Vətəndaş Elmləri üçün Arduino istifadə edin !: 14 addım (şəkillərlə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Elm bizə ən aktual suallarımızı verməyə və hər cür marağı araşdırmağa imkan verir. Bir az düşüncə, zəhmət və səbrlə, kəşflərimizdən istifadə edərək ətrafımızdakı mürəkkəb və gözəl dünyanı daha yaxşı anlamaq və qiymətləndirmək üçün istifadə edə bilərik.

Bu dərslik sizə Arduino (uno) mikro nəzarətçisini necə istifadə edəcəyinizi, müxtəlif növ sensorlardan necə istifadə edəcəyinizi və məlumatları necə toplayacağınızı və görselleştirmenizi öyrədəcək. Yol boyu üç layihə quracağıq: əyilmə açarı, temperatur və rütubət sensoru və işıq sensoru!

Çətinlik Səviyyə: Başlanğıc

Oxuma müddəti: 20 dəq

Yaradılma vaxtı: Layihənizdən asılıdır! (Bu dərslikdəki layihələr təxminən 15-20 dəqiqə çəkir)

Addım 1: Pssst, Vətəndaş Elmi ilə "rəsmi Elm" arasındakı fərq nədir?

Ən böyük fərq, vətəndaş elminin "əl dalğalı" olmasıdır, yəni çoxlu səhvlər və qeyri -müəyyənliklər var və onları müəyyən etmək üçün ciddi bir proses yoxdur. Bu səbəbdən, vətəndaş elmi ilə əldə edilən nəticələr elm-elmdən daha az dəqiqdir və ciddi/həyatı dəyişdirən/həyatı təhdid edən iddialar və ya qərarlar vermək üçün onlara etibar edilməməlidir.

Deyilənə görə, vətəndaş elmi hər cür maraqlı elmi fenomen haqqında əsas anlayış yaratmaq üçün əla bir yoldur və əksər gündəlik tətbiqlər üçün kifayət qədər yaxşıdır.

*Vətəndaş elmi ilə məşğul olsanız və potensial təhlükəli bir şey kəşf etsəniz (məsələn, suda yüksək qurğuşun səviyyəsi), tərbiyəçinizə məlumat verin (əgər varsa) və kömək üçün aidiyyəti orqanlara və mütəxəssislərə müraciət edin.

Addım 2: Arduino nədir?

Arduino, "kodlaşdırma proqramı" deməyin gözəl bir yolu olan bir mikro nəzarətçi lövhəsi və İnteqrasiya edilmiş İnkişaf Ortamıdır ("IDE"). Yeni başlayanlar üçün Arduino Uno lövhələrini çox tövsiyə edirəm, çünki onlar çox möhkəm, etibarlı və güclüdür.

Arduino lövhələri vətəndaş elmi layihələri üçün yaxşı bir seçimdir, çünki həm Analog, həm də Rəqəmsal sensorlarda oxumaq üçün çoxlu giriş pinləri var (daha sonra bu barədə daha çox məlumat əldə edəcəyik).

Əlbəttə ki, (və ya şagirdlərinizin) ehtiyaclarınıza, qabiliyyətlərinizə və rahatlıq səviyyənizə görə vətəndaş elmi üçün digər mikrokontrolörlərdən istifadə edə bilərsiniz. Sizin üçün ən yaxşısını seçməyinizə kömək edəcək mikrokontrolörlərin ümumi icmalı burada!

Arduino lövhəsini yandırmaq və ya proqramlaşdırmaq üçün USB vasitəsilə qoşun, sonra:

1. Alətlər -> Lövhələr altında istifadə etdiyiniz Arduino növünü seçin. (Şəkil 2)

2. Limanı seçin (kompüterinizə qoşulduğu yer). (Şəkil 3)

3. Yüklə düyməsini basın və yükləmənin bitdiyini yoxlayın. (Şəkil 4)

Addım 3: Alətlər və materiallar

Yeni başlamısınızsa, bir dəst almaq bir anda bir dəstə hissə əldə etməyin sürətli və asan bir yoludur. Bu dərslikdə istifadə etdiyim dəst Elegoo Arduino Başlanğıc Kitidir.

