فهم المستشعرات الإلكترونية: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

يهدف هذا "Instructable" إلى شرح تشغيل المستشعرات الصناعية والمنزلية الشائعة ، ويعلمك كيفية استخدام المستشعرات المتاحة تجاريًا في نشر العالم الحقيقي باستخدام التدريبات العملية والتجارب.

سيغطي هذا الدرس بإيجاز الدوائر التي يمكن أن تشعر بما يلي:

• التغييرات في درجة الحرارة
• اللمس (ملامسة الجلد بالسعة)
• اللمس (المفاتيح والأزرار)
• التغييرات في الضوء
• التغييرات في الصوت
• التغييرات في التسارع (الحركة والجاذبية)

يتم أيضًا تناول الأجهزة والبرامج اللازمة ، ومكان شراء / تنزيل العناصر ، وكيفية إعداد الدوائر للإخراج الرقمي ، وكيفية قراءة الإخراج الرقمي ، وخلفية حول كيفية عمل كل مستشعر.

هيا بنا نبدأ!

الخطوة 1: تم اختباره بدقة - شراء وتنزيل البيئة

سترى في Instructable أن تفاصيل هذا الدرس تم اختبارها بدقة من قبل المراهقين الذين يزورون جامعة محلية كجزء من اهتمامهم بالميكاترونكس (الروبوتات والتصنيع)

ملفات تعريف الارتباط Oreo مفيدة ، ولكنها ليست مطلوبة

صنع الأشخاص في Adafruit اللوحة التي سنستخدمها اليوم ، والتي تسمى "Circuit Playground - Classic" وقد اختبروا بدقة عددًا كبيرًا من الطرق لاستخدام الجهاز. يمكنك أن ترى بعضًا منها في صفحة "Learn" الخاصة بهم هنا ، والتي تتبع تقريبًا هذه التجربة المعملية Instructable والخطوات الفرعية - بإذن من صفحة Adafruit "Learn" ، https://learn.adafruit.com/circuit-playground -و- بلوتوث- منخفض الطاقة

الأجزاء التي تحتاجها بسيطة وغير مكلفة وسهلة الاستخدام للمُجرِّبين من مجموعة واسعة من الفئات العمرية ، حتى في سن صغيرة مثل المدرسة المتوسطة (ربما تبلغ من العمر 12 عامًا؟)

