Izmantojot Arduino pilsoņu zinātnei!: 14 soļi (ar attēliem)

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Zinātne ļauj mums uzdot sev aktuālākos jautājumus un izpētīt visādus kuriozus. Ar pārdomām, smagu darbu un pacietību mēs varam izmantot savus pētījumus, lai labāk izprastu un novērtētu apkārtējo sarežģīto un skaisto pasauli.

Šī apmācība iemācīs jums izmantot Arduino (uno) mikrokontrolleru, kā izmantot dažāda veida sensorus un kā apkopot un vizualizēt datus. Pa ceļam mēs izveidosim trīs projektus: slīpuma slēdzi, temperatūras un mitruma sensoru un gaismas sensoru!

Grūtības līmenis: iesācējs

Lasīšanas laiks: 20 min

Būvēšanas laiks: atkarīgs no jūsu projekta! (Projekti šajā apmācībā aizņem apmēram 15-20 minūtes)

1. solis: Pssst, kāda ir atšķirība starp pilsoņu zinātni un “oficiālo zinātni”?

Lielākā atšķirība ir tāda, ka pilsoņu zinātne, kā man patīk teikt, ir “viļņota ar rokām”, kas nozīmē, ka ir daudz kļūdu un neskaidrību, un nav stingru procesu to identificēšanai. Šī iemesla dēļ secinājumi, kas izdarīti, izmantojot pilsoņu zinātni, ir daudz mazāk precīzi nekā zinātne-zinātne, un uz tiem nevajadzētu paļauties, lai izteiktu nopietnus/dzīvību mainošus/dzīvībai bīstamus apgalvojumus vai lēmumus.*

Tomēr pilsoņu zinātne ir lielisks veids, kā veidot fundamentālu izpratni par visa veida aizraujošo zinātnisko parādību, un tā ir pietiekami laba lielākajai daļai ikdienas lietojumu.

*Ja jūs nodarbojaties ar pilsoņu zinātni un atklājat kaut ko potenciāli bīstamu (piemēram, augsts svina līmenis ūdenī), informējiet savu pedagogu (ja piemērojams) un sazinieties ar attiecīgajām iestādēm un speciālistiem, lai saņemtu palīdzību.

2. solis: Kas ir Arduino ??

Arduino ir mikrokontrolleru plate un integrēta attīstības vide ("IDE"), kas ir izsmalcināts veids, kā pateikt "kodēšanas programma". Iesācējiem es ļoti iesaku Arduino Uno dēļus, jo tie ir īpaši izturīgi, uzticami un jaudīgi.

Arduino dēļi ir laba izvēle pilsoņu zinātnes projektiem, jo tiem ir daudz ievades tapu, ko lasīt gan analogos, gan digitālajos sensoros (par to sīkāk pastāstīsim vēlāk).

Protams, jūs varat izmantot citus mikrokontrollerus pilsoņu zinātnei atkarībā no jūsu (vai jūsu studentu) vajadzībām, spējām un komforta līmeņa. Šeit ir pārskats par mikrokontrolleriem, lai palīdzētu jums izlemt, kas jums ir vislabākais!

Lai zibspuldzi vai programmētu Arduino plati, pievienojiet to, izmantojot USB, un pēc tam:

1. Sadaļā Rīki -> Dēļi atlasiet izmantotā Arduino veidu. (2. foto)

2. Atlasiet portu (jeb vietu, kur tas ir savienots ar datoru). (3. foto)

3. Noklikšķiniet uz pogas Augšupielādēt un pārbaudiet, vai augšupielāde ir pabeigta. (4. foto)

3. darbība: rīki un materiāli

Ja jūs tikko sākat darbu, komplekta iegūšana ir ātrs un vienkāršs veids, kā uzreiz iegūt vairākas detaļas. Šajā apmācībā izmantotais komplekts ir Elegoo Arduino sākuma komplekts.*

Rīki

• Arduino Uno
• USB kabelis no A līdz B (pazīstams arī kā printera kabelis)

• Jumper vadi

  • 3 no vīriešiem līdz vīriešiem
  • 3 vīrieši-sievietes

• Maizes dēlis

  Pēc izvēles, bet ieteicams, lai padarītu jūsu dzīvi vieglāku un jautrāku:)

Materiāli

Šajā apmācībā aplūkotajiem projektiem jums būs nepieciešamas šīs Elegoo Arduino sākuma komplekta daļas:

• Slīpuma slēdzis
• DTH11 temperatūras un mitruma sensors
• LED
• 100 omu rezistors

*Pilnīga izpaušana: es pērku šos pašus komplektus darbnīcām, taču šajā apmācībā izmantoto komplektu ziedoja jauki Elegoo ļaudis.

