Comprensión de los sensores electrónicos: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Con la intención de explicar el funcionamiento de sensores industriales y domésticos comunes, este "Instructable" le enseña cómo utilizar sensores disponibles comercialmente en una implementación del mundo real mediante ejercicios y experimentos prácticos.

Esta lección cubrirá brevemente los circuitos que pueden detectar lo siguiente:

• Cambios de temperatura
• Ser tocado (contacto capacitivo con la piel)
• Ser tocado (interruptores y botones)
• Cambios en la luz
• Cambios en el sonido
• Cambios en la aceleración (movimiento y gravedad)

También se cubre el hardware y el software necesarios, dónde comprar / descargar los elementos, cómo configurar los circuitos para la salida numérica, cómo leer la salida numérica y los antecedentes de cómo funciona cada sensor.

¡Empecemos!

Paso 1: Probado exhaustivamente: compra y descarga del entorno

Verá a lo largo del Instructable que los detalles de esta lección fueron probados minuciosamente por adolescentes que visitaron una universidad local como parte de su interés en la mecatrónica (robótica y fabricación)

Las cookies Oreo son útiles, pero no obligatorias

La gente de Adafruit fabricó la placa que usaremos hoy, llamada "Circuit Playground - Classic" y han probado minuciosamente una gran cantidad de formas de usar el dispositivo. Puede ver algunos de estos en su página "Aprender" aquí, que realiza un seguimiento aproximado de este experimento de laboratorio Instructable y sus subpasos, cortesía de esta página "Aprender" de Adafruit, https://learn.adafruit.com/circuit-playground -y-bluetooth-de baja energía

Las partes que necesita son simples, económicas y fáciles de usar para experimentadores de una amplia gama de grupos de edad, incluso desde la escuela secundaria (¿12 años, tal vez?)

1. Primero, compre uno o más de los dispositivos aquí: https://www.adafruit.com/product/3000 y también un adaptador USB a USB Micro-B para conectarlo a su PC aquí https://www.adafruit.com/ producto / 898. El costo total es de menos de $ 40 con envío, pero puede resultarle más económico.
2. Una vez que compre y reciba su Circuit Playground y el cable USB económicos, deberá conectarlo a una computadora personal (PC) que tenga un entorno de desarrollo integrado (IDE) para dispositivos de tipo Arduino.
3. En este ejemplo estamos usando el IDE arduino-1.8.4-windows, pero otros también funcionarán. Asegúrese de instalar todos los controladores (en este caso, adafruit_drivers_2.0.0.0
4. Una vez que haya instalado el IDE, puede abrir el IDE llamado "Arduino"
5. En Archivo -> Preferencias, inserte la siguiente "URL adicional del administrador del tablero" https://adafruit.github.io/arduino-board-index/pac…, luego diga OK y luego cierre y vuelva a abrir el IDE
6. Ahora conecte el dispositivo Circuit Playground con el Micro USB. Vea que se enciende y ejecuta el programa predeterminado "Circuit Playground Firmata" mostrando una secuencia de luces de arco iris. Puede probar que el interruptor cerca del conector de alimentación de la batería invierte el orden y uno de los botones reproduce una nota para cada color.
7. Deberá obtener la biblioteca de Circuit Playground y luego descomprimir la biblioteca de Circuit PLayground en Documentos -> Arduino -> carpeta de bibliotecas "Adafruit_CircuitPlayground-master". Una vez descomprimido, elimine el sufijo "-master" del nombre de la carpeta. Detenga y reinicie el IDE, y cargue el Tipo de placa de circuito de juegos en Herramientas -> Placas -> Administrador de placa y luego busque el tipo "Contribuido" y las palabras clave "Adafruit AVR". Esto le permitirá instalar "Adafruit AVR Boards" (última versión), después de lo cual debe detener y reiniciar el IDE.
8. Ahora está listo para probar el Circuit Playground con un programa de demostración. Conéctese al Circuit Playground conectado a través de USB. Vaya a Herramientas -> Tableros y asegúrese de seleccionar Circuit Playground. Vaya a Herramientas -> Puertos y asegúrese de seleccionar el puerto COM apropiado (el que está conectado al USB Blaster). Descargue un programa de demostración de la siguiente manera: Seleccione: Archivos -> Ejemplos -> Adafruit Circuit PLayground -> demostración y luego compile y cargue (puede usar el botón de "flecha hacia la derecha" para hacer todo)
9. Pruebe el programa de demostración siguiendo estos pasos: Vea que el Circuit Playground está parpadeando en la secuencia del arco iris. Gire el control deslizante y compruebe que hace que se reproduzcan las notas (apáguelo, de lo contrario, seguramente molestará a todos los que lo rodean). Vea que el LED rojo de descarga parpadea la frecuencia de sincronización.
10. Ahora puede comunicarse con Circuit Playground a través de la interfaz de texto. Haga clic en el botón "Monitor en serie" en el IDE. Parece una especie de lupa en la parte superior derecha de la ventana del programa de demostración. Es posible que desee desactivar el desplazamiento automático para ver mejor.

