HackerBox 0035: Eletroquímica: 11 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este mês, os HackerBox Hackers estão explorando vários sensores eletroquímicos e técnicas de teste para medir as propriedades físicas dos materiais. Este Instructable contém informações para começar a usar o HackerBox # 0035, que pode ser adquirido aqui enquanto durarem os estoques. Além disso, se você gostaria de receber um HackerBox como este diretamente em sua caixa de correio a cada mês, inscreva-se em HackerBoxes.com e junte-se à revolução!

Tópicos e objetivos de aprendizagem para HackerBox 0035:

• Configure o Arduino Nano para uso com o IDE do Arduino
• Conecte e codifique um módulo OLED para exibir as medições
• Construir uma demonstração do bafômetro usando sensores de álcool
• Compare sensores de gás para realizar medições de qualidade do ar
• Determine a qualidade da água a partir de sólidos dissolvidos totais (TDS)
• Teste a detecção térmica sem contato e submersível em água

HackerBoxes é o serviço de caixa de assinatura mensal para eletrônicos DIY e tecnologia de computador. Somos amadores, criadores e experimentadores. Somos os sonhadores dos sonhos. HACK THE PLANET!

Etapa 1: HackerBox 0035: conteúdo da caixa

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Tela I2C OLED de 0,96 128x64 pixels
• Medidor de Qualidade da Água TDS-3
• Módulo de temperatura sem contato GY-906
• MP503 Sensor de Poluição de Qualidade do Ar
• Sonda de temperatura à prova d'água DS18B20
• Módulo sensor de álcool MQ-3
• Módulo sensor de gases perigosos para o ar MQ-135
• Módulo de umidade e temperatura DHT11
• Módulo Laser KY-008
• Conjunto de LEDs, resistores 1K e botões táteis
• Placa de ensaio "cristalina" de 400 pontos
• Conjunto de fio jumper - 65 peças
• Cabo MircoUSB
• Decalques exclusivos de HackerBoxes

Algumas outras coisas que serão úteis:

• Ferro de soldar, solda e ferramentas básicas de solda
• Computador para executar ferramentas de software

Mais importante ainda, você precisará de um senso de aventura, espírito faça-você-mesmo e curiosidade de hacker. Eletrônicos hardcore DIY não são uma busca trivial, e as HackerBoxes não são diluídas. O objetivo é o progresso, não a perfeição. Quando você persiste e aproveita a aventura, uma grande satisfação pode ser derivada do aprendizado de novas tecnologias e, felizmente, de fazer alguns projetos funcionarem. Sugerimos que você dê cada passo devagar, atento aos detalhes e não tenha medo de pedir ajuda.

Há uma grande quantidade de informações para membros atuais e potenciais nas Perguntas frequentes dos HackerBoxes.

Etapa 2: Eletroquímica

Eletroquímica (Wikipedia) é o ramo da físico-química que estuda a relação entre a eletricidade, como um fenômeno mensurável e quantitativo, e uma determinada alteração química ou vice-versa. As reações químicas envolvem cargas elétricas movendo-se entre os eletrodos e um eletrólito (ou íons em uma solução). Assim, a eletroquímica lida com a interação entre energia elétrica e mudança química.

Os dispositivos eletroquímicos mais comuns são baterias de uso diário. As baterias são dispositivos que consistem em uma ou mais células eletroquímicas com conexões externas fornecidas para alimentar dispositivos elétricos, como lanternas, smartphones e carros elétricos.

Os sensores eletroquímicos de gás são detectores de gás que medem a concentração de um gás alvo oxidando ou reduzindo o gás alvo em um eletrodo e medindo a corrente resultante.

A eletrólise é uma técnica que usa uma corrente elétrica direta (DC) para conduzir uma reação química não espontânea. A eletrólise é comercialmente importante como uma etapa na separação de elementos de fontes naturais, como minérios, usando uma célula eletrolítica.

