-> Khái niệm cơ bản-> Nhấp nháy

Đây thực sự là mã đã được tải trước vào Nano và sẽ chạy ngay bây giờ để từ từ nhấp nháy đèn LED màu xanh lam. Theo đó, nếu chúng ta tải mã ví dụ này, sẽ không có gì thay đổi. Thay vào đó, hãy sửa đổi mã một chút.

Nhìn kỹ hơn, bạn có thể thấy rằng chương trình bật đèn LED, đợi 1000 mili giây (một giây), tắt đèn LED, đợi thêm một giây và sau đó thực hiện lại tất cả - mãi mãi.

Sửa đổi mã bằng cách thay đổi cả hai câu lệnh "delay (1000)" thành "delay (100)". Sửa đổi này sẽ làm cho đèn LED nhấp nháy nhanh hơn gấp mười lần, phải không?

Hãy tải mã đã sửa đổi vào Nano bằng cách nhấp vào nút TẢI LÊN (biểu tượng mũi tên) ngay phía trên mã đã sửa đổi của bạn. Xem mã bên dưới để biết thông tin trạng thái: "biên dịch" và sau đó "tải lên". Cuối cùng, IDE sẽ cho biết "Tải lên hoàn tất" và đèn LED của bạn sẽ nhấp nháy nhanh hơn.

Nếu vậy, xin chúc mừng! Bạn vừa hack đoạn mã nhúng đầu tiên của mình.

Sau khi phiên bản nhấp nháy nhanh của bạn được tải và chạy, tại sao không xem bạn có thể thay đổi mã một lần nữa để làm cho đèn LED nhấp nháy nhanh hai lần rồi đợi vài giây trước khi lặp lại không? Hãy thử một lần! Làm thế nào về một số mẫu khác? Một khi bạn thành công trong việc hình dung một kết quả mong muốn, mã hóa nó và quan sát nó để hoạt động theo kế hoạch, bạn đã thực hiện một bước rất lớn để trở thành một hacker phần cứng có năng lực.

Bước 5: Ghim tiêu đề và OLED trên Bảng mạch không hàn

Bây giờ máy tính phát triển của bạn đã được định cấu hình để tải mã vào Arduino Nano và Nano đã được kiểm tra, hãy ngắt kết nối cáp USB khỏi Nano và sẵn sàng hàn các chân tiêu đề. Nếu đó là đêm đầu tiên của bạn tại câu lạc bộ chiến đấu, bạn phải hàn! Có rất nhiều hướng dẫn và video tuyệt vời trực tuyến về hàn (ví dụ). Nếu bạn cảm thấy rằng bạn cần hỗ trợ thêm, hãy cố gắng tìm một nhóm nhà sản xuất địa phương hoặc không gian hacker trong khu vực của bạn. Ngoài ra, các câu lạc bộ radio nghiệp dư luôn là nguồn cung cấp trải nghiệm điện tử tuyệt vời.

Hàn hai tiêu đề hàng đơn (mỗi đầu mười lăm chân) vào mô-đun Arduino Nano. Đầu nối ICSP sáu chân (lập trình nối tiếp trong mạch) sẽ không được sử dụng trong dự án này, vì vậy chỉ cần bỏ các chân đó đi. Khi quá trình hàn hoàn tất, hãy kiểm tra cẩn thận các cầu hàn và / hoặc các mối nối hàn nguội. Cuối cùng, kết nối Arduino Nano trở lại với cáp USB và xác minh rằng mọi thứ vẫn hoạt động bình thường.

Để kết nối OLED với Nano, hãy lắp cả hai vào một bảng mạch không hàn như hình minh họa và nối dây giữa chúng theo bảng sau:

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

Để điều khiển màn hình OLED, hãy cài đặt trình điều khiển màn hình OLED SSD1306 được tìm thấy tại đây vào Arduino IDE.

Kiểm tra màn hình OLED bằng cách tải ví dụ ssd1306 / snowflakes lên và lập trình nó vào Nano.