¡Estás listo para experimentar y conectarte a todos los diferentes sensores!

Paso 2: Detección de temperatura

Eche un vistazo al valor de "temperatura" en la salida de texto del monitor en serie. Tendrá un valor de temperatura ambiente en algún lugar de los 30. Medí 39,43 grados centígrados.

El termistor que se usa para medir la temperatura se muestra en la foto. Es el sensor A0 y tiene un gráfico de un termómetro al lado.

Coloque suavemente el pulgar sobre el sensor de temperatura y registre cuántos segundos se necesitan para alcanzar la temperatura máxima. Tome nota de esto, así como de lo siguiente:

Para alcanzar la temperatura máxima de los dedos, tomó _ segundos.

¿Cuál es la temperatura más alta que alcanzó finalmente? _ C

¿Cuál es este valor en Fahrenheit? _ F. SUGERENCIA: F = (C * 1.8) + 32

¿Es esto más cálido o más frío que la temperatura corporal normal? _

¿Usar este termómetro con el pulgar de alguien sería un buen indicador de fiebre para saber si está enfermo?

¿Por qué? _

Un termistor es un tipo especial de resistencia que cambia la resistencia según la temperatura. Una de las imágenes de este paso muestra un diagrama de circuito de termistor típico. ·

En el circuito que se muestra, ¿cuál sería la lectura del voltímetro? _ SUGERENCIA: Utilice la regla del divisor de voltaje Vout = (5V * R1 Ohms) / (R1 Ohms + Thermistor Ohms)

Si el termistor tiene una clasificación de “1.5% de cambio de resistencia por grado C”, ¿cuál será la resistencia del termistor si la temperatura sube a 30 grados C? _ SUGERENCIA: dado que es un cambio de 5 grados, y cada grado cambia la resistencia en un 1.5%, obtenemos Termistor Ohms = (5 * 0.015) + 10, 000 Ohms

A 32 grados C, ¿cuál sería la lectura en el voltímetro? _ SUGERENCIA: Ahora el cambio es de 7 grados.

¿Dónde se pueden utilizar los sensores de temperatura en los tipos de fabricación?

Paso 3: Sensor táctil capacitivo

La foto muestra cuál de los conectores (o "almohadillas") también se puede utilizar para detectar el tacto. Se denominan sensores táctiles capacitivos porque utilizan el cuerpo humano como un componente electrónico llamado condensador.

Por seguridad, queremos que la corriente eléctrica sea muy baja. Por esta razón, todas las conexiones externas a las almohadillas pasan a través de una resistencia de 1 megaohmio a un área común (pin # 30 del chip) por lo que la resistencia total entre dos almohadillas es de 2 megaohmios.

• Si el voltaje máximo entre dos almohadillas es de 5 voltios y la resistencia es de 2 megaohmios, ¿cuál sería la corriente que pasa entre dos almohadillas si están en cortocircuito? _ (NO los cortocircuite)
• "Capsense" son los números que se muestran en la interfaz de texto. ¿En qué caso los números son mayores, cuando se tocan los sensores o cuando no se tocan? _
• Registre algunos ejemplos de números cuando NO se toquen los sensores: _
• Registre algunos ejemplos de números cuando se toquen los sensores: _
• ¿Qué diferencia observa cuando se tocan varios sensores simultáneamente? _
• ¿Qué sucede si sostienes algo metálico y tocas el sensor con eso? _
• ¿Qué sucede si sostienes algo no metálico y tocas el sensor con eso? _
• Debido a que los sensores táctiles capacitivos no tienen partes móviles, son muy resistentes a las vibraciones. Además, pueden cubrirse con una capa protectora impermeable. ¿Por qué podrían ser útiles estos dos aspectos en un entorno de fabricación? _

Paso 4: botones tradicionales e interruptores deslizantes

Los pulsadores e interruptores parecen tan simples y “cotidianos” que los damos por sentado cuando se trata de su uso como sensores. El teclado es un gran ejemplo. Cuando queremos escribir rápidamente, tener pocas pulsaciones de teclas “falsas” y tener una larga vida útil de muchos años de uso, los interruptores mecánicos (uno debajo de cada tecla del teclado) son el camino a seguir.