Alətlər

• Arduino Uno
• USB A -dan B -ə qədər kabel (aka printer kabeli)

• Jumper telləri

  • 3 kişidən kişiyə
  • 3 kişidən qadına

• Çörək lövhəsi

  İsteğe bağlı, lakin həyatınızı daha asan və əyləncəli etmək üçün tövsiyə olunur:)

Materiallar

Bu təlimatda yer alan layihələr üçün Elegoo Arduino Başlanğıc Kitindən bu hissələrə ehtiyacınız olacaq:

• Tilt Switch
• DTH11 temperatur və rütubət sensoru
• LED
• 100 Ohm müqavimət

*Tam açıqlama: Eyni dəstləri atelye üçün alıram, amma bu dərslikdə istifadə olunan dəst Elegoo'dakı sevimli insanlar tərəfindən bağışlandı.

Addım 4: Hansı növ sensorlardan istifadə edə bilərik?

Elm təcrübəsi hazırlayarkən, adətən bir sualla başlayırıq: Bitkilər bir gündə nə qədər CO2 udur? Bir atlamanın təsir gücü nədir? Şüur nədir ??

Sualımıza əsaslanaraq, nə ölçmək istədiyimizi müəyyən edə bilərik və məlumat toplamaq üçün hansı sensordan istifadə edə biləcəyimizi öyrənmək üçün araşdırma apara bilərik (baxmayaraq ki, bu son sual üçün məlumat toplamaq bir az çətin ola bilər!).

Elektronika ilə işləyərkən sensor məlumat siqnallarının iki əsas növü vardır: Rəqəmsal və Analog. Fotoda ilk iki sıra hissələr hamısı rəqəmsal sensorlardır, üst iki sıra isə analoqdur.

Bir çox fərqli rəqəmsal sensorlar var və bəziləri ilə işləmək digərlərindən daha çətindir. Vətəndaş elm layihəniz üçün araşdırma apararkən, həmişə sensorun məlumatları necə çıxardığını yoxlayın (xüsusi olaraq) və bu xüsusi sensor üçün (Arduino) kitabxana tapa biləcəyinizə əmin olun.

Bu dərslikdə əhatə olunan üç layihədə iki növ rəqəmsal sensor və bir analoq sensordan istifadə edəcəyik. Gəlin öyrənək!

Addım 5: Rəqəmsal Sensorlar! 1 -ci hissə: Asan olanlar

Əksər sensorlar, çıxan və ya sönən bir siqnal olan Rəqəmsal Siqnaldan istifadə edəcəksiniz.* Bu iki vəziyyəti təmsil etmək üçün ikili ədədlərdən istifadə edirik: Açma siqnalı 1 və ya Doğru ilə verilir, Off isə 0, ya Yalan. İkili bir siqnalın necə göründüyünün bir şəklini çəksək, bu, Şəkil 2 -dəki kimi bir kvadrat dalğa olardı.

Ölçmək çox asan və sadə olan bəzi düymələr kimi rəqəmsal sensorlar var, çünki ya düyməyə basıldıqda bir siqnal alırıq (1), ya da itməmişik və heç bir siqnalımız yoxdur (0). İlk fotoşəkilin alt cərgəsində təsvir olunan sensorlar hamısı sadə açma/söndürmə növləridir. Üst sıradakı sensorlar bir az daha mürəkkəbdir və ilk layihəmizdən sonra əhatə olunur.

Bu dərslikdəki ilk iki layihə hər iki növdən istifadə etməyi öyrədəcək! İlk layihəmizi qurmağa davam edirik !!

*On elektrik cərəyanı və gərginlik şəklində bir elektrik siqnalı deməkdir. Söndürmə elektrik siqnalının olmaması deməkdir!

Addım 6: Layihə 1: Tilt Switch Digital Sensor

Bu ilk layihə üçün, iki ayağı olan qara silindrik sensoru əymək açarı istifadə edək! Addım 1: əyilmə açarının bir ayağını Arduino Digital Pin 13 -ə, digər ayağını isə pin 13 -ün yanındakı GND pininə daxil edin. fərqi yoxdur.

Addım 2: Digital Pin 13 statusunu oxuyan və yazdıran bir eskiz yazın

Yoxsa yalnız mənimki istifadə edə bilərsiniz!

Kodlamaya yeni başlamısınızsa, eskizin necə işlədiyini daha yaxşı başa düşmək üçün şərhləri oxuyun və nə olduğunu görmək üçün bəzi şeyləri dəyişdirməyə çalışın! Bir şeyi pozmaq yaxşıdır, bu öyrənmək üçün əla bir yoldur! Həmişə faylı yenidən yükləyə və yenidən başlaya bilərsiniz:)

Addım 3: Canlı məlumatlarınızı görmək üçün Serial Monitor düyməsini basın (şəkil 2)

.. aaa və budur! İndi oriyentasiyanı ölçmək üçün əyilmə açarından istifadə edə bilərsiniz! Bir şeyi yıxanda pişiyinizi çağırmaq üçün qurun və ya ağac dallarının fırtına zamanı necə hərəkət etdiyini izləmək üçün istifadə edin!.. & bu iki ifrat arasında yəqin ki, başqa tətbiqlər də var.