Các ví dụ khác từ thư viện SDD1306 rất hữu ích để khám phá cách sử dụng màn hình OLED.

Bước 6: Demo cảm biến cồn và máy thở MQ-3

Cảm biến khí cồn MQ-3 (biểu dữ liệu) là một cảm biến bán dẫn giá rẻ có thể phát hiện sự hiện diện của khí cồn ở nồng độ từ 0,05 mg / L đến 10 mg / L. Vật liệu cảm biến được sử dụng trong MQ-3 là SnO2, cho thấy độ dẫn điện tăng lên khi tiếp xúc với nồng độ khí cồn ngày càng tăng. MQ-3 có độ nhạy cao với cồn với rất ít độ nhạy chéo với khói, hơi hoặc xăng.

Mô-đun MQ-3 này cung cấp đầu ra tương tự thô liên quan đến nồng độ cồn. Mô-đun cũng có bộ so sánh LM393 (biểu dữ liệu) để ngưỡng đầu ra kỹ thuật số.

Mô-đun MQ-3 có thể được kết nối với Nano theo bảng sau:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Không được sử dụng

Mã demo từ video.

CẢNH BÁO: Dự án này chỉ là một cuộc trình diễn giáo dục. Nó không phải là một công cụ y tế. Nó không được hiệu chỉnh. Theo bất kỳ cách nào, nó không nhằm mục đích xác định nồng độ cồn trong máu để đánh giá các giới hạn pháp lý hoặc an toàn. Đừng ngu ngốc. Đừng uống rượu và lái xe. Sống sót trở về!

Bước 7: Phát hiện Xeton

Xeton là những hợp chất đơn giản có chứa một nhóm cacbonyl (một liên kết đôi cacbon-oxy). Nhiều xeton quan trọng trong cả công nghiệp và sinh học. Dung môi phổ biến axeton là xeton nhỏ nhất.

Ngày nay, nhiều người đã quen thuộc với chế độ ăn ketogenic. Đó là một chế độ ăn kiêng dựa trên việc tiêu thụ nhiều chất béo, đủ chất đạm và ít carbohydrate. Điều này buộc cơ thể đốt cháy chất béo thay vì carbohydrate. Thông thường, carbohydrate có trong thực phẩm được chuyển hóa thành glucose, sau đó được vận chuyển khắp cơ thể và đặc biệt quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho chức năng não. Tuy nhiên, nếu có ít carbohydrate trong chế độ ăn uống, gan sẽ chuyển hóa chất béo thành các axit béo và thể xeton. Các cơ quan xeton đi vào não và thay thế glucose như một nguồn năng lượng. Mức độ cao của các cơ quan xeton trong máu dẫn đến tình trạng được gọi là nhiễm ceton.

Ví dụ về dự án cảm biến xeton

Một ví dụ khác về dự án cảm biến xeton

So sánh cảm biến khí MQ-3 với TGS822

Bước 8: Cảm biến chất lượng không khí

Ô nhiễm không khí xảy ra khi lượng chất có hại hoặc quá nhiều bao gồm khí, hạt và các phân tử sinh học được đưa vào bầu khí quyển. Ô nhiễm có thể gây ra bệnh tật, dị ứng và thậm chí tử vong cho con người. Nó cũng có thể gây hại cho các sinh vật sống khác như động vật, cây lương thực và môi trường nói chung. Cả hoạt động của con người và các quá trình tự nhiên đều có thể tạo ra ô nhiễm không khí. Ô nhiễm không khí trong nhà và chất lượng không khí đô thị kém được xếp vào danh sách hai trong những vấn đề ô nhiễm độc hại tồi tệ nhất thế giới.

Chúng ta có thể so sánh hoạt động của hai cảm biến chất lượng không khí (hoặc nguy cơ không khí) khác nhau. Đây là MQ-135 (biểu dữ liệu) và MP503 (biểu dữ liệu).

MQ-135 nhạy cảm với mêtan, oxit nitơ, rượu, benzen, khói, CO2 và các phân tử khác. Giao diện của nó giống với giao diện MQ-3.

