HackerBox 0035: Electroquímica: 11 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Este mes, HackerBox Hackers están explorando varios sensores electroquímicos y técnicas de prueba para medir las propiedades físicas de los materiales. Este Instructable contiene información para comenzar con HackerBox # 0035, que se puede comprar aquí hasta agotar existencias. Además, si desea recibir un HackerBox como este en su buzón cada mes, suscríbase en HackerBoxes.com y únase a la revolución.

Temas y objetivos de aprendizaje para HackerBox 0035:

• Configure el Arduino Nano para usarlo con el IDE de Arduino
• Cablee y codifique un módulo OLED para mostrar medidas
• Construya una demostración de alcoholímetro usando sensores de alcohol
• Compare los sensores de gas para realizar mediciones de la calidad del aire
• Determinar la calidad del agua a partir de sólidos disueltos totales (TDS)
• Pruebe la detección térmica sin contacto y sumergible en agua

HackerBoxes es el servicio de caja de suscripción mensual para electrónica de bricolaje y tecnología informática. Somos aficionados, creadores y experimentadores. Somos los soñadores de sueños. ¡HACKE EL PLANETA!

Paso 1: HackerBox 0035: Contenido de la caja

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Pantalla I2C OLED de 0,96 128x64 píxeles
• Medidor de calidad del agua TDS-3
• Módulo de temperatura sin contacto GY-906
• Sensor de contaminación de la calidad del aire MP503
• Sonda de temperatura impermeable DS18B20
• Módulo sensor de alcohol MQ-3
• Módulo de sensor de gas de peligro de aire MQ-135
• Módulo de temperatura y humedad DHT11
• Módulo láser KY-008
• Conjunto de LED, resistencias 1K y botones táctiles
• Tablero de pruebas "Crystal Clear" de 400 puntos
• Juego de cables de puente - 65 piezas
• Cable MircoUSB
• Calcomanías exclusivas de HackerBoxes

Algunas otras cosas que serán útiles:

• Soldador, soldadura y herramientas de soldadura básicas
• Computadora para ejecutar herramientas de software

Lo más importante es que necesitará sentido de la aventura, espíritu de bricolaje y curiosidad por los piratas informáticos. La electrónica de bricolaje incondicional no es una búsqueda trivial, y los HackerBoxes no están diluidos. El objetivo es el progreso, no la perfección. Cuando persiste y disfruta de la aventura, se puede obtener una gran satisfacción al aprender nuevas tecnologías y, con suerte, hacer que algunos proyectos funcionen. Le sugerimos que dé cada paso lentamente, prestando atención a los detalles y no tenga miedo de pedir ayuda.

Hay una gran cantidad de información para miembros actuales y potenciales en las preguntas frecuentes de HackerBoxes.

Paso 2: electroquímica

La electroquímica (Wikipedia) es la rama de la química física que estudia la relación entre la electricidad, como fenómeno medible y cuantitativo, y un cambio químico particular o viceversa. Las reacciones químicas involucran cargas eléctricas que se mueven entre electrodos y un electrolito (o iones en una solución). Por tanto, la electroquímica se ocupa de la interacción entre la energía eléctrica y el cambio químico.

Los dispositivos electroquímicos más comunes son las baterías de uso diario. Las baterías son dispositivos que constan de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas provistas para alimentar dispositivos eléctricos como linternas, teléfonos inteligentes y automóviles eléctricos.

Los sensores de gas electroquímicos son detectores de gas que miden la concentración de un gas objetivo oxidando o reduciendo el gas objetivo en un electrodo y midiendo la corriente resultante.

La electrólisis es una técnica que utiliza una corriente eléctrica directa (CC) para impulsar una reacción química que de otro modo no sería espontánea. La electrólisis es comercialmente importante como etapa en la separación de elementos de fuentes naturales tales como minerales utilizando una celda electrolítica.