4. darbība: kādus sensoru veidus mēs varam izmantot?

Izstrādājot zinātnisku eksperimentu, mēs parasti sākam ar jautājumu: cik daudz augu dienā absorbē augi? Kāds ir lēciena trieciena spēks? Kas ir apziņa ??

Pamatojoties uz mūsu jautājumu, mēs varam noteikt, ko mēs vēlamies izmērīt, un veikt dažus pētījumus, lai noskaidrotu, kādu sensoru mēs varam izmantot datu apkopošanai (lai gan varētu būt nedaudz sarežģīti apkopot datus par šo pēdējo jautājumu!).

Strādājot ar elektroniku, ir divi galvenie sensoru datu signālu veidi: digitālie un analogie. Fotoattēlā pirmās divas detaļu rindas ir digitālie sensori, bet divas augšējās rindas ir analogās.

Ir daudz dažādu veidu digitālo sensoru, un ar dažiem ir grūtāk strādāt nekā ar citiem. Veicot pētījumus savam pilsoņu zinātnes projektam, vienmēr pārbaudiet, kā sensors izsniedz datus (vienkārši), un pārliecinieties, vai varat atrast (Arduino) bibliotēku šim konkrētajam sensoram.

Trīs šajā apmācībā aplūkotajos projektos mēs izmantosim divu veidu digitālos sensorus un vienu analogo sensoru. Sāksim mācīties!

5. solis: digitālie sensori! 1. daļa: vieglie

Lielākajai daļai izmantoto sensoru tiek izvadīts digitālais signāls, kas ir ieslēgts vai izslēgts signāls.* Mēs izmantojam bināros skaitļus, lai attēlotu šos divus stāvokļus: signālu Ieslēgts norāda ar 1 vai True, bet izslēgts ir 0, vai nepatiesa. Ja mēs uzzīmētu attēlu, kā izskatās binārais signāls, tas būtu kvadrātveida vilnis kā 2. fotoattēlā.

Ir daži digitālie sensori, piemēram, slēdži, kurus ir ļoti viegli un vienkārši izmērīt, jo vai nu poga tiek nospiesta, un mēs saņemam signālu (1), vai arī tas netiek nospiests un mums nav signāla (0). Pirmā fotoattēla apakšējā rindā attēlotie sensori ir vienkārši ieslēgšanas/izslēgšanas veidi. Augšējās rindas sensori ir nedaudz sarežģītāki, un tie ir apskatīti pēc mūsu pirmā projekta.

Pirmie divi šīs apmācības projekti iemācīs jums izmantot abus veidus! Turpinām veidot mūsu pirmo projektu !!

*Ieslēgts nozīmē elektrisko signālu elektriskās strāvas un sprieguma veidā. Izslēgts nozīmē, ka nav elektriskā signāla!

6. darbība: 1. projekts: noliekt slēdža digitālo sensoru

Šim pirmajam projektam izmantosim slīpuma slēdzi, melno cilindrisko sensoru ar divām kājām! 1. solis: ievietojiet slīpuma slēdža vienu kāju Arduino Digital Pin 13, bet otru kāju GND tapā tieši blakus tapai 13. Orientācija nav nozīmes.

2. darbība. Uzrakstiet skici, kurā tiek lasīts un izdrukāts digitālās tapas 13 statuss

Vai arī jūs varat izmantot manu!

Ja jūs tikko sākat kodēšanu, izlasiet komentārus, lai labāk izprastu skices darbību, un mēģiniet mainīt dažas lietas, lai redzētu, kas notiek! Ir pareizi lauzt lietas, tas ir lielisks veids, kā mācīties! Jūs vienmēr varat lejupielādēt failu un sākt no jauna:)

3. darbība. Lai redzētu savus tiešraides datus, noklikšķiniet uz pogas Serial Monitor (2. fotoattēls)

.. aaaa un viss! Tagad jūs varat izmantot slīpuma slēdzi, lai izmērītu orientāciju! Iestatiet to, lai izsauktu savu kaķīti, kad tas kaut ko nogāž, vai izmantojiet to, lai izsekotu, kā koku zari pārvietojas vētru laikā!.. & starp šīm divām galējībām, iespējams, ir arī citi pielietojumi.

