Kutumia Arduino kwa Sayansi ya Raia !: Hatua 14 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Sayansi inaruhusu sisi kuuliza maswali yetu ya kushinikiza na kuchunguza kila aina ya udadisi. Kwa mawazo, bidii, na uvumilivu, tunaweza kutumia uchunguzi wetu kujenga uelewa mzuri na uthamini wa ulimwengu mgumu na mzuri karibu nasi.

Mafunzo haya yatakufundisha jinsi ya kutumia mdhibiti mdogo wa Arduino (uno), jinsi ya kutumia aina tofauti za sensorer, na jinsi ya kukusanya na kuibua data. Njiani, tutaunda miradi mitatu: kubadili swichi, sensa ya joto na unyevu, na sensa ya mwanga!

Kiwango cha Ugumu: Kompyuta

Wakati wa Kusoma: 20 min

Jenga Wakati: Inategemea mradi wako! (Miradi katika mafunzo haya huchukua kama dakika 15 - 20)

Hatua ya 1: Pssst, Kuna tofauti gani kati ya Sayansi ya Raia na "Sayansi rasmi"?

Tofauti kubwa ni kwamba sayansi ya raia ni, kama ninavyopenda kusema, "kupunga mkono", ambayo inamaanisha kuwa kuna makosa mengi na kutokuwa na uhakika na hakuna mchakato mkali wa kuyatambua. Kwa sababu hii, hitimisho lililofikiwa kupitia sayansi ya raia sio sahihi sana kuliko sayansi-sayansi na halipaswi kutegemewa kutoa madai au maamuzi mazito / ya kubadilisha maisha / ya kutishia maisha.

Hiyo inasemwa, sayansi ya raia ni njia nzuri ya kujenga uelewa wa kimsingi wa kila aina ya hali ya kuvutia ya kisayansi na inatosha kwa matumizi mengi ya kila siku.

* Ikiwa unafanya sayansi ya raia na unagundua kitu kinachoweza kuwa hatari (k.v. viwango vya juu vya risasi kwenye maji), mwambie mwalimu wako (ikiwa inafaa) na uwasiliane na mamlaka husika na wataalamu kwa msaada.

Hatua ya 2: Arduino ni nini ??

Arduino ni bodi ndogo ya kudhibiti na Mazingira Jumuishi ya Maendeleo ("IDE"), ambayo ni njia nzuri ya kusema "mpango wa kuweka alama". Kwa Kompyuta, ninapendekeza sana bodi za Arduino Uno kwa sababu zina nguvu sana, zinaaminika, na zina nguvu.

Bodi za Arduino ni chaguo nzuri kwa miradi ya sayansi ya raia kwa sababu zina pini nyingi za kuingiza kusoma katika sensorer za Analog na Digital (tutapata zaidi baadaye).

Kwa kweli, unaweza kutumia wadhibiti wengine wadogo kwa sayansi ya raia kulingana na mahitaji yako (au ya wanafunzi wako), uwezo, na kiwango cha faraja. Hapa kuna muhtasari wa watawala wadogo ili kukusaidia kuamua ni nini kinachokufaa!

Ili kuwasha, au kupanga bodi ya Arduino, ingiza kupitia USB, kisha:

1. Chagua aina ya Arduino unayotumia chini ya Zana -> Bodi. (Picha 2)

2. Chagua bandari (aka ambapo imeunganishwa na kompyuta yako). (Picha 3)

3. Bonyeza kitufe cha Pakia na hakikisha imemaliza kupakia. (Picha 4)

Hatua ya 3: Zana na Vifaa

Ikiwa unaanza tu, kupata kit ni njia ya haraka na rahisi kupata sehemu nyingi mara moja. Kiti ninayotumia katika mafunzo haya ni Elegoo Arduino Starter Kit. *

Zana

• Arduino Uno
• Kebo ya USB A hadi B (kebo ya printa ya aka)

• Waya za Jumper

  • 3 mwanamume-kwa-mwanaume
  • 3 mwanamume na mwanamke

• Bodi ya mkate

  Hiari lakini inashauriwa kufanya maisha yako iwe rahisi na ya kufurahisha zaidi:)

Vifaa

Kwa miradi iliyofunikwa katika mafunzo haya, utahitaji sehemu hizi kutoka kwa Elegoo Arduino Starter Kit:

• Tilt Kubadili
• Joto la DTH11 na sensorer ya unyevu
• LED
• Mpingaji 100 Ohm

* Ufunuo kamili: Ninunua vifaa hivi kwa semina, lakini kitanda kilichotumiwa katika mafunzo haya kilitolewa na watu wazuri huko Elegoo.

