Compreendendo os sensores eletrônicos: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Destinado a explicar a operação de sensores industriais e domésticos comuns, este "Instrutível" ensina como usar sensores disponíveis comercialmente em uma implantação do mundo real usando exercícios e experimentos práticos.

Esta lição cobrirá resumidamente os circuitos que podem sentir o seguinte:

• Mudanças na temperatura
• Sendo tocado (contato capacitivo com a pele)
• Sendo tocado (interruptores e botões)
• Mudanças na luz
• Mudanças no som
• Mudanças na aceleração (movimento e gravidade)

Também é coberto o hardware e o software necessários, onde comprar / baixar os itens, como configurar os circuitos para saída numérica, como ler a saída numérica e um histórico de como cada sensor funciona.

Vamos começar!

Etapa 1: completamente testado - comprando e baixando o ambiente

Você verá em todo o Instructable que os detalhes desta lição foram exaustivamente testados por adolescentes visitando uma universidade local como parte de seu interesse em mecatrônica (robótica e manufatura)

Os biscoitos Oreo são úteis, mas não obrigatórios

O pessoal da Adafruit fabricou a placa que usaremos hoje, chamada de "Circuit Playground - Classic" e testou exaustivamente um grande número de maneiras de usar o dispositivo. Você pode ver alguns deles em sua página "Aprender" aqui, que praticamente rastreia este experimento de laboratório Instructable e subetapas - cortesia desta página "Aprender" da Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -e-bluetooth-baixa energia

As peças de que você precisa são simples, baratas e fáceis de usar para experimentadores de uma ampla gama de faixas etárias, mesmo tão jovens quanto o ensino médio (12 anos de idade, talvez?)

1. Primeiro, adquira um ou mais dos dispositivos aqui: https://www.adafruit.com/product/3000 e também um adaptador USB para Micro-B USB para conectar ao seu PC aqui https://www.adafruit.com/ produto / 898. O custo total é de menos de $ 40 com frete, mas você pode achar que é mais barato.
2. Depois de comprar e receber o Circuit Playground e o cabo USB baratos, você precisará conectá-lo a um Computador Pessoal (PC) que tenha um Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) para dispositivos do tipo Arduino.
3. Neste exemplo, estamos usando o IDE arduino-1.8.4-windows, mas outros funcionarão também. Certifique-se de instalar todos os drivers (neste caso, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Depois de instalar o IDE, você pode abrir o IDE chamado "Arduino"
5. Em Arquivo -> Preferências, insira o seguinte "URL do gerenciador de placa adicional" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, a seguir diga OK e feche e reabra o IDE
6. Agora conecte o dispositivo Circuit Playground com o Micro USB. Veja se ele liga e executa o programa padrão "Circuit Playground Firmata" exibindo uma sequência de arco-íris de luzes. Você pode testar se a chave próxima ao conector de energia da bateria inverte a ordem e se um dos botões toca uma nota para cada cor.
7. Você precisará obter a Biblioteca do Circuit Playground e descompactar a Biblioteca do Circuit PLayground em Documentos -> Arduino -> pasta de bibliotecas “Adafruit_CircuitPlayground-master”. Depois de descompactado, remova o sufixo "-master" do nome da pasta. Pare e reinicie o IDE e carregue o tipo de placa Circuit Playground em Ferramentas -> Placas -> Gerenciador de placa e, em seguida, pesquise o tipo "Contribuído" e as palavras-chave "Adafruit AVR". Isso permitirá que você instale as "Adafruit AVR Boards" (versão mais recente), após o qual você deve parar e reiniciar o IDE
8. Agora você está pronto para testar o Circuit Playground com um programa de demonstração. Conecte ao Circuit Playground conectado via USB. Vá para Ferramentas -> Placas e certifique-se de selecionar Circuito Playground. Vá para Ferramentas -> Portas e certifique-se de selecionar a porta COM apropriada (aquela conectada ao USB Blaster). Baixe um programa de demonstração da seguinte forma: Selecione: Arquivos -> Exemplos -> Adafruit Circuit PLayground -> demo e, em seguida, compilar e fazer upload (pode usar o botão "seta para a direita" para fazer tudo)
9. Teste o programa de demonstração seguindo estas etapas: Veja se o Circuito Playground está piscando na seqüência do arco-íris. Gire o controle deslizante e veja se ele faz com que as notas sejam tocadas (desligue-o novamente, caso contrário, certamente irritará todos ao seu redor). Veja que o LED vermelho de download pisca a taxa de tempo.
10. Agora você pode se comunicar com o Circuit Playground via interface de texto. Clique no botão "Monitor Serial" no IDE. Parece uma espécie de lente de aumento no canto superior direito da janela do programa de demonstração. Você pode desligar a rolagem automática para ver melhor.