El circuito que estamos usando hoy tiene tres interruptores "intermitentes" de botón. Eso significa que al soltar el botón, vuelven a su posición original (gracias a un mecanismo de resorte). El circuito también tiene un sensor dedicado a un interruptor deslizante de dos posiciones. Puede ser necesario un poco de esfuerzo para deslizarlo, pero no rompa el tablero tratando de hacerlo; deslícelo hacia los lados con más firmeza de lo que presiona hacia abajo. Este tipo de sensor es muy estable. Estable significa que una vez que lo desliza a una posición u otra, puede esperar poder alejarse y regresar mucho tiempo después y esperar que todavía esté en la misma posición, incluso si está en una superficie vibrante. etc.

¿Dónde ha visto un interruptor deslizante de este tipo en la fabricación, o incluso en su casa?

_

Mire la salida de texto y busque la información del sensor. En este caso, es posible que el sensor no genere un número, sino algo más.

El interruptor "deslizante" debe indicar su posición. ¿Qué valores toma el sensor de “deslizamiento” en las dos posiciones?

_

Algo más sucede en una de las dos posiciones de deslizamiento. ¿Que es eso?

_

PD Como cortesía para todos los demás, deslice el interruptor a la posición "menos molesto" tan pronto como haya terminado con esta sección.

Paso 5: Sensores de luz

Al igual que el sensor de temperatura, el circuito del sensor de luz en la placa "Circuit Playground" utiliza un circuito divisor de voltaje, donde los 5 voltios que impulsan el dispositivo se cortan en dos partes, por el sensor y por una resistencia de valor fijo. En lugar de un "termistor", el sensor de luz utiliza un "fototransistor" que cambia la resistencia según la cantidad de luz que lo golpea. Puede ver el fototransistor “A5” junto al gráfico del ojo en la placa de circuito.

Si el sensor de luz apunta hacia el techo de la habitación (hacia las luces), el valor de “Sensor de luz” debe estar en cientos.

¿Qué valor de "Sensor de luz" observa cuando el "ojo" apunta hacia el techo de la habitación?

_

¿Qué pasa si apunta el "ojo" hacia el suelo? ¿Qué número observa? _

¿Qué pasa si apuntas el "ojo" en diferentes ángulos entre el techo y el piso? - Describe lo que observaste, incluidos los valores de los números que observaste, y lo que hiciste para obtener esos números. _

¿Qué pasa si apuntas el sensor a un trozo de tela oscura que esté cerca (pero que no se toque)? ¿Qué número observas? _

Cubrirlo (sensor cerca del "ojo") con el dedo debería reducir el número. ¿Lo hace? _

Tenga en cuenta que su dedo es semitransparente, por lo que las luces brillantes del LED brillante pueden iluminarlo a través de su dedo. ¿Qué más podría usar para tapar el sensor y obtener un número más bajo? _

Los sensores de luz pueden ser algo delicados, no siempre brindan la lectura exacta que usted esperaría y dependen en gran medida de la reflectividad, la transparencia, el ángulo de iluminación y el brillo de la iluminación. Los sistemas de visión de fabricación buscan superar estas limitaciones controlando estrictamente estas variables. Por ejemplo, un escáner de código de barras puede usar una franja láser de un solo color enfocada brillante para minimizar el impacto de la iluminación de la habitación. En otro ejemplo, una cinta transportadora de cartones de leche utiliza un sensor de luz estilo "puerta de garaje", contando los cartones de leche contando el número de veces que se permite que la luz pase entre ellos.

Dé un ejemplo diferente de fabricación, hogar o negocio donde algunas de estas variables de luz se controlan para obtener un mejor resultado del sensor de luz (además de los ejemplos que ya mencioné aquí):

Paso 6: Sensor de sonido

El sensor de sonido del "Circuit Playground" es en realidad un sistema microelectromecánico (MEMS) bastante sofisticado que no solo se puede utilizar para detectar niveles de audio, sino que también puede realizar análisis de frecuencia básicos. Es posible que haya visto una pantalla de analizador de espectro en un estudio de música o una aplicación de reproductor de música, que se parece a un gráfico de barras con las notas bajas a la izquierda y las notas más altas a la derecha (como las pantallas de un ecualizador gráfico).

El valor que se muestra en la lectura de texto es, de hecho, la forma de onda de audio sin procesar. Tendríamos que sumar los valores a lo largo del tiempo para encontrar la potencia total del audio (el nivel de presión sonora).