Etapa 3: plataforma de microcontrolador Arduino Nano

Um Arduino Nano, ou placa de microcontrolador semelhante, é uma ótima escolha para interface com sensores eletroquímicos e saídas de vídeo para um computador ou monitor de vídeo. O módulo Arduino Nano incluído vem com pinos de cabeçalho, mas eles não são soldados ao módulo. Deixe os pinos de fora por enquanto. Execute esses testes iniciais do módulo Arduino Nano ANTES de soldar os pinos do cabeçote no Arduino Nano. Tudo o que é necessário para as próximas etapas é um cabo microUSB e o módulo Nano assim que ele sai da bolsa.

O Arduino Nano é uma placa Arduino miniaturizada de montagem em superfície, compatível com a placa de ensaio e com USB integrado. É incrivelmente completo e fácil de hackear.

Recursos:

• Microcontrolador: Atmel ATmega328P
• Tensão: 5V
• Pinos de E / S digitais: 14 (6 PWM)
• Pinos de entrada analógica: 8
• Corrente DC por pino de E / S: 40 mA
• Memória Flash: 32 KB (2 KB para bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Velocidade do relógio: 16 MHz
• Dimensões: 17 mm x 43 mm

Esta variante específica do Arduino Nano é o design preto do Robotdyn. A interface é feita por uma porta MicroUSB integrada que é compatível com os mesmos cabos MicroUSB usados em muitos telefones celulares e tablets.

Arduino Nanos apresenta um chip de ponte USB / Serial integrado. Nesta variante em particular, o chip ponte é o CH340G. Observe que existem vários outros tipos de chips de ponte USB / Serial usados nos vários tipos de placas Arduino. Esses chips permitem que a porta USB do seu computador se comunique com a interface serial no chip do processador do Arduino.

O sistema operacional de um computador requer um driver de dispositivo para se comunicar com o chip USB / serial. O driver permite que o IDE se comunique com a placa Arduino. O driver de dispositivo específico necessário depende da versão do sistema operacional e também do tipo de chip USB / Serial. Para os chips CH340 USB / Serial, existem drivers disponíveis para muitos sistemas operacionais (UNIX, Mac OS X ou Windows). O fabricante do CH340 fornece esses drivers aqui.

Quando você conecta o Arduino Nano pela primeira vez a uma porta USB do seu computador, a luz verde de alimentação deve acender e logo após o LED azul deve começar a piscar lentamente. Isso acontece porque o Nano vem pré-carregado com o programa BLINK, que está rodando no novo Arduino Nano.

Etapa 4: Arduino Integrated Development Environment (IDE)

Se você ainda não instalou o IDE do Arduino, pode baixá-lo em Arduino.cc

Se desejar informações introdutórias adicionais para trabalhar no ecossistema Arduino, sugerimos verificar as instruções do HackerBoxes Starter Workshop.

Conecte o Nano ao cabo MicroUSB e a outra extremidade do cabo a uma porta USB no computador, inicie o software Arduino IDE, selecione a porta USB apropriada no IDE em ferramentas> porta (provavelmente um nome com "wchusb" nele) Selecione também "Arduino Nano" no IDE em ferramentas> placa.

Finalmente, carregue um pedaço de código de exemplo:

Arquivo-> Exemplos-> Básico-> Blink

Na verdade, este é o código que foi pré-carregado no Nano e deve estar em execução agora para piscar lentamente o LED azul. Da mesma forma, se carregarmos este código de exemplo, nada mudará. Em vez disso, vamos modificar um pouco o código.

Olhando de perto, você pode ver que o programa liga o LED, espera 1000 milissegundos (um segundo), desliga o LED, espera mais um segundo e então faz tudo de novo - para sempre.

Modifique o código alterando ambas as instruções "delay (1000)" para "delay (100)". Essa modificação fará com que o LED pisque dez vezes mais rápido, certo?

Vamos carregar o código modificado no Nano clicando no botão UPLOAD (o ícone de seta) logo acima do código modificado. Veja abaixo o código para as informações de status: "compilando" e depois "enviando". Eventualmente, o IDE deve indicar "Upload concluído" e seu LED deve piscar mais rápido.

