HackerBox 0035: Электрохимия: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

В этом месяце хакеры HackerBox исследуют различные электрохимические датчики и методы тестирования для измерения физических свойств материалов. Это руководство содержит информацию для начала работы с HackerBox # 0035, которую можно приобрести здесь, пока материалы есть в наличии. Кроме того, если вы хотите получать такой HackerBox каждый месяц прямо в свой почтовый ящик, пожалуйста, подпишитесь на HackerBoxes.com и присоединяйтесь к революции!

Темы и цели обучения для HackerBox 0035:

• Настройте Arduino Nano для использования с Arduino IDE
• Подключите и закодируйте модуль OLED для отображения измерений
• Создайте демонстрацию алкотестера, используя датчики алкоголя.
• Сравните газовые датчики для измерения качества воздуха
• Определите качество воды по общему количеству растворенных твердых веществ (TDS)
• Тестирование бесконтактных и погружных в воду термодатчиков

HackerBoxes - это ежемесячный абонентский ящик для электроники и компьютерной техники своими руками. Мы любители, творцы и экспериментаторы. Мы мечтатели мечты. ВЗЛОМАЙТЕ ПЛАНЕТУ!

Шаг 1: HackerBox 0035: Содержимое коробки

• Arduino Nano 5V 16 МГц MicroUSB
• Дисплей OLED 0.96 128x64 пикселей I2C
• Измеритель качества воды ТДС-3
• Бесконтактный температурный модуль GY-906
• Датчик загрязнения воздуха MP503
• DS18B20 Водонепроницаемый датчик температуры
• Модуль датчика алкоголя MQ-3
• Модуль датчика опасных газов MQ-135
• Модуль влажности и температуры DHT11
• Лазерный модуль KY-008
• Набор светодиодов, резисторов 1K и тактильных кнопок
• 400-точечный "кристально чистый" макет
• Набор перемычек - 65 шт.
• Кабель MircoUSB
• Эксклюзивные наклейки HackerBoxes

Еще кое-что, что будет полезно:

• Паяльник, припой и основные паяльные инструменты
• Компьютер для работы программных средств

Самое главное, вам понадобится чувство приключений, дух DIY и хакерское любопытство. Хардкорная электроника DIY - нетривиальное занятие, и HackerBox не разбавляется. Цель - прогресс, а не совершенство. Когда вы упорствуете и получаете удовольствие от приключений, большое удовлетворение можно получить, изучая новые технологии и, надеюсь, заставляя некоторые проекты работать. Мы предлагаем делать каждый шаг медленно, обращая внимание на детали, и не бояться просить о помощи.

В FAQ по HackerBoxes есть масса информации для нынешних и потенциальных участников.

Шаг 2: Электрохимия

Электрохимия (Википедия) - это раздел физической химии, изучающий взаимосвязь между электричеством как измеримым и количественным явлением и конкретным химическим изменением или наоборот. В химических реакциях участвуют электрические заряды, перемещающиеся между электродами и электролитом (или ионами в растворе). Таким образом, электрохимия занимается взаимодействием между электрической энергией и химическими изменениями.

Самые распространенные электрохимические устройства - это бытовые аккумуляторы. Батареи - это устройства, состоящие из одного или нескольких электрохимических ячеек с внешними соединениями, обеспечивающими питание электрических устройств, таких как фонарики, смартфоны и электромобили.

Электрохимические газовые сенсоры - это детекторы газа, которые измеряют концентрацию целевого газа путем окисления или восстановления целевого газа на электроде и измерения результирующего тока.

Электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC) для запуска в противном случае не спонтанной химической реакции. Электролиз коммерчески важен как стадия отделения элементов из природных источников, таких как руды, с использованием электролитической ячейки.

Шаг 3: Платформа микроконтроллеров Arduino Nano

Arduino Nano или аналогичная плата микроконтроллера - отличный выбор для взаимодействия с электрохимическими датчиками и выводами дисплея на компьютер или видеодисплей. Входящий в комплект модуль Arduino Nano поставляется с контактами заголовка, но они не припаяны к модулю. Пока оставьте булавки отключенными. Выполните эти начальные тесты модуля Arduino Nano ДО пайки контактов разъема Arduino Nano. Все, что потребуется для следующих нескольких шагов, - это кабель microUSB и модуль Nano в том виде, в котором он достается из сумки.

