Sensor de alfombrilla sensible a la presión: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

En este Instructable, compartiré un diseño para un sensor de alfombrilla de piso sensible a la presión que es capaz de detectar cuándo se para sobre él. Si bien no puede pesarlo exactamente, puede determinar si se para sobre él con todo su peso o si simplemente hace contacto con él.

El tapete mide a las personas que usan Velostat, un material que cambia su resistencia eléctrica en función de la cantidad de presión que se le aplica. Hice toda la alfombra por menos de 20 € (sin incluir la alfombra).

Paso 1: lo que necesitará

Esto es lo que necesitará para hacer el sensor:

• Velostat: Para cubrir suficiente área debajo de la alfombra, utilicé 2 cuadrados de 28 cm (11 ") comprados en un revendedor de Adafruit.
• Cinta de cobre: utilicé 5 mm de ancho y alrededor de 6-7 m de cinta.
• Una cinta aislante fina: utilicé cinta kapton de 25 mm de ancho.
• Cableado para enganchar la alfombra a algo.
• Un soldador con estaño.
• Un multímetro para realizar pruebas.

Para utilizar esta alfombra con un microcontrolador, necesitará:

• Una resistencia de 47 ohmios (o un valor igualmente pequeño).
• (opcional, un mosfet de canal N con resistencia de 10k y resistencia de 220ohm).

Paso 2: (Cómo no aplicar cinta de cobre a Velostat)

Comenzaré diciendo cómo NO aplicar cinta de cobre a Velostat.

Comencé asumiendo que el "pegamento conductor" de la cinta era conductor. Esto parecía una suposición justa, pero mi cinta no es de este tipo de "pegamento conductor", o la parte "conductora" es apenas conductora.

Comencé pegando los 2 cuadrados de Velostat juntos en ambos lados con cinta kapton. Luego corté tiras de cinta de cobre de 25 cm de largo y las apliqué en intervalos uniformes. La cinta de cobre de cada lado está exactamente en la misma ubicación, de modo que solo hay una capa delgada de Velostat entre el cobre. En las imágenes, una vista esquemática del tapete con un recorte para una descripción general.

Se utiliza una tira larga de cinta de cobre (alrededor de 50 cm) para conectar todas las filas a ambos lados.

Se soldó un cable a cada lado y se midió la resistencia.

Cuando intenté probarlo, los valores del multímetro oscilaban enormemente entre 10k y 100ohm. Además, estar de pie sobre el tapete o no hizo muy poca diferencia para la medición. Algo estaba horriblemente mal. Una medición rápida de la cinta mostró que el pegamento no era realmente tan conductor. El sándwich de materiales era cobre, pegamento, Velostat, pegamento, cobre y el pegamento era una especie de aislante.

La moraleja de la historia, haz pruebas a pequeña escala si no estás seguro de si funcionará.

Paso 3: Prueba a pequeña escala

De vuelta a la mesa de dibujo. El lado del pegamento de la cinta de cobre claramente no conduce lo suficiente. Sin embargo, la parte frontal es de cobre puro. ¿Qué pasa si invierto la cinta de modo que el lado de cobre mire hacia el Velostat?

Un solo rastro se invirtió en ambos lados. Tomé la cinta que tenía el pegamento hacia abajo y la pegué a un trozo de cinta Kapton. Reutilizar la cinta de cobre es delicado, pero este material es un poco demasiado caro para tirarlo. Este trozo de cinta de kapton con el cobre de espaldas al lado adhesivo estaba pegado en el Velostat.

Se realizó una nueva medición. Esto instantáneamente dio un resultado estable. Pero una cosa. Un solo rastro parecía ser de 24 ohmios cuando estaba alto y 200 cuando estaba bajo. Esto fue mientras presionaba solo una pequeña cantidad con mi mano. Si tengo 12 rastros y me paro completamente sobre él, el tapete podría caer por debajo de 1 ohmio, generando demasiada corriente.

Revisé el diseño para que solo pequeñas partes de la cinta entren en contacto con el Velostat. De esta manera esperaba conseguir la resistencia a una cantidad manejable.

Paso 4: aplicación de cinta de cobre a Velostat

Armado con el conocimiento sobre cómo hacer que esto funcione, me dispuse a reparar la alfombrilla del sensor. En las fotos, verá que el tapete antiguo se está modificando al tapete nuevo.

Lo primero que hice fue agregar pequeños trozos de cinta como aislante. La cinta está en ambos lados. Los espacios entre la cinta deben ser algo constantes y alrededor de 1-3 cm de ancho, dependiendo de la resistencia que desee. El espacio debe estar en el mismo lugar en ambos lados.

Obtenga una tira de cinta de cobre y una tira de cinta kapton lo suficientemente larga como para abarcar el Velostat. La cinta de cobre debe ser 1-2 cm más larga que la cinta kapton. Pegue la cinta de cobre en el lado adhesivo de la cinta de kapton, con un lado de la cinta de cobre pasando la cinta de kapton.

Pegue el conjunto al Velostat, sobre los aislantes. Asegúrese de que el cobre esté en el mismo lugar en ambos lados. También asegúrese de que el exceso de cobre esté siempre del mismo lado. Doble el exceso de cobre para que tenga un lugar para montar la tira de conexión de cobre. Un consejo es colocar el exceso de cobre sobre una parte aislada del tapete para que sea más fácil soldarlo más tarde.

Repita este paso para todas las filas.

Agregue una fila superior de cinta de cobre que conecte todas las tiras de cobre montadas anteriormente. Es aconsejable aislar esta fila del Velostat para evitar cortocircuitos o fugas no deseados. La fila superior se conecta a las pestañas dobladas que quedaron en los pasos anteriores.

