HackerBox 0035: Elektrokemi: 11 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

I denne måned undersøger HackerBox Hackers forskellige elektrokemiske sensorer og testteknikker til måling af materialers fysiske egenskaber. Denne instruktion indeholder oplysninger om, hvordan du kommer i gang med HackerBox #0035, som kan købes her, så længe lager haves. Hvis du også gerne vil modtage en HackerBox som denne direkte i din postkasse hver måned, skal du abonnere på HackerBoxes.com og deltage i revolutionen!

Emner og læringsmål for HackerBox 0035:

• Konfigurer Arduino Nano til brug med Arduino IDE
• Tråd og kode et OLED -modul for at vise målinger
• Lav en demonstration af alkometer ved hjælp af alkoholsensorer
• Sammenlign gassensorer for at udføre luftkvalitetsmålinger
• Bestem vandkvaliteten fra totalt opløste stoffer (TDS)
• Test kontaktløs og vand-nedsænket termisk sensing

HackerBoxes er den månedlige abonnementskassetjeneste til DIY -elektronik og computerteknologi. Vi er hobbyfolk, producenter og eksperimenterende. Vi er drømmernes drømmere. HACK PLANET!

Trin 1: HackerBox 0035: Indhold i kassen

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pixel I2C -skærm
• TDS-3 vandkvalitetsmåler
• GY-906 kontaktløst temperaturmodul
• MP503 forureningssensor for luftkvalitet
• DS18B20 Vandtæt temperaturprobe
• MQ-3 Alkoholsensormodul
• MQ-135 luftfare gas sensormodul
• DHT11 Fugtigheds- og temperaturmodul
• KY-008 lasermodul
• Sæt med lysdioder, 1K modstande og taktile knapper
• 400 -punkts "krystalklar" brødbræt
• Jumper Wire Set - 65 stykker
• MircoUSB kabel
• Eksklusive HackerBoxes -mærkater

Nogle andre ting, der vil være nyttige:

• Loddejern, lodde og grundlæggende loddeværktøjer
• Computer til at køre softwareværktøjer

Vigtigst af alt har du brug for en følelse af eventyr, DIY -ånd og hacker -nysgerrighed. Hardcore DIY -elektronik er ikke en triviel forfølgelse, og HackerBoxes er ikke udvandet. Målet er fremskridt, ikke perfektion. Når du vedvarer og nyder eventyret, kan stor tilfredshed udledes af at lære ny teknologi og forhåbentlig få nogle projekter til at fungere. Vi foreslår at tage hvert trin langsomt, tænke på detaljerne, og vær ikke bange for at bede om hjælp.

Der er et væld af oplysninger til nuværende og potentielle medlemmer i HackerBoxes ofte stillede spørgsmål.

Trin 2: Elektrokemi

Elektrokemi (Wikipedia) er den gren af fysisk kemi, der studerer forholdet mellem elektricitet, som et målbart og kvantitativt fænomen, og en bestemt kemisk ændring eller omvendt. De kemiske reaktioner involverer elektriske ladninger, der bevæger sig mellem elektroder og en elektrolyt (eller ioner i en opløsning). Således omhandler elektrokemi interaktionen mellem elektrisk energi og kemisk forandring.

De mest almindelige elektrokemiske enheder er daglige batterier. Batterier er enheder, der består af en eller flere elektrokemiske celler med eksterne forbindelser til strømforsyning af elektriske enheder såsom lommelygter, smartphones og elbiler.

Elektrokemiske gassensorer er gasdetektorer, der måler koncentrationen af en målgas ved at oxidere eller reducere målgassen ved en elektrode og måle den resulterende strøm.

Elektrolyse er en teknik, der bruger en elektrisk strøm (DC) til at drive en ellers ikke-spontan kemisk reaktion. Elektrolyse er kommercielt vigtig som et trin i adskillelsen af elementer fra naturligt forekommende kilder, såsom malme ved hjælp af en elektrolytisk celle.

