HackerBox 0035: Elektroķīmija: 11 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šomēnes HackerBox Hackers pēta dažādus elektroķīmiskos sensorus un testēšanas metodes materiālu fizisko īpašību mērīšanai. Šajā pamācībā ir informācija, lai sāktu darbu ar HackerBox #0035, kuru var iegādāties šeit, kamēr beidzas krājumi. Turklāt, ja vēlaties katru mēnesi saņemt šādu HackerBox tieši savā pastkastē, lūdzu, abonējiet vietni HackerBoxes.com un pievienojieties revolūcijai!

HackerBox 0035 tēmas un mācību mērķi:

• Konfigurējiet Arduino Nano lietošanai ar Arduino IDE
• Pievienojiet un kodējiet OLED moduli, lai parādītu mērījumus
• Izveidojiet alkometra demonstrāciju, izmantojot alkohola sensorus
• Salīdziniet gāzes sensorus, lai veiktu gaisa kvalitātes mērījumus
• Ūdens kvalitātes noteikšana no kopējās izšķīdušās cietās vielas (TDS)
• Pārbaudiet bezkontakta un ūdenī iegremdējamo termisko sensoru

HackerBoxes ir ikmēneša abonēšanas kastes pakalpojums DIY elektronikai un datortehnoloģijai. Mēs esam hobiji, veidotāji un eksperimentētāji. Mēs esam sapņu sapņotāji. HACK PLANET!

1. darbība: HackerBox 0035: kastes saturs

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pikseļu I2C displejs
• TDS-3 ūdens kvalitātes mērītājs
• GY-906 bezkontakta temperatūras modulis
• MP503 Gaisa kvalitātes piesārņojuma sensors
• DS18B20 ūdensizturīgs temperatūras zonde
• MQ-3 alkohola sensora modulis
• MQ-135 gaisa bīstamības gāzes sensora modulis
• DHT11 mitruma un temperatūras modulis
• KY-008 lāzera modulis
• Gaismas diožu, 1K rezistoru un taustes pogu komplekts
• 400 punktu "kristāldzidrs" maizes dēlis
• Džempera vadu komplekts - 65 gab
• MircoUSB kabelis
• Ekskluzīvas HackerBoxes uzlīmes

Dažas citas lietas, kas būs noderīgas:

• Lodāmurs, lodētava un pamata lodēšanas rīki
• Dators programmatūras rīku palaišanai

Vissvarīgākais - jums būs nepieciešama piedzīvojumu sajūta, DIY gars un hakeru zinātkāre. Hardcore DIY elektronika nav triviāla nodarbošanās, un HackerBoxes netiek padzirdītas. Mērķis ir progress, nevis pilnība. Kad jūs neatlaidīgi izbaudāt piedzīvojumus, lielu gandarījumu var gūt, apgūstot jaunas tehnoloģijas un cerams, ka daži projekti darbosies. Mēs iesakām spert katru soli lēnām, apdomājot detaļas un nebaidieties lūgt palīdzību.

Ir daudz informācijas pašreizējiem un potenciālajiem dalībniekiem HackerBoxes FAQ.

2. solis: elektroķīmija

Elektroķīmija (Wikipedia) ir fizikālās ķīmijas nozare, kas pēta attiecības starp elektrību kā izmērāmu un kvantitatīvu parādību un konkrētām ķīmiskām izmaiņām vai otrādi. Ķīmiskās reakcijas ietver elektriskos lādiņus, kas pārvietojas starp elektrodiem un elektrolītu (vai joniem šķīdumā). Tādējādi elektroķīmija nodarbojas ar elektriskās enerģijas un ķīmisko izmaiņu mijiedarbību.

Visizplatītākās elektroķīmiskās ierīces ir ikdienas baterijas. Akumulatori ir ierīces, kas sastāv no vienas vai vairākām elektroķīmiskām šūnām ar ārējiem savienojumiem, lai nodrošinātu elektrisko ierīču, piemēram, lukturīšu, viedtālruņu un elektromobiļu, barošanu.