Addım 7: Rəqəmsal Sensorlar! 2 -ci hissə: PWM və Serial Rabitə

Daha mürəkkəb rəqəmsal siqnallar yaratmağın bir çox yolu var! Bir üsula Pulse Width Modulation ("PWM") deyilir ki, bu da müəyyən bir müddət üçün açıq olan və müəyyən müddət ərzində sönən bir siqnalın söylənilməsinin xülya bir yoludur. Servo mühərriklər (mövqeyi ölçmək üçün istifadə edilə bilər) və ultrasəs sensorlar, PWM siqnallarından istifadə edən sensorların nümunələridir.

Bir anda məlumatları bir bit və ya ikili rəqəm göndərmək üçün serial ünsiyyətdən istifadə edən sensorlar da var. Bu sensorlar məlumat cədvəllərini oxumaqla bir az tanışlıq tələb edir və yeni başlamısınızsa olduqca çətin ola bilər. Xoşbəxtlikdən, ümumi serial sensorlarında kod kitabxanaları* və nümunə proqramları olacaq, belə ki, hələ də işlək bir şeyi birləşdirə bilərsiniz. Serial rabitə protokolları haqqında daha çox məlumat bu təlimatın əhatə dairəsindən kənardır, lakin burada daha çox məlumat əldə etmək üçün SparkFun -dan serial ünsiyyətinə dair əla bir qaynaq var!

Bu nümunə layihə üçün temperatur və rütubət sensorundan (DHT11) istifadə edək! Bu, çuxurlu və 3 sancaqlı mavi bir kvadratdır.

Əvvəlcə DHT11 sensoru üçün bir neçə xüsusi kitabxanaya ehtiyacımız var: DHT11 kitabxanası və Adafruit Birləşdirilmiş Sensor kitabxanası. Bu kitabxanaları (və digər Arduino kitabxanalarının əksəriyyətini) qurmaq üçün:

Addım 1: Sketch -> Kitabxanalar -> Kitabxananı idarə etməklə Arduino kitabxana menecerini açın (Şəkil 2)

Addım 2: "DHT" axtararaq DHT kitabxanasını qurun və aktivləşdirin, sonra "DHT Arduino Kitabxanası" üçün Quraşdır düyməsini basın (Şəkil 3)

Addım 3: "Adafruit Unified Sensor" u axtararaq Adafruit Unified Sensor kitabxanasını quraşdırın və aktivləşdirin.

Addım 4: Sketch -> Kitabxanalar bölməsinə gedərək "DHT Arduino Kitabxanası" na tıklayaraq DHT kitabxanasını açıq eskizinizə daxil edin. kitabxana artıq aktivdir və istifadəyə hazırdır! (Şəkil 5)

*Sevdiyiniz yerli kitabxanada olduğu kimi, kod kitabxanaları da həyatımızı asanlaşdırmaq üçün istifadə edə biləcəyimiz bilik və digər insanların zəhmətidir.

Addım 8: Layihə 2: Rəqəmsal Serial Sensor və Rütubət

Elegoo Arduino Başlanğıc Kitindən 3 kişidən dişi tullanan telləri götürün və getməyə hazırıq!

Addım 1: Başlıq pinləri sizə baxarkən, DHT11 üzərindəki ən sağdakı baş pinini Arduino torpaq ("GND") pininə bağlayın.

Addım 2: Orta başlıq pinini Arduino 5V çıxış pininə qoşun.

Addım 3: Ən sol başlıq pinini Arduino Digital Pin 2 -ə qoşun

Addım 4: Nəhayət, DHT kitabxanasını oxuyun və eskiz yazmaq üçün əlinizi sınayın! Oooor, Arduino daxilində mina və ya DHT test nümunəsi eskizindən istifadə edə bilərsiniz -> Nümunələr!

İşə başladığınız zaman, irəli gedin və hər şeyin temperaturunu və rütubətini ölçün!.. * Mükəmməl * göndərmə tempini tapmaq üçün ilin müxtəlif vaxtlarında bir heyvanın nəfəsi, istixana və ya ən sevdiyiniz dırmaşma yeri kimi.

