HackerBox 0035: الكيمياء الكهربائية: 11 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

هذا الشهر ، يستكشف HackerBox Hackers العديد من أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية وتقنيات الاختبار لقياس الخصائص الفيزيائية للمواد. يحتوي هذا Instructable على معلومات لبدء استخدام HackerBox # 0035 ، والذي يمكن شراؤه هنا أثناء نفاد المستلزمات. أيضًا ، إذا كنت ترغب في تلقي HackerBox مثل هذا في صندوق البريد الخاص بك كل شهر ، فيرجى الاشتراك في HackerBoxes.com والانضمام إلى الثورة!

الموضوعات وأهداف التعلم لـ HackerBox 0035:

• قم بتكوين Arduino Nano للاستخدام مع Arduino IDE
• قم بتوصيل وحدة OLED ورمزها لعرض القياسات
• أنشئ عرضًا توضيحيًا لمحلل التنفس باستخدام مستشعرات الكحول
• قارن بين مستشعرات الغاز لإجراء قياسات جودة الهواء
• تحديد جودة المياه من إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS)
• اختبر الاستشعار الحراري غير الملامس والمغاطس بالماء

HackerBoxes هي خدمة صندوق الاشتراك الشهري للإلكترونيات اليدوية وتقنية الكمبيوتر. نحن هواة ، صناع ، ومجربون. نحن حالمو الاحلام. هاك الكوكب!

الخطوة 1: HackerBox 0035: محتويات الصندوق

• اردوينو نانو 5 فولت 16 ميجاهرتز MicroUSB
• شاشة OLED 0.96128x64 بكسل I2C
• مقياس جودة المياه TDS-3
• وحدة درجة الحرارة اللاتلامسية GY-906
• MP503 مستشعر تلوث جودة الهواء
• DS18B20 مسبار درجة حرارة مقاوم للماء
• وحدة مستشعر الكحول MQ-3
• وحدة استشعار غازات مخاطر الهواء MQ-135
• وحدة DHT11 للرطوبة ودرجة الحرارة
• وحدة الليزر KY-008
• مجموعة من المصابيح ، ومقاومات 1K ، وأزرار لمسية
• 400 نقطة "كريستال واضح" اللوح
• طقم أسلاك الطائر - 65 قطعة
• كابل MircoUSB
• ملصقات HackerBoxes الحصرية

بعض الأشياء الأخرى التي ستكون مفيدة:

• لحام الحديد وأدوات اللحام الأساسية
• كمبيوتر لتشغيل أدوات البرمجيات

الأهم من ذلك ، أنك ستحتاج إلى حس المغامرة وروح DIY وفضول الهاكر. إلكترونيات Hardcore DIY ليست مسعى تافهًا ، ولا يتم تخفيف HackerBoxes. الهدف هو التقدم وليس الكمال. عندما تستمر في المغامرة وتستمتع بها ، يمكن الحصول على قدر كبير من الرضا من تعلم التكنولوجيا الجديدة ونأمل أن تعمل بعض المشاريع. نقترح اتخاذ كل خطوة ببطء ، مع مراعاة التفاصيل ، ولا تخف من طلب المساعدة.

هناك ثروة من المعلومات للأعضاء الحاليين والمحتملين في الأسئلة الشائعة حول HackerBoxes.

الخطوة الثانية: الكيمياء الكهربية

الكيمياء الكهربائية (ويكيبيديا) هي فرع من فروع الكيمياء الفيزيائية التي تدرس العلاقة بين الكهرباء ، كظاهرة كمية وقابلة للقياس ، وتغير كيميائي معين أو العكس. تتضمن التفاعلات الكيميائية شحنات كهربائية تتحرك بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت (أو الأيونات في محلول). وهكذا تتعامل الكيمياء الكهربائية مع التفاعل بين الطاقة الكهربائية والتغير الكيميائي.

الأجهزة الكهروكيميائية الأكثر شيوعًا هي البطاريات اليومية. البطاريات هي أجهزة تتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر مع توصيلات خارجية مزودة بالطاقة للأجهزة الكهربائية مثل المصابيح الكهربائية والهواتف الذكية والسيارات الكهربائية.

مستشعرات الغاز الكهروكيميائية هي كاشفات غاز تقيس تركيز الغاز المستهدف عن طريق أكسدة الغاز المستهدف أو تقليله في قطب كهربائي وقياس التيار الناتج.

