Жарандык илим үчүн Arduino колдонуу!: 14 кадам (сүрөттөр менен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Илим бизге эң курч суроолорубузду берүүгө жана ар кандай кызыгууларды изилдөөгө мүмкүнчүлүк берет. Бир аз ойлонуп, күжүрмөн эмгектенип, сабырдуулук менен биз изилдөөлөрүбүздү курчап турган татаал жана кооз дүйнөнү жакшыраак түшүнүү жана баалоо үчүн колдоно алабыз.

Бул окуу куралы сизге Arduino (uno) микроконтроллерин колдонууну, сенсорлордун ар кандай түрлөрүн колдонууну жана маалыматтарды чогултууну жана элестетүүнү үйрөтөт. Жолдо биз үч долбоорду курабыз: эңкейиш которгуч, температура жана нымдуулук сенсору жана жарык сенсору!

Кыйынчылык деңгээли: Башталгыч

Окуу убактысы: 20 мүн

Курулуш убактысы: Сиздин долбоорго көз каранды! (Бул окуу куралындагы долбоорлор болжол менен 15-20 мүнөткө созулат)

1 -кадам: Pssst, Жарандык илим менен "расмий илимдин" ортосунда кандай айырма бар?

Эң чоң айырмачылык - бул жарандык илим, мен айткандай, "кол толкундуу", бул көптөгөн каталар жана белгисиздиктер бар экенин жана аларды аныктоо үчүн эч кандай катаал процесс жок экендигин билдирет. Ушундан улам, жарандык илим аркылуу чыгарылган тыянактар илимге караганда алда канча так эмес жана олуттуу/жашоону өзгөрткөн/өмүргө коркунуч келтирүүчү дооматтарды же чечимдерди кабыл алууга таянбоо керек*.

Айтор, жарандык илим ар кандай кызыктуу илимий кубулуштун фундаменталдуу түшүнүгүн түзүүнүн эң сонун жолу жана көпчүлүк күнүмдүк колдонмолор үчүн жетиштүү.

*Эгерде сиз жаран илими менен алектенип жатсаңыз жана коркунучтуу нерсени (мисалы, сууда коргошундун деңгээли жогору) ачсаңыз, тарбиячыңызга билдириңиз (эгер бар болсо) жана жардам сурап тиешелүү органдарга жана адистерге кайрылыңыз.

2 -кадам: Arduino деген эмне?

Arduino - микроконтроллер тактасы жана Интегралдык Өнүгүү чөйрөсү ("IDE"), бул "коддоо программасы" деп айтуунун кооз жолу. Жаңы баштагандарга Arduino Uno такталарын сунуштайм, анткени алар абдан күчтүү, ишенимдүү жана күчтүү.

Arduino такталары жарандардын илимий долбоорлору үчүн жакшы тандоо болуп саналат, анткени аларда аналогдук жана санариптик сенсорлордо окуу үчүн көптөгөн кирүү казыктары бар (бул тууралуу кийинчерээк кеңири маалымат беребиз).

Албетте, сиз (же студенттериңиздин) муктаждыктарына, жөндөмдөрүнө жана ыңгайлуулук деңгээлине жараша жарандык илим үчүн башка микроконтроллерлерди колдоно аласыз. Бул жерде сизге эң ылайыктуусун аныктоого жардам берүү үчүн микроконтроллерлердин жалпы көрүнүшү!

Arduino тактасын жаркылдатуу же программалоо үчүн, аны USB аркылуу туташтырыңыз, андан кийин:

1. Куралдар -> Тактанын астында колдонуп жаткан Arduino түрүн тандаңыз. (Сүрөт 2)

2. Портту тандаңыз (ака сиздин компьютериңизге туташкан жерде). (Сүрөт 3)

3. Жүктөө баскычын чыкылдатып, жүктөөнү аяктаганын текшериңиз. (Сүрөт 4)

3 -кадам: Куралдар жана материалдар

Эгер сиз жаңы эле баштай турган болсоңуз, анда комплект алуу - бир убакта бир нече бөлүктөрдү алуунун тез жана оңой жолу. Бул окуу куралында колдонуп жаткан комплект - Elegoo Arduino Starter Kit*.

Куралдар

• Arduino Uno
• USB Aдан B кабели (принтер кабели)

• Jumper Wires

  • 3 эркектен эркекке
  • 3 эркектен аялга

• Breadboard

  Кошумча, бирок жашооңузду жеңилдетүү жана кызыктуу кылуу үчүн сунушталат:)

Материалдар

Бул окуу куралында камтылган долбоорлор үчүн сизге Elegoo Arduino Starter Kitтин бул бөлүктөрү керек болот:

• Tilt Switch
• DTH11 температура жана нымдуулук сенсору
• LED
• 100 Ом резистор

*Толук ачыкка чыгаруу: Мен ушул эле комплекттерди семинарларга сатып алам, бирок бул окуу куралында колдонулган комплектти Элегоодогу сүйкүмдүү адамдар белекке беришкен.

