Hiểu về cảm biến điện tử: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Với mục đích giải thích hoạt động của các cảm biến gia dụng và công nghiệp thông thường, "Có thể giảng dạy" này dạy bạn cách sử dụng các cảm biến có sẵn trên thị trường trong việc triển khai trong thế giới thực bằng các bài tập và thí nghiệm thực hành.

Bài học này sẽ trình bày ngắn gọn các mạch có thể hiểu như sau:

• Thay đổi nhiệt độ
• Bị chạm (Tiếp xúc với da nhạy cảm)
• Được chạm (Công tắc và nút)
• Những thay đổi về ánh sáng
• Thay đổi về âm thanh
• Những thay đổi trong gia tốc (Chuyển động và trọng lực)

Cũng bao gồm phần cứng và phần mềm cần thiết, nơi mua / tải xuống các mặt hàng, cách thiết lập mạch cho đầu ra số, cách đọc đầu ra số và thông tin cơ bản về cách hoạt động của mỗi cảm biến.

Bắt đầu nào!

Bước 1: Kiểm tra kỹ lưỡng - Mua và Tải xuống Môi trường

Bạn sẽ thấy trong suốt Bài hướng dẫn rằng các chi tiết của bài học này đã được kiểm tra kỹ lưỡng bởi những thanh thiếu niên đến thăm một trường Đại học địa phương như một phần quan tâm của họ đến Cơ điện tử (chế tạo và chế tạo người máy)

Bánh quy Oreo rất hữu ích, nhưng không bắt buộc

Người Adafruit đã sản xuất bảng mà chúng ta sẽ sử dụng ngày nay, được gọi là "Circuit Playground - Classic" và họ đã thử nghiệm kỹ lưỡng một số lượng lớn các cách sử dụng thiết bị. Bạn có thể xem một số trong số này trong trang "Tìm hiểu" của họ tại đây, theo dõi gần như đại khái về thí nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể giảng dạy này và các bước phụ - nhờ sự hỗ trợ của trang "Tìm hiểu" của Adafruit này, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -và-bluetooth-năng lượng thấp

Các bộ phận bạn cần đơn giản, rẻ tiền và dễ sử dụng cho những người thử nghiệm từ nhiều nhóm tuổi khác nhau, thậm chí là trẻ như Trung học cơ sở (có lẽ là 12 tuổi?)

1. Trước tiên, hãy mua một hoặc nhiều thiết bị tại đây: https://www.adafruit.com/product/3000 và cả bộ chuyển đổi USB sang Micro-B USB để kết nối với PC của bạn tại đây https://www.adafruit.com/ sản phẩm / 898. Tổng chi phí là dưới $ 40 với phí vận chuyển, nhưng bạn có thể thấy nó rẻ hơn.
2. Sau khi mua và nhận được Circuit Playground và cáp USB rẻ tiền, bạn sẽ cần kết nối nó với Máy tính Cá nhân (PC) có Môi trường Phát triển Tích hợp (IDE) cho các thiết bị loại Arduino.
3. Trong ví dụ này, chúng tôi đang sử dụng IDE arduino-1.8.4-windows, nhưng những cái khác cũng sẽ hoạt động. Đảm bảo cài đặt tất cả các trình điều khiển (trong trường hợp này là adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Khi bạn đã cài đặt IDE, bạn có thể mở IDE có tên "Arduino"
5. Trong Tệp -> Tùy chọn, chèn "URL trình quản lý bảng bổ sung" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, sau đó nói OK, sau đó đóng và mở lại IDE
6. Bây giờ kết nối thiết bị Circuit Playground với Micro USB. Thấy rằng nó khởi động và chạy chương trình mặc định "Circuit Playground Firmata" bằng cách hiển thị một chuỗi ánh sáng cầu vồng. Bạn có thể kiểm tra xem công tắc gần giắc cắm nguồn pin có đảo ngược thứ tự hay không và một trong các nút đóng vai trò ghi chú cho mọi màu.
7. Bạn sẽ cần lấy Thư viện Circuit Playground và sau đó giải nén Thư viện Circuit PLayground vào thư mục Documents -> Arduino -> thư viện “Adafruit_CircuitPlayground-master.” Sau khi giải nén, hãy xóa hậu tố "-master" khỏi tên thư mục. Dừng và khởi động lại IDE, và tải Loại bảng mạch sân chơi trong Công cụ -> Bảng -> Trình quản lý bảng và sau đó tìm kiếm loại "Đã đóng góp" và từ khóa "Adafruit AVR". Điều này sẽ cho phép bạn cài đặt "Adafruit AVR Boards" (phiên bản mới nhất), sau đó bạn nên dừng và khởi động lại IDE
8. Bây giờ bạn đã sẵn sàng để kiểm tra Circuit Playground bằng một chương trình demo. Kết nối với Circuit Playground được kết nối qua USB. Đi tới Công cụ -> Bảng và đảm bảo rằng bạn chọn Sân chơi mạch. Đi tới Công cụ -> Cổng và đảm bảo bạn chọn cổng COM thích hợp (cổng kết nối với USB Blaster). Tải xuống chương trình demo như sau: Chọn: Files -> Examples -> Adafruit Circuit PLayground -> demo, sau đó biên dịch và tải lên (có thể sử dụng nút "mũi tên trỏ phải" để thực hiện tất cả)
9. Kiểm tra chương trình demo bằng cách làm theo các bước sau: Thấy rằng Circuit Playground nhấp nháy theo trình tự cầu vồng. Bật công tắc thanh trượt và thấy rằng nó gây ra các nốt nhạc được phát (vui lòng tắt nó đi, nếu không nó chắc chắn sẽ làm phiền mọi người xung quanh bạn). Thấy rằng đèn LED tải xuống màu đỏ nhấp nháy tỷ lệ thời gian.
10. Giờ đây, bạn có thể giao tiếp với Circuit Playground thông qua Giao diện Văn bản. Nhấp vào nút "Serial Monitor" trong IDE. Nó trông giống như một kính lúp ở phía trên bên phải của cửa sổ chương trình demo. Bạn có thể tắt tính năng tự động cuộn để có giao diện đẹp hơn.