التحليل الكهربائي هو تقنية تستخدم تيارًا كهربائيًا مباشرًا (DC) لدفع تفاعل كيميائي غير تلقائي. التحليل الكهربائي مهم تجاريًا كمرحلة في فصل العناصر من المصادر التي تحدث بشكل طبيعي مثل الخامات باستخدام خلية التحليل الكهربائي.

الخطوة 3: منصة Arduino Nano Microcontroller

تعد Arduino Nano ، أو لوحة متحكم مماثلة ، خيارًا رائعًا للتفاعل مع المستشعرات الكهروكيميائية وعرض المخرجات على جهاز كمبيوتر أو شاشة فيديو. تأتي وحدة Arduino Nano المضمنة مع دبابيس رأس ، لكنها غير ملحومة بالوحدة. اترك الدبابيس في الوقت الحالي. قم بإجراء هذه الاختبارات الأولية لوحدة Arduino Nano قبل لحام دبابيس الرأس في Arduino Nano. كل ما تحتاجه للخطوتين التاليتين هو كابل microUSB ووحدة Nano بمجرد خروجها من الحقيبة.

Arduino Nano عبارة عن لوحة Arduino صغيرة مثبتة على السطح وصديقة للوحة التجارب ومزودة بـ USB مدمج. إنه كامل الميزات بشكل مثير للدهشة وسهل الاختراق.

سمات:

• متحكم: Atmel ATmega328P
• الجهد: 5V
• دبابيس الإدخال / الإخراج الرقمية: 14 (6 PWM)
• دبابيس الإدخال التناظرية: 8
• تيار مستمر لكل منفذ إدخال / إخراج: 40 مللي أمبير
• ذاكرة فلاش: 32 كيلو بايت (2 كيلو بايت لمحمل الإقلاع)
• SRAM: 2 كيلو بايت
• إيبروم: 1 كيلو بايت
• سرعة الساعة: 16 ميجا هرتز
• الأبعاد: 17 مم × 43 مم

هذا البديل الخاص من Arduino Nano هو تصميم Robotdyn الأسود. الواجهة بواسطة منفذ MicroUSB على اللوحة متوافق مع نفس كبلات MicroUSB المستخدمة مع العديد من الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية.

يتميز Arduino Nanos بشريحة USB / Serial bridge مدمجة. في هذا المتغير المحدد ، شريحة الجسر هي CH340G. لاحظ أن هناك أنواعًا أخرى مختلفة من رقائق الجسر التسلسلي / USB المستخدمة في أنواع مختلفة من لوحات Arduino. تسمح لك هذه الرقائق لمنفذ USB بالكمبيوتر بالاتصال بالواجهة التسلسلية على شريحة معالج Arduino.

يتطلب نظام تشغيل الكمبيوتر وجود برنامج تشغيل الجهاز للاتصال بشريحة USB / المسلسل. يسمح السائق لـ IDE بالاتصال بلوحة Arduino. يعتمد برنامج تشغيل الجهاز المحدد المطلوب على كل من إصدار نظام التشغيل وأيضًا نوع شريحة USB / المسلسل. بالنسبة لشرائح CH340 USB / Serial ، تتوفر برامج تشغيل للعديد من أنظمة التشغيل (UNIX أو Mac OS X أو Windows). يوفر صانع CH340 هؤلاء السائقين هنا.

عند توصيل Arduino Nano لأول مرة بمنفذ USB بجهاز الكمبيوتر الخاص بك ، يجب أن يضيء مصباح الطاقة الأخضر وبعد فترة وجيزة يبدأ مؤشر LED الأزرق في الوميض ببطء. يحدث هذا لأن Nano محمّل مسبقًا ببرنامج BLINK ، والذي يعمل على Arduino Nano الجديد تمامًا.

الخطوة 4: بيئة التطوير المتكاملة لاردوينو (IDE)

إذا لم يكن لديك Arduino IDE مثبتًا بعد ، فيمكنك تنزيله من Arduino.cc

إذا كنت ترغب في الحصول على معلومات تمهيدية إضافية للعمل في نظام Arduino البيئي ، فنحن نقترح مراجعة الإرشادات الخاصة بورشة HackerBoxes Starter Workshop.

