HackerBox 0035: Elektrokjemi: 11 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Denne måneden utforsker HackerBox Hackers ulike elektrokjemiske sensorer og testteknikker for å måle de fysiske egenskapene til materialer. Denne instruksen inneholder informasjon om hvordan du kommer i gang med HackerBox #0035, som kan kjøpes her så lenge lageret rekker. Hvis du også ønsker å motta en HackerBox som denne rett i postkassen din hver måned, kan du abonnere på HackerBoxes.com og bli med i revolusjonen!

Emner og læringsmål for HackerBox 0035:

• Konfigurer Arduino Nano for bruk med Arduino IDE
• Koble til og kode en OLED -modul for å vise målinger
• Lag en demonstrasjon av alkometer med alkoholsensorer
• Sammenlign gassensorer for å utføre luftkvalitetsmålinger
• Bestem vannkvaliteten fra totalt oppløste faste stoffer (TDS)
• Test kontaktløs og vann-nedsenkbar termisk sensing

HackerBoxes er den månedlige abonnementstjenesten for DIY -elektronikk og datateknologi. Vi er hobbyfolk, produsenter og eksperimenter. Vi er drømmerne om drømmer. HAKK PLANETEN!

Trinn 1: HackerBox 0035: Innhold i esken

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 piksler I2C -skjerm
• TDS-3 vannkvalitetsmåler
• GY-906 kontaktløs temperaturmodul
• MP503 forurensningssensor for luftkvalitet
• DS18B20 vanntett temperaturprobe
• MQ-3 alkoholsensormodul
• MQ-135 luftfare gassensormodul
• DHT11 fuktighets- og temperaturmodul
• KY-008 lasermodul
• Sett med lysdioder, 1K motstander og taktile knapper
• 400 -punkts "krystallklart" brødbrett
• Jumper Wire Set - 65 deler
• MircoUSB -kabel
• Eksklusive HackerBoxes -dekaler

Noen andre ting som vil være nyttige:

• Loddejern, lodde og grunnleggende loddeverktøy
• Datamaskin for kjøring av programvareverktøy

Viktigst av alt, trenger du en følelse av eventyr, DIY -ånd og nysgjerrighet på hackere. Hardcore DIY -elektronikk er ikke en triviell jakt, og HackerBoxes er ikke vannet ut. Målet er fremgang, ikke perfeksjon. Når du fortsetter og liker eventyret, kan du få mye tilfredshet ved å lære ny teknologi og forhåpentligvis få noen prosjekter til å fungere. Vi foreslår at du tar hvert trinn sakte, tenker på detaljene, og ikke vær redd for å be om hjelp.

Det er et vell av informasjon for nåværende og potensielle medlemmer i HackerBoxes FAQ.

Trinn 2: Elektrokjemi

Elektrokjemi (Wikipedia) er grenen av fysisk kjemi som studerer forholdet mellom elektrisitet, som et målbart og kvantitativt fenomen, og en bestemt kjemisk endring eller omvendt. De kjemiske reaksjonene involverer elektriske ladninger som beveger seg mellom elektroder og en elektrolytt (eller ioner i en løsning). Dermed omhandler elektrokjemi samspillet mellom elektrisk energi og kjemisk forandring.

De vanligste elektrokjemiske enhetene er hverdagsbatterier. Batterier er enheter som består av en eller flere elektrokjemiske celler med eksterne tilkoblinger for å drive elektriske enheter som lommelykter, smarttelefoner og elbiler.

Elektrokjemiske gassensorer er gassdetektorer som måler konsentrasjonen av en målgass ved å oksidere eller redusere målgassen ved en elektrode og måle den resulterende strømmen.

Elektrolyse er en teknikk som bruker en likestrøm (DC) for å drive en ellers ikke-spontan kjemisk reaksjon. Elektrolyse er kommersielt viktig som et trinn i separasjonen av elementer fra naturlig forekommende kilder som malmer ved bruk av en elektrolytisk celle.