Hatua ya 4: Ni Aina gani za Sensorer Tunazoweza Kutumia?

Wakati wa kubuni jaribio la sayansi, kwa kawaida tunaanza na swali: Je! CO2 mimea inachukua kiasi gani kwa siku? Nguvu ya athari ya kuruka ni nini? Ufahamu ni nini ??

Kulingana na swali letu, tunaweza kisha kutambua kile tunachotaka kupima na kufanya utafiti ili kujua ni chombo gani tunachoweza kutumia kukusanya data (ingawa inaweza kuwa ngumu sana kukusanya data ya swali hili la mwisho!).

Wakati wa kufanya kazi na umeme, kuna aina mbili kuu za ishara za data za sensorer: Digital na Analog. Kwenye picha, safu mbili za kwanza za sehemu zote ni sensorer za dijiti, wakati safu mbili za juu ni analog.

Kuna aina nyingi za sensorer za dijiti, na zingine ni ngumu kufanya kazi nazo kuliko zingine. Unapofanya utafiti kwa mradi wako wa sayansi ya raia, angalia kila wakati jinsi sensorer inavyoweka data (srsly tho) na hakikisha unaweza kupata maktaba ya (Arduino) ya chombo hicho maalum.

Katika miradi mitatu iliyofunikwa katika mafunzo haya tutatumia aina mbili za sensorer za dijiti na sensa moja ya analog. Wacha tujifunze!

Hatua ya 5: Sensorer za Dijiti! Sehemu ya 1: Wale Rahisi

Sensorer nyingi utatumia pato la Ishara ya Dijiti, ambayo ni ishara ambayo imewashwa au imezimwa. * Tunatumia nambari za rununu kuwakilisha nchi hizi mbili: ishara ya On imetolewa na 1, au Kweli, wakati Off ni 0, au Uongo. Ikiwa tungeteka picha ya jinsi ishara ya binary inavyoonekana, itakuwa wimbi la mraba kama ile kwenye Picha 2.

Kuna sensorer kadhaa za dijiti, kama swichi, ambazo ni rahisi sana na moja kwa moja kupima kwa sababu kifungo kinasukumwa na tunapata ishara (1), au haijasukumwa na hatuna ishara (0). Sensorer zilizoonyeshwa kwenye safu ya chini ya picha ya kwanza zote ni aina rahisi za kuzima / kuzima. Sensorer kwenye safu ya juu ni ngumu zaidi na imefunikwa baada ya mradi wetu wa kwanza.

Miradi miwili ya kwanza katika mafunzo haya itakufundisha jinsi ya kutumia aina zote mbili! Endelea kujenga mradi wetu wa kwanza !!

* Kwa njia ishara ya umeme kwa njia ya umeme wa sasa na voltage. Kuzima hakuna maana ya ishara ya umeme!

Hatua ya 6: Mradi 1: Tilt Switch Digital Sensor

Kwa mradi huu wa kwanza, wacha tutumie swichi ya kugeuza, hiyo sensorer nyeusi ya cylindrical na miguu miwili! Hatua ya 1: Ingiza mguu mmoja wa swichi ya kuelekea kwenye Arduino Digital Pin 13, na mguu mwingine ndani ya pini ya GND karibu na pini 13. Mwelekeo haijalishi.

Hatua ya 2: Andika mchoro unaosoma na kuchapisha hadhi ya Dijiti ya Dijiti 13

Au unaweza kutumia yangu tu!

Ikiwa unaanza tu kuweka alama, soma maoni ili uelewe vizuri jinsi mchoro unavyofanya kazi na jaribu kubadilisha vitu kadhaa ili uone kinachotokea! Ni sawa kuvunja vitu, hiyo ni njia nzuri ya kujifunza! Unaweza kupakua tena faili kila wakati na uanze tena:)

Hatua ya 3: Ili kuona data yako ya moja kwa moja, bonyeza kitufe cha Serial Monitor (picha 2)

.. aaaand ndio hivyo! Sasa unaweza kutumia swichi ya kupima kuelekea mwelekeo! Sanidi ili kupiga kiti yako wakati inagonga kitu, au utumie kuweka wimbo wa jinsi matawi ya miti hutembea wakati wa dhoruba!.. & labda kuna matumizi mengine kati ya hizo mbili kali.