4 -кадам: Кандай сенсорлорду колдонсок болот?

Илим экспериментин иштеп чыгууда биз адатта бир суроо менен баштайбыз: өсүмдүктөр бир күндө канча СО2 сиңирет? Секирүүнүн таасир күчү кандай? Аң -сезим деген эмне ??

Биздин суроого таянып, биз эмнени өлчөөнү каалаарыбызды аныктап, маалыматтарды чогултуу үчүн кандай сенсорду колдоно аларыбызды аныктай алабыз (бирок бул акыркы суроого маалымат чогултуу бир аз татаал!).

Электроника менен иштөөдө сенсордук маалымат сигналдарынын эки негизги түрү бар: Санарип жана Аналог. Сүрөттө, бөлүктөрдүн биринчи эки катарынын баары санарип сенсорлор, ал эми жогорку эки катар аналогдук.

Санарип сенсорлордун ар кандай түрлөрү бар, кээ бирлери менен иштөө башкаларга караганда татаалыраак. Жараныңыздын илимий долбоору боюнча изилдөө жүргүзүп жатканда, ар дайым сенсордун маалыматты кантип чыгарарын текшерип туруңуз жана ошол сенсор үчүн (Arduino) китепкананы таба аласыз.

Бул окуу куралында камтылган үч долбоордо биз санарип сенсорлордун эки түрүн жана бир аналогдук сенсорду колдонобуз. Келгиле, үйрөнөлү!

5 -кадам: Санарип сенсорлор! 1 -бөлүк: Оңойлор

Көпчүлүк сенсорлор Санариптик Сигналды колдонот, бул күйгүзүлгөн же өчүрүлгөн сигнал.* Биз экилик сандарды бул эки абалды көрсөтүү үчүн колдонобуз: Күйүү сигналы 1 же Чын менен берилет, Өчүрүү 0 болсо, же Жалган. Эгерде биз экилик сигналдын кандай экенин сүрөт тарта турган болсок, анда ал 2 -сүрөттөгүдөй төрт бурчтуу толкун болмок.

Кээ бир санарип сенсорлор бар, мисалы өчүргүчтөр, өлчөө өтө оңой жана жөнөкөй, анткени же баскыч басылып, биз сигнал алабыз (1), же ал басылбайт жана бизде сигнал жок (0). Биринчи сүрөттүн ылдыйкы катарында сүрөттөлгөн сенсорлордун баары жөнөкөй/өчүрүү түрлөрү. Жогорку катардагы сенсорлор бир аз татаалыраак жана биринчи долбоорубуздан кийин камтылган.

Бул үйрөткүчтөгү алгачкы эки долбоор эки түрдү тең колдонууну үйрөтөт! Алгач биздин биринчи долбоорду курууга !!

*On - электр тогу жана чыңалуу түрүндөгү электрдик сигнал. Өчүрүү электрдик сигналдын жоктугун билдирет!

6 -кадам: 1 -долбоор: Tilt Switch Digital Sensor

Бул биринчи долбоор үчүн, эки буту бар, кара цилиндрдик сенсорду эңкейтип колдонолу! 1 -кадам: Кыймылдын бир бутун Arduino Digital Pin 13ке, ал эми экинчи бутун GND пинине 13 -пинтин жанына салыңыз. Багыты. мааниси жок

2 -кадам: Digital Pin 13 статусун окуп жана басып чыгарган эскиз жазыңыз

Же жөн эле меникин колдонсоңуз болот!

Эгерде сиз жаңы эле коддоону баштап жатсаңыз, анда эскиздин кандай иштээрин жакшыраак түшүнүү үчүн комментарийлерди окуңуз жана эмне болорун көрүү үчүн кээ бир нерселерди өзгөртүп көрүңүз! Бир нерсени сындыруу туура, бул үйрөнүүнүн эң сонун жолу! Сиз дайыма файлды кайра жүктөп алып, кайра баштасаңыз болот:)

3 -кадам: Түз маалыматыңызды көрүү үчүн, Serial Monitor баскычын басыңыз (фото 2)

.. ааааа ошондо! Сиз азыр багытты өлчөө үчүн жантайгычты колдоно аласыз! Мышыгыңызды бир нерсе кулатканда чакыруу үчүн орнотуңуз же шамал учурунда дарактардын бутактары кантип кыймылдап жатканын көзөмөлдөңүз!.. &, балким, бул эки чектен ортосунда башка колдонмолор бар.