Se sim, parabéns! Você acabou de hackear seu primeiro código embutido.

Depois que sua versão de piscar rápido estiver carregada e em execução, por que não ver se você pode alterar o código novamente para fazer o LED piscar rápido duas vezes e esperar alguns segundos antes de repetir? De uma chance! Que tal alguns outros padrões? Depois de conseguir visualizar um resultado desejado, codificá-lo e observá-lo para funcionar conforme planejado, você deu um enorme passo para se tornar um hacker de hardware competente.

Etapa 5: Pinos de cabeçalho e OLED na placa de ensaio sem solda

Agora que seu computador de desenvolvimento foi configurado para carregar código no Arduino Nano e o Nano foi testado, desconecte o cabo USB do Nano e prepare-se para soldar os pinos do cabeçalho. Se for sua primeira noite no clube da luta, você precisa soldar! Existem muitos guias e vídeos excelentes online sobre soldagem (por exemplo). Se você acha que precisa de assistência adicional, tente encontrar um grupo de fabricantes local ou espaço de hacker em sua área. Além disso, os rádios amadores são sempre excelentes fontes de experiência em eletrônica.

Solde os dois cabeçalhos de uma única linha (quinze pinos cada) no módulo Arduino Nano. O conector de seis pinos ICSP (programação serial no circuito) não será usado neste projeto, portanto, deixe esses pinos desligados. Quando a soldagem estiver concluída, verifique cuidadosamente as pontes de solda e / ou juntas de solda fria. Finalmente, conecte o Arduino Nano de volta ao cabo USB e verifique se tudo ainda está funcionando corretamente.

Para conectar o OLED ao Nano, insira ambos em uma placa de ensaio sem solda como mostrado e conecte entre eles de acordo com esta tabela:

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

Para conduzir o display OLED, instale o driver de display OLED SSD1306 encontrado aqui no Arduino IDE.

Teste o display OLED carregando o exemplo ssd1306 / snowflakes e programando-o no Nano.

Outros exemplos da biblioteca SDD1306 são úteis para explorar o uso do display OLED.

Etapa 6: Demonstração do sensor de álcool e bafômetro MQ-3

O MQ-3 Alcohol Gas Sensor (datasheet) é um sensor semicondutor de baixo custo que pode detectar a presença de álcool gasoso em concentrações de 0,05 mg / L a 10 mg / L. O material sensor usado no MQ-3 é o SnO2, que exibe uma condutividade crescente quando exposto a concentrações crescentes de gases de álcool. O MQ-3 é altamente sensível ao álcool, com muito pouca sensibilidade cruzada a fumaça, vapor ou gasolina.

Este módulo MQ-3 fornece uma saída analógica bruta relativa à concentração de álcool. O módulo também possui um comparador LM393 (folha de dados) para definir o limite de uma saída digital.

O módulo MQ-3 pode ser conectado ao Nano de acordo com esta tabela:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Não usado

Código de demonstração do vídeo.

AVISO: Este projeto é apenas uma demonstração educacional. Não é um instrumento médico. Não está calibrado. Não se destina, de forma alguma, a determinar os níveis de álcool no sangue para avaliação dos limites legais ou de segurança. Não seja estúpido. Não beba e não dirija. Chegue vivo!

Etapa 7: Detecção de cetonas

As cetonas são compostos simples que contêm um grupo carbonila (uma ligação dupla carbono-oxigênio). Muitas cetonas são importantes na indústria e na biologia. O solvente comum acetona é a menor cetona.

Hoje, muitos estão familiarizados com a dieta cetogênica. É uma dieta baseada no consumo de alto teor de gordura, proteína adequada e poucos carboidratos. Isso força o corpo a queimar gorduras em vez de carboidratos. Normalmente, os carboidratos contidos nos alimentos são convertidos em glicose, que é então transportada pelo corpo e é particularmente importante para estimular a função cerebral. No entanto, se houver pouco carboidrato na dieta, o fígado converte a gordura em ácidos graxos e corpos cetônicos. Os corpos cetônicos passam para o cérebro e substituem a glicose como fonte de energia. Um nível elevado de corpos cetônicos no sangue resulta em um estado conhecido como cetose.