Hatua ya 7: Sensorer za Dijiti! Sehemu ya 2: Mawasiliano ya PWM na Serial

Kuna njia nyingi za kuunda ishara ngumu zaidi za dijiti! Njia moja inaitwa Upigaji Sauti wa Upana wa Pulse ("PWM"), ambayo ni njia nzuri ya kusema ishara ambayo iko kwa muda fulani na kuzima kwa muda fulani. Motors za Servo (ambazo zinaweza kutumika kupima msimamo) na sensorer za ultrasonic ni mifano ya sensorer zinazotumia ishara za PWM.

Pia kuna sensorer ambazo hutumia mawasiliano ya serial kutuma data kidogo, au nambari ya binary, kwa wakati mmoja. Sensorer hizi zinahitaji kufahamiana na data za kusoma na zinaweza kuwa ngumu sana ikiwa unaanza tu. Kwa bahati nzuri, sensorer za kawaida za serial zitakuwa na maktaba za nambari * na programu za sampuli za kutoka ili uweze kubana kitu kinachofanya kazi. Maelezo zaidi juu ya itifaki za mawasiliano ya serial ni zaidi ya upeo wa mafunzo haya, lakini hapa kuna rasilimali nzuri juu ya mawasiliano ya serial kutoka SparkFun ili ujifunze zaidi!

Kwa mradi huu wa sampuli, wacha tutumie sensorer ya joto na unyevu (DHT11)! Huu ni mraba wa lil 'bluu na mashimo na pini 3.

Kwanza tutahitaji maktaba kadhaa maalum kwa sensorer ya DHT11: maktaba ya DHT11 na maktaba ya Sura ya Pamoja ya Adafruit. Ili kusanikisha maktaba hizi (na maktaba mengine mengi ya Arduino):

Hatua ya 1: Fungua msimamizi wa maktaba ya Arduino kwa kwenda kwa Mchoro -> Maktaba -> dhibiti Maktaba (Picha 2)

Hatua ya 2: Sakinisha na uamilishe maktaba ya DHT kwa kutafuta "DHT" na kisha ubonyeze Sakinisha kwa "Maktaba ya DHT Arduino" (Picha 3)

Hatua ya 3: Sakinisha na uwashe maktaba ya Sura ya Umoja wa Adafruit kwa kutafuta "Sura ya Unyanyasaji ya Adafruit" na kubofya sakinisha.

Hatua ya 4: Ingiza maktaba ya DHT kwenye mchoro wako wazi kwa kwenda kwenye Mchoro -> Maktaba, na kubonyeza "Maktaba ya DHT Arduino. (Picha 4) Hii itaingiza laini kadhaa juu ya mchoro wako, ambayo inamaanisha yetu maktaba sasa inatumika na iko tayari kutumika! (Picha 5)

* Kama maktaba yako ya karibu, maktaba za nambari ni utajiri wa maarifa na bidii ya watu wengine ambayo tunaweza kutumia kufanya maisha yetu iwe rahisi, yay!

Hatua ya 8: Mradi wa 2: Sura ya Usiri ya Dijiti na Unyevu

Kunyakua waya 3 za kuruka-kiume-kwa-kike kutoka kwa Kitengo cha Starter cha Elegoo Arduino na tuko tayari kwenda!

Hatua ya 1: Na pini za kichwa zinakutazama, unganisha pini ya kichwa cha kulia kabisa kwenye DHT11 kwenye pini ya Arduino ("GND").

Hatua ya 2: Unganisha pini ya kichwa cha kati na pini ya pato la Arduino 5V.

Hatua ya 3: Unganisha pini ya kichwa cha kushoto kushoto na Arduino Digital Pin 2

Hatua ya 4: Mwishowe, soma maktaba ya DHT na ujaribu mkono wako kuandika mchoro! Oooor unaweza kutumia yangu au mchoro wa mfano wa mtihani wa DHT ndani ya Arduino -> Mifano!

Wakati umeiinua na kukimbia, nenda upime joto na unyevu wa vitu vyote!.. Kama pumzi ya mnyama, chafu, au mahali unapopenda kupanda kwa nyakati tofauti za mwaka ili kupata muda mzuri * wa kutuma.