Addım 9: Analog Sensorlar

Rəqəmsal sensorlardakı çətin dalğalardan sonra analoq sensorlar bir külək kimi görünə bilər! Analog siqnallar 2 -ci fotoda göstərildiyi kimi davamlı bir siqnaldır. Fiziki dünyanın çoxu analoq olaraq mövcuddur (məsələn, temperatur, yaş, təzyiq və s.), Lakin kompüterlər rəqəmsal olduğundan*əksər sensorlar rəqəmsal siqnal çıxaracaq. Arduino lövhələri kimi bəzi mikrokontrollerlər də analoq siqnallarda oxuya bilərlər **.

Əksər analoq sensorlar üçün sensora güc veririk, sonra Analog Giriş pinlərindən istifadə edərək analoq siqnalda oxuyuruq. Bu test üçün, bir LED üzərində işıq yandıqda gərginliyi ölçmək üçün daha da sadə bir qurğudan istifadə edəcəyik.

*Kompüterlər məlumatları saxlamaq və ötürmək üçün rəqəmsal siqnallardan istifadə edirlər. Bunun səbəbi rəqəmsal siqnalların daha asan aşkarlanması və daha etibarlı olmasıdır, çünki narahat olmağımız lazım olan tək şey siqnal əldə etməkdir və ya siqnalın keyfiyyəti/dəqiqliyi barədə narahat olmamaqdır.

** Rəqəmsal bir cihazda analoq siqnal oxumaq üçün, girişi cihazdakı bilinən bir gərginliklə müqayisə edərək analoq siqnalına yaxınlaşdıran bir Analog-Rəqəm və ya ADC çeviricisini istifadə etməliyik, sonra nə qədər müddətdə olduğunu hesablamalıyıq. giriş gərginliyinə çatmaq üçün lazımdır. Daha çox məlumat üçün bu faydalı bir saytdır.

Addım 10: Layihə 3: İşıq Sensoru Olaraq LED

Bir LED (ağdan başqa istənilən rəng), 100 Ohm rezistor və 2 keçid kabeli götürün. Oh, və bir çörək taxtası!

Addım 1: LED -i daha uzun ayağı sağ tərəfdə çörək taxtasına daxil edin.

Addım 2: Arduino Analog Pin A0 və daha uzun LED ayağından bir keçid teli bağlayın

Addım 3: Rezistoru daha qısa LED ayağı ilə çörək taxtası mənfi elektrik rayına bağlayın (mavi xəttin yanında).

Addım 4: Arduino GND pinini çörək taxtasındakı mənfi elektrik rayına bağlayın.

Addım 5: Analog Pin A0 -da oxuyan və Serial Monitorda yazdıran bir eskiz yazın

Başlamaq üçün nümunə kod budur.

Addım 11: Məlumatların Araşdırılması: Arduino IDE

Arduino IDE, məlumatları görüntüləmək üçün quraşdırılmış vasitələrlə gəlir. Sensor dəyərlərini çap etməyə imkan verən Serial Monitorun əsaslarını artıq araşdırdıq. Verilərinizi saxlamaq və təhlil etmək istəyirsinizsə, çıxışı birbaşa Serial Monitordan kopyalayın və mətn redaktoruna, elektron tabloya və ya digər məlumat analiz alətinə yapışdırın.

Arduino proqramında məlumatlarımızı görmək üçün istifadə edə biləcəyimiz ikinci vasitə Serial Monitorun vizual versiyası (aka graph) olan Serial Plotter -dir. Serial Plotter istifadə etmək üçün Tools Serial Plotter bölməsinə keçin. Şəkil 2 -dəki qrafik, Layihə 3 -dən bir işıq sensoru olaraq LED -in çıxışıdır!*

Süjet avtomatik olaraq ölçülənəcək və sensorlar üçün Serial.println () istifadə etdiyiniz müddətdə bütün sensorlarınızı fərqli rənglərdə çap edəcək. Vay! Bu belədir!

*Sonuna baxsanız, çox güman ki, yuxarı işıqlarımızdakı Alternativ Cərəyana ("AC") görə çox maraqlı bir dalğa nümunəsi var!

Addım 12: Məlumatların görselleştirilmesi: Excel! 1 -ci hissə

Daha ciddi məlumat təhlili üçün, buradan yükləyə biləcəyiniz Excel üçün Data Streamer*adlı super sərin (və pulsuz!) Əlavəsi var.