Trin 3: Arduino Nano Microcontroller Platform

Et Arduino Nano eller lignende mikrokontrollerkort er et godt valg til grænseflade med elektrokemiske sensorer og skærmudgange til en computer eller videodisplay. Det medfølgende Arduino Nano -modul leveres med headerstifter, men de er ikke loddet til modulet. Lad stifterne være af nu. Udfør disse indledende test af Arduino Nano -modulet forud for lodning af hovedstifterne på Arduino Nano. Alt, hvad der kræves til de næste par trin, er et microUSB -kabel og Nano -modulet, lige som det kommer ud af posen.

Arduino Nano er et overflademonteret, brødbræt-venligt, miniaturiseret Arduino-bord med integreret USB. Det er fantastisk fuldt udstyret og let at hacke.

Funktioner:

• Mikrocontroller: Atmel ATmega328P
• Spænding: 5V
• Digitale I/O -pins: 14 (6 PWM)
• Analoge indgangsstifter: 8
• DC -strøm pr. I/O -pin: 40 mA
• Flashhukommelse: 32 KB (2KB til bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Urhastighed: 16 MHz
• Dimensioner: 17 mm x 43 mm

Denne særlige variant af Arduino Nano er det sorte Robotdyn -design. Interfacet er via en indbygget MicroUSB-port, der er kompatibel med de samme MicroUSB-kabler, der bruges til mange mobiltelefoner og tablets.

Arduino Nanos har en indbygget USB/seriel brochip. På denne særlige variant er brochippen CH340G. Bemærk, at der er forskellige andre typer USB/Serial bridge -chips, der bruges på de forskellige typer Arduino -kort. Disse chips gør det muligt for din computers USB -port at kommunikere med det serielle interface på Arduinos processorchip.

En computers operativsystem kræver, at en enhedsdriver kommunikerer med USB/seriel chip. Driveren tillader IDE at kommunikere med Arduino -kortet. Den specifikke enhedsdriver, der er nødvendig, afhænger af både OS -versionen og også typen af USB/seriel chip. Til CH340 USB/Serial -chips er der tilgængelige drivere til mange operativsystemer (UNIX, Mac OS X eller Windows). Producenten af CH340 leverer disse chauffører her.

Når du først tilslutter Arduino Nano til en USB -port på din computer, skal den grønne strømindikator lyse og kort tid efter begynder den blå LED at blinke langsomt. Dette sker, fordi Nano er forudindlæst med BLINK-programmet, der kører på den helt nye Arduino Nano.

Trin 4: Arduino Integrated Development Environment (IDE)

Hvis du endnu ikke har Arduino IDE installeret, kan du downloade den fra Arduino.cc

Hvis du ønsker yderligere introduktionsoplysninger til arbejde i Arduino -økosystemet, foreslår vi, at du læser instruktionerne for HackerBoxes Starter Workshop.

Slut Nano til MicroUSB -kablet og den anden ende af kablet til en USB -port på computeren, start Arduino IDE -softwaren, vælg den passende USB -port i IDE under værktøjer> port (sandsynligvis et navn med "wchusb" i den). Vælg også "Arduino Nano" i IDE under værktøjer> bord.

Endelig skal du indlæse et stykke eksempelkode:

Fil-> Eksempler-> Grundlæggende-> Blink

Dette er faktisk koden, der var forudindlæst på Nano og skulle køre lige nu for langsomt at blinke den blå LED. Derfor, hvis vi indlæser denne eksempelkode, ændres intet. Lad os i stedet ændre koden en lille smule.

Når du ser nærmere på, kan du se, at programmet tænder LED'en, venter 1000 millisekunder (et sekund), slukker LED'en, venter endnu et sekund og derefter gør det hele igen - for evigt.

Rediger koden ved at ændre begge "forsinkelser (1000)" udsagn til "forsinkelse (100)". Denne ændring får LED'en til at blinke ti gange hurtigere, ikke?

Lad os indlæse den ændrede kode i Nano ved at klikke på knappen UPLOAD (pilikonet) lige over din ændrede kode. Se nedenfor koden for statusoplysninger: "kompilering" og derefter "upload". Til sidst skal IDE angive "Upload fuldført", og din LED blinker hurtigere.

Hvis ja, tillykke! Du har lige hacket dit første stykke indlejret kode.

Når din hurtigblink-version er indlæst og kører, hvorfor så ikke se, om du kan ændre koden igen for at få LED'en til at blinke hurtigt to gange og derefter vente et par sekunder, før du gentager? Prøv det! Hvad med nogle andre mønstre? Når det lykkes dig at visualisere et ønsket resultat, kode det og observere det til at fungere som planlagt, har du taget et enormt skridt mod at blive en kompetent hardwarehacker.