Elektroķīmiskie gāzes sensori ir gāzes detektori, kas mēra mērķgāzes koncentrāciju, oksidējot vai reducējot mērķgāzi pie elektroda un mērot iegūto strāvu.

Elektrolīze ir metode, kas izmanto tiešu elektrisko strāvu (DC), lai izraisītu citādi nespeciālu ķīmisku reakciju. Elektrolīze ir komerciāli svarīga kā posms elementu atdalīšanai no dabiski sastopamiem avotiem, piemēram, rūdām, izmantojot elektrolītisko elementu.

3. darbība: Arduino Nano mikrokontrolleru platforma

Arduino Nano vai līdzīga mikrokontrollera plate ir lieliska izvēle saskarnei ar elektroķīmiskajiem sensoriem un displeja izejām uz datoru vai video displeju. Iekļautajam Arduino Nano modulim ir galvenes tapas, taču tās nav pielodētas modulim. Atstājiet tapas pagaidām nost. Veiciet šos Arduino Nano moduļa sākotnējos testus PIRMS Arduino Nano galvenes tapas lodēšanai. Viss, kas nepieciešams nākamajiem pāris soļiem, ir microUSB kabelis un Nano modulis tieši tā, kā tas iznāk no somas.

Arduino Nano ir uz virsmas uzstādāms, uz maizes dēļa piemērots, miniatūrizēts Arduino dēlis ar integrētu USB. Tas ir pārsteidzoši pilnvērtīgs un viegli uzlaužams.

Iespējas:

• Mikrokontrolleris: Atmel ATmega328P
• Spriegums: 5V
• Digitālās I/O tapas: 14 (6 PWM)
• Analogās ieejas tapas: 8
• DC strāva uz I/O tapu: 40 mA
• Zibatmiņa: 32 KB (2 KB sāknēšanas ielādētājam)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Pulksteņa ātrums: 16 MHz
• Izmēri: 17 mm x 43 mm

Šis konkrētais Arduino Nano variants ir melnais Robotdyn dizains. Interfeisu nodrošina iebūvēts MicroUSB ports, kas ir saderīgs ar tiem pašiem MicroUSB kabeļiem, ko izmanto ar daudziem mobilajiem tālruņiem un planšetdatoriem.

Arduino Nanos ir iebūvēta USB/seriālā tilta mikroshēma. Šajā konkrētajā variantā tilta mikroshēma ir CH340G. Ņemiet vērā, ka dažādu veidu Arduino dēļos tiek izmantoti dažādi cita veida USB/seriālā tilta mikroshēmas. Šīs mikroshēmas ļauj datora USB portam sazināties ar Arduino procesora mikroshēmas seriālo saskarni.

Datora operētājsistēmai ir nepieciešams ierīces draiveris, lai sazinātos ar USB/seriālo mikroshēmu. Vadītājs ļauj IDE sazināties ar Arduino plati. Nepieciešamais konkrētais ierīces draiveris ir atkarīgs gan no OS versijas, gan arī no USB/seriālās mikroshēmas veida. CH340 USB/sērijas mikroshēmām ir pieejami draiveri daudzām operētājsistēmām (UNIX, Mac OS X vai Windows). Šos draiverus šeit piegādā ražotājs CH340.

Kad pirmo reizi pievienojat Arduino Nano datora USB portam, iedegas zaļais strāvas indikators un neilgi pēc tam, kad zilai gaismas diodei jāsāk lēni mirgot. Tas notiek tāpēc, ka Nano ir iepriekš ielādēts ar BLINK programmu, kas darbojas ar pavisam jauno Arduino Nano.

4. solis: Arduino integrētā attīstības vide (IDE)

Ja jums vēl nav instalēts Arduino IDE, varat to lejupielādēt no vietnes Arduino.cc

Ja vēlaties papildu ievadinformāciju darbam Arduino ekosistēmā, iesakām iepazīties ar HackerBoxes sākuma semināra norādījumiem.