1. أولاً ، قم بشراء واحد أو أكثر من الأجهزة هنا: https://www.adafruit.com/product/3000 وأيضًا محول USB إلى Micro-B USB للاتصال بجهاز الكمبيوتر الخاص بك هنا https://www.adafruit.com/ المنتج / 898. التكلفة الإجمالية أقل من 40 دولارًا مع الشحن ، ولكن قد تجدها أرخص.
2. بمجرد شراء واستقبال Circuit Playground غير المكلف وكابل USB ، ستحتاج إلى توصيله بجهاز كمبيوتر شخصي (PC) يحتوي على بيئة تطوير متكاملة (IDE) لأجهزة من نوع Arduino.
3. في هذا المثال ، نستخدم IDE arduino-1.8.4-windows ، لكن البعض الآخر سيعمل أيضًا. تأكد من تثبيت كافة برامج التشغيل (في هذه الحالة ، adafruit_drivers_2.0.0.0
4. بمجرد تثبيت IDE ، يمكنك فتح IDE المسمى "Arduino"
5. ضمن ملف -> التفضيلات ، أدخل "عنوان URL الإضافي لمدير مجلس الإدارة" التالي https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac… ، ثم قل "موافق" ثم أغلق IDE وأعد فتحه
6. الآن قم بتوصيل جهاز Circuit Playground بـ Micro USB. تأكد من تشغيله وتشغيل البرنامج الافتراضي "Circuit Playground Firmata" من خلال عرض تسلسل أضواء قوس قزح. يمكنك اختبار أن المفتاح الموجود بالقرب من مقبس طاقة البطارية يعكس الترتيب وأن أحد الأزرار يقوم بتشغيل ملاحظة لكل لون.
7. ستحتاج إلى الحصول على مكتبة Circuit Playground ثم فك ضغط مكتبة Circuit PLayground في المستندات -> Arduino -> مجلد المكتبات "Adafruit_CircuitPlayground-master". بمجرد فك الضغط ، قم بإزالة اللاحقة "-master" من اسم المجلد. أوقف IDE وأعد تشغيله ، وقم بتحميل لوحة Circuit Playground ضمن أدوات -> اللوحات -> مدير اللوحة ، ثم ابحث عن نوع "المساهمة" والكلمات الرئيسية "Adafruit AVR". سيتيح لك ذلك تثبيت "Adafruit AVR Boards" (أحدث إصدار) وبعد ذلك يجب عليك إيقاف وإعادة تشغيل IDE
8. أنت الآن جاهز لاختبار Circuit Playground باستخدام برنامج تجريبي. قم بالاتصال بملعب الدائرة المتصل عبر USB. انتقل إلى Tools -> Boards وتأكد من تحديد Circuit Playground. انتقل إلى Tools -> Ports وتأكد من تحديد منفذ COM المناسب (المنفذ المتصل بـ USB Blaster). قم بتنزيل برنامج تجريبي على النحو التالي: حدد: ملفات -> أمثلة -> Adafruit Circuit PLayground -> عرض تجريبي ثم قم بالتجميع والتحميل (يمكنك استخدام زر "سهم التأشير الأيمن" للقيام بكل شيء)
9. اختبر برنامج العرض التوضيحي باتباع الخطوات التالية: لاحظ أن ساحة اللعب في الدائرة يومض بتسلسل قوس قزح. أدر مفتاح شريط التمرير وشاهد أنه يتسبب في تشغيل الملاحظات (يرجى إيقاف تشغيلها مرة أخرى ، وإلا فسوف تزعج بالتأكيد كل من حولك). تأكد من أن مؤشر LED للتنزيل الأحمر يومض معدل التوقيت.
10. يمكنك الآن التواصل مع Circuit Playground عبر واجهة النص. انقر فوق الزر "Serial Monitor" في IDE. يبدو نوعًا ما مثل عدسة مكبرة في الجزء العلوي الأيمن من نافذة البرنامج التجريبي. قد ترغب في إيقاف تشغيل التمرير التلقائي للحصول على مظهر أفضل.

أنت جاهز للتجربة والاتصال بجميع أجهزة الاستشعار المختلفة!

الخطوة الثانية: استشعار درجة الحرارة

ألقِ نظرة على قيمة "درجة الحرارة" على إخراج نص الشاشة التسلسلي. سيكون لها قيمة درجة حرارة الغرفة في مكان ما في الثلاثينيات. لقد قمت بقياس 39.43 درجة مئوية.

يظهر الثرمستور المستخدم لقياس درجة الحرارة في الصورة. إنه مستشعر A0 وبجانبه رسم لميزان حرارة.

ضع إبهامك برفق فوق مستشعر درجة الحرارة وسجّل عدد الثواني التي تستغرقها للوصول إلى درجة حرارة قصوى. قم بتدوين ذلك ، بالإضافة إلى ما يلي:

للوصول إلى أقصى درجة حرارة للإصبع ، استغرق الأمر _ ثانية.