Suelde con cuidado todas las tiras cortas a la tira superior. Esta soldadura es necesaria porque, de lo contrario, la tira superior no entrará en contacto con las filas de cobre. Tenga cuidado de no agregar demasiado calor al cobre. El cobre está montado sobre plástico (Velostat) y sería malo que se derritiera a través del plástico.

Suelde los cables a las filas superiores en ambos lados. En cualquier lugar está bien, escogí una esquina.

Pruebe el tapete para asegurarse de que funcione. Conecte un multímetro al tapete y vea si la resistencia cae si presiona alguna de las partes no aisladas. También compruebe si la resistencia es algo estable si no hace nada. Si este es el caso, enhorabuena, el tapete ahora funciona.

Como paso final, aplique cinta kapton a todo el cobre expuesto. Si bien probablemente no causará cortocircuitos, es una mala forma dejar el cobre expuesto.

(En las imágenes esquemáticas, no se muestra la fila superior de cobre. La imagen solo sirve para mostrar la configuración de kapton y cobre para que este tapete funcione).

Paso 5: prueba del tapete

El nuevo tapete se conectó a un multímetro para probarlo nuevamente. Esta vez, sin carga aplicada, la resistencia de la alfombra es estable de 17-20 ohmios.

Cuando me paro completamente sobre la alfombra, la resistencia cae a 4-6 ohmios. Un pie en la alfombra da alrededor de 10 ohmios.

Esto es un poco más bajo de lo que estoy contento, pero sigue siendo un valor viable. Hay una gran diferencia entre una persona sin carga y una persona de pie sobre el tapete. Una observación hecha es que la presión no define realmente la resistencia. La superficie lo hace. Si me paro sobre más de la colchoneta con menos peso, la resistencia se vuelve menor que si me paro con todo mi peso en un solo lugar. Para lo que necesito este sensor, esto es genial, pero téngalo en cuenta si construye uno.

Paso 6: Cableado

Dado que el tapete es solo una gran resistencia variable, tomar medidas desde el tapete es bastante simple.

La forma más sencilla es utilizar un divisor de voltaje. Agregue una resistencia antes del tapete del sensor de presión (llamado R_mat en los esquemas) y mida el punto entre el resistor y el tapete (llamado MatA1). Usé 47 ohmios, pero tu tapete podría necesitar algo más. Mi nivel lógico es 3.3V, puede usar cualquiera que sea su nivel de potencia lógica.

Agregué un circuito opcional de encendido y apagado a mi tapete. No quería el consumo constante de 50 mA en mi tapete. Simplemente no sé cómo a Velostat le gusta una corriente constante a través de él, y espero que sea malo para la longevidad del tapete. El circuito consta de un mosfet de canal N con las resistencias necesarias. Siempre que quiero leer, enciendo el mosfet. El resto del tiempo, el mosfet está apagado y el tapete no tiene energía que lo atraviese.

Paso 7: cómo usarlo

Usar el tapete con un Arduino (o cualquier otro microcontrolador) es simple. Si solo tiene el divisor de voltaje, simplemente conecte su tapete a un pin analógico, configure el pin al que conecta el tapete como entrada y use un comando de lectura analógica. El valor que obtenga de esto disminuirá dependiendo de cuánto peso se aplique al tapete.

Si tiene el mosfet instalado, recuerde hacer que la entrada del mosfet sea alta antes de realizar una medición. De lo contrario, simplemente medirá el voltaje que usó para el tapete (3.3V en mi caso).

El valor que obtiene del tapete no cambia mucho con el tiempo. Simplemente uso un valor de umbral para determinar si hay algo sobre el tapete, y después de un mes de uso continuo, el tapete aún funciona bien.

Paso 8: Qué haría diferente la próxima vez

Una cosa importante relacionada con el proyecto es que primero probaría correctamente una versión a pequeña escala del tapete. De hecho, hice una pequeña pieza de cobre en el Velostat, vi números en el multímetro y asumí que todo estaba funcionando. Fue un error.

Un punto relacionado con el tapete es que usaría parches más pequeños de cobre. Actualmente tengo 48 parches de 2-3cm de cobre. Esto le da una resistencia de 20 ohmios cuando está inactivo y alrededor de 5 ohmios cuando me paro sobre él. Si bien este es un número viable, sería más fácil si fuera un poco más bajo. 1 cm de cobre expuesto sería más que suficiente para esta alfombra. Ya no voy a hacer esto en el mío, pero quizás cualquier otra persona que quiera hacer esto pueda beneficiarse de esto.

Paso 9: cómo lo uso

¿Por qué específicamente hice esta alfombra sensible a la presión? Hice un elegante reloj despertador ESP32. Está conectado a mi sistema Domoticz, puede devolver valores de sensor como CO2 y temperatura, y puede controlar mi iluminación. También dice la hora y tiene una alarma.

Aquí es donde entra la alfombrilla del sensor. No tengo ningún problema real para despertarme. Me despierto con la luz del despertador y, por lo general, estoy despierto cuando necesito salir. Sin embargo, tengo problemas para levantarme de la cama. La colchoneta me obliga a levantarme de la cama. La alarma solo se apaga cuando me paro sobre la alfombra (o desconecto el reloj de alarma). Esto me obliga a levantarme de la cama, y una vez que me levanto, rara vez vuelvo a meterme. Si bien es una solución un poco exagerada para un problema que tiene muchas otras soluciones, estoy contento con él. Hasta ahora, me he levantado de la cama a tiempo todas las mañanas durante aproximadamente un mes. Antes solía quedarme en la cama hasta una hora.

20 minutos antes de que suene la alarma, el tapete se activa. El tapete se enciende, toma una lectura de voltaje y el tapete se apaga nuevamente. Esto sucede cada segundo. Cuando me paro en el tapete, ya sea antes o durante la alarma, la apaga.