قم بتوصيل Nano بكابل MicroUSB والطرف الآخر من الكبل بمنفذ USB على الكمبيوتر ، وقم بتشغيل برنامج Arduino IDE ، وحدد منفذ USB المناسب في IDE ضمن الأدوات> المنفذ (على الأرجح اسم يحتوي على "wchusb" بداخله). حدد أيضًا "Arduino Nano" في IDE ضمن الأدوات> اللوحة.

أخيرًا ، قم بتحميل جزء من مثال التعليمات البرمجية:

ملف> أمثلة> أساسيات> وميض

هذا هو في الواقع الكود الذي تم تحميله مسبقًا على Nano ويجب تشغيله الآن ليومض مؤشر LED الأزرق ببطء. وفقًا لذلك ، إذا قمنا بتحميل رمز المثال هذا ، فلن يتغير شيء. بدلاً من ذلك ، دعنا نعدل الكود قليلاً.

بالنظر عن كثب ، يمكنك أن ترى أن البرنامج يقوم بتشغيل مؤشر LED ، وينتظر 1000 مللي ثانية (ثانية واحدة) ، ويطفئ مؤشر LED ، وينتظر ثانية أخرى ، ثم يقوم بذلك مرة أخرى - إلى الأبد.

قم بتعديل الكود عن طريق تغيير كل من عبارات "delay (1000)" إلى "delay (100)". سيؤدي هذا التعديل إلى وميض LED أسرع عشر مرات ، أليس كذلك؟

لنقم بتحميل الكود المعدل في Nano بالنقر فوق الزر UPLOAD (رمز السهم) أعلى الكود المعدل مباشرةً. شاهد أدناه رمز معلومات الحالة: "تجميع" ثم "تحميل". في النهاية ، يجب أن يشير IDE إلى "اكتمل التحميل" ويجب أن يومض مؤشر LED الخاص بك بشكل أسرع.

إذا كان الأمر كذلك ، تهانينا! لقد قمت للتو باختراق أول جزء من التعليمات البرمجية المضمنة.

بمجرد تحميل الإصدار سريع الوميض وتشغيله ، لماذا لا ترى ما إذا كان يمكنك تغيير الرمز مرة أخرى لجعل مؤشر LED يومض بسرعة مرتين ثم الانتظار لبضع ثوان قبل التكرار؟ جربها! ماذا عن بعض الأنماط الأخرى؟ بمجرد أن تنجح في تصور النتيجة المرجوة ، وترميزها ، ومراقبتها لتعمل كما هو مخطط لها ، تكون قد اتخذت خطوة هائلة نحو أن تصبح مخترقًا مختصًا للأجهزة.

الخطوة 5: دبابيس الرأس و OLED على لوحة التوصيل غير الملحومة

الآن بعد أن تم تكوين جهاز الكمبيوتر الخاص بك للتطوير لتحميل الكود إلى Arduino Nano وتم اختبار Nano ، افصل كابل USB من Nano واستعد لتوصيل دبابيس الرأس. إذا كانت هذه هي ليلتك الأولى في نادي القتال ، فعليك اللحام! هناك الكثير من الأدلة ومقاطع الفيديو الرائعة عبر الإنترنت حول اللحام (على سبيل المثال). إذا كنت تشعر أنك بحاجة إلى مساعدة إضافية ، فحاول العثور على مجموعة صناع محليين أو مساحة للمتسللين في منطقتك. أيضًا ، تعد نوادي راديو الهواة دائمًا مصادر ممتازة لتجربة الإلكترونيات.

قم بلحام رأسي الصف الفرديين (خمسة عشر دبوسًا لكل منهما) بوحدة Arduino Nano. لن يتم استخدام موصل ICSP المكون من ستة دبابيس (البرمجة التسلسلية داخل الدائرة) في هذا المشروع ، لذا اترك هذه المسامير مغلقة. بمجرد اكتمال اللحام ، تحقق بعناية من جسور اللحام و / أو وصلات اللحام الباردة. أخيرًا ، قم بتوصيل Arduino Nano احتياطيًا بكابل USB وتحقق من أن كل شيء لا يزال يعمل بشكل صحيح.

لتوصيل OLED بـ Nano ، أدخل كلاهما في لوح تجارب غير ملحوم كما هو موضح والسلك بينهما وفقًا لهذا الجدول:

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

لتشغيل شاشة OLED ، قم بتثبيت برنامج تشغيل العرض SSD1306 OLED الموجود هنا في Arduino IDE.