Trinn 3: Arduino Nano mikrokontrollerplattform

Et Arduino Nano eller lignende mikrokontrollerkort er et godt valg for tilkobling til elektrokjemiske sensorer og skjermutganger til en datamaskin eller videodisplay. Den medfølgende Arduino Nano -modulen kommer med toppnål, men de er ikke loddet til modulen. La pinnene være av for nå. Utfør disse innledende testene av Arduino Nano -modulen FØR å lodde toppnålene på Arduino Nano. Alt som trengs for de neste trinnene er en microUSB -kabel og Nano -modulen akkurat som den kommer ut av posen.

Arduino Nano er et overflatemontert, brødbrettvennlig, miniatyrisert Arduino-bord med integrert USB. Det er utrolig fullt utstyrt og lett å hacke.

Funksjoner:

• Mikrokontroller: Atmel ATmega328P
• Spenning: 5V
• Digitale I/O -pinner: 14 (6 PWM)
• Analoge inngangspinner: 8
• Likestrøm per I/O -pinne: 40 mA
• Flash -minne: 32 KB (2 KB for oppstartslaster)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Klokkehastighet: 16 MHz
• Dimensjoner: 17 mm x 43 mm

Denne spesielle varianten av Arduino Nano er den svarte Robotdyn -designen. Grensesnittet er via en innebygd MicroUSB-port som er kompatibel med de samme MicroUSB-kablene som brukes med mange mobiltelefoner og nettbrett.

Arduino Nanos har en innebygd USB/seriell brobrikke. På denne spesielle varianten er brobrikken CH340G. Vær oppmerksom på at det er forskjellige andre typer USB/Serial bridge -brikker som brukes på de forskjellige typene Arduino -kort. Disse brikkene lar datamaskinens USB -port kommunisere med det serielle grensesnittet på Arduinos prosessorbrikke.

En datamaskins operativsystem krever at en enhetsdriver kommuniserer med USB/seriell brikke. Sjåføren lar IDE kommunisere med Arduino -kortet. Den spesifikke enhetsdriveren som trengs, avhenger av både OS -versjonen og også typen USB/seriell brikke. For CH340 USB/Serial -brikkene er det drivere tilgjengelig for mange operativsystemer (UNIX, Mac OS X eller Windows). Produsenten av CH340 leverer disse driverne her.

Når du først kobler Arduino Nano til en USB -port på datamaskinen, skal den grønne strømlampen lyse og kort tid etter skal den blå LED -en begynne å blinke sakte. Dette skjer fordi Nano er forhåndslastet med BLINK-programmet, som kjører på den splitter nye Arduino Nano.

Trinn 4: Arduino Integrated Development Environment (IDE)

Hvis du ennå ikke har Arduino IDE installert, kan du laste den ned fra Arduino.cc

Hvis du ønsker ytterligere introduksjonsinformasjon for arbeid i Arduino -økosystemet, foreslår vi at du leser instruksjonene for HackerBoxes Starter Workshop.

Koble Nano til MicroUSB -kabelen og den andre enden av kabelen til en USB -port på datamaskinen, start Arduino IDE -programvaren, velg riktig USB -port i IDE under verktøy> port (sannsynligvis et navn med "wchusb" i den). Velg også "Arduino Nano" i IDE under verktøy> bord.

Til slutt, last opp et eksempel på kode:

Fil-> Eksempler-> Grunnleggende-> Blink

Dette er faktisk koden som var forhåndslastet på Nano og burde kjøre akkurat nå for sakte å blinke den blå LED -en. Følgelig, hvis vi laster inn denne eksempelkoden, vil ingenting endres. I stedet, la oss endre koden litt.

Når du ser nøye ut, kan du se at programmet slår på LED -en, venter 1000 millisekunder (ett sekund), slår av LED -en, venter et sekund til og deretter gjør alt igjen - for alltid.