Você está pronto para experimentar e se conectar a todos os diferentes sensores!

Etapa 2: Detecção de temperatura

Dê uma olhada no valor de “temperatura” na saída de texto do monitor serial. Ele terá um valor de temperatura ambiente em torno de 30 ° C. Medi 39,43 graus Celsius.

O termistor usado para medir a temperatura é mostrado na foto. É o sensor A0 e tem um gráfico de um termômetro próximo a ele.

Coloque delicadamente o polegar sobre o sensor de temperatura e registre quantos segundos leva para atingir a temperatura máxima. Anote isso, bem como o seguinte:

Para atingir a temperatura máxima do dedo, foram necessários _ segundos.

Qual é a temperatura mais alta que ela finalmente atingiu? _ C

Qual é esse valor em Fahrenheit? _ F. DICA: F = (C * 1.8) + 32

É mais quente ou mais frio do que a temperatura normal do corpo? _

Usar este termômetro com o polegar de alguém seria um bom indicador de febre para saber se a pessoa está doente?

Porque? _

Um termistor é um tipo especial de resistor que muda a resistência de acordo com a temperatura. Uma das imagens nesta etapa mostra um diagrama de circuito de termistor típico. ·

No circuito mostrado, qual seria a leitura no Voltímetro? _ DICA: Use a regra do divisor de tensão Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Termistor Ohms)

Se o termistor tem uma classificação de “mudança de resistência de 1,5% por grau C” - qual será a resistência do termistor se a temperatura subir até 30 graus C? _ DICA: como é uma mudança de 5 graus e cada grau altera a resistência em 1,5%, obtemos Termistor Ohms = (5 * 0,015) + 10, 000 Ohms

A 32 graus C, qual seria a leitura no Voltímetro? _ DICA: Agora a mudança é de 7 graus.

Onde os sensores de temperatura podem ser usados nos tipos de fabricação?

Etapa 3: sensor capacitivo de toque

A foto mostra quais conectores (ou “pads”) também podem ser usados para detectar o toque. Eles são chamados de sensores de toque capacitivos porque usam o corpo humano como um componente eletrônico chamado capacitor.

Por segurança, queremos que a corrente elétrica seja muito baixa. Por esse motivo, todas as conexões externas aos pads passam por um resistor de 1 Mega Ohm para uma área comum (pino nº 30 do chip), de modo que a resistência total entre quaisquer dois pads é de 2 Mega Ohms.

• Se a tensão de pico entre quaisquer dois blocos for 5 Volts e a resistência for 2 Mega Ohms, qual seria a corrente que passa entre quaisquer dois blocos se eles estiverem em curto-circuito? _ (NÃO provoque curto-circuito neles)
• "Capsense" são os números exibidos pela interface de texto. Nesse caso, os números são maiores, quando os sensores estão sendo tocados ou quando não estão sendo tocados? _
• Registre alguns exemplos de números quando os sensores NÃO estiverem sendo tocados: _
• Registre alguns exemplos de números quando os sensores ESTÃO sendo tocados: _
• Que diferença você observa quando vários sensores são tocados simultaneamente? _
• O que acontece se você segurar algo metálico e tocar o sensor com isso? _
• O que acontece se você segurar algo não metálico e tocar no sensor com isso? _
• Como os sensores de toque capacitivos não têm partes móveis, eles são muito resistentes a vibrações. Além disso, eles podem ser cobertos com uma camada protetora à prova d'água. Por que esses dois aspectos podem ser úteis em um ambiente de manufatura? _

Etapa 4: botões tradicionais e interruptores deslizantes

Botões de pressão e interruptores parecem tão simples e “todos os dias” que os consideramos naturais quando se trata de seu uso como sensores. O teclado é um ótimo exemplo. Quando queremos digitar rapidamente, temos poucas teclas "falsas" e uma longa vida útil de muitos anos de uso - interruptores mecânicos (um em cada tecla do teclado) são o caminho a percorrer.