اختبر شاشة OLED عن طريق تحميل مثال ssd1306 / snowflakes وبرمجته في Nano.

أمثلة أخرى من مكتبة SDD1306 مفيدة لاستكشاف استخدام شاشة OLED.

الخطوة 6: مستشعر الكحول MQ-3 و Breathalyzer Demo

مستشعر غاز الكحول MQ-3 (ورقة البيانات) عبارة عن مستشعر شبه موصل منخفض التكلفة يمكنه اكتشاف وجود غازات الكحول بتركيزات من 0.05 مجم / لتر إلى 10 مجم / لتر. مادة الاستشعار المستخدمة في MQ-3 هي SnO2 ، والتي تُظهر زيادة التوصيل عند تعرضها لتركيزات متزايدة من غازات الكحول. يعتبر MQ-3 شديد الحساسية للكحول مع حساسية متصالبة قليلة جدًا للدخان أو البخار أو البنزين.

توفر وحدة MQ-3 هذه ناتجًا تناظريًا خامًا بالنسبة لتركيز الكحول. تتميز الوحدة أيضًا بمقارن LM393 (ورقة بيانات) لعتبة الإخراج الرقمي.

يمكن توصيل وحدة MQ-3 بالنانو وفقًا لهذا الجدول:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… غير مستخدم

كود تجريبي من الفيديو.

تحذير: هذا المشروع مجرد عرض توضيحي تعليمي. إنها ليست أداة طبية. لا يتم معايرتها. ليس المقصود بأي شكل من الأشكال تحديد مستويات الكحول في الدم لتقييم الحدود القانونية أو حدود السلامة. لا تكن غبيا. لا تشرب وتقود. يصل حيا!

الخطوة السابعة: الكشف عن الكيتونات

الكيتونات هي مركبات بسيطة تحتوي على مجموعة كربونيل (رابطة كربون-أكسجين مزدوجة). العديد من الكيتونات مهمة في كل من الصناعة وعلم الأحياء. المذيب الشائع الأسيتون هو أصغر كيتون.

اليوم ، يعرف الكثيرون النظام الغذائي الكيتون. إنه نظام غذائي يعتمد على استهلاك نسبة عالية من الدهون والبروتين والقليل من الكربوهيدرات. هذا يجبر الجسم على حرق الدهون بدلاً من الكربوهيدرات. عادة ، يتم تحويل الكربوهيدرات الموجودة في الطعام إلى جلوكوز ، والذي يتم نقله بعد ذلك في جميع أنحاء الجسم وهو مهم بشكل خاص في تغذية وظائف الدماغ. ومع ذلك ، إذا كان هناك القليل من الكربوهيدرات في النظام الغذائي ، فإن الكبد يحول الدهون إلى أحماض دهنية وأجسام كيتونية. تمر أجسام الكيتون إلى الدماغ وتحل محل الجلوكوز كمصدر للطاقة. ينتج عن ارتفاع مستوى أجسام الكيتون في الدم حالة تعرف باسم الكيتوزية.

مثال على مشروع استشعار الكيتون

مثال آخر لمشروع استشعار الكيتون

مقارنة مستشعرات الغاز MQ-3 مقابل TGS822

الخطوة الثامنة: استشعار جودة الهواء

يحدث تلوث الهواء عندما يتم إدخال كميات ضارة أو زائدة من المواد بما في ذلك الغازات والجسيمات والجزيئات البيولوجية في الغلاف الجوي. قد يتسبب التلوث في الإصابة بالأمراض والحساسية وحتى الموت للإنسان. قد يسبب أيضًا ضررًا للكائنات الحية الأخرى مثل الحيوانات والمحاصيل الغذائية والبيئة بشكل عام. يمكن أن يولد كل من النشاط البشري والعمليات الطبيعية تلوثًا للهواء. تم تصنيف تلوث الهواء الداخلي وسوء نوعية الهواء الحضري على أنهما من أسوأ مشاكل التلوث السامة في العالم.

يمكننا مقارنة تشغيل جهازي استشعار مختلفين لجودة الهواء (أو مخاطر الهواء). هذه هي MQ-135 (ورقة البيانات) و MP503 (ورقة البيانات).

MQ-135 حساس للميثان وأكاسيد النيتروجين والكحول والبنزين والدخان وثاني أكسيد الكربون والجزيئات الأخرى. إنها واجهة مماثلة لواجهة MQ-3.