Trin 5: Header Pins og OLED på loddefri brødbræt

Nu hvor din udviklingscomputer er konfigureret til at indlæse kode til Arduino Nano og Nano er blevet testet, skal du afbryde USB -kablet fra Nano og gøre dig klar til at lodde headerstifterne. Hvis det er din første nat i fight club, skal du lodde! Der er mange gode guider og videoer online om lodning (f.eks.). Hvis du føler, at du har brug for yderligere hjælp, kan du prøve at finde en lokal maker -gruppe eller hackerplads i dit område. Amatørradioklubber er også altid gode kilder til elektronikoplevelse.

Lod de to enkeltrækkeoverskrifter (hver femten ben) til Arduino Nano -modulet. Den seks-benede ICSP (in-circuit seriel programmering) stik vil ikke blive brugt i dette projekt, så lad bare disse ben være slukket. Når lodningen er færdig, skal du kontrollere omhyggeligt for loddebroer og/eller kolde loddefuger. Til sidst skal du tilslutte Arduino Nano igen til USB -kablet og kontrollere, at alt stadig fungerer korrekt.

For at tilslutte OLED'en til Nano skal du indsætte begge i et loddefrit brødbræt som vist og føre mellem dem i henhold til denne tabel:

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

For at køre OLED -skærmen skal du installere SSD1306 OLED -skærmdriveren, der findes her i Arduino IDE.

Test OLED -skærmen ved at indlæse ssd1306/snefnugeksemplet og programmere det i Nano.

Andre eksempler fra SDD1306 -biblioteket er nyttige til at udforske ved hjælp af OLED -skærmen.

Trin 6: MQ-3 Alcohol Sensor og Breathalyzer Demo

MQ-3 alkoholgassensoren (datablad) er en halvledsensor til lav pris, som kan registrere tilstedeværelsen af alkoholgasser ved koncentrationer fra 0,05 mg/L til 10 mg/L. Det registreringsmateriale, der bruges i MQ-3, er SnO2, som udviser stigende ledningsevne, når det udsættes for stigende koncentrationer af alkoholgasser. MQ-3 er meget følsom over for alkohol med meget lille krydsfølsomhed over for røg, damp eller benzin.

Dette MQ-3-modul giver en rå analog output i forhold til alkoholkoncentration. Modulet har også en LM393 (datablad) -komparator til at tærskle et digitalt output.

MQ-3-modulet kan forbindes til Nano i henhold til denne tabel:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… Ikke brugt

Demokode fra video.

ADVARSEL: Dette projekt er blot en uddannelsesmæssig demonstration. Det er ikke et medicinsk instrument. Det er ikke kalibreret. Det er på ingen måde bestemt til at bestemme alkoholniveauer i blodet til vurdering af lovlige eller sikkerhedsmæssige grænser. Vær ikke dum. Drik ikke og kør. Kom levende!

Trin 7: Registrering af ketoner

Ketoner er enkle forbindelser, der indeholder en carbonylgruppe (en carbon-oxygen dobbeltbinding). Mange ketoner er vigtige i både industri og biologi. Det almindelige opløsningsmiddel acetone er den mindste keton.

I dag kender mange den ketogene diæt. Det er en kost baseret på indtagelse af højt fedtindhold, tilstrækkeligt protein og lidt kulhydrater. Dette tvinger kroppen til at forbrænde fedt i stedet for kulhydrater. Normalt omdannes kulhydraterne i maden til glukose, som derefter transporteres rundt i kroppen og er særlig vigtig for at stimulere hjernens funktion. Men hvis der er lidt kulhydrat i kosten, omdanner leveren fedt til fedtsyrer og ketonlegemer. Ketonlegemerne passerer ind i hjernen og erstatter glukose som energikilde. Et forhøjet niveau af ketonlegemer i blodet resulterer i en tilstand kendt som ketose.