Exemplo de projeto de detecção de cetona

Outro exemplo de projeto de detecção de cetona

Comparando sensores de gás MQ-3 vs. TGS822

Etapa 8: detecção da qualidade do ar

A poluição do ar ocorre quando quantidades excessivas ou prejudiciais de substâncias, incluindo gases, partículas e moléculas biológicas, são introduzidas na atmosfera. A poluição pode causar doenças, alergias e até a morte de humanos. Também pode causar danos a outros organismos vivos, como animais, plantações de alimentos e o meio ambiente em geral. Tanto a atividade humana quanto os processos naturais podem gerar poluição do ar. A poluição do ar interior e a má qualidade do ar urbano são listados como dois dos piores problemas de poluição tóxica do mundo.

Podemos comparar a operação de dois sensores diferentes de qualidade do ar (ou perigo do ar). Estes são o MQ-135 (folha de dados) e o MP503 (folha de dados).

O MQ-135 é sensível ao metano, óxidos de nitrogênio, álcoois, benzeno, fumaça, CO2 e outras moléculas. Sua interface é idêntica à interface MQ-3.

O MP503 é sensível a gás formaldeído, benzeno, monóxido de carbono, hidrogênio, álcool, amônia, fumaça de cigarro, muitos odores e outras moléculas. Sua interface é bastante simples, fornecendo duas saídas digitais para designar quatro níveis de concentração de poluentes. O conector padrão no MP503 tem um conector macho coberto de plástico, que pode ser removido e substituído por um conector padrão de 4 pinos (fornecido na bolsa) para uso com placas de ensaio sem solda, jumpers DuPont ou conectores comuns semelhantes.

Etapa 9: Sensor de Qualidade da Água

Testador de Qualidade da Água TDS-3

Sólidos totais dissolvidos (TDS) são a quantidade total de íons carregados móveis, incluindo minerais, sais ou metais dissolvidos em um determinado volume de água. O TDS, que é baseado na condutividade, é expresso em partes por milhão (ppm) ou miligramas por litro (mg / L). Os sólidos dissolvidos incluem qualquer elemento inorgânico condutor presente, exceto as moléculas de água pura (H2O) e os sólidos suspensos. O nível máximo de contaminação da EPA de TDS para consumo humano é de 500 ppm.

Fazendo Medições TDS

1. Remova a tampa protetora.
2. Ligue o medidor TDS. O interruptor ON / OFF está localizado no painel.
3. Mergulhe o medidor na água / solução até o máximo. nível de imersão (2”).
4. Mexa levemente o medidor para desalojar quaisquer bolhas de ar.
5. Espere até que a tela se estabilize. Assim que a leitura se estabilizar (aproximadamente 10 segundos), pressione o botão HOLD para ver a leitura fora da água.
6. Se o medidor exibir um símbolo 'x10' piscando, multiplique a leitura por 10.
7. Após o uso, sacuda o excesso de água do medidor. Substitua a tampa.

Fonte: Folha de Instruções Completa

Experiência: Construa seu próprio medidor TDS simples (projeto com vídeo aqui), que pode ser calibrado e testado com o TDS-3.

Etapa 10: Sensor Térmico

Módulo sensor de temperatura sem contato GY-906

O módulo de sensoriamento térmico GY-906 está equipado com um MLX90614 (detalhes). Este é um termômetro infravermelho de zona única simples de usar, mas muito poderoso, capaz de detectar temperaturas de objetos entre -70 e 380 ° C. Ele usa uma interface I2C para se comunicar, o que significa que você só precisa dedicar dois fios de seu microcontrolador para fazer a interface com ele.

Projeto de termossensibilidade de demonstração.

Outro projeto de sensor térmico.

Sensor de temperatura à prova de água DS18B20

O sensor de temperatura de um fio DS18B20 (detalhes) pode medir a temperatura de -55 ℃ a 125 ℃ com uma precisão de ± 5.

Etapa 11: HACK THE PLANET

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