Endre koden ved å endre begge "forsinkelser (1000)" -uttalelsene til "forsinkelse (100)". Denne endringen vil føre til at LED -en blinker ti ganger raskere, ikke sant?

La oss laste den endrede koden inn i Nano ved å klikke på UPLOAD -knappen (pilikonet) like over den endrede koden. Se under koden for statusinformasjon: "kompilering" og deretter "opplasting". Til slutt skal IDE indikere "Opplasting fullført", og LED -lampen din skal blinke raskere.

Gratulerer i så fall! Du har nettopp hacket ditt første stykke innebygd kode.

Når hurtigblink-versjonen er lastet og kjører, hvorfor ikke se om du kan endre koden igjen slik at LED-en blinker raskt to ganger og deretter vente et par sekunder før du gjentar den? Gi det et forsøk! Hva med noen andre mønstre? Når du først har lykkes med å visualisere et ønsket resultat, kodet det og observert at det fungerer som planlagt, har du tatt et enormt skritt mot å bli en kompetent maskinvarehacker.

Trinn 5: Header Pins og OLED på Loddefritt brødbrett

Nå som utviklingsdatamaskinen din er konfigurert til å laste kode til Arduino Nano og Nano er testet, koble USB -kabelen fra Nano og gjør deg klar til å lodde toppnålene. Hvis det er din første natt på fight club, må du lodde! Det er mange flotte guider og videoer på nettet om lodding (for eksempel). Hvis du føler at du trenger ekstra hjelp, kan du prøve å finne en lokal beslutningstakergruppe eller hackerplass i ditt område. Amatørradioklubber er også alltid gode kilder til elektronikkopplevelse.

Lodd de to topptekstene (femten pinner hver) til Arduino Nano -modulen. Den seks-pinners ICSP-kontakten (seriell programmering i kretsen) vil ikke bli brukt i dette prosjektet, så bare la disse pinnene være av. Når lodding er fullført, sjekk nøye for loddebroer og/eller kalde loddeskjøter. Til slutt kobler du Arduino Nano tilbake til USB -kabelen og kontrollerer at alt fortsatt fungerer som det skal.

For å koble OLED -en til Nano, sett begge inn i et loddefritt brødbrett som vist, og led dem mellom dem i henhold til denne tabellen:

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

For å kjøre OLED -skjermen må du installere SSD1306 OLED -skjermdriveren som finnes her i Arduino IDE.

Test OLED -skjermen ved å laste opp ssd1306/snowflakes -eksempelet og programmere det inn i Nano.

Andre eksempler fra SDD1306 -biblioteket er nyttige å utforske ved bruk av OLED -skjermen.

Trinn 6: MQ-3 Alkoholsensor og Breathalyzer Demo

MQ-3 Alkoholgassensor (datablad) er en halvledersensor til lav pris som kan detektere tilstedeværelsen av alkoholgasser ved konsentrasjoner fra 0,05 mg/L til 10 mg/L. Sensomaterialet som brukes i MQ-3 er SnO2, som viser økende konduktivitet når den utsettes for økende konsentrasjoner av alkoholgasser. MQ-3 er svært følsom overfor alkohol med svært liten kryssfølsomhet for røyk, damp eller bensin.

Denne MQ-3-modulen gir en rå analog utgang i forhold til alkoholkonsentrasjon. Modulen har også en LM393 (datablad) -komparator for å terskle en digital utgang.

MQ-3-modulen kan kobles til Nano i henhold til denne tabellen:

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

Demokode fra video.

ADVARSEL: Dette prosjektet er bare en pedagogisk demonstrasjon. Det er ikke et medisinsk instrument. Den er ikke kalibrert. Det er ikke på noen måte ment å bestemme alkoholnivået i blodet for evaluering av lovlige eller sikkerhetsgrenser. Ikke vær dum. Ikke drikk og kjør. Kom levende!