O circuito que estamos usando hoje tem três interruptores “intermitentes” de botão. Isso significa que quando você solta o botão, eles voltam à posição original (graças a um mecanismo de mola). O circuito também possui um sensor dedicado a uma chave deslizante de duas posições. Pode levar algum esforço para deslizar, mas não quebre a placa tentando fazer isso - deslize para os lados com mais firmeza do que pressiona. Este tipo de sensor é muito estável. Estável significa que, uma vez que você deslize para uma posição ou outra, você pode esperar ser capaz de se afastar e voltar muito tempo depois e esperar que ainda esteja na mesma posição, mesmo se estiver em uma superfície vibrante etc.

Onde você viu tal interruptor deslizante na manufatura, ou mesmo em sua casa?

_

Observe a saída de texto e encontre as informações do sensor. Nesse caso, o sensor pode não gerar um número, mas outra coisa.

O interruptor "deslizante" deve indicar sua posição. Que valores o sensor “slide” assume nas duas posições?

_

Outra coisa acontece em uma das duas posições do slide. O que é aquilo?

_

P. S. Como cortesia a todos os outros, deslize o botão para a posição “menos irritante” assim que terminar esta seção.

Etapa 5: Sensores de luz

Assim como o sensor de temperatura, o circuito do sensor de luz na placa “Circuit Playground” usa um circuito divisor de tensão - onde os 5 Volts que acionam o dispositivo são divididos em duas partes, pelo sensor e por um resistor de valor fixo. Em vez de um “termistor”, o sensor de luz usa um “fototransistor” que muda a resistência com base na quantidade de luz que o atinge. Você pode ver o foto-transistor “A5” bem próximo ao gráfico do olho na placa de circuito.

Se o sensor de luz estiver apontado para o teto da sala (em direção às luzes), o valor do “Sensor de luz” deve estar na casa das centenas.

Qual valor de "Sensor de luz" você observa quando o "olho" está apontado para o teto da sala?

_

E se você apontar o “olho” para o chão - que número você observa? _

E se você apontar o “olho” em ângulos diferentes entre o teto e o chão? - Descreva o que você observou, incluindo os valores dos números que você observou, e o que você fez para obter esses números. _

E se você apontar o sensor para um pedaço de pano escuro próximo (mas sem tocar) - que número você observa? _

Cobri-lo (sensor próximo ao "olho") com o dedo deve diminuir o número. É mesmo? _

Observe, seu dedo é semitransparente, então as luzes brilhantes do LED podem brilhar através de seu dedo. O que mais você poderia usar para encobrir o sensor e obter um número menor? _

Os sensores de luz podem ser um tanto meticulosos - nem sempre fornecem a leitura exata que você espera e depende muito da refletividade, transparência, ângulo de iluminação e brilho da iluminação. Os sistemas de visão de fabricação procuram superar essas limitações controlando rigidamente essas variáveis. Por exemplo, um leitor de código de barras pode usar uma faixa de laser de uma única cor com foco brilhante para minimizar o impacto da iluminação da sala. Em outro exemplo, uma correia transportadora de caixa de leite usa um sensor de luz do tipo “porta de garagem”, contando as caixas de leite contando o número de vezes que a luz pode passar entre elas.

Dê um exemplo diferente de manufatura, casa ou empresa, onde algumas dessas variáveis de luz são controladas para obter um melhor resultado do sensor de luz (além dos exemplos que já mencionei aqui):

Etapa 6: sensor de som

O sensor de som no “Circuit Playground” é, na verdade, um sofisticado Micro Electro-Mechanical System (MEMS), que pode não apenas ser usado para detectar níveis de áudio, mas também realizar análises básicas de frequência. Você pode ter visto uma tela de analisador de espectro em um estúdio de música ou app de reprodutor de música - que se parece com um gráfico de barras com as notas baixas à esquerda e as notas mais altas à direita (assim como as telas de um equalizador gráfico).

O valor exibido na leitura de texto é, na verdade, a forma de onda bruta do áudio. Teríamos que adicionar os valores ao longo do tempo para encontrar a potência total do áudio (o nível de pressão do som).