ما هي أعلى درجة حرارة وصلت إليها في النهاية؟ _ ج

ما هذه القيمة بالفهرنهايت؟ _ F. HINT: F = (C * 1.8) + 32

هل هذا أكثر دفئًا أم برودة من درجة حرارة الجسم العادية؟ _

هل يعد استخدام مقياس الحرارة هذا مع إبهام شخص ما مؤشرًا جيدًا للحمى لمعرفة ما إذا كان مريضًا؟

لماذا ا؟ _

الثرمستور هو نوع خاص من المقاوم الذي يغير المقاومة وفقًا لدرجة الحرارة. تُظهر إحدى الصور في هذه الخطوة مخططًا نموذجيًا لدائرة الثرمستور. ·

في الدائرة الموضحة ، ما هي القراءة على مقياس الفولت؟ _ تلميح: استخدم قاعدة مقسم الجهد Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

إذا كان تصنيف الثرمستور هو "تغير المقاومة بنسبة 1.5٪ لكل درجة مئوية" - فماذا ستكون مقاومة الثرمستور إذا ارتفعت درجة الحرارة إلى 30 درجة مئوية؟ _ تلميح: نظرًا لأنه تغيير بمقدار 5 درجات ، وكل درجة تغير المقاومة بنسبة 1.5٪ ، نحصل على الثرمستور أوم = (5 * 0.015) + 10000 أوم

عند 32 درجة مئوية ، ما هي القراءة على مقياس الفولت؟ _ تلميح: الآن التغيير 7 درجات.

أين يمكن استخدام مجسات درجة الحرارة في أنواع التصنيع؟

الخطوة 3: مستشعر اللمس بالسعة

تُظهر الصورة أي الموصلات (أو "الوسادات") يمكن أيضًا استخدامها لاكتشاف اللمس. يطلق عليهم اسم مستشعرات اللمس السعوية لأنها تستخدم جسم الإنسان كمكون إلكتروني يسمى مكثف.

من أجل السلامة ، نريد أن يكون أي تيار كهربائي منخفضًا جدًا. لهذا السبب ، تمر جميع التوصيلات الخارجية للوسادات عبر مقاوم 1 ميجا أوم إلى منطقة مشتركة (دبوس رقم 30 من الشريحة) وبالتالي فإن المقاومة الإجمالية بين أي وسادتين هي 2 ميجا أوم.

• إذا كانت ذروة الجهد بين أي وسادتين 5 فولت ، وكانت المقاومة 2 ميغا أوم ، فماذا سيكون التيار الذي يمر بين أي وسادتين إذا كانت دائرة قصرهما؟ _ (لا ماس كهربائى لهم)
• "Capsense" هي الأرقام التي يتم عرضها بواسطة واجهة النص. في هذه الحالة تكون الأرقام أكبر ، عندما يتم لمس المستشعرات ، أو عندما لا يتم لمسها؟ _
• سجل بعض الأمثلة للأرقام عندما لا يتم لمس المستشعرات: _
• سجل بعض الأمثلة للأرقام عند لمس المستشعرات: _
• ما الفرق الذي تلاحظه عند لمس عدة أجهزة استشعار في وقت واحد؟ _
• ماذا يحدث إذا حملت شيئًا معدنيًا ولمست المستشعر به؟ _
• ماذا يحدث إذا حملت شيئًا غير معدني ولمست المستشعر به؟ _
• نظرًا لأن مستشعرات اللمس السعوية لا تحتوي على أجزاء متحركة ، فهي مقاومة جدًا للاهتزازات. أيضا ، يمكن تغطيتها بطبقة واقية من الماء. لماذا قد يكون هذان الجانبان مفيدان في بيئة التصنيع؟ _

الخطوة 4: الأزرار التقليدية ومفاتيح التمرير

تبدو الأزرار والمفاتيح الانضغاطية بسيطة جدًا و "يومية" لدرجة أننا نأخذها كأمر مسلم به عندما يتعلق الأمر باستخدامها كمستشعرات. لوحة المفاتيح هي مثال رائع. عندما نريد الكتابة بسرعة ، يكون لدينا القليل من الضغطات "الخاطئة" على المفاتيح ، ولدينا عمر طويل يمتد لسنوات عديدة من الاستخدام - المفاتيح الميكانيكية (واحدة تحت كل مفتاح على لوحة المفاتيح) هي السبيل للذهاب.