Bạn đã sẵn sàng thử nghiệm và kết nối với tất cả các cảm biến khác nhau!

Bước 2: Cảm biến nhiệt độ

Hãy xem giá trị “nhiệt độ” trên đầu ra văn bản màn hình nối tiếp của bạn. Nó sẽ có giá trị nhiệt độ phòng ở đâu đó trong khoảng 30. Tôi đo được 39,43 độ C.

Nhiệt điện trở được sử dụng để đo nhiệt độ được hiển thị trong ảnh. Đó là cảm biến A0 và có hình ảnh nhiệt kế bên cạnh.

Nhẹ nhàng đặt ngón tay cái của bạn lên trên cảm biến nhiệt độ và ghi lại mất bao nhiêu giây để đạt đến nhiệt độ cao nhất. Hãy ghi lại điều này, cũng như những điều sau:

Để đạt đến nhiệt độ ngón tay tối đa, phải mất _ giây.

Nhiệt độ cao nhất mà nó đạt được cuối cùng là bao nhiêu? _ NS

Giá trị này tính bằng Fahrenheit? _ F. GỢI Ý: F = (C * 1,8) + 32

Nhiệt độ này ấm hơn hay mát hơn nhiệt độ cơ thể bình thường? _

Việc sử dụng nhiệt kế này bằng ngón tay cái của ai đó có phải là một chỉ báo sốt tốt để biết họ có bị bệnh không?

Tại sao? _

Nhiệt điện trở là một loại điện trở đặc biệt có thể thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Một trong những hình ảnh trong bước này cho thấy một sơ đồ mạch nhiệt điện trở điển hình. ·

Trong mạch điện được hiển thị, số đọc trên Vôn kế sẽ như thế nào? _ GỢI Ý: Sử dụng quy tắc chia điện áp Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Nếu nhiệt điện trở có định mức “Điện trở thay đổi 1,5% trên mỗi độ C” - điện trở của nhiệt điện trở sẽ là bao nhiêu nếu nhiệt độ tăng lên 30 độ C? _ GỢI Ý: vì nó là sự thay đổi 5 độ và mỗi độ thay đổi điện trở đi 1,5%, chúng tôi nhận được Thermistor Ohms = (5 * 0,015) + 10, 000 Ohms

Ở 32 độ C, giá trị đọc trên Đồng hồ Volt sẽ là bao nhiêu? _ GỢI Ý: Bây giờ sự thay đổi là 7 độ.

Cảm biến nhiệt độ có thể được sử dụng ở đâu trong các loại hình sản xuất?

Bước 3: Cảm biến cảm ứng điện dung

Ảnh cho thấy đầu nối nào trong số các đầu nối (hoặc “miếng đệm”) cũng có thể được sử dụng để phát hiện cảm ứng. Chúng được gọi là cảm biến cảm ứng điện dung vì chúng sử dụng cơ thể con người như một thành phần điện tử được gọi là tụ điện.