Pievienojiet Nano MicroUSB kabeli un otru kabeļa galu datora USB portam, palaidiet Arduino IDE programmatūru, izvēlieties atbilstošo USB portu IDE sadaļā Tools> port (iespējams, nosaukums ar “wchusb”)). IDE sadaļā rīki> tāfele izvēlieties arī "Arduino Nano".

Visbeidzot, ielādējiet koda parauga gabalu:

Fails-> Piemēri-> Pamati-> Mirgo

Tas faktiski ir kods, kas iepriekš tika ielādēts Nano, un tam vajadzētu darboties tieši tagad, lai lēnām mirgotu zilā gaismas diode. Attiecīgi, ja mēs ielādēsim šo piemēra kodu, nekas nemainīsies. Tā vietā nedaudz pārveidosim kodu.

Skatoties cieši, var redzēt, ka programma ieslēdz gaismas diodi, gaida 1000 milisekundes (vienu sekundi), izslēdz gaismas diodi, gaida vēl vienu sekundi un pēc tam to visu dara vēlreiz - uz visiem laikiem.

Mainiet kodu, mainot abus paziņojumus "kavēšanās (1000)" uz "aizkave (100)". Šīs modifikācijas dēļ gaismas diode mirgos desmit reizes ātrāk, vai ne?

Ielādēsim modificēto kodu Nano, noklikšķinot uz pogas UPLOAD (augšupielādēt) (bultiņas ikona) tieši virs modificētā koda. Skatiet statusa informāciju zem koda: “apkopošana” un pēc tam “augšupielāde”. Visbeidzot, IDE vajadzētu norādīt "Augšupielāde pabeigta", un jūsu gaismas diodei vajadzētu mirgot ātrāk.

Ja tā, apsveicu! Jūs tikko uzlauzāt savu pirmo iegulto kodu.

Kad jūsu ātrās mirgošanas versija ir ielādēta un darbojas, kāpēc gan nepārbaudīt, vai varat vēlreiz mainīt kodu, lai gaismas diode divas reizes ātri mirgotu, un pēc tam pagaidiet dažas sekundes pirms atkārtošanas? Pamēģināt! Kā ar dažiem citiem modeļiem? Kad jums izdosies vizualizēt vēlamo rezultātu, kodēt to un novērot, kā tas darbojas, kā plānots, esat spēris milzīgu soli, lai kļūtu par kompetentu aparatūras hakeru.

5. darbība: galvenes tapas un OLED uz bezlodēšanas maizes dēļa

Tagad, kad jūsu izstrādes dators ir konfigurēts, lai ielādētu kodu Arduino Nano un Nano ir pārbaudīts, atvienojiet USB kabeli no Nano un sagatavojieties lodēt galvenes tapas. Ja šī ir tava pirmā nakts cīņas klubā, tev ir jālodē! Tiešsaistē ir daudz lielisku rokasgrāmatu un video par lodēšanu (piemēram). Ja jums liekas, ka jums nepieciešama papildu palīdzība, mēģiniet savā reģionā atrast vietējo veidotāju grupu vai hakeru vietu. Arī radioamatieru klubi vienmēr ir lieliski elektronikas pieredzes avoti.

Lodējiet abas vienas rindas galvenes (katra piecpadsmit tapas) Arduino Nano modulī. Šajā projektā netiks izmantots sešu kontaktu ICSP (ķēdes sērijveida programmēšanas) savienotājs, tāpēc vienkārši atstājiet šīs tapas izslēgtas. Kad lodēšana ir pabeigta, rūpīgi pārbaudiet, vai nav lodēšanas tiltu un/vai aukstā lodēšanas savienojumu. Visbeidzot, pievienojiet Arduino Nano atpakaļ USB kabelim un pārbaudiet, vai viss joprojām darbojas pareizi.

Lai savienotu OLED ar Nano, ievietojiet abus bez lodēšanas maizes dēļa, kā parādīts attēlā, un vadu starp tiem saskaņā ar šo tabulu:

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

Lai vadītu OLED displeju, instalējiet šeit atrodamo SSD1306 OLED displeja draiveri Arduino IDE.

Pārbaudiet OLED displeju, ielādējot ssd1306/sniegpārsliņu piemēru un ieprogrammējot to Nano.