تحتوي الدائرة التي نستخدمها اليوم على ثلاثة مفاتيح ضغط "متقطعة". هذا يعني أنك تركت الزر ، وعادوا إلى موضعهم الأصلي (بفضل آلية محملة بنابض). تحتوي الدائرة أيضًا على مستشعر مخصص لمفتاح منزلق ثنائي الموضع. قد يتطلب الأمر بعض الجهد لتحريكها ، لكن لا تكسر اللوحة في محاولة للقيام بذلك - حرك بشكل جانبي بقوة أكبر من الضغط لأسفل. هذا النوع من أجهزة الاستشعار مستقر للغاية. الاستقرار يعني أنه بمجرد تحريكه إلى موضع أو آخر ، يمكنك أن تتوقع تمامًا أن تتمكن من الابتعاد والعودة بعد فترة طويلة وتتوقع أن تظل في نفس الوضع ، حتى لو كانت على سطح مهتز ، إلخ.

أين رأيت مثل هذا التحول الانزلاقي في التصنيع ، أو حتى في منزلك؟

_

انظر إلى إخراج النص وابحث عن معلومات المستشعر. في هذه الحالة ، قد لا يُخرج المستشعر رقمًا بل قد يُخرج شيئًا آخر.

يجب أن يشير مفتاح "التمرير" إلى موضعه. ما هي القيم التي يتخذها مستشعر "الانزلاق" في الموضعين؟

_

يحدث شيء آخر في أحد وضعي الشريحة. ما هذا؟

_

ملاحظة. تقديرًا لأي شخص آخر ، يرجى تحريك المفتاح إلى وضع "أقل إزعاجًا" بمجرد الانتهاء من هذا القسم.

الخطوة الخامسة: مستشعرات الضوء

مثل مستشعر درجة الحرارة ، تستخدم دائرة مستشعر الضوء في لوحة "Circuit Playground" دائرة مقسم الجهد - حيث يتم تقطيع 5 فولت التي تقود الجهاز إلى جزأين ، بواسطة المستشعر وبواسطة المقاوم ذي القيمة الثابتة. بدلاً من "الثرمستور" ، يستخدم مستشعر الضوء "ترانزستور ضوئي" يغير المقاومة بناءً على كمية الضوء التي تسقط عليه. يمكنك رؤية الترانزستور الضوئي "A5" بجوار رسم العين على لوحة الدائرة.

إذا كان جهاز استشعار الضوء موجهاً نحو سقف الغرفة (نحو الأضواء) ، فيجب أن تكون قيمة "مستشعر الضوء" بالمئات.

ما هي قيمة "مستشعر الضوء" التي تلاحظها عندما تكون "العين" متجهة نحو سقف الغرفة؟

_

ماذا لو وجهت "العين" نحو الأرض - ما هو الرقم الذي تلاحظه؟ _

ماذا لو وجهت "العين" في زوايا مختلفة بين السقف والأرضية؟ - صِف ما لاحظته ، بما في ذلك قيم الأرقام التي لاحظتها ، وما فعلته للحصول على تلك الأرقام. _

ماذا لو وجهت المستشعر إلى قطعة قماش داكنة قريبة (لكن لا تلمسها) - ما هو الرقم الذي تلاحظه؟ _

يجب أن يؤدي تغطيته (المستشعر بالقرب من "العين") بإصبعك إلى خفض الرقم. هل هو كذلك؟ _

لاحظ أن إصبعك شبه شفاف ، لذا يمكن للأضواء الساطعة لمصباح LED المتوهج أن تتوهج من خلال إصبعك. ما الذي يمكنك استخدامه أيضًا للتستر على المستشعر للحصول على رقم أقل؟ _