No entanto, este dispositivo MEMS pode ser usado para desencadear ações por um robô ou outro dispositivo quando sons estão presentes, ou quando uma sequência específica de sons é ouvida. Além disso, os MEMS são extremamente pequenos (é o dispositivo sob aquele pequeno orifício na caixa de metal, bem ao lado do gráfico da "orelha" na placa) e de baixo consumo de energia. Essa combinação torna os dispositivos MEMS extremamente úteis para detecção acústica, biomédica, de microfluidos, ferramentas microcirúrgicas, sensores de fluxo de gás e produtos químicos e muito mais.

Como a saída é a forma de onda de áudio (e não o nível de potência), você verá menos variação nos valores quando as coisas estão silenciosas (~ 330 é o meio para uma sala perfeitamente silenciosa) e oscilações mais amplas para ruídos altos (0 a 800 ou mais)

Registre os valores do “Sensor de som” quando apenas o ruído de fundo da sala estiver presente. Que valor você observa? De para _

Que valor você observa se falar em um tom de voz normal - cerca de 60 centímetros de distância do sensor? De para _

Você consegue uma faixa mais alta de valores ao falar ou estalar os dedos (ou bater palmas) repetidamente?

Sim ou não: _ A raiva por bater palmas / estalidos vai de _ a _

Por que você acha que é isso? _

Experimente outros tipos de ruído e registre o que você observar - mas por favor, não toque no quadro: _

P. S. MEMS trabalham em ambas as direções, e é possível usar eletricidade para mover as partes micromecânicas. Uma empresa chamada “Audio Pixels” está trabalhando para agrupar esses dispositivos para fazer um minúsculo alto-falante perfeitamente plano que pode apontar o som em qualquer direção.

Etapa 7: acelerômetros

Um acelerômetro também é um tipo de MEMS, e um desses dispositivos é fornecido na placa “Circuit Playground”. O chip LIS3DH, próximo ao centro da placa ao lado do gráfico XYZ, oferece a capacidade de medir a aceleração em qualquer direção como a soma vetorial da aceleração nas direções X, Y e Z.

Uma vez que a força da gravidade é idêntica à força sentida pela aceleração (teoria da relatividade de Einstein), mesmo quando parado aqui na terra, o dispositivo mede uma aceleração de 9,8 metros por segundo por segundo (9,8 m / s2).

Você pode girar o dispositivo para obter toda a força na direção “X”.

Tente inclinar o dispositivo para que toda a aceleração esteja na direção X (por favor, seja gentil com o cabo USB curto ao torcer coisas). Que valores você observou? X: _ Y: _ Z: _

Agora incline o dispositivo para obter quase toda a força da gravidade (aceleração) na direção Y. Que valores você observou? X: _ Y: _ Z: _

Finalmente, posicione o dispositivo de forma que a aceleração da gravidade seja dividida entre as direções X e Y e seja quase 0 na direção Z (em algum lugar entre as duas posições anteriores). Que valores você observou? X: _ Y: _ Z: _

Use o Teorema de Pitágoras para adicionar os vetores de aceleração X e Y da medição anterior. Você pode ignorar os sinais negativos, isso significa que o dispositivo está de cabeça para baixo nessa direção. Qual é a aceleração total? _ Lembre-se de que a aceleração total = √ (X2 + Y2).

TENTE A PRÓXIMA EXPERIÊNCIA SOMENTE SE VOCÊ FOR TRIDIMENSIONAL! Incline o dispositivo de forma que a aceleração da gravidade seja dividida entre as direções X, Y e Z. Que valores você observou?

X: _ Y: _ Z: _ Aceleração total = _

Como você pode ver, o acelerômetro (graças à força da gravidade) também pode ser usado para medir a inclinação - ou a posição do tabuleiro. Se você estivesse construindo um braço de robô com uma garra, onde colocaria o sensor do acelerômetro e por quê? _

Além da inclinação e da direção do centro da Terra, os acelerômetros também podem medir naturalmente a aceleração. Mova suavemente a placa para frente e para trás (por favor, seja cuidadoso com o cabo USB curto ao torcer as coisas). Que valores você observou?

Direção movida: _ X: _ Y: _ Z: _

Direção movida: _ X: _ Y: _ Z: _

Etapa 8: Pronto

Parabéns por concluir todas essas etapas e Noções básicas sobre sensores eletrônicos!

Deixe um comentário para me enviar feedback sobre coisas que você acha que deveriam ser melhoradas e também me informe se você sugeriu o uso de sensores adicionais para o Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, PhD