7. solis: digitālie sensori! 2. daļa: PWM un seriālā komunikācija

Ir daudz veidu, kā izveidot sarežģītākus digitālos signālus! Vienu metodi sauc par impulsa platuma modulāciju ("PWM"), kas ir izsmalcināts veids, kā pateikt signālu, kas ir ieslēgts noteiktu laiku un izslēgts noteiktu laiku. Servo motori (kurus var izmantot pozīcijas mērīšanai) un ultraskaņas sensori ir sensoru piemēri, kas izmanto PWM signālus.

Ir arī sensori, kas izmanto sērijveida sakarus, lai vienlaikus nosūtītu datus par vienu bitu vai bināru ciparu. Šiem sensoriem ir jāpārzina datu lapu lasīšana, un tie var būt diezgan sarežģīti, ja tikko sākat darbu. Par laimi, parastajiem sērijveida sensoriem būs kodu bibliotēkas* un paraugprogrammas, no kurām var izvilkt, lai jūs joprojām varētu apvienot kaut ko funkcionālu. Sīkāka informācija par seriālo sakaru protokoliem nav iekļauta šajā apmācībā, taču šeit ir lielisks SparkFun sērijas sakaru resurss, lai uzzinātu vairāk!

Šim parauga projektam izmantosim temperatūras un mitruma sensoru (DHT11)! Šis ir zils kvadrāts ar caurumiem un 3 tapām.

Vispirms mums būs nepieciešamas dažas īpašas DHT11 sensora bibliotēkas: DHT11 bibliotēka un Adafruit vienotā sensora bibliotēka. Lai instalētu šīs bibliotēkas (un lielāko daļu citu Arduino bibliotēku):

1. darbība: atveriet Arduino bibliotēkas pārvaldnieku, dodoties uz Skice -> Bibliotēkas -> Pārvaldīt bibliotēku (2. foto)

2. darbība: instalējiet un aktivizējiet DHT bibliotēku, meklējot "DHT" un pēc tam noklikšķinot uz Instalēt, lai iegūtu "DHT Arduino bibliotēku" (3. foto)

3. darbība: instalējiet un aktivizējiet Adafruit Unified Sensor bibliotēku, meklējot “Adafruit Unified Sensor” un noklikšķinot uz Instalēt.

4. solis. Ievietojiet DHT bibliotēku savā atvērtajā skicē, dodoties uz Skice -> Bibliotēkas un noklikšķinot uz "DHT Arduino bibliotēka. (4. fotoattēls). Skices augšdaļā tiks ievietotas dažas jaunas rindiņas, kas nozīmē bibliotēka tagad ir aktīva un gatava lietošanai! (5. foto)

*Tāpat kā jūsu iecienītākā vietējā bibliotēka, kodu bibliotēkas ir daudz zināšanu un citu cilvēku smags darbs, ko mēs varam izmantot, lai atvieglotu mūsu dzīvi, jā!

8. darbība: 2. projekts: temperatūras un mitruma digitālais sērijas sensors

Paņemiet 3 džemperus no vīriešiem līdz sievietēm no Elegoo Arduino sākuma komplekta, un mēs esam gatavi doties!

1. darbība. Kad galvenes tapas ir vērstas pret jums, pievienojiet DHT11 labās malas galvenes tapu ar Arduino zemējuma ("GND") tapu.

2. darbība: savienojiet vidējo galvenes tapu ar Arduino 5V izejas tapu.

3. darbība: savienojiet kreisāko galviņas tapu ar Arduino Digital Pin 2

4. solis: Visbeidzot, izlasiet DHT bibliotēku un izmēģiniet savus spēkus skices rakstīšanā! Oooor jūs varat izmantot manu vai DHT testa piemēra skici Arduino -> Piemēri!

Kad esat to uzsācis, dodieties uz priekšu un izmēriet visu lietu temperatūru un mitrumu!.. Tāpat kā dzīvnieka elpa, siltumnīca vai jūsu iecienītākā kāpšanas vieta dažādos gada laikos, lai atrastu * ideālo * nosūtīšanas temp.