7 -кадам: Санарип сенсорлор! 2 -бөлүк: PWM жана сериялык байланыш

Татаал санарип сигналдарды түзүүнүн көптөгөн жолдору бар! Бир ыкма Pulse Width Modulation ("PWM") деп аталат, бул белгилүү бир убакытка чейин өчүп турган сигналды айтуунун кооз жолу. Серво моторлору (позицияны өлчөө үчүн колдонулушу мүмкүн) жана УЗИ сенсорлору PWM сигналдарын колдонгон сенсорлордун мисалдары.

Берилиштерди бир бит, же экилик цифраны бир убакта жөнөтүү үчүн сериялык байланышты колдонгон сенсорлор да бар. Бул сенсорлор маалымат барагын окуу менен бир аз тааныштыкты талап кылат жана эгер сиз жаңы эле баштап жаткан болсоңуз, абдан татаал болушу мүмкүн. Бактыга жараша, жалпы сериялык сенсорлордо код китепканалары* жана үлгүлүү программалар болот, андыктан сиз дагы функционалдуу нерсени бириктире аласыз. Сериялык байланыш протоколдору боюнча кененирээк маалымат бул окуу куралынын алкагына кирбейт, бирок бул жерде SparkFunдан көбүрөөк маалымат алуу үчүн сериялык байланыш боюнча эң сонун булак!

Бул үлгү долбоору үчүн, температура жана нымдуулук сенсорун (DHT11) колдонолу! Бул тешиктери жана 3 төөнөгүчтөрү бар көк квадрат.

Биринчиден, биз DHT11 сенсоруна бир нече атайын китепканаларга муктаж болобуз: DHT11 китепканасы жана Adafruit Unified Sensor китепканасы. Бул китепканаларды (жана башка Arduino китепканаларынын көпчүлүгүн) орнотуу үчүн:

1 -кадам: Sketch -> Китепканалар -> Китепкананы башкаруу бөлүмүнө өтүү менен Arduino китепкана башкаруучусун ачыңыз (Фото 2)

2 -кадам: DHT китепканасын "DHT" издеп, андан кийин "DHT Arduino Китепканасы" үчүн Орнотууну чыкылдатып орнотуңуз жана жандандырыңыз (Сүрөт 3)

3 -кадам: "Adafruit Unified Sensor" издеп жана орнотууну чыкылдатуу менен Adafruit Unified Sensor китепканасын орнотуп, жандырыңыз.

4 -кадам: DHT китепканасын Sketch -> Китепканалар бөлүмүнө өтүп, "DHT Arduino Китепканасы" баскычын басып, эскизиңизге киргизиңиз. китепкана азыр активдүү жана колдонууга даяр! (Сүрөт 5)

*Сиздин сүйүктүү жергиликтүү китепканаңыз сыяктуу эле, код китепканалары - бул биздин жашообузду жеңилдетүү үчүн колдоно турган көптөгөн билимдердин жана башка адамдардын эмгеги.

8 -кадам: Долбоор 2: Temp and Humidity Digital Serial Sensor

Elegoo Arduino баштоочу комплектинен 3 эркек-ургаачы секирүүчү зымдарды алыңыз жана биз барууга даярбыз!

1 -кадам: Баштык казыктары сизге каратып, DHT11деги эң оң жагындагы баштыкты Arduino жерге ("GND") төөнөгүчкө туташтырыңыз.

2 -кадам: Ортоңку баш пинди Arduino 5V чыгаруу пинине туташтырыңыз.

3 -кадам: Arduino Digital Pin 2ге эң сол жагындагы төөнөгүчтү туташтырыңыз

4 -кадам: Акырында, DHT китепканасын окуп, эскиз жазууда колуңузду сынап көрүңүз! Ооо же сиз Arduino ичинде меники же DHT тестинин мисалынын эскизин колдоно аласыз -> Мисалдар!

Аны ишке киргизгенден кийин, бардык нерселердин температурасын жана нымдуулугун өлчө!.. Жаныбарлардын деми сыяктуу, күнөскана же сүйүктүү альпинизм жери жылдын ар кайсы мезгилинде * кемчиликсиз * жөнөтүү темпин табуу үчүн.