MP503 nhạy cảm với khí formaldehyde, benzen, carbon monoxide, hydro, rượu, amoniac, khói thuốc lá, nhiều mùi và các phân tử khác. Giao diện của nó khá đơn giản, cung cấp hai đầu ra kỹ thuật số để chỉ định bốn mức nồng độ chất ô nhiễm. Đầu nối mặc định trên MP503 có đầu cắm nam được bọc nhựa, có thể tháo ra và thay thế bằng đầu cắm 4 chân tiêu chuẩn (được cung cấp trong túi) để sử dụng với bảng mạch không hàn, jumper DuPont hoặc các đầu nối thông thường tương tự.

Bước 9: Cảm biến chất lượng nước

Máy kiểm tra chất lượng nước TDS-3

Tổng chất rắn hòa tan (TDS) là tổng lượng ion tích điện di động, bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại hòa tan trong một thể tích nước nhất định. TDS, dựa trên độ dẫn điện, được biểu thị bằng phần triệu (ppm) hoặc miligam trên lít (mg / L). Chất rắn hòa tan bao gồm bất kỳ phần tử vô cơ dẫn điện nào có mặt ngoài các phân tử nước tinh khiết (H2O) và chất rắn lơ lửng. Mức TDS tối đa gây ô nhiễm của EPA đối với tiêu dùng của con người là 500 ppm.

Thực hiện các phép đo TDS

1. Tháo nắp bảo vệ.
2. Bật đồng hồ TDS. Công tắc BẬT / TẮT nằm trên bảng điều khiển.
3. Nhúng đồng hồ vào nước / dung dịch đến mức tối đa. mức độ ngâm (2”).
4. Khuấy nhẹ đồng hồ để đánh bật bọt khí.
5. Chờ cho đến khi màn hình ổn định. Khi số đọc ổn định (khoảng 10 giây), nhấn nút HOLD để xem số đọc trên mặt nước.
6. Nếu đồng hồ hiển thị ký hiệu ‘x10’ nhấp nháy, hãy nhân số đọc với 10.
7. Sau khi sử dụng, hãy giũ sạch nước thừa khỏi đồng hồ của bạn. Thay nắp.

Nguồn: Tờ hướng dẫn đầy đủ

Thử nghiệm: Xây dựng máy đo TDS đơn giản của riêng bạn (dự án có video ở đây) có thể được hiệu chuẩn và kiểm tra dựa trên TDS-3.

Bước 10: Cảm biến nhiệt

Mô-đun cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc GY-906

Mô-đun cảm biến nhiệt GY-906 được trang bị MLX90614 (chi tiết). Đây là một nhiệt kế hồng ngoại một vùng dễ sử dụng nhưng rất mạnh mẽ, có khả năng cảm nhận nhiệt độ của vật thể trong khoảng -70 đến 380 ° C. Nó sử dụng giao diện I2C để giao tiếp, có nghĩa là bạn chỉ cần dành hai dây từ bộ vi điều khiển của mình để giao tiếp với nó.

Demo dự án cảm biến nhiệt.

Một dự án cảm biến nhiệt khác.

Cảm biến nhiệt độ chống nước DS18B20

Cảm biến nhiệt độ một dây DS18B20 (chi tiết) có thể đo nhiệt độ từ -55 ℃ đến 125 ℃ với độ chính xác ± 5.

Bước 11: HACK PLANET

Nếu bạn yêu thích chương trình có thể hack được này và muốn có một hộp các dự án công nghệ máy tính và điện tử có thể hack được gửi đến hộp thư của bạn mỗi tháng, hãy tham gia cuộc cách mạng bằng cách lướt qua HackerBoxes.com và đăng ký để nhận hộp bất ngờ hàng tháng của chúng tôi.

Tiếp cận và chia sẻ thành công của bạn trong các bình luận bên dưới hoặc trên Trang Facebook HackerBoxes. Chắc chắn hãy cho chúng tôi biết nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào hoặc cần trợ giúp về bất cứ điều gì. Cảm ơn bạn đã là một phần của HackerBoxes!