Để đảm bảo an toàn, chúng ta muốn dòng điện ở mức rất thấp. Vì lý do này, tất cả các kết nối bên ngoài với các tấm đệm đi qua một điện trở 1 Mega Ohm đến một khu vực chung (chân số 30 của chip) nên tổng điện trở giữa hai tấm đệm bất kỳ là 2 Mega Ohm.

• Nếu điện áp đỉnh giữa hai miếng đệm bất kỳ là 5 Volts và điện trở là 2 Mega Ohms, thì dòng điện chạy qua giữa hai miếng đệm bất kỳ sẽ là bao nhiêu nếu chúng bị ngắn mạch? _ (KHÔNG đoản mạch chúng)
• "Capsense" là các số được hiển thị bởi giao diện văn bản. Trong trường hợp nào thì các con số lớn hơn, khi các cảm biến được chạm vào hoặc khi chúng không được chạm vào? _
• Ghi lại một số ví dụ về các con số khi cảm biến KHÔNG được chạm vào: _
• Ghi lại một số ví dụ về các con số khi các cảm biến được chạm vào: _
• Bạn quan sát thấy sự khác biệt nào khi nhiều cảm biến được chạm đồng thời? _
• Điều gì xảy ra nếu bạn cầm vật gì đó bằng kim loại và chạm vào cảm biến với vật đó? _
• Điều gì xảy ra nếu bạn cầm vật gì đó phi kim loại và chạm vào cảm biến với vật đó? _
• Vì cảm ứng điện dung không có bộ phận chuyển động nên chúng có khả năng chống rung rất tốt. Ngoài ra, chúng có thể được phủ một lớp bảo vệ chống thấm nước. Tại sao hai khía cạnh này có thể hữu ích trong môi trường sản xuất? _

Bước 4: Các nút truyền thống và công tắc thanh trượt

Các nút nhấn và công tắc dường như rất đơn giản và “hàng ngày” đến mức chúng tôi coi chúng là điều hiển nhiên khi sử dụng chúng làm cảm biến. Bàn phím là một ví dụ tuyệt vời. Khi chúng ta muốn gõ nhanh, ít nhấn phím "sai" và có tuổi thọ cao trong nhiều năm sử dụng - công tắc cơ học (một bên dưới mỗi phím trên bàn phím) là lựa chọn phù hợp.

Mạch chúng ta đang sử dụng ngày nay có ba nút nhấn "ngắt quãng". Điều đó có nghĩa là khi bạn buông nút, chúng sẽ bật trở lại vị trí ban đầu (nhờ cơ chế lò xo nạp). Mạch cũng có một cảm biến dành riêng cho công tắc trượt hai vị trí. Có thể mất một chút nỗ lực để trượt nó, nhưng đừng làm vỡ bảng khi cố gắng làm điều đó - hãy trượt sang một bên chắc chắn hơn so với việc bạn ấn xuống. Loại cảm biến này rất ổn định. Ổn định có nghĩa là một khi bạn trượt nó đến vị trí này hay vị trí khác, bạn hoàn toàn có thể mong đợi có thể bước đi và quay lại một thời gian dài sau đó và mong đợi nó vẫn ở vị trí cũ, ngay cả khi nó nằm trên một bề mặt rung động., Vân vân.

Bạn đã thấy một công tắc trượt như vậy ở đâu trong sản xuất, hoặc thậm chí trong ngôi nhà của bạn?

_

Nhìn vào đầu ra văn bản và tìm thông tin cảm biến. Trong trường hợp này, cảm biến có thể không xuất ra một số mà là một số khác.

Công tắc "Trượt" phải cho biết vị trí của nó. Cảm biến “trượt” nhận các giá trị nào ở hai vị trí?

_

Một cái gì đó khác xảy ra ở một trong hai vị trí trang trình bày. Đó là gì?

_

P. S. Theo phép lịch sự với những người khác, vui lòng trượt nút chuyển sang vị trí "ít gây khó chịu hơn" ngay sau khi bạn kết thúc phần này.

Bước 5: Cảm biến ánh sáng

Giống như cảm biến nhiệt độ, mạch Cảm biến ánh sáng trên bảng “Circuit Playground” sử dụng mạch phân áp - trong đó 5 Volt điều khiển thiết bị được cắt thành hai phần, bởi cảm biến và bởi một điện trở có giá trị cố định. Thay vì "nhiệt điện trở", cảm biến ánh sáng sử dụng "bóng bán dẫn quang" thay đổi điện trở dựa trên lượng ánh sáng chiếu vào nó. Bạn có thể thấy bóng bán dẫn hình ảnh “A5” ngay bên cạnh hình ảnh con mắt trên bảng mạch.

