Sensor de tapete de piso sensível à pressão: 9 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Neste Instructable irei compartilhar um projeto para um sensoer de tapete sensível à pressão que é capaz de detectar quando você está sobre ele. Embora ele não possa pesar você exatamente, ele pode determinar se você está em pé sobre ele com todo o seu peso ou se simplesmente entra em contato com ele.

O tapete mede pessoas usando Velostat, um material que muda sua resistência elétrica com base na quantidade de pressão aplicada a ele. Fiz todo o tapete por menos de € 20 (excluindo o tapete).

Etapa 1: O que você precisa

Isso é o que você precisa para fazer o sensor:

• Velostat: Para cobrir área suficiente sob o tapete, usei 2 quadrados de 28 cm (11 ") comprados em uma revenda Adafruit.
• Fita de cobre: usei 5 mm de largura e cerca de 6 a 7 metros de fita.
• Uma fita isolante fina: usei fita kapton de 25 mm de largura.
• Fiação para prender o tapete em alguma coisa.
• Um ferro de soldar com um pouco de estanho.
• Um multímetro para teste.

Para realmente usar este tapete com um microcontrolador, você precisará:

• Um resistor de 47 ohm (ou valor similarmente pequeno).
• (opcional, um mosfet de canal N com resistor de 10k e resistor de 220ohm).

Etapa 2: (Como não aplicar fita de cobre ao Velostat)

Vou começar contando como NÃO aplicar fita de cobre ao Velostat.

Comecei presumindo que a "cola condutora" na fita era condutora. Isso parecia uma suposição justa, mas ou minha fita não é deste tipo de "cola condutora", ou a parte "condutora" mal é condutora.

Comecei colando os 2 quadrados de Velostat juntos em ambos os lados com fita adesiva. Em seguida, cortei tiras de fita de cobre com 25 cm de comprimento e as apliquei em intervalos regulares. A fita de cobre de cada lado está exatamente no mesmo local, de modo que há apenas uma fina camada de Velostat entre o cobre. Nas imagens, uma vista esquemática do tapete com um recorte para uma visão geral.

Uma longa tira de fita de cobre (cerca de 50 cm) é usada para conectar todas as fileiras em ambos os lados.

Um fio foi soldado em cada lado e uma medição de resistência foi feita.

Quando tentei testá-lo, os valores do multímetro oscilavam descontroladamente entre 10k e 100ohm. Além disso, ficar em pé ou não sobre o tapete fez pouca diferença para a medição. Algo estava terrivelmente errado. Uma medição rápida da fita mostrou que a cola não era realmente condutora. O sanduíche de materiais era cobre, cola, Velostat, cola, cobre, e a cola era uma espécie de isolante.

Moral da história, faça testes em pequena escala se não tiver certeza de que funcionará.

Etapa 3: teste de pequena escala

De volta à prancheta. O lado da cola da fita de cobre claramente não conduz o suficiente. A parte frontal é de cobre puro. E se eu inverter a fita de modo que o lado de cobre fique voltado para o Velostat.

Um único traço foi revertido em ambos os lados. Peguei a fita com o lado da cola voltado para baixo e colei em um pedaço de fita kapton. Reutilizar fita de cobre é enjoativo, mas esse material é um pouco caro demais para ser jogado fora. Esse pedaço de fita kapton com o cobre voltado para o lado adesivo foi colado no Velostat.

Uma nova medição foi feita. Isso deu um resultado estável instantaneamente. Mas uma coisa. Um único traço parecia ser 24 ohms quando alto e 200 quando baixo. Isso foi enquanto pressionava apenas uma pequena quantidade com minha mão. Se eu tiver 12 traços e ficar totalmente em cima dele, o tapete pode cair para menos de 1 ohm, puxando muita corrente.

Revisei o design para que apenas pequenas partes da fita entrassem em contato com o Velostat. Dessa forma, esperava obter a resistência em uma quantidade administrável.

Etapa 4: aplicando fita de cobre ao Velostat

Armado com o conhecimento de como realmente fazer esse trabalho, comecei a consertar o tapete do sensor. Na foto você verá o tapete antigo sendo modificado para o novo.

A primeira coisa que fiz foi adicionar pequenos pedaços de fita adesiva como isolante. A fita está em ambos os lados. As lacunas entre a fita devem ser constantes e ter cerca de 1-3 cm de largura, dependendo de quanta resistência você deseja. A lacuna deve estar no mesmo local em ambos os lados.

Pegue uma tira de fita de cobre e uma tira de fita kapton longa o suficiente para cobrir o Velostat. A fita de cobre deve ser 1-2 cm mais comprida do que a fita Kapton. Cole a fita de cobre no lado adesivo da fita kapton, com um lado da fita de cobre passando pela fita kapton.

Cole o conjunto no Velostat, sobre os isoladores. Certifique-se de que o cobre está no mesmo lugar em ambos os lados. Certifique-se também de que o excesso de cobre esteja sempre do mesmo lado. Dobre o excesso de cobre para que você tenha um lugar para montar a tira de cobre de conexão. Um conselho é colocar o excesso de cobre sobre uma parte isolada do tapete para que seja mais fácil soldá-lo posteriormente.

Repita esta etapa para todas as linhas.

Adicione uma linha superior de fita de cobre que conecte todas as tiras de cobre montadas anteriormente. É aconselhável isolar essa fileira do Velostat para evitar curtos-circuitos ou vazamentos indesejados. A linha superior se conecta às guias dobradas deixadas nas etapas anteriores.