9 -кадам: Аналогдук сенсорлор

Санариптик сенсорлорго чумкуудан кийин аналогдук сенсорлор шамалдай сезилиши мүмкүн! Аналогдук сигналдар 2 -сүрөттө көрсөтүлгөндөй үзгүлтүксүз сигнал. Физикалык дүйнөнүн көбү аналогдо бар (мисалы, температура, жаш, басым ж. Кээ бир микроконтроллерлер, Arduino такталары сыяктуу эле, аналогдук сигналда ** окуй алышат.

Көпчүлүк аналогдук сенсорлор үчүн биз сенсорго кубат беребиз, андан кийин аналогдук кирүү казыктарын колдонуп аналогдук сигналда окуйбуз. Бул сыноо үчүн, биз жарык чачканда LEDдеги чыңалууну өлчөө үчүн андан да жөнөкөй орнотууну колдонобуз.

*Компьютерлер маалыматты сактоо жана берүү үчүн санарип сигналдарды колдонушат. Себеби, санариптик сигналдарды аныктоо оңой жана ишенимдүү, анткени биз кабатыр болушубуз керек болгон нерсе - сигналды алуу же сигналдын сапаты/тактыгы жөнүндө тынчсыздануунун кереги жок.

** Санариптик түзүлүштөгү аналогдук сигналда окуу үчүн, биз аналогдук сигналга жакын болгон аналогдук-санариптик же ADC-конвертерин колдонушубуз керек, ал киргизүүнү түзмөктөгү белгилүү чыңалууга салыштырып, анын канчага созулгандыгын эсептеп чыгат. кирүүчү чыңалууга жетүү үчүн талап кылынат. Көбүрөөк маалымат алуу үчүн, бул пайдалуу сайт.

10 -кадам: Долбоор 3: Жарык сенсору катары LED

Светодиодду (актан башка каалаган түс), 100 Омдук резисторду жана 2 секирүүчү кабелди алыңыз. О, жана нан табак!

1 -кадам: оң жагында узун буту бар нан панелине LEDди салыңыз.

2 -кадам: Arduino Analog Pin A0 жана узунураак LED бутунан секирүүчү зымды туташтырыңыз

3 -кадам: Резисторду кыска LED буту менен нандын терс электр темир жолунун (көк сызыктын жанында) туташтырыңыз.

4 -кадам: Arduino GND пинин панельдеги терс электр темир жолуна туташтырыңыз.

5 -кадам: А0 аналогдук пинде окулган эскизди жазыңыз жана сериялык мониторго басып чыгарыңыз

Бул жерде баштоо үчүн коддун үлгүсү.

11 -кадам: маалыматтарды визуалдаштыруу: Arduino IDE

Arduino IDE маалыматтарды визуалдаштыруу үчүн камтылган куралдар менен келет. Биз сенсордук баалуулуктарды басып чыгарууга мүмкүндүк берген сериялык монитордун негиздерин изилдеп көрдүк. Эгерде сиз өзүңүздүн маалыматыңызды сактап, анализ кылгыңыз келсе, өндүрүштү сериялык монитордон түз көчүрүп, текст редакторуна, электрондук жадыбалга же башка маалыматтарды талдоо куралына чаптаңыз.

Ардуино программасында биздин маалыматтарды көрүү үчүн колдоно турган экинчи курал - Serial Plotter, Serial Monitorдун визуалдык версиясы (aka graph). Сериялык плоттерди колдонуу үчүн Tools Serial Plotter'ге өтүңүз. Фото 2деги график 3 -долбоордун жарык сенсору катары LEDдын чыгышы!*

Сюжет автоматтык түрдө масштабда болот жана сенсорлоруңуз үчүн Serial.println () колдонуп жатканыңызда, ал бардык сенсорлоруңузду ар кандай түстө басып чыгарат. Жашасын! Дал ушул!

*Эгерде сиз аягына карасаңыз, анда биздин үстүбүздөгү чырактарда Өзгөрмө Токтун ("AC") таасири астында болгон өтө кызыктуу толкундун үлгүсү бар!

12 -кадам: маалыматтарды визуалдаштыруу: Excel! 1-бөлүк

Дагы олуттуу маалыматтарды талдоо үчүн Excel үчүн Data Streamer*деген супер сонун (жана бекер!) Кошумча бар, аны бул жерден жүктөп алсаңыз болот.

Бул толуктоо сериялык порттон окулат, андыктан биз маалыматтарды Excelге түз алуу үчүн сериядагы маалыматтарды басып чыгаруунун коддоо ыкмасын колдоно алабыз.. ооба !!

Data Streamer тиркемесин кантип колдонуу керек:

1. Аны орноткондон кийин (же сизде O365 болсо), Excelдеги Data Streamer өтмөгүн (оң жакта) басыңыз.