Nếu cảm biến ánh sáng hướng về phía trần của căn phòng (về phía đèn) thì giá trị của “Cảm biến ánh sáng” phải bằng hàng trăm.

Bạn quan sát giá trị nào của "Cảm biến ánh sáng" khi "mắt" hướng về phía trần của căn phòng?

_

Còn nếu bạn hướng “mắt” về phía sàn - bạn quan sát thấy con số nào? _

Còn nếu bạn hướng “mắt” theo các góc khác nhau giữa trần nhà và sàn nhà thì sao? - Mô tả những gì bạn đã quan sát, bao gồm giá trị của những con số bạn đã quan sát và những gì bạn đã làm để có được những con số đó. _

Điều gì xảy ra nếu bạn hướng cảm biến vào một mảnh vải sẫm màu gần (nhưng không chạm vào) - bạn quan sát thấy con số nào? _

Dùng ngón tay che nó lên (cảm biến gần "mắt") để đưa số xuống. Phải không? _

Lưu ý, ngón tay của bạn là nửa trong suốt nên ánh sáng của đèn LED phát sáng có thể phát sáng qua ngón tay của bạn. Bạn có thể sử dụng cách nào khác để che cảm biến để có được số thấp hơn? _

Cảm biến ánh sáng có thể hơi phức tạp - không phải lúc nào cũng cho kết quả chính xác mà bạn mong đợi và phụ thuộc rất nhiều vào độ phản xạ, độ trong suốt, góc chiếu sáng và độ sáng của ánh sáng. Hệ thống tầm nhìn sản xuất tìm cách vượt qua những hạn chế này bằng cách kiểm soát chặt chẽ các biến số này. Ví dụ: máy quét mã vạch có thể sử dụng sọc laser đơn màu tập trung sáng để giảm thiểu tác động của ánh sáng trong phòng. Trong một ví dụ khác, băng chuyền hộp sữa sử dụng cảm biến ánh sáng kiểu “cửa nhà để xe”, đếm các hộp sữa bằng cách đếm số lần ánh sáng được phép đi qua giữa chúng.

Đưa ra một ví dụ khác từ sản xuất, gia đình hoặc doanh nghiệp nơi một số biến ánh sáng này được kiểm soát để có được kết quả cảm biến ánh sáng tốt hơn (bên cạnh các ví dụ tôi đã đề cập ở đây):

Bước 6: Cảm biến âm thanh

Cảm biến âm thanh trên “Circuit Playground” thực sự là một Hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS) khá phức tạp, không chỉ có thể được sử dụng để phát hiện mức âm thanh mà còn có thể thực hiện phân tích tần số cơ bản. Bạn có thể đã thấy màn hình phân tích quang phổ trong ứng dụng phòng thu nhạc hoặc trình phát nhạc - trông giống như biểu đồ thanh với các nốt thấp ở bên trái và các nốt cao hơn ở bên phải (giống như màn hình hiển thị bộ cân bằng đồ họa).

Giá trị hiển thị trên bản đọc văn bản trên thực tế là dạng sóng âm thanh thô. Chúng tôi sẽ phải cộng các giá trị theo thời gian để tìm tổng công suất của âm thanh (mức áp suất âm thanh).

Tuy nhiên, thiết bị MEMS này có thể được sử dụng để kích hoạt hành động của rô bốt hoặc thiết bị khác khi có âm thanh hoặc khi nghe thấy một chuỗi âm thanh cụ thể. Ngoài ra, MEMS cực kỳ nhỏ (đó là thiết bị bên dưới lỗ nhỏ đó trên hộp kim loại, ngay bên cạnh đồ họa “tai” trên bo mạch) và công suất thấp. Sự kết hợp này làm cho các thiết bị MEMS trở nên cực kỳ hữu ích cho việc phát hiện âm thanh, y sinh, vi chất lỏng, công cụ vi phẫu, cảm biến lưu lượng khí và hóa học, v.v.

Vì đầu ra là dạng sóng âm thanh (chứ không phải mức công suất) nên bạn sẽ thấy ít phạm vi hơn trong các giá trị khi mọi thứ yên tĩnh (~ 330 là mức trung bình cho một căn phòng hoàn toàn yên tĩnh) và dao động rộng hơn cho tiếng ồn lớn (0 đến 800 hoặc hơn).