Solde com cuidado todas as tiras curtas na tira superior. Esta solda é necessária porque, caso contrário, a tira superior não entrará em contato com as fileiras de cobre. Tenha cuidado para não adicionar muito calor ao cobre. O cobre é montado em plástico (Velostat), e derreter através do plástico seria ruim.

Solde os fios nas filas superiores em ambos os lados. Qualquer lugar está bem, eu escolhi um canto.

Teste o tapete para se certificar de que funciona. Conecte um multímetro ao tapete e veja se a resistência cai se você pressionar qualquer uma das partes não isoladas. Verifique também se a resistência está estável, caso não faça nada. Se for esse o caso, parabéns, o tapete agora funciona.

Como etapa final, aplique fita kapton em todo o cobre exposto. Embora provavelmente não cause curtos-circuitos, não é recomendável deixar o cobre exposto.

(Nas imagens esquemáticas, a linha superior de cobre não é mostrada. A imagem serve apenas para mostrar a configuração do Kapton e do cobre para fazer esta esteira funcionar.)

Etapa 5: Testando o tapete

O novo tapete foi conectado a um multímetro para testá-lo novamente. Desta vez, sem aplicação de carga, a resistência do tapete é estável de 17-20 ohms.

Quando estou totalmente de pé no tapete, a resistência cai para 4-6 ohms. Um pé no tapete dá cerca de 10 ohms.

Isso é um pouco menor do que estou feliz, mas ainda é um valor viável. Há muita diferença entre sem carga e uma pessoa em pé no tapete. Uma observação feita é que a pressão não define realmente a resistência. A área de superfície sim. Se eu ficar em cima do tapete com menos peso, a resistência torna-se menor do que se eu ficar de pé com todo o meu peso em um único local. É ótimo para o que preciso desse sensor, mas tenha isso em mente se você construir um.

Etapa 6: conectando tudo

Como o tapete é apenas um grande resistor variável, fazer medições no tapete é bastante simples.

A maneira mais simples é usar um divisor de tensão. Adicione um resistor antes do tapete do sensor de pressão (chamado R_mat no esquema) e meça o ponto entre o resistor e o tapete (chamado MatA1). Usei 47 ohms, mas seu tapete pode precisar de outra coisa. Meu nível lógico é 3,3 V, você pode usar qualquer que seja o seu nível lógico de potência.

Eu adicionei um circuito off-line opcional ao meu tapete. Eu não queria o empate constante de 50mA no meu tapete. Eu simplesmente não sei como o Velostat gosta de uma corrente constante através dele, e espero que seja ruim para a longevidade do tapete. O circuito consiste em um mosfet de canal N com os resistores necessários. Sempre que quero fazer uma leitura, ligo o mosfet. No resto do tempo, o mosfet está desligado e o tapete não tem energia passando por ele.

Etapa 7: como usar

Usar o tapete com um Arduino (ou qualquer outro microcontrolador) é simples. Se você tiver apenas o divisor de tensão, simplesmente conecte seu tapete a um pino analógico, defina o pino ao qual você conecta o tapete como entrada e use um comando de leitura analógica. O valor obtido com isso diminuirá dependendo de quanto peso é aplicado ao tapete.

Se você tiver o mosfet instalado, lembre-se de fazer a entrada do mosfet alta antes de fazer uma medição. Caso contrário, você simplesmente medirá a tensão usada para o tapete (3,3 V no meu caso).

O valor que você recebe do tapete não muda muito com o tempo. Eu simplesmente uso um valor limite para determinar se algo está no tapete e, após um mês de uso contínuo, o tapete ainda funciona bem.

Etapa 8: O que eu faria diferente na próxima vez

Uma coisa importante relacionada ao projeto é que eu testaria corretamente uma versão em pequena escala do tapete primeiro. Na verdade, fiz um pequeno pedaço de cobre no Velostat, vi os números no multímetro e presumi que tudo estava funcionando. Isso foi um erro.

Um ponto relacionado ao tapete é que eu usaria remendos menores de cobre. Atualmente, tenho 48 remendos de 2 a 3 cm de cobre. Isso dá uma resistência de 20 ohm quando ocioso e cerca de 5 ohm quando estou nele. Embora este seja um número viável, seria mais fácil se fosse um pouco menor. 1 cm de cobre exposto seria mais do que suficiente para este tapete. Não vou fazer mais isso no meu, mas talvez qualquer outra pessoa que queira fazer isso possa se beneficiar com isso.

Etapa 9: como eu uso

Por que especificamente fiz este tapete sensível à pressão? Eu fiz um despertador ESP32 chique. Ele está conectado ao meu sistema Domoticz, pode retornar valores de sensor como CO2 e temperatura, e pode controlar minha iluminação. Também avisa a hora e tem alarme.

É aqui que entra o tapete do sensor. Não tenho nenhum problema real em acordar. Acordo com luz para acordar e geralmente acordo quando preciso sair. No entanto, tenho problemas para sair da cama. O tapete me obriga a sair da cama. O alarme só desliga quando eu realmente estou no tapete (ou puxo o plugue do despertador). Isso me força a sair da cama e, quando estou fora da cama, raramente volto para dentro. Embora seja uma solução um tanto exagerada para um problema que tem muitas outras soluções, fico feliz com isso. Até agora, saí da cama na hora certa todas as manhãs por cerca de um mês. Antes eu ficava na cama por até uma hora.

20 minutos antes de meu alarme tocar, o tapete se torna ativo. O tapete liga, faz uma leitura de voltagem e o tapete desliga novamente. Isso acontece a cada segundo. Quando estou no tapete, antes ou durante o alarme, ele desliga o alarme.