قد تكون مستشعرات الضوء صعبة إلى حد ما - لا تعطي دائمًا القراءة الدقيقة التي تتوقعها ، وتعتمد بشكل كبير على الانعكاس والشفافية وزاوية الإضاءة وسطوع الإضاءة. تسعى أنظمة رؤية التصنيع إلى تجاوز هذه القيود من خلال التحكم الصارم في هذه المتغيرات. على سبيل المثال ، قد يستخدم ماسح الرمز الشريطي شريط ليزر أحادي اللون مركّزًا ساطعًا لتقليل تأثير إضاءة الغرفة. في مثال آخر ، يستخدم الحزام الناقل لكرتون الحليب مستشعر الضوء على غرار "باب المرآب" ، لحساب عدد علب الحليب عن طريق حساب عدد المرات التي يُسمح فيها للضوء بالمرور بينها.

أعط مثالًا مختلفًا عن التصنيع أو المنزل أو العمل حيث يتم التحكم في بعض متغيرات الضوء هذه للحصول على نتيجة أفضل لمستشعر الضوء (إلى جانب الأمثلة التي ذكرتها بالفعل هنا):

الخطوة السادسة: مستشعر الصوت

إن مستشعر الصوت في "Circuit Playground" هو في الواقع نظام ميكرو ميكانيكي دقيق (MEMS) لا يمكن استخدامه فقط لاكتشاف مستويات الصوت ، ولكن يمكنه أيضًا إجراء تحليل أساسي للترددات. ربما تكون قد شاهدت عرض محلل الطيف في استوديو الموسيقى أو تطبيق مشغل الموسيقى - والذي يشبه الرسم البياني الشريطي مع الملاحظات المنخفضة إلى اليسار والملاحظات العلوية إلى اليمين (تمامًا مثل عرض المعادل الرسومي).

القيمة التي يتم عرضها على قراءة النص هي في الواقع شكل الموجة الصوتية الأولية. سيتعين علينا إضافة القيم بمرور الوقت للعثور على الطاقة الإجمالية للصوت (مستوى ضغط الصوت).

ومع ذلك ، يمكن استخدام جهاز MEMS هذا لتشغيل الإجراءات بواسطة روبوت أو جهاز آخر عند وجود أصوات ، أو عند سماع سلسلة محددة من الأصوات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) صغيرة للغاية (إنه الجهاز الموجود أسفل تلك الفتحة الصغيرة في الصندوق المعدني ، بجوار رسم "الأذن" على اللوحة) وقوة منخفضة. يجعل هذا المزيج أجهزة MEMS مفيدة للغاية في الكشف الصوتي والطب الحيوي واكتشاف السوائل الدقيقة وأدوات الجراحة الدقيقة ومستشعرات الغاز والتدفق الكيميائي والمزيد.

نظرًا لأن الإخراج هو شكل الموجة الصوتية (وليس مستوى الطاقة) ، فسترى نطاقًا أقل في القيم عندما تكون الأشياء هادئة (~ 330 هو الوسط لغرفة صامتة تمامًا) وتأرجحات أوسع للضوضاء الصاخبة (من 0 إلى 800 أو نحو ذلك).

قم بتسجيل قيم "مستشعر الصوت" عند وجود ضوضاء في الخلفية للغرفة فقط. ما هي القيمة التي تلاحظها؟ من الى _

ما القيمة التي تلاحظها إذا كنت تتحدث بنبرة صوت طبيعية - على بعد حوالي قدمين أو نحو ذلك من المستشعر؟ من الى _

هل تحصل على نطاق أعلى من القيم من خلال التحدث أو الطقطقة بأصابعك (أو التصفيق) بشكل متكرر؟

نعم أم لا: _ غضب التصفيق / العض من _ إلى _

لماذا تعتقد ذلك؟ _

جرب أنواعًا أخرى من الضوضاء وسجل ما تلاحظه - لكن من فضلك لا تنقر على السبورة: _

ملاحظة. تعمل MEMS في كلا الاتجاهين ، ومن الممكن استخدام الكهرباء لتحريك الأجزاء الميكانيكية الدقيقة. تعمل شركة تسمى "Audio Pixels" على تجميع هذه الأجهزة معًا لصنع مكبر صوت صغير ومسطّح تمامًا يمكنه توجيه الصوت في أي اتجاه.