Citi piemēri no SDD1306 bibliotēkas ir noderīgi, lai izpētītu OLED displeja izmantošanu.

6. darbība: MQ-3 alkohola sensora un alkometra demonstrācija

MQ-3 alkohola gāzes sensors (datu lapa) ir lēts pusvadītāju sensors, kas var noteikt alkohola gāzu klātbūtni koncentrācijās no 0,05 mg/l līdz 10 mg/l. MQ-3 izmantotais sensoru materiāls ir SnO2, kuram ir paaugstināta vadītspēja, ja tiek pakļauta pieaugošai alkohola koncentrācijai. MQ-3 ir ļoti jutīga pret alkoholu ar ļoti mazu krustenisko jutību pret dūmiem, tvaikiem vai benzīnu.

Šis MQ-3 modulis nodrošina neapstrādātu analogo izeju attiecībā pret alkohola koncentrāciju. Modulim ir arī LM393 (datu lapas) salīdzinātājs, lai ierobežotu digitālo izvadi.

MQ-3 moduli var savienot ar Nano saskaņā ar šo tabulu:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Nav izmantots

Demo kods no video.

BRĪDINĀJUMS: Šis projekts ir tikai izglītojošs demonstrējums. Tas nav medicīnas instruments. Tas nav kalibrēts. Tas nekādā veidā nav paredzēts noteikt alkohola līmeni asinīs, lai novērtētu likumīgās vai drošības robežas. Neesi stulbs. Nedzer un nebrauc. Ieradies dzīvs!

7. solis: Ketonu noteikšana

Ketoni ir vienkārši savienojumi, kas satur karbonilgrupu (oglekļa-skābekļa dubultsaiti). Daudzi ketoni ir svarīgi gan rūpniecībā, gan bioloģijā. Parastais šķīdinātājs acetons ir mazākais ketons.

Mūsdienās daudzi ir pazīstami ar ketogēnu diētu. Tā ir diēta, kuras pamatā ir augsta tauku, pietiekama proteīna un maz ogļhidrātu patēriņš. Tas liek organismam sadedzināt taukus, nevis ogļhidrātus. Parasti pārtikā esošie ogļhidrāti tiek pārvērsti glikozē, kas pēc tam tiek transportēta pa ķermeni un ir īpaši svarīga smadzeņu darbības veicināšanai. Tomēr, ja uzturā ir maz ogļhidrātu, aknas taukus pārvērš taukskābēs un ketonu ķermeņos. Ketonu ķermeņi nonāk smadzenēs un aizstāj glikozi kā enerģijas avotu. Paaugstināts ketonu ķermeņu līmenis asinīs izraisa stāvokli, kas pazīstams kā ketoze.

Ketona noteikšanas projekta piemērs

Vēl viens ketona noteikšanas projekta piemērs

MQ-3 salīdzinājums ar TGS822 gāzes sensoriem

8. solis: gaisa kvalitātes noteikšana

Gaisa piesārņojums rodas, ja atmosfērā nonāk kaitīgs vai pārmērīgs daudzums vielu, tostarp gāzes, daļiņas un bioloģiskas molekulas. Piesārņojums cilvēkiem var izraisīt slimības, alerģiju un pat nāvi. Tas var arī kaitēt citiem dzīviem organismiem, piemēram, dzīvniekiem, pārtikas kultūrām un videi kopumā. Gan cilvēka darbība, gan dabas procesi var radīt gaisa piesārņojumu. Iekštelpu gaisa piesārņojums un slikta gaisa kvalitāte pilsētās ir uzskaitītas kā divas no pasaules sliktākajām toksiskā piesārņojuma problēmām.

Mēs varam salīdzināt divu dažādu gaisa kvalitātes (vai gaisa bīstamības) sensoru darbību. Tie ir MQ-135 (datu lapa) un MP503 (datu lapa).

MQ-135 ir jutīgs pret metānu, slāpekļa oksīdiem, spirtiem, benzolu, dūmiem, CO2 un citām molekulām. Tās saskarne ir identiska MQ-3 saskarnei.