Paso 3: Plataforma de microcontrolador Arduino Nano

Una placa de microcontrolador Arduino Nano, o similar, es una excelente opción para interactuar con sensores electroquímicos y salidas de pantalla a una computadora o pantalla de video. El módulo Arduino Nano incluido viene con pines de encabezado, pero no están soldados al módulo. Deja las clavijas fuera por ahora. Realice estas pruebas iniciales del módulo Arduino Nano ANTES de soldar los pines del cabezal del Arduino Nano. Todo lo que se necesita para los siguientes pasos es un cable microUSB y el módulo Nano tal como sale de la bolsa.

Arduino Nano es una placa Arduino miniaturizada, compatible con protoboard y de montaje en superficie con USB integrado. Es increíblemente completo y fácil de piratear.

Características:

• Microcontrolador: Atmel ATmega328P
• Voltaje: 5 V
• Pines de E / S digitales: 14 (6 PWM)
• Pines de entrada analógica: 8
• Corriente CC por pin de E / S: 40 mA
• Memoria Flash: 32 KB (2 KB para el gestor de arranque)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Velocidad de reloj: 16 MHz
• Dimensiones: 17 mm x 43 mm

Esta variante particular del Arduino Nano es el diseño Robotdyn negro. La interfaz es mediante un puerto MicroUSB integrado que es compatible con los mismos cables MicroUSB que se utilizan con muchos teléfonos móviles y tabletas.

Los Arduino Nanos cuentan con un chip de puente USB / serie integrado. En esta variante en particular, el chip puente es el CH340G. Tenga en cuenta que hay varios otros tipos de chips de puente USB / serie que se utilizan en los diversos tipos de placas Arduino. Estos chips permiten que el puerto USB de su computadora se comunique con la interfaz serial en el chip del procesador de Arduino.

El sistema operativo de una computadora requiere un controlador de dispositivo para comunicarse con el chip USB / serial. El controlador permite que el IDE se comunique con la placa Arduino. El controlador de dispositivo específico que se necesita depende tanto de la versión del sistema operativo como del tipo de chip USB / serie. Para los chips USB / serie CH340, hay controladores disponibles para muchos sistemas operativos (UNIX, Mac OS X o Windows). El fabricante de la CH340 suministra esos controladores aquí.

Cuando conecte por primera vez el Arduino Nano a un puerto USB de su computadora, la luz verde de encendido debería encenderse y poco después el LED azul debería comenzar a parpadear lentamente. Esto sucede porque el Nano está precargado con el programa BLINK, que se ejecuta en el nuevo Arduino Nano.

Paso 4: Entorno de desarrollo integrado de Arduino (IDE)

Si aún no tiene el IDE de Arduino instalado, puede descargarlo desde Arduino.cc

Si desea información introductoria adicional para trabajar en el ecosistema Arduino, le sugerimos que consulte las instrucciones del Taller de inicio de HackerBoxes.

Conecte el Nano al cable MicroUSB y el otro extremo del cable a un puerto USB en la computadora, inicie el software Arduino IDE, seleccione el puerto USB apropiado en el IDE en herramientas> puerto (probablemente un nombre con "wchusb" en él). También seleccione "Arduino Nano" en el IDE en herramientas> tablero.

Finalmente, cargue un fragmento de código de ejemplo:

Archivo-> Ejemplos-> Conceptos básicos-> Parpadeo

Este es en realidad el código que se precargó en el Nano y debería estar ejecutándose ahora mismo para hacer parpadear lentamente el LED azul. En consecuencia, si cargamos este código de ejemplo, nada cambiará. En cambio, modifiquemos un poco el código.

Mirando de cerca, puede ver que el programa enciende el LED, espera 1000 milisegundos (un segundo), apaga el LED, espera otro segundo y luego lo hace todo de nuevo, para siempre.

Modifique el código cambiando las dos declaraciones "delay (1000)" por "delay (100)". Esta modificación hará que el LED parpadee diez veces más rápido, ¿verdad?

Carguemos el código modificado en el Nano haciendo clic en el botón SUBIR (el icono de flecha) justo encima de su código modificado. Mire a continuación el código para ver la información de estado: "compilando" y luego "cargando". Finalmente, el IDE debería indicar "Carga completa" y su LED debería parpadear más rápido.

Si es así, ¡enhorabuena! Acaba de piratear su primer código incrustado.