Sin embargo, este dispositivo MEMS se puede utilizar para activar acciones de un robot u otro dispositivo cuando hay sonidos presentes o cuando se escucha una secuencia específica de sonidos. Además, los MEMS son extremadamente pequeños (es el dispositivo que se encuentra debajo de ese pequeño orificio en la caja de metal, justo al lado del gráfico de la "oreja" en la placa) y de baja potencia. Esta combinación hace que los dispositivos MEMS sean extremadamente útiles para detección acústica, biomédica, de micro-fluidos, herramientas microquirúrgicas, sensores de flujo químico y de gas, y más.

Debido a que la salida es la forma de onda de audio (y no el nivel de potencia), verá menos rango en los valores cuando las cosas estén tranquilas (~ 330 es el medio para una habitación perfectamente silenciosa) y oscilaciones más amplias para ruidos fuertes (0 a 800 aproximadamente).

Registre los valores del “Sensor de sonido” cuando solo esté presente el ruido de fondo de la habitación. ¿Qué valor observas? De _ a _

¿Qué valor observa si habla con un tono de voz normal, a unos 60 centímetros del sensor? De _ a _

¿Obtiene un rango más alto de valores hablando o chasqueando los dedos (o aplaudiendo) repetidamente?

Sí o no: _ La rabia por aplaudir / chasquear va de _ a _

¿Por qué crees que es? _

Pruebe con otros tipos de ruido y registre lo que observe, pero no toque la pizarra: _

PD Los MEMS funcionan en ambas direcciones y es posible usar electricidad para mover las micro partes mecánicas. Una empresa llamada "Audio Pixels" está trabajando para agrupar estos dispositivos para crear un altavoz diminuto perfectamente plano que pueda apuntar el sonido en cualquier dirección.

Paso 7: Acelerómetros

Un acelerómetro también es un tipo de MEMS, y uno de estos dispositivos se proporciona en la placa "Circuit Playground". El chip LIS3DH, cerca del centro del tablero junto al gráfico XYZ, brinda la capacidad de medir la aceleración en cualquier dirección como la suma vectorial de la aceleración en las direcciones X, Y y Z.

Dado que la fuerza de la gravedad es idéntica a la fuerza que se siente al acelerar (teoría de la relatividad de Einstein), incluso estando parado aquí en la Tierra, el dispositivo mide una aceleración de 9,8 metros por segundo por segundo (9,8 m / s2).

Puede girar el dispositivo para obtener toda la fuerza en la dirección "X".

Intente inclinar el dispositivo para que toda la aceleración esté en la dirección X (tenga cuidado con el cable USB corto cuando gire las cosas). ¿Qué valores observaste? X: _ Y: _ Z: _

Ahora incline el dispositivo para obtener casi toda la fuerza de gravedad (aceleración) en la dirección Y. ¿Qué valores observaste? X: _ Y: _ Z: _

Finalmente, coloque el dispositivo de modo que la aceleración de la gravedad se divida entre las direcciones X e Y, y sea casi 0 en la dirección Z (en algún lugar entre las dos posiciones anteriores). ¿Qué valores observaste? X: _ Y: _ Z: _

Utilice el Teorema de Pitágoras para sumar los vectores de aceleración X e Y de la medición anterior. Puede ignorar los signos negativos, significa que el dispositivo está al revés en esa dirección. ¿Cuál es la aceleración total? _ Recuerde que la aceleración total = √ (X2 + Y2).

¡INTENTE EL SIGUIENTE EXPERIMENTO SÓLO SI ES TRIDIMENSIONAL! Incline el dispositivo para que la aceleración de la gravedad se divida entre las direcciones X, Y y Z. ¿Qué valores observaste?

X: _ Y: _ Z: _ Aceleración total = _

Como puede ver, el acelerómetro (gracias a la fuerza de la gravedad) también se puede usar para medir la inclinación o la posición de la tabla. Si estuviera construyendo un brazo robótico con una pinza, ¿dónde colocaría el sensor del acelerómetro y por qué? _

Además de la inclinación y la dirección del centro de la tierra, los acelerómetros naturalmente también pueden medir la aceleración. Mueva suavemente la placa hacia adelante y hacia atrás (tenga cuidado con el cable USB corto cuando gire cosas). ¿Qué valores observaste?

Dirección de movimiento: _ X: _ Y: _ Z: _

Dirección de movimiento: _ X: _ Y: _ Z: _

Paso 8: ¡Listo

¡Felicitaciones por completar todos estos pasos y comprender los sensores electrónicos!

¡Deja un comentario para enviarme comentarios sobre las cosas que crees que deberían mejorarse, y también avísame si se te han ocurrido usos adicionales de sensores del Circuit Playground Classic!

Paul Nussbaum, doctorado