Eksempel på ketonfølerprojekt

Et andet eksempel ketonføler projekt

Sammenligning af MQ-3 vs. TGS822 gassensorer

Trin 8: Registrering af luftkvalitet

Luftforurening opstår, når skadelige eller store mængder stoffer, herunder gasser, partikler og biologiske molekyler, indføres i atmosfæren. Forurening kan forårsage sygdomme, allergier og endda død for mennesker. Det kan også forårsage skade på andre levende organismer, såsom dyr, madafgrøder og miljøet generelt. Både menneskelig aktivitet og naturlige processer kan generere luftforurening. Indendørs luftforurening og dårlig bykvalitet er opført som to af verdens værste giftige forureningsproblemer.

Vi kan sammenligne driften af to forskellige luftkvalitetssensorer (eller luftfare). Disse er MQ-135 (datablad) og MP503 (datablad).

MQ-135 er følsom over for metan, nitrogenoxider, alkoholer, benzen, røg, CO2 og andre molekyler. Dens grænseflade er identisk med MQ-3-grænsefladen.

MP503 er følsom over for formaldehydgas, benzen, kulilte, hydrogen, alkohol, ammoniak, cigaretrøg, mange lugte og andre molekyler. Dens grænseflade er ganske enkel og giver to digitale output til at angive fire niveauer af forurenende koncentrationer. Standardstikket på MP503 har en plasthylsterhane, der kan fjernes og erstattes af en standard 4-bens hoved (leveres i pose) til brug med loddefri brødbrætter, DuPont-jumpere eller lignende fælles stik.

Trin 9: Vandkvalitetssensor

TDS-3 vandkvalitetstester

Total opløste stoffer (TDS) er den samlede mængde mobilladede ioner, inklusive mineraler, salte eller metaller opløst i et givet volumen vand. TDS, der er baseret på ledningsevne, udtrykkes i dele pr. Million (ppm) eller milligram per liter (mg/L). Opløste faste stoffer omfatter ethvert ledende uorganisk element, der er til stede bortset fra de rene vandmolekyler (H2O) og suspenderede faste stoffer. EPAs maksimale kontaminantniveau for TDS til konsum er 500 ppm.

TDS -målinger

1. Fjern beskyttelseshætten.
2. Tænd for TDS -måleren. TÆND/SLUK -kontakten er placeret på panelet.
3. Nedsænk måleren i vandet/opløsningen op til maks. nedsænkningsniveau (2”).
4. Rør let i måleren for at fjerne eventuelle luftbobler.
5. Vent, indtil displayet stabiliserer sig. Når aflæsningen er stabiliseret (ca. 10 sekunder), skal du trykke på knappen HOLD for at se aflæsningen ud af vandet.
6. Hvis måleren viser et blinkende 'x10' symbol, ganges aflæsningen med 10.
7. Efter brug, ryst alt overskydende vand fra din måler. Sæt hætten på igen.

Kilde: Fuld instruktionsark

Eksperiment: Konstruer din egen enkle TDS-måler (projekt med video her), som kan kalibreres med og testes mod TDS-3.

Trin 10: Termisk registrering

GY-906 kontaktløs temperatursensormodul

GY-906 termisk sensormodul er udstyret med en MLX90614 (detaljer). Dette er et brugervenligt, men meget kraftigt enkeltzonet infrarødt termometer, der kan registrere objekttemperaturer mellem -70 og 380 ° C. Den bruger en I2C -grænseflade til at kommunikere, hvilket betyder, at du kun skal bruge to ledninger fra din mikrokontroller til at kommunikere med den.

Demo termosensor projekt.

Endnu et termosensorprojekt.

DS18B20 Vandtæt temperatursensor

DS18B20 en -tråds temperatursensor (detaljer) kan måle temperaturen fra -55 ℃ til 125 ℃ med en nøjagtighed på ± 5.

Trin 11: HACK PLANET

Hvis du har nydt denne Instructable og gerne vil have en kølig æske med hackbar elektronik og computerteknologiske projekter ned på din postkasse hver måned, kan du deltage i revolutionen ved at surfe over til HackerBoxes.com og abonnere på at modtage vores månedlige overraskelsesboks.

Nå ud og del din succes i kommentarerne herunder eller på HackerBoxes Facebook -side. Lad os bestemt vide det, hvis du har spørgsmål eller har brug for hjælp til noget. Tak fordi du var en del af HackerBoxes!