MP503 حساس لغاز الفورمالديهايد والبنزين وأول أكسيد الكربون والهيدروجين والكحول والأمونيا ودخان السجائر والعديد من الروائح والجزيئات الأخرى. واجهته بسيطة للغاية ، حيث توفر مخرجات رقمية لتحديد أربعة مستويات من تركيزات الملوثات. يحتوي الموصل الافتراضي في MP503 على رأس ذكر مغطى بالبلاستيك ، يمكن إزالته واستبداله برأس قياسي مكون من 4 سنون (متوفر في الحقيبة) للاستخدام مع ألواح التجارب غير الملحومة أو وصلات عبور DuPont أو الموصلات الشائعة المماثلة.

الخطوة 9: استشعار جودة المياه

اختبار جودة المياه TDS-3

إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) هو إجمالي كمية الأيونات المشحونة المتنقلة ، بما في ذلك المعادن أو الأملاح أو المعادن الذائبة في حجم معين من الماء. يتم التعبير عن المواد الصلبة الذائبة ، التي تعتمد على الموصلية ، في أجزاء في المليون (جزء في المليون) أو ملليغرام لكل لتر (ملغم / لتر). تشتمل المواد الصلبة الذائبة على أي عنصر موصل غير عضوي موجود بخلاف جزيئات الماء النقي (H2O) والمواد الصلبة العالقة. الحد الأقصى لمستوى الملوثات الخاص بوكالة حماية البيئة (EPA) من المواد الصلبة الذائبة للاستهلاك البشري هو 500 جزء في المليون.

أخذ قياسات المواد الصلبة الذائبة

1. قم بإزالة الغطاء الواقي.
2. قم بتشغيل عداد TDS. يوجد مفتاح التشغيل / الإيقاف على اللوحة.
3. اغمر العداد في الماء / المحلول حتى الحد الأقصى. مستوى الغمر (2 بوصة).
4. حرك المقياس برفق لطرد أي فقاعات هواء.
5. انتظر حتى تستقر الشاشة. بمجرد استقرار القراءة (حوالي 10 ثوانٍ) ، اضغط على الزر HOLD لعرض القراءة خارج الماء.
6. إذا عرض جهاز القياس رمز "x10" وامض ، فاضرب القراءة في 10.
7. بعد الاستخدام ، تخلص من أي مياه زائدة من جهاز القياس الخاص بك. استبدل الغطاء.

المصدر: ورقة التعليمات الكاملة

التجربة: قم ببناء مقياس TDS البسيط الخاص بك (مشروع بالفيديو هنا) والذي يمكن معايرته واختباره مقابل TDS-3.

الخطوة العاشرة: الاستشعار الحراري

وحدة استشعار درجة الحرارة اللاتلامسية GY-906

تم تجهيز وحدة الاستشعار الحراري GY-906 بـ MLX90614 (تفاصيل). هذا مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء سهل الاستخدام ولكنه قوي جدًا في منطقة واحدة ، قادر على استشعار درجات حرارة الجسم بين -70 و 380 درجة مئوية. يستخدم واجهة I2C للتواصل ، مما يعني أنك تحتاج فقط إلى تخصيص سلكين من وحدة التحكم الدقيقة الخاصة بك للتواصل معه.

مشروع تجريبي للاستشعار الحراري.

مشروع آخر للاستشعار الحراري.

DS18B20 جهاز استشعار درجة حرارة الماء

يمكن لجهاز استشعار درجة حرارة السلك الواحد DS18B20 (التفاصيل) قياس درجة الحرارة من -55 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية بدقة تبلغ ± 5.

الخطوة 11: اخترق الكوكب

إذا كنت قد استمتعت بهذا Instructable وترغب في الحصول على صندوق رائع من الإلكترونيات القابلة للاختراق ومشاريع تكنولوجيا الكمبيوتر التي تنزل على صندوق البريد الخاص بك كل شهر ، فيرجى الانضمام إلى الثورة من خلال تصفح موقع HackerBoxes.com والاشتراك لتلقي صندوق المفاجآت الشهرية.

تواصل وشارك نجاحك في التعليقات أدناه أو على صفحة HackerBoxes على Facebook. أخبرنا بالتأكيد إذا كان لديك أي أسئلة أو تحتاج إلى بعض المساعدة في أي شيء. شكرا لكونك جزء من HackerBoxes!