Una vez que su versión de parpadeo rápido esté cargada y ejecutándose, ¿por qué no ver si puede cambiar el código nuevamente para que el LED parpadee rápidamente dos veces y luego espere un par de segundos antes de repetir? ¡Darle una oportunidad! ¿Qué tal algunos otros patrones? Una vez que logre visualizar un resultado deseado, codificarlo y observar que funciona según lo planeado, habrá dado un paso enorme para convertirse en un hacker de hardware competente.

Paso 5: Pines de encabezado y OLED en una placa de pruebas sin soldadura

Ahora que su computadora de desarrollo ha sido configurada para cargar código en el Arduino Nano y el Nano ha sido probado, desconecte el cable USB del Nano y prepárese para soldar los pines del cabezal. Si es tu primera noche en el club de lucha, ¡tienes que soldar! Hay muchas guías y videos geniales en línea sobre soldadura (por ejemplo). Si cree que necesita ayuda adicional, intente encontrar un grupo de creadores locales o un espacio de piratas informáticos en su área. Además, los clubes de radioaficionados son siempre excelentes fuentes de experiencia en electrónica.

Suelde los dos encabezados de una sola fila (quince pines cada uno) al módulo Arduino Nano. El conector ICSP (programación en serie en circuito) de seis pines no se utilizará en este proyecto, así que deje esos pines apagados. Una vez que se completa la soldadura, verifique cuidadosamente si hay puentes de soldadura y / o juntas de soldadura en frío. Finalmente, vuelva a conectar el Arduino Nano al cable USB y verifique que todo funcione correctamente.

Para conectar el OLED al Nano, inserte ambos en una placa de pruebas sin soldadura como se muestra y conecte entre ellos de acuerdo con esta tabla:

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

Para controlar la pantalla OLED, instale el controlador de pantalla OLED SSD1306 que se encuentra aquí en el IDE de Arduino.

Pruebe la pantalla OLED cargando el ejemplo ssd1306 / snowflakes y programándolo en el Nano.

Otros ejemplos de la biblioteca SDD1306 son útiles para explorar el uso de la pantalla OLED.

Paso 6: Demostración del alcoholímetro y del alcoholímetro MQ-3

El sensor de gas de alcohol MQ-3 (hoja de datos) es un sensor semiconductor de bajo costo que puede detectar la presencia de gases de alcohol en concentraciones de 0.05 mg / L a 10 mg / L. El material de detección utilizado en el MQ-3 es SnO2, que exhibe una conductividad creciente cuando se expone a concentraciones crecientes de gases alcohólicos. El MQ-3 es muy sensible al alcohol con muy poca sensibilidad cruzada al humo, vapor o gasolina.

Este módulo MQ-3 proporciona una salida analógica sin procesar relativa a la concentración de alcohol. El módulo también cuenta con un comparador LM393 (hoja de datos) para establecer el umbral de una salida digital.

El módulo MQ-3 se puede conectar al Nano de acuerdo con esta tabla:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… No utilizado

Código de demostración del video.

ADVERTENCIA: Este proyecto es simplemente una demostración educativa. No es un instrumento médico. No está calibrado. No está destinado, de ninguna manera, a determinar los niveles de alcohol en sangre para evaluar los límites legales o de seguridad. No seas estupido. No beba y conduzca. ¡Llega vivo!

Paso 7: detección de cetonas

Las cetonas son compuestos simples que contienen un grupo carbonilo (un doble enlace carbono-oxígeno). Muchas cetonas son importantes tanto en la industria como en la biología. El solvente común acetona es la cetona más pequeña.

Hoy en día, muchos están familiarizados con la dieta cetogénica. Es una dieta basada en el consumo alto en grasas, proteínas adecuadas y pocos carbohidratos. Esto obliga al cuerpo a quemar grasas en lugar de carbohidratos. Normalmente, los carbohidratos contenidos en los alimentos se convierten en glucosa, que luego se transporta por el cuerpo y es particularmente importante para alimentar la función cerebral. Sin embargo, si hay pocos carbohidratos en la dieta, el hígado convierte la grasa en ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos pasan al cerebro y reemplazan a la glucosa como fuente de energía. Un nivel elevado de cuerpos cetónicos en la sangre da como resultado un estado conocido como cetosis.