2. Arduino сайыңыз жана "Түзмөктү туташтыруу" баскычын чыкылдатыңыз, андан кийин ачылуучу менюдан Arduino тандаңыз. (Сүрөт 1)

3. Маалымат чогултууну баштоо үчүн "Дайындарды баштоо" баскычын басыңыз! (Фото 2) Сиз үч жаңы баракчанын ачылганын көрөсүз: "Маалыматтар", "Маалыматтар" жана "Орнотуулар".

Түз маалыматтар Data In барагында басылат. (Сүрөт 3) Ар бир сап сенсордун көрсөткүчүнө туура келет, акыркы сапта эң жаңы маани басылат.

Демейки боюнча бизде 15 гана маалымат бар, бирок сиз муну "Орнотуулар" бөлүмүнө өтүп өзгөртө аласыз. Биз 500 катарга чейин чогулта алабыз (чек Excel өткөрүмдүүлүгүнө байланыштуу - фондо көп нерсе болуп жатат!).

*Толук ачыкка чыгаруу: Бул окуу куралы менен байланышы жок болсо да, мен бул тиркемени иштеп чыккан Microsoft Hacking STEM командасы менен иштейм.

13 -кадам: маалыматтарды визуалдаштыруу: Excel! 2 бөлүк

4. Маалыматыңыздын участогун кошуңуз! Кээ бир маалыматтарды талдап көрүңүз! Таркатуу сюжеттери сенсордун көрсөткүчтөрү убакыттын өтүшү менен кандайча өзгөрөрүн көрсөтөт, бул биз Arduino Serial Plotterде көргөн нерсебиз.

Scatter Plot кошуу үчүн:

Киргизүү -> Диаграммалар -> Чачуу бөлүмүнө өтүңүз. Сюжет пайда болгондо, аны оң баскыч менен чыкылдатып, "Дайындарды тандоо", анан Кошуу дегенди тандаңыз. Биз маалыматтарыбыздын огунда көрсөтүлүшүн каалайбыз, х огунда "убакыт"*. Бул үчүн, y огунун жанындагы жебени чыкылдатыңыз, Маалыматтар баракчасына өтүңүз жана келген сенсор маалыматтарынын бардыгын тандаңыз (Фото 2).

Биз ошондой эле Excelде эсептөөлөрдү жана салыштырууларды жасай алабыз! Формула жазуу үчүн бош уячаны чыкылдатып, барабар белгисин териңиз ("="), андан кийин сиз каалаган эсептөөнү жазыңыз. Орточо, максималдуу жана минималдуу сыяктуу көптөгөн орнотулган буйруктар бар.

Буйрукту колдонуу үчүн, барабар белгисин, буйруктун атын жана ачык кашааны териңиз, анан анализдеп жаткан маалыматыңызды тандап, кашааны жаап коюңуз (Фото 3)

5. Бирден ашык маалымат тилкесин жөнөтүү үчүн (АКА бирден ашык сенсор), ошол эле сапта үтүр менен ажыратылган маанилерди акыркы бош жаңы сап менен басып чыгарыңыз:

Serial.print (sensorReading1);

Serial.print (","); Serial.print (sensorReading2); Serial.print (","); Serial.println ();

*Эгерде сиз чыныгы убакыт x огунда болушун кааласаңыз, Scatter Plotдогу x-огу баалуулуктары үчүн Data In баракчасындагы А графасындагы убакыт белгисин тандаңыз. Кандай болбосун, биз убакыттын өтүшү менен өзгөргөн сайын биздин маалыматтарды көрөбүз.

14 -кадам: Алга баргыла жана бардыгын өлчөгүлө

Жарайт элим, баары ушул! Сыртка жана өйдө кетүүгө убакыт келди! Бул чоң, кооз дүйнөдө суроолоруңузду, кызыктарыңызды жана сүйүктүү сырларыңызды чечүү үчүн сенсорлорду, Arduino коддоону жана маалыматтарды талдоону баштоо үчүн негиз катары колдонуңуз.

Эсиңизде болсун: жолдо сизге жардам берүү үчүн көптөгөн адамдар бар, андыктан суроолоруңуз болсо комментарийге калтырыңыз!

Дагы бир нече идея керекпи? Бул жерде эскилиги жеткен абалды өзгөртүү ачкычын, күндөн иштөөчү алыстан температура сенсорун жана Интернетке туташкан өнөр жай масштабын кантип жасоо керек!

Бул окуу куралы жактыбы жана дагы көргүңүз келеби? Patreon боюнча биздин долбоорлорду колдоого!: D