Arduino Nano - это миниатюрная плата Arduino для поверхностного монтажа, удобная для макетирования, со встроенным USB. Это потрясающе полнофункциональная программа, которую легко взломать.

Функции:

• Микроконтроллер: Atmel ATmega328P
• Напряжение: 5 В
• Цифровые контакты ввода / вывода: 14 (6 ШИМ)
• Аналоговые входные контакты: 8
• Постоянный ток на контакт ввода / вывода: 40 мА
• Флэш-память: 32 КБ (2 КБ для загрузчика)
• SRAM: 2 КБ
• EEPROM: 1 КБ
• Тактовая частота: 16 МГц
• Размеры: 17 мм x 43 мм

Этот конкретный вариант Arduino Nano - это черный дизайн Robotdyn. Интерфейс представляет собой встроенный порт MicroUSB, совместимый с теми же кабелями MicroUSB, которые используются во многих мобильных телефонах и планшетах.

Arduino Nanos имеет встроенный чип USB / последовательного моста. В этом конкретном варианте микросхемой моста является CH340G. Обратите внимание, что существуют различные другие типы микросхем USB / последовательного моста, используемые на различных типах плат Arduino. Эти микросхемы позволяют USB-порту компьютера взаимодействовать с последовательным интерфейсом процессора Arduino.

Операционная система компьютера требует наличия драйвера устройства для связи с микросхемой USB / последовательного интерфейса. Драйвер позволяет IDE взаимодействовать с платой Arduino. Необходимый конкретный драйвер устройства зависит как от версии ОС, так и от типа USB / последовательного чипа. Для микросхем CH340 USB / Serial доступны драйверы для многих операционных систем (UNIX, Mac OS X или Windows). Эти драйверы поставляет производитель CH340.

Когда вы впервые подключаете Arduino Nano к USB-порту компьютера, должен загореться зеленый индикатор питания, а вскоре после этого синий индикатор должен начать медленно мигать. Это происходит потому, что в Nano предварительно загружена программа BLINK, которая работает на новом Arduino Nano.

Шаг 4: интегрированная среда разработки Arduino (IDE)

Если у вас еще не установлена Arduino IDE, вы можете загрузить ее с Arduino.cc

Если вам нужна дополнительная вводная информация для работы в экосистеме Arduino, мы предлагаем ознакомиться с инструкциями для HackerBoxes Starter Workshop.

Подключите Nano к кабелю MicroUSB, а другой конец кабеля к USB-порту на компьютере, запустите программное обеспечение Arduino IDE, выберите соответствующий USB-порт в среде IDE в разделе инструменты> порт (вероятно, имя с «wchusb» в нем.). Также выберите «Arduino Nano» в среде IDE в разделе «Инструменты»> «Плата».

Наконец, загрузите фрагмент кода примера:

Файл-> Примеры-> Основы-> Blink

На самом деле это код, который был предварительно загружен в Nano и должен работать прямо сейчас, чтобы медленно мигать синим светодиодом. Соответственно, если мы загрузим этот пример кода, ничего не изменится. Вместо этого давайте немного изменим код.

Присмотревшись, вы можете увидеть, что программа включает светодиод, ждет 1000 миллисекунд (одну секунду), выключает светодиод, ждет еще секунду, а затем делает все это снова - навсегда.

Измените код, изменив оба оператора «delay (1000)» на «delay (100)». Эта модификация заставит светодиод мигать в десять раз быстрее, не так ли?

Давайте загрузим измененный код в Nano, нажав кнопку ЗАГРУЗИТЬ (значок стрелки) прямо над измененным кодом. Посмотрите ниже код для информации о статусе: «компиляция», а затем «загрузка». В конце концов, в среде IDE должно появиться сообщение «Загрузка завершена», а светодиодный индикатор должен мигать быстрее.

Если да, то поздравляю! Вы только что взломали свой первый фрагмент встроенного кода.