Ejemplo de proyecto de detección de cetonas

Otro ejemplo de proyecto de detección de cetonas

Comparación de los sensores de gas MQ-3 y TGS822

Paso 8: Detección de la calidad del aire

La contaminación del aire se produce cuando se introducen en la atmósfera cantidades nocivas o excesivas de sustancias, incluidos gases, partículas y moléculas biológicas. La contaminación puede causar enfermedades, alergias e incluso la muerte de los seres humanos. También puede causar daño a otros organismos vivos como animales, cultivos alimentarios y el medio ambiente en general. Tanto la actividad humana como los procesos naturales pueden generar contaminación atmosférica. La contaminación del aire en interiores y la mala calidad del aire urbano se enumeran como dos de los peores problemas de contaminación tóxica del mundo.

Podemos comparar el funcionamiento de dos sensores diferentes de calidad del aire (o de peligros del aire). Estos son el MQ-135 (hoja de datos) y el MP503 (hoja de datos).

El MQ-135 es sensible al metano, óxidos de nitrógeno, alcoholes, benceno, humo, CO2 y otras moléculas. Su interfaz es idéntica a la interfaz MQ-3.

El MP503 es sensible al gas formaldehído, benceno, monóxido de carbono, hidrógeno, alcohol, amoníaco, humo de cigarrillo, muchos olores y otras moléculas. Su interfaz es bastante simple, proporcionando dos salidas digitales para designar cuatro niveles de concentraciones de contaminantes. El conector predeterminado del MP503 tiene un cabezal macho recubierto de plástico, que se puede quitar y reemplazar por un cabezal estándar de 4 pines (incluido en la bolsa) para usar con placas de prueba sin soldadura, puentes DuPont o conectores comunes similares.

Paso 9: Detección de la calidad del agua

Comprobador de calidad del agua TDS-3

Los sólidos disueltos totales (TDS) son la cantidad total de iones cargados móviles, incluidos minerales, sales o metales disueltos en un volumen determinado de agua. El TDS, que se basa en la conductividad, se expresa en partes por millón (ppm) o miligramos por litro (mg / L). Los sólidos disueltos incluyen cualquier elemento inorgánico conductor presente que no sean las moléculas de agua pura (H2O) y los sólidos suspendidos. El nivel máximo de contaminantes de la EPA de TDS para consumo humano es de 500 ppm.

Realización de mediciones de TDS

1. Retire la tapa protectora.
2. Encienda el medidor de TDS. El interruptor de ENCENDIDO / APAGADO se encuentra en el panel.
3. Sumerja el medidor en el agua / solución hasta el máximo. nivel de inmersión (2”).
4. Revuelva ligeramente el medidor para eliminar las burbujas de aire.
5. Espere hasta que la pantalla se estabilice. Una vez que la lectura se estabilice (aproximadamente 10 segundos), presione el botón HOLD para ver la lectura fuera del agua.
6. Si el medidor muestra un símbolo 'x10' intermitente, multiplique la lectura por 10.
7. Después del uso, sacuda el exceso de agua de su medidor. Reemplace la tapa.

Fuente: Hoja de instrucciones completa

Experimente: construya su propio medidor TDS simple (proyecto con video aquí) que pueda calibrarse y probarse con el TDS-3.

Paso 10: detección térmica

Módulo de sensor de temperatura sin contacto GY-906

El módulo de detección térmica GY-906 está equipado con un MLX90614 (detalles). Este es un termómetro infrarrojo de zona única fácil de usar, pero muy potente, capaz de detectar temperaturas de objetos entre -70 y 380 ° C. Utiliza una interfaz I2C para comunicarse, lo que significa que solo necesita dedicar dos cables de su microcontrolador para interactuar con él.

Proyecto de demostración de termodetección.

Otro proyecto de termodetección.

Sensor de temperatura a prueba de agua DS18B20

El sensor de temperatura de un cable DS18B20 (detalles) puede medir la temperatura de -55 ℃ a 125 ℃ con una precisión de ± 5.

Paso 11: HACKEAR EL PLANETA

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