MP503 ir jutīgs pret formaldehīda gāzi, benzolu, oglekļa monoksīdu, ūdeņradi, spirtu, amonjaku, cigarešu dūmiem, daudzām smakām un citām molekulām. Tās saskarne ir pavisam vienkārša, nodrošinot divas digitālās izejas, lai norādītu četrus piesārņotāju koncentrācijas līmeņus. MP503 noklusējuma savienotājam ir plastmasas apvalka apvalks, ko var noņemt un aizstāt ar standarta 4 kontaktu galviņu (ir iekļauta somā), kas paredzēta lietošanai ar lodēšanas plātnēm, DuPont džemperiem vai līdzīgiem parastajiem savienotājiem.

9. solis: ūdens kvalitātes noteikšana

TDS-3 ūdens kvalitātes testeris

Kopējais izšķīdušo cietvielu daudzums (TDS) ir kopējais mobilo lādēto jonu daudzums, ieskaitot minerālus, sāļus vai metālus, kas izšķīdināti noteiktā ūdens tilpumā. TDS, kura pamatā ir vadītspēja, ir izteikts miljonos (ppm) vai miligramos litrā (mg/L). Izšķīdušās cietās vielas ietver visus vadošos neorganiskos elementus, izņemot tīra ūdens molekulas (H2O) un suspendētās cietās vielas. EPA maksimālais piesārņotāju līmenis TDS lietošanai pārtikā ir 500 ppm.

TDS mērījumu veikšana

1. Noņemiet aizsargvāciņu.
2. Ieslēdziet TDS mērītāju. ON/OFF slēdzis atrodas uz paneļa.
3. Iegremdējiet skaitītāju ūdenī/šķīdumā līdz maks. iegremdēšanas līmenis (2”).
4. Viegli samaisiet mērītāju, lai atbrīvotos no gaisa burbuļiem.
5. Pagaidiet, līdz displejs stabilizējas. Kad nolasījums ir stabilizējies (aptuveni 10 sekundes), nospiediet pogu HOLD, lai skatītu rādījumus no ūdens.
6. Ja uz skaitītāja parādās mirgojošs “x10” simbols, reiziniet rādījumu ar 10.
7. Pēc lietošanas nokratiet no skaitītāja lieko ūdeni. Nomainiet vāciņu.

Avots: pilna instrukciju lapa

Eksperiments: izveidojiet savu vienkāršo TDS mērītāju (projekts ar video šeit), ko var kalibrēt un pārbaudīt ar TDS-3.

10. solis: termiskā noteikšana

GY-906 bezkontakta temperatūras sensora modulis

GY-906 termiskās uztveršanas modulis ir aprīkots ar MLX90614 (detaļas). Šis ir vienkārši lietojams, bet ļoti jaudīgs vienas zonas infrasarkanais termometrs, kas spēj noteikt objektu temperatūru no -70 līdz 380 ° C. Lai sazinātos, tiek izmantots I2C interfeiss, kas nozīmē, ka jums ir tikai jāvelta divi vadi no sava mikrokontrollera, lai ar to saskarotos.

Demo termo sensoru projekts.

Vēl viens termo sensoru projekts.

DS18B20 ūdensnecaurlaidīgs temperatūras sensors

DS18B20 viena stieples temperatūras sensors (detaļas) var izmērīt temperatūru no -55 ℃ līdz 125 ℃ ar precizitāti ± 5.

11. solis: uzlauzt planētu

Ja jums patika šī pamācība un vēlaties, lai katru mēnesi jūsu pastkastē nonāktu uzlauzta elektronikas un datortehnikas projektu kaste, lūdzu, pievienojieties revolūcijai, pārlūkojot vietni HackerBoxes.com un abonējot mūsu ikmēneša pārsteigumu kastīti.

Sazinieties un dalieties savos panākumos zemāk esošajos komentāros vai HackerBoxes Facebook lapā. Noteikti informējiet mūs, ja jums ir kādi jautājumi vai nepieciešama palīdzība ar kaut ko. Paldies, ka esat daļa no HackerBoxes!