9. solis: analogie sensori

Pēc sarežģītās ieniršanas digitālajos sensoros analogie sensori var šķist brīze! Analogie signāli ir nepārtraukts signāls, kā parādīts 2. fotoattēlā. Lielākā daļa fiziskās pasaules pastāv analogā veidā (piemēram, temperatūra, vecums, spiediens utt.), Bet, tā kā datori ir digitāli*, lielākā daļa sensoru izvadīs digitālo signālu. Daži mikrokontrolleri, piemēram, Arduino plates, var lasīt arī analogos signālos **.

Lielākajai daļai analogo sensoru mēs piešķiram sensoram jaudu un pēc tam nolasām analogo signālu, izmantojot analogās ieejas tapas. Šim testam mēs izmantosim vēl vienkāršāku iestatījumu, lai izmērītu spriegumu visā gaismas diodē, kad mēs to apgaismojam.

*Datori izmanto digitālos signālus, lai saglabātu un pārsūtītu informāciju. Tas ir tāpēc, ka digitālos signālus ir vieglāk atklāt un tie ir uzticamāki, jo mums jāuztraucas tikai par signāla saņemšanu vai ne, salīdzinot ar to, ka jāuztraucas par signāla kvalitāti/precizitāti.

** Lai ciparu ierīcē nolasītu analogo signālu, mums jāizmanto pārveidotājs no analogā uz ciparu vai ADC, kas tuvina analogo signālu, salīdzinot ieeju ar zināmu ierīces spriegumu un pēc tam skaitot, cik ilgi tas notiek. nepieciešams, lai sasniegtu ieejas spriegumu. Lai iegūtu vairāk informācijas, šī ir noderīga vietne.

10. solis: 3. projekts: LED kā gaismas sensors

Paņemiet LED (jebkura krāsa, izņemot baltu), 100 omu rezistoru un 2 džemperu kabeļus. Ak, un maizes dēlis!

1. darbība: ievietojiet gaismas diodi maizes plāksnē ar garāku kāju labajā pusē.

2. darbība: pievienojiet pārejas vadu no Arduino analogās tapas A0 un garāko LED kāju

3. solis: pievienojiet rezistoru starp īsāko LED kāju un maizes dēļa negatīvo barošanas sliedi (blakus zilajai līnijai).

4. solis: pievienojiet Arduino GND tapu pie negatīvās barošanas sliedes uz maizes dēļa.

5. solis: uzrakstiet skici, kas skan Analog Pin A0 un izdrukā uz Serial Monitor

Šeit ir koda paraugs, lai sāktu darbu.

11. solis: datu vizualizācija: Arduino IDE

Arduino IDE ir iebūvēti rīki datu vizualizēšanai. Mēs jau esam izpētījuši seriālā monitora pamatus, kas ļauj drukāt sensora vērtības. Ja vēlaties saglabāt un analizēt savus datus, kopējiet izvadi tieši no sērijas monitora un ielīmējiet teksta redaktorā, izklājlapā vai citā datu analīzes rīkā.

Otrs rīks, ko mēs varam izmantot, lai redzētu mūsu datus Arduino programmā, ir Serial Plotter, sērijas monitora vizuālā versija (aka grafika). Lai izmantotu sērijas ploteri, dodieties uz Tools Serial Plotter. Diagramma 2. fotoattēlā ir gaismas diode kā gaismas sensors no projekta 3!*

Sižets tiks automātiski mērogots, un, kamēr sensoriem izmantojat Serial.println (), tas arī drukās visus jūsu sensorus dažādās krāsās. Urrā! Tieši tā!

*Ja paskatās uz beigām, ir ļoti interesants viļņu modelis, kas, iespējams, ir saistīts ar maiņstrāvu ("AC") mūsu gaismu apgaismojumā!

12. solis: datu vizualizācija: Excel! 1. daļa

Nopietnākai datu analīzei ir pieejams Excel foršs (un bezmaksas!) Papildinājums ar nosaukumu Data Streamer*, kuru varat lejupielādēt šeit.

Šī pievienojumprogramma skan no seriālā porta, tāpēc mēs varam izmantot tieši to pašu kodēšanas paņēmienu, drukājot datus sērijveidā, lai iegūtu datus tieši programmā Excel.