Hatua ya 9: Sensorer za Analog

Baada ya kupiga mbizi ngumu kwenye sensorer za dijiti, sensorer za analog zinaweza kuonekana kama upepo! Ishara za Analog ni ishara inayoendelea, kama inavyoonyeshwa kwenye picha ya 2. Sehemu nyingi za ulimwengu wa mwili ziko katika analog (k.v. joto, umri, shinikizo, nk), lakini kwa kuwa kompyuta ni dijiti *, sensorer nyingi zitatoa ishara ya dijiti. Watawala wengine wadogo, kama bodi za Arduino, wanaweza pia kusoma kwa ishara za analog **.

Kwa sensorer nyingi za analogi, tunapeana nguvu ya sensorer, kisha soma kwenye ishara ya analogi ukitumia pini za Kuingiza Analog. Kwa jaribio hili, tutatumia usanidi rahisi hata kupima voltage kwenye LED wakati tunaangazia taa.

* Kompyuta hutumia ishara za dijiti kuhifadhi na kupeleka habari. Hii ni kwa sababu ishara za dijiti ni rahisi kugundua na zinaaminika zaidi, kwani yote tunayopaswa kuwa na wasiwasi juu yake ni kupata ishara au sio dhidi ya kuwa na wasiwasi juu ya ubora / usahihi wa ishara.

** Kusoma kwa ishara ya analog kwenye kifaa cha dijiti, lazima tutumie Analog-to-Digital, au ADC, kibadilishaji, ambayo inakadiri ishara ya analog kwa kulinganisha pembejeo na voltage inayojulikana kwenye kifaa, kisha kuhesabu ni muda gani inachukua kufikia voltage ya pembejeo. Kwa habari zaidi, hii ni tovuti inayofaa.

Hatua ya 10: Mradi wa 3: LED kama sensa ya Mwanga

Shika LED (rangi yoyote isipokuwa nyeupe), kontena la 100 Ohm, na nyaya 2 za kuruka. O, na ubao wa mkate!

Hatua ya 1: Ingiza LED kwenye ubao wa mkate na mguu mrefu upande wa kulia.

Hatua ya 2: Unganisha waya ya kuruka kutoka Arduino Analog Pin A0 na mguu mrefu wa LED

Hatua ya 3: Unganisha kontena kati ya mguu mfupi wa LED na reli ya nguvu ya ubao wa mkate (karibu na laini ya bluu).

Hatua ya 4: Unganisha pini ya Arduino GND na reli hasi ya umeme kwenye ubao wa mkate.

Hatua ya 5: Andika mchoro unaosoma katika Analog Pin A0 na kuchapisha kwa Serial Monitor

Hapa kuna nambari ya sampuli ya kuanza.

Hatua ya 11: Kuangalia data: Arduino IDE

IDE ya Arduino inakuja na zana zilizojengwa ili kuibua data. Tayari tumechunguza misingi ya Serial Monitor ambayo inatuwezesha kuchapisha maadili ya sensorer. Ikiwa unataka kuhifadhi na kuchambua data yako, nakili pato moja kwa moja kutoka kwa Serial Monitor na ubandike kwenye hariri ya maandishi, lahajedwali, au zana nyingine ya uchambuzi wa data.

Chombo cha pili tunachoweza kutumia kuona data yetu katika mpango wa Arduino ni Mpangilio wa Serial, toleo la kuona (aka graph) ya Serial Monitor. Ili kutumia Mpangilio wa Sera, nenda kwenye Zana ya Mpangilio wa Zana. Grafu kwenye Picha 2 ni pato la LED kama sensa ya mwanga kutoka Mradi wa 3! *

Njama hiyo itaongeza kiotomatiki na maadamu unatumia Serial.println () kwa sensorer zako, pia itachapisha sensorer zako zote kwa rangi tofauti. Hooray! Hiyo ndio!

* Ukiangalia mwisho, kuna muundo mzuri wa mawimbi ambao unaweza kutokana na Mbadala wa Sasa ("AC") katika taa zetu za juu!

Hatua ya 12: Kuangalia data: Excel! Sehemu 1

Kwa uchambuzi mbaya zaidi wa data, kuna programu-jalizi nzuri zaidi (na ya bure!) Ya Excel inayoitwa Data Streamer *, ambayo unaweza kupakua hapa.

Usomaji huu wa nyongeza kutoka kwa bandari ya serial, kwa hivyo tunaweza kutumia mbinu sawa kabisa ya kuweka alama ya kuchapisha data kwa serial kupata data moja kwa moja kwenye Excel.. hebu ndio !!