После того, как ваша версия с быстрым миганием загружена и запущена, почему бы не посмотреть, можете ли вы снова изменить код, чтобы светодиод быстро мигал дважды, а затем подождал пару секунд перед повторением? Попробуйте! Как насчет других шаблонов? Как только вам удастся визуализировать желаемый результат, закодировать его и наблюдать, как он работает, как запланировано, вы сделали огромный шаг к тому, чтобы стать компетентным хакером оборудования.

Шаг 5: Выводы заголовка и OLED на беспаечной макетной плате

Теперь, когда ваш компьютер разработки настроен для загрузки кода в Arduino Nano, а Nano протестирован, отсоедините USB-кабель от Nano и приготовьтесь припаять контакты заголовка. Если это ваша первая ночь в бойцовском клубе, вам придется паять! В Интернете есть много отличных руководств и видео по пайке (например). Если вы чувствуете, что вам нужна дополнительная помощь, попробуйте найти группу местных производителей или место для хакеров в вашем районе. Кроме того, радиолюбительские клубы всегда являются отличным источником опыта в области электроники.

Припаяйте два однорядных заголовка (по пятнадцать контактов каждый) к модулю Arduino Nano. Шестиконтактный разъем ICSP (внутрисхемное последовательное программирование) не будет использоваться в этом проекте, поэтому просто оставьте эти контакты отключенными. После завершения пайки внимательно проверьте наличие паяных перемычек и / или холодных паяных соединений. Наконец, снова подключите Arduino Nano к USB-кабелю и убедитесь, что все по-прежнему работает правильно.

Чтобы подключить OLED к Nano, вставьте оба элемента в макетную плату без пайки, как показано, и соедините их в соответствии с этой таблицей:

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

Чтобы управлять OLED-дисплеем, установите драйвер дисплея SSD1306 OLED, найденный здесь, в Arduino IDE.

Проверьте OLED-дисплей, загрузив пример ssd1306 / snowflakes и запрограммировав его в Nano.

Другие примеры из библиотеки SDD1306 полезны для изучения использования OLED-дисплея.

Шаг 6: Демонстрация датчика алкоголя и алкотестера MQ-3

Датчик газообразного спирта MQ-3 (техническое описание) - это недорогой полупроводниковый датчик, который может обнаруживать присутствие газообразных спиртов в концентрациях от 0,05 мг / л до 10 мг / л. Чувствительным материалом, используемым в MQ-3, является SnO2, который демонстрирует увеличивающуюся проводимость при воздействии возрастающих концентраций спиртовых газов. MQ-3 очень чувствителен к алкоголю с очень небольшой перекрестной чувствительностью к дыму, парам или бензину.

Этот модуль MQ-3 обеспечивает необработанный аналоговый выходной сигнал относительно концентрации алкоголя. В модуле также есть компаратор LM393 (таблица данных) для порогового значения цифрового выхода.

Модуль MQ-3 можно подключить к Nano в соответствии со следующей таблицей:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Не используется

Демо-код из видео.

ВНИМАНИЕ: этот проект представляет собой просто образовательную демонстрацию. Это не медицинский инструмент. Не откалиброван. Он никоим образом не предназначен для определения уровней алкоголя в крови для оценки юридических или безопасных пределов. Не будь дураком. Не пей за руль. Приезжай живым!

Шаг 7: обнаружение кетонов

Кетоны - это простые соединения, содержащие карбонильную группу (двойную связь углерод-кислород). Многие кетоны важны как для промышленности, так и для биологии. Обычный растворитель ацетон - самый мелкий кетон.

Сегодня многие знакомы с кетогенной диетой. Это диета, основанная на потреблении большого количества жиров, достаточного количества белка и небольшого количества углеводов. Это заставляет организм сжигать жиры, а не углеводы. Обычно углеводы, содержащиеся в пище, превращаются в глюкозу, которая затем транспортируется по всему телу и особенно важна для работы мозга. Однако, если в рационе мало углеводов, печень превращает жир в жирные кислоты и кетоновые тела. Кетоновые тела переходят в мозг и заменяют глюкозу в качестве источника энергии. Повышенный уровень кетоновых тел в крови приводит к состоянию, известному как кетоз.