Bu əlavə serial portundan oxuyur, buna görə də məlumatları Excel-ə birbaşa daxil etmək üçün məlumatları çap etmək üçün eyni kodlaşdırma texnikasından istifadə edə bilərik.. heck yes!

Data Streamer Əlavəsini necə istifadə etmək olar:

1. Quraşdırdıqdan sonra (və ya O365 varsa) Excel -də Data Streamer sekmesini (sağda) vurun.

2. Arduinonu qoşun və "Cihazı Bağla" düyməsini basın, sonra açılan menyudan Arduino seçin. (Şəkil 1)

3. Məlumat toplamağa başlamaq üçün "Məlumatlara Başla" düyməsini basın! (Şəkil 2) Üç yeni vərəqin açıldığını görəcəksiniz: "Data In", "Data Out" və "Settings".

Canlı məlumatlar, Məlumat Giriş vərəqində çap olunur. (Şəkil 3) Hər bir satır, son satırda ən yeni dəyəri yazılmış bir sensorun oxunmasına uyğundur.

Varsayılan olaraq yalnız 15 satır məlumat əldə edirik, ancaq "Ayarlar" a gedərək bunu dəyişə bilərsiniz. 500 sətrə qədər toplaya bilərik (məhdudiyyət Excel bant genişliyinə bağlıdır - arxa planda çox şey olur!).

*Tam açıqlama: Bu dərsliyin heç bir əlaqəsi olmasa da, bu əlavəni hazırlayan Microsoft Hacking STEM komandası ilə işləyirəm.

Addım 13: Məlumatların görselleştirilmesi: Excel! 2 -ci hissə

4. Məlumatlarınızın bir hissəsini əlavə edin! Bir az məlumat təhlili edin! Səpələnmə sahələri, sensor oxunuşlarının zamanla necə dəyişdiyini sizə göstərir ki, bu da Arduino Serial Plotter -də gördüyümüzlə eynidir.

Scatter Plot əlavə etmək üçün:

Daxil et -> Qrafiklər -> Səpələnmə bölməsinə keçin. Süjet açıldıqda üzərinə sağ vurun və "Məlumat Seç" seçin, sonra Əlavə et. Verilərimizin y oxunda, x eksenində "vaxt"* ilə göstərilməsini istəyirik. Bunu etmək üçün y oxunun yanındakı oxu vurun, Məlumat Vərəqinə gedin və daxil olan bütün sensor məlumatlarını seçin (Şəkil 2).

Excel -də hesablamalar və müqayisələr də edə bilərik! Bir düstur yazmaq üçün boş bir hüceyrəni vurun və bərabərlik işarəsini ("=") yazın və sonra etmək istədiyiniz hesablamanı yazın. Orta, maksimum və minimum kimi bir çox daxili əmr var.

Bir əmrdən istifadə etmək üçün bərabərlik işarəsini, əmr adını və açıq mötərizəni yazın, sonra təhlil etdiyiniz məlumatları seçin və parantezləri bağlayın (Şəkil 3)

5. Birdən çox məlumat sütunu (AKA birdən çox sensör) göndərmək üçün, dəyərləri vergüllə ayrılmış eyni sətrin son boş yeni sətri ilə çap edin:

Serial. çap (sensorOxu1);

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

*Faktiki vaxtın x-oxunda olmasını istəyirsinizsə, Scatter Plot-dakı x-ox dəyərləri üçün Məlumat Vərəqindəki A Sütununda zaman damgasını seçin. Hər iki halda da, zaman keçdikcə məlumatlarımızı görəcəyik.

Addım 14: İrəli gedin və hər şeyi ölçün

Yaxşı millət, hamısı budur! Xarici və yuxarı getmək vaxtıdır! Bu böyük, gözəl dünyada suallarınızı, maraqlarınızı və sevimli sirlərinizi həll etmək üçün sensorlar, Arduino kodlaşdırma və məlumat analizini araşdırmağa başlamaq üçün bir təməl olaraq istifadə edin.

Unutmayın: bu yolda sizə kömək edəcək bir çox insan var, buna görə sualınız olarsa şərh yazın!

Daha çox fikir lazımdır? Geyinilə bilən bir vəziyyət dəyişdirmə açarı, günəş enerjisi ilə işləyən uzaqdan bir temperatur sensoru və İnternetə bağlı bir sənaye miqyası necə hazırlanır!

Bu təlimatı bəyənirsiniz və daha çoxunu görmək istəyirsiniz? Patreon ilə bağlı layihələrimizə dəstək olun!: D