Ghi lại các giá trị “Cảm biến âm thanh” khi chỉ có tiếng ồn xung quanh của căn phòng. Bạn quan sát giá trị nào? Từ _ Đến _

Giá trị nào bạn quan sát được nếu bạn nói với giọng bình thường - cách cảm biến khoảng 2 feet hoặc lâu hơn? Từ _ Đến _

Bạn có nhận được dải giá trị cao hơn bằng cách nói hoặc bằng cách búng ngón tay (hoặc vỗ tay) liên tục không?

Có hoặc không: _ Cơn thịnh nộ khi vỗ tay / vỗ tay tăng dần Từ _ Đến _

Sao bạn lại nghĩ như vậy? _

Thử các loại tiếng ồn khác và ghi lại những gì bạn quan sát được - nhưng vui lòng không gõ lên bảng: _

P. S. MEMS hoạt động theo cả hai hướng và có thể sử dụng điện để di chuyển các bộ phận cơ khí vi mô. Một công ty có tên “Audio Pixels” đang làm việc để nhóm các thiết bị này lại với nhau để tạo ra một chiếc loa nhỏ hoàn toàn phẳng có thể hướng âm thanh theo bất kỳ hướng nào.

Bước 7: Gia tốc kế

Gia tốc kế cũng là một loại MEMS và một trong những thiết bị này được cung cấp trên bảng “Circuit Playground”. Chip LIS3DH, gần tâm bảng bên cạnh Đồ họa XYZ, cho khả năng đo gia tốc theo bất kỳ hướng nào dưới dạng tổng vectơ của gia tốc theo hướng X, Y và Z.

Vì lực hấp dẫn giống với lực cảm nhận được khi gia tốc (thuyết tương đối của Einstein), ngay cả khi đứng yên ở đây trên trái đất, thiết bị đo gia tốc 9,8 mét trên giây mỗi giây (9,8 m / s2).

Bạn có thể xoay thiết bị để nhận toàn bộ lực đó theo hướng “X”.

Cố gắng nghiêng thiết bị để tất cả gia tốc theo hướng X (hãy nhẹ nhàng với cáp USB ngắn khi vặn mọi thứ xung quanh). Bạn đã quan sát thấy những giá trị nào? XYZ: _

Bây giờ nghiêng thiết bị để nhận gần như toàn bộ lực hấp dẫn (gia tốc) theo hướng Y. Bạn đã quan sát những giá trị nào? XYZ: _

Cuối cùng, đặt thiết bị sao cho gia tốc từ trọng lực được phân chia giữa các hướng X và Y, và gần bằng 0 theo hướng Z (một nơi nào đó ở giữa hai vị trí trước đó). Bạn đã quan sát những giá trị nào? XYZ: _

Sử dụng Định lý Pitago để thêm các vectơ gia tốc X và Y từ phép đo trước đó. Bạn có thể bỏ qua các dấu hiệu tiêu cực, nó có nghĩa là thiết bị chỉ bị lộn ngược theo hướng đó. Tổng gia tốc là bao nhiêu? _ Nhớ lại rằng tổng gia tốc = √ (X2 + Y2).

CHỈ THAM DỰ THỬ NGHIỆM TIẾP THEO NẾU BẠN CÓ BA LẦN! Nghiêng thiết bị để gia tốc từ trọng lực được phân chia theo các hướng X, Y và Z. Bạn đã quan sát thấy những giá trị nào?

X: _ Y: _ Z: _ Tổng gia tốc = _

Như bạn thấy, gia tốc kế (nhờ tác dụng của trọng lực) cũng có thể được sử dụng để đo độ nghiêng - hoặc vị trí của tấm ván. Nếu bạn đang chế tạo một cánh tay rô bốt với một cái gắp, bạn có thể đặt cảm biến gia tốc kế ở đâu và tại sao? _

Bên cạnh độ nghiêng và hướng của tâm trái đất, gia tốc kế còn có thể đo gia tốc một cách tự nhiên. Nhẹ nhàng di chuyển bo mạch tới lui (vui lòng nhẹ nhàng với cáp USB ngắn khi vặn mọi thứ xung quanh). Bạn đã quan sát thấy những giá trị nào?

Hướng đã di chuyển: _ X: _ Y: _ Z: _

Hướng đã di chuyển: _ X: _ Y: _ Z: _

Bước 8: Bạn đã hoàn tất

Chúc mừng bạn đã hoàn thành tất cả các bước này và Hiểu về Cảm biến Điện tử!

Hãy để lại nhận xét để gửi cho tôi phản hồi về những điều bạn nghĩ cần được cải thiện và cũng cho tôi biết nếu bạn đã nghĩ ra cách sử dụng cảm biến bổ sung của Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, Tiến sĩ