Пример проекта по обнаружению кетонов

Другой пример проекта по обнаружению кетонов

Сравнение газовых датчиков MQ-3 и TGS822

Шаг 8: определение качества воздуха

Загрязнение воздуха происходит, когда в атмосферу попадают вредные или чрезмерные количества веществ, включая газы, твердые частицы и биологические молекулы. Загрязнение может вызвать болезни, аллергию и даже смерть человека. Он также может причинить вред другим живым организмам, таким как животные, пищевые культуры и окружающей среде в целом. Как деятельность человека, так и природные процессы могут вызывать загрязнение воздуха. Загрязнение воздуха внутри помещений и плохое качество воздуха в городах входят в число двух наиболее серьезных проблем токсичного загрязнения в мире.

Мы можем сравнить работу двух различных датчиков качества воздуха (или датчиков воздушной опасности). Это MQ-135 (таблица) и MP503 (таблица).

MQ-135 чувствителен к метану, оксидам азота, спиртам, бензолу, дыму, CO2 и другим молекулам. Его интерфейс идентичен интерфейсу MQ-3.

MP503 чувствителен к газообразному формальдегиду, бензолу, окиси углерода, водороду, алкоголю, аммиаку, сигаретному дыму, многим запахам и другим молекулам. Его интерфейс довольно прост, он имеет два цифровых выхода для определения четырех уровней концентрации загрязняющих веществ. Разъем по умолчанию на MP503 имеет заглушку с пластиковой крышкой, которую можно снять и заменить на стандартный 4-контактный разъем (поставляется в пакете) для использования с беспаечными макетными платами, перемычками DuPont или аналогичными общими разъемами.

Шаг 9: определение качества воды

Тестер качества воды TDS-3

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) - это общее количество подвижных заряженных ионов, включая минералы, соли или металлы, растворенные в данном объеме воды. TDS, который основан на проводимости, выражается в частях на миллион (ppm) или миллиграммах на литр (мг / л). Растворенные твердые вещества включают любой присутствующий проводящий неорганический элемент, кроме молекул чистой воды (H2O) и взвешенных твердых частиц. Максимальный уровень загрязняющих веществ в TDS для потребления человеком составляет 500 ppm.

Измерение TDS

1. Снимите защитный колпачок.
2. Включите измеритель TDS. Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ находится на панели.
3. Погрузите глюкометр в воду / раствор до макс. уровень погружения (2 дюйма).
4. Слегка перемешайте глюкометр, чтобы удалить пузырьки воздуха.
5. Подождите, пока дисплей не стабилизируется. Как только показания стабилизируются (примерно 10 секунд), нажмите кнопку HOLD, чтобы просмотреть показания вне воды.
6. Если глюкометр отображает мигающий символ «x10», умножьте показание на 10.
7. После использования стряхните с глюкометра лишнюю воду. Заменить колпачок.

Источник: Полная инструкция

Эксперимент: создайте свой собственный простой измеритель TDS (проект с видео здесь), который можно откалибровать и протестировать с помощью TDS-3.

Шаг 10: тепловое зондирование

Модуль бесконтактного датчика температуры GY-906

Модуль термодатчика GY-906 оснащен датчиком MLX90614 (подробности). Это простой в использовании, но очень мощный однозонный инфракрасный термометр, способный определять температуру объекта от -70 до 380 ° C. Он использует интерфейс I2C для связи, что означает, что вам нужно выделить только два провода от вашего микроконтроллера для взаимодействия с ним.

Демо-проект по термодатчикам.

Еще один термосенсорный проект.

Водонепроницаемый датчик температуры DS18B20

Однопроводной датчик температуры DS18B20 (подробнее) может измерять температуру от -55 ℃ до 125 ℃ с точностью ± 5.

Шаг 11: взломайте планету

Если вам понравилась эта инструкция и вы хотите, чтобы на ваш почтовый ящик каждый месяц приходили крутые проекты в области электроники и компьютерных технологий, присоединяйтесь к революции, зайдя на сайт HackerBoxes.com и подписавшись на нашу ежемесячную коробку с сюрпризами.

Сообщите о своем успехе в комментариях ниже или на странице HackerBoxes в Facebook. Обязательно дайте нам знать, если у вас возникнут какие-либо вопросы или вам понадобится помощь. Спасибо, что присоединились к HackerBoxes!