Jinsi ya kutumia Programu-jalizi ya Mkombozi wa Takwimu:

1. Mara baada ya kuiweka (au ikiwa unayo O365), bofya kwenye kichupo cha Data Streamer (kulia kulia) katika Excel.

2. Chomeka Arduino yako na ubonyeze "Unganisha Kifaa", kisha uchague Arduino kutoka kwenye menyu kunjuzi. (Picha 1)

3. Bonyeza "Anzisha Takwimu" ili kuanza ukusanyaji wa data! (Picha 2) Utaona karatasi tatu mpya zikifunguliwa: "Data In", "Data Out", na "Mipangilio".

Takwimu za moja kwa moja zimechapishwa kwenye Karatasi ya Takwimu. (Picha 3) Kila safu inafanana na usomaji wa sensa, na thamani mpya zaidi iliyochapishwa katika safu ya mwisho.

Kwa chaguo-msingi tunapata safu 15 tu za data, lakini unaweza kubadilisha hii kwa kwenda kwenye "Mipangilio". Tunaweza kukusanya hadi safu 500 (kikomo ni kwa sababu ya kipimo data cha Excel - kuna mengi yanayotokea nyuma!).

* Ufunuo kamili: Ingawa mafunzo haya hayahusiani, ninafanya kazi w / Timu ya Microsoft Hacking STEM ambayo ilitengeneza programu-jalizi hii.

Hatua ya 13: Kuangalia data: Excel! Sehemu ya 2

4. Ongeza Njama ya data yako! Fanya uchambuzi wa data! Viwanja vya kutawanya vinakuonyesha jinsi usomaji wa sensorer hubadilika kwa muda, ambayo ni sawa na yale tuliyoyaona katika Arduino Serial Plotter.

Kuongeza mpango wa kutawanya:

Nenda kwenye Ingiza -> Chati -> Tawanya. Wakati njama itajitokeza, bonyeza kulia juu yake na uchague "Chagua Takwimu", kisha Ongeza. Tunataka data zetu kuonyeshwa kwenye mhimili wa y, na "muda" * kwenye mhimili wa x. Ili kufanya hivyo, bonyeza mshale karibu na mhimili wa y, nenda kwenye Karatasi ya Takwimu, na uchague data zote za sensorer zinazoingia (Picha 2).

Tunaweza pia kufanya mahesabu na kulinganisha katika Excel! Kuandika fomula, bonyeza kwenye seli tupu na andika alama sawa ("="), kisha hesabu unayotaka kufanya. Kuna amri nyingi zilizojengwa kama wastani, kiwango cha juu, na kiwango cha chini.

Ili kutumia amri, andika alama sawa, jina la amri, na mabano wazi, kisha uchague data unayochunguza na ufunge mabano (Picha 3)

5. Kutuma safu zaidi ya moja ya data (AKA zaidi ya sensa moja), chapisha maadili kwenye laini hiyo hiyo iliyotengwa na koma, na laini mpya ya mwisho tupu, kama hii:

Printa ya serial (sensorReading1);

Serial.print (","); Printa ya serial (sensorReading2); Serial.print (","); Serial.println ();

* Ikiwa unataka wakati halisi uwe kwenye mhimili wa x, chagua muhuri wa saa katika Safu A kwenye Karatasi ya Takwimu kwa maadili ya x-axis katika Plot yako ya Kutawanya. Kwa vyovyote vile, tutaona data yetu ikibadilika kwa muda.

Hatua ya 14: Nenda mbele na Upime Vitu vyote !

Jamaa sawa, ndio hivyo! Wakati wa kwenda nje na juu! Tumia hii kama msingi kuanza kuchunguza sensorer, uorodheshaji wa Arduino, na uchambuzi wa data kushughulikia maswali yako, udadisi, na siri za fav katika ulimwengu huu mzuri na mzuri.

Kumbuka: kuna watu wengi huko nje kukusaidia njiani, kwa hivyo tafadhali acha maoni ikiwa una swali!

Je! Unahitaji maoni zaidi? Hapa kuna jinsi ya kufanya mabadiliko ya kubadilisha hali, sensorer ya joto ya kijijini inayotumia jua, na kiwango cha viwanda kilichounganishwa na mtandao!

Je! Unapenda mafunzo haya na unataka kuona zaidi? Kusaidia miradi yetu juu ya Patreon!: D