الخطوة 7: مقاييس التسارع

مقياس التسارع هو أيضًا نوع من أنظمة MEMS ، ويتم توفير أحد هذه الأجهزة على لوحة "Circuit Playground". توفر شريحة LIS3DH ، بالقرب من مركز اللوحة بجوار رسم XYZ ، القدرة على قياس التسارع في أي اتجاه كمجموع متجه للتسارع في اتجاه X و Y و Z.

نظرًا لأن قوة الجاذبية متطابقة مع القوة التي يشعر بها التسارع (نظرية النسبية لأينشتاين) ، حتى عند الوقوف هنا على الأرض ، يقيس الجهاز تسارعًا قدره 9.8 مترًا لكل ثانية في الثانية (9.8 م / ث 2).

يمكنك تدوير الجهاز للحصول على تلك القوة بأكملها في الاتجاه "X".

حاول إمالة الجهاز بحيث يكون كل التسارع في الاتجاه X (يرجى التعامل بلطف مع كبل USB القصير عند لف الأشياء حولها). ما هي القيم التي لاحظتها؟ X: _ Y: _ Z: _

الآن قم بإمالة الجهاز للحصول على كل قوة الجاذبية (التسارع) تقريبًا في اتجاه Y. ما هي القيم التي لاحظتها؟ X: _ Y: _ Z: _

أخيرًا ، ضع الجهاز بحيث ينقسم التسارع الناتج عن الجاذبية بين الاتجاهين X و Y ، ويكون تقريبًا 0 في الاتجاه Z (في مكان ما بين الموضعين السابقين). ما هي القيم التي لاحظتها؟ X: _ Y: _ Z: _

استخدم نظرية فيثاغورس لإضافة متجهي التسارع X و Y من القياس السابق. يمكنك تجاهل العلامات السلبية ، فهذا يعني أن الجهاز مقلوب فقط في هذا الاتجاه. ما هو مجموع التسارع؟ _ تذكر أن التسارع الكلي = (X2 + Y2).

جرب التجربة التالية فقط إذا كنت ثلاثي الأبعاد! قم بإمالة الجهاز بحيث ينقسم التسارع الناتج عن الجاذبية بين اتجاهات X و Y و Z. ما هي القيم التي لاحظتها؟

X: _ Y: _ Z: _ إجمالي التسارع = _

كما ترى ، يمكن أيضًا استخدام مقياس التسارع (بفضل قوة الجاذبية) لقياس الميل - أو موضع اللوحة. إذا كنت تبني ذراعًا آليًا بمقبض ، فأين يمكنك وضع مستشعر التسارع ، ولماذا؟ _

إلى جانب إمالة مركز الأرض واتجاهه ، يمكن لمقاييس التسارع أيضًا قياس التسارع بشكل طبيعي. حرك اللوحة للخلف وللأمام برفق (يرجى أن تكون لطيفًا مع كبل USB القصير عند لف الأشياء حولها). ما هي القيم التي لاحظتها؟

تم نقل الاتجاه: _ X: _ Y: _ Z: _

تم نقل الاتجاه: _ X: _ Y: _ Z: _

الخطوة 8: لقد انتهيت

تهانينا على إكمال كل هذه الخطوات وفهم المستشعرات الإلكترونية!

اترك تعليقًا لإرسال تعليقات إليّ حول الأشياء التي تعتقد أنه يجب تحسينها ، وكذلك أخبرني إذا توصلت إلى استخدامات إضافية لأجهزة الاستشعار في Circuit Playground Classic!

بول نوسباوم ، دكتوراه