Kā izmantot datu straumētāja pievienojumprogrammu:

1. Kad esat to instalējis (vai ja jums ir O365), programmā Excel noklikšķiniet uz cilnes Datu straumētājs (labajā pusē).

2. Pievienojiet savu Arduino un noklikšķiniet uz "Savienot ierīci", pēc tam nolaižamajā izvēlnē atlasiet Arduino. (1. fotoattēls)

3. Lai sāktu datu vākšanu, noklikšķiniet uz "Sākt datus"! (2. fotoattēls) Tiks atvērtas trīs jaunas lapas: “Data In”, “Data Out” un “Settings”.

Tiešsaistes dati tiek izdrukāti lapā Data In. (3. fotoattēls) Katra rinda atbilst sensora rādījumam, un pēdējā rindā ir uzdrukāta jaunākā vērtība.

Pēc noklusējuma mēs iegūstam tikai 15 datu rindas, taču to varat mainīt, dodoties uz sadaļu “Iestatījumi”. Mēs varam apkopot līdz 500 rindām (ierobežojums ir saistīts ar Excel joslas platumu - fonā notiek daudz!).

*Pilnīga izpaušana: lai gan šī apmācība nav saistīta, es strādāju kopā ar Microsoft Hacking STEM komandu, kas izstrādāja šo pievienojumprogrammu.

13. darbība: datu vizualizācija: Excel! 2. daļa

4. Pievienojiet savu datu diagrammu! Veiciet datu analīzi! Izkliedes diagrammas parāda, kā sensora rādījumi laika gaitā mainās, un tas ir tas pats, ko mēs redzējām Arduino sērijas ploterī.

Lai pievienotu izkliedes diagrammu:

Dodieties uz Ievietot -> Diagrammas -> Izkliedēt. Kad tiek parādīts sižets, ar peles labo pogu noklikšķiniet uz tā un izvēlieties "Atlasīt datus", pēc tam - Pievienot. Mēs vēlamies, lai mūsu dati tiktu parādīti uz y ass, bet uz “x”-“laiks”*. Lai to izdarītu, noklikšķiniet uz bultiņas blakus y asij, dodieties uz lapu Data In un atlasiet visus ienākošos sensora datus (2. fotoattēls).

Mēs varam arī veikt aprēķinus un salīdzinājumus programmā Excel! Lai uzrakstītu formulu, noklikšķiniet uz tukšas šūnas un ierakstiet vienādības zīmi ("="), pēc tam veiciet aprēķinu. Ir daudz iebūvētu komandu, piemēram, vidējais, maksimālais un minimālais.

Lai izmantotu komandu, ierakstiet vienādības zīmi, komandas nosaukumu un atvērtu iekavu, pēc tam atlasiet analizējamos datus un aizveriet iekavas (3. fotoattēls)

5. Lai nosūtītu vairāk nekā vienu datu kolonnu (AKA vairāk nekā vienu sensoru), izdrukājiet vērtības tajā pašā rindā, atdalot tās ar komatu, ar pēdējo tukšo jauno rindu, piemēram:

Serial.print (sensorReading1);

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

*Ja vēlaties, lai faktiskais laiks būtu uz X ass, atlasiet laika zīmogu lapas A slejā, lai iegūtu X ass vērtības jūsu izkliedes diagrammā. Jebkurā gadījumā mēs redzēsim savus datus laika gaitā.

14. solis: dodieties uz priekšu un izmēriet visas lietas

Labi, ļaudis, tas arī viss! Laiks iet ārā un augšā! Izmantojiet to kā pamatu, lai sāktu pētīt sensorus, Arduino kodēšanu un datu analīzi, lai risinātu savus jautājumus, ziņkārības un mīļākos noslēpumus šajā lielajā, skaistajā pasaulē.

Atcerieties: tur ir daudz cilvēku, kas jums palīdzēs, tāpēc, ja jums ir jautājums, lūdzu, atstājiet komentāru!

Nepieciešamas vēl dažas idejas? Lūk, kā izveidot valkājamu stāvokļa maiņas slēdzi, ar saules enerģiju darbināmu tālvadības temperatūras sensoru un ar internetu savienotu rūpniecisko mērogu!

Patīk šī apmācība un vēlaties redzēt vairāk? Atbalstiet mūsu projektus Patreon!: D