Trinn 7: Oppdagelse av ketoner

Ketoner er enkle forbindelser som inneholder en karbonylgruppe (en karbon-oksygen-dobbeltbinding). Mange ketoner er viktige i både industri og biologi. Det vanlige løsemiddelet aceton er det minste ketonet.

I dag er mange kjent med det ketogene dietten. Det er en diett basert på inntak av høyt fettinnhold, tilstrekkelig protein og lite karbohydrater. Dette tvinger kroppen til å forbrenne fett i stedet for karbohydrater. Normalt omdannes karbohydrater i maten til glukose, som deretter transporteres rundt i kroppen og er spesielt viktig for å stimulere hjernefunksjonen. Men hvis det er lite karbohydrat i kosten, omdanner leveren fett til fettsyrer og ketonlegemer. Ketonkroppene passerer inn i hjernen og erstatter glukose som energikilde. Et forhøyet nivå av ketonlegemer i blodet resulterer i en tilstand som kalles ketose.

Eksempel på ketonsensorprosjekt

Et annet eksempel på ketonsensorprosjekt

Sammenligning av MQ-3 vs TGS822 gassensorer

Trinn 8: Luftkvalitetssensor

Luftforurensning oppstår når skadelige eller overdrevne mengder stoffer inkludert gasser, partikler og biologiske molekyler blir ført inn i atmosfæren. Forurensning kan forårsake sykdommer, allergier og til og med død for mennesker. Det kan også forårsake skade på andre levende organismer som dyr, matvekster og miljøet generelt. Både menneskelig aktivitet og naturlige prosesser kan generere luftforurensning. Innendørs luftforurensning og dårlig bykvalitet er oppført som to av verdens verste giftige forurensningsproblemer.

Vi kan sammenligne driften av to forskjellige luftkvalitetssensorer (eller luftfare). Dette er MQ-135 (datablad) og MP503 (datablad).

MQ-135 er følsom for metan, nitrogenoksider, alkoholer, benzen, røyk, CO2 og andre molekyler. Grensesnittet er identisk med MQ-3-grensesnittet.

MP503 er følsom for formaldehydgass, benzen, karbonmonoksid, hydrogen, alkohol, ammoniakk, sigarettrøyk, mange lukter og andre molekyler. Grensesnittet er ganske enkelt, og gir to digitale utganger for å angi fire nivåer av forurensende konsentrasjoner. Standardkontakten på MP503 har en hylsterhylse av plast, som kan fjernes og erstattes av en standard 4-pinners topptekst (følger med i posen) for bruk med loddfrie brødbrett, DuPont-hoppere eller lignende vanlige kontakter.

Trinn 9: Vannkvalitetssensor

TDS-3 vannkvalitetstester

Total oppløste stoffer (TDS) er den totale mengden mobilladede ioner, inkludert mineraler, salter eller metaller oppløst i et gitt volum vann. TDS, som er basert på konduktivitet, uttrykkes i deler per million (ppm) eller milligram per liter (mg/L). Oppløste faste stoffer inkluderer ethvert ledende uorganisk element som er til stede annet enn de rene vannmolekylene (H2O) og suspenderte faste stoffer. EPAs maksimale forurensningsnivå for TDS til konsum er 500 ppm.

Tar TDS -målinger

1. Fjern beskyttelseshetten.
2. Slå på TDS -måleren. PÅ/AV -bryteren er plassert på panelet.
3. Fordyp måleren i vannet/løsningen opp til maks. nedsenking (2”).
4. Rør lett i måleren for å fjerne eventuelle luftbobler.
5. Vent til displayet stabiliserer seg. Når avlesningen er stabilisert (ca. 10 sekunder), trykker du på HOLD -knappen for å se avlesningen ut av vannet.
6. Hvis måleren viser et blinkende 'x10' symbol, multipliserer du avlesningen med 10.
7. Rist av overflødig vann fra måleren etter bruk. Sett på lokket igjen.

Kilde: Full instruksjonsark

Eksperiment: Bygg din egen enkle TDS-måler (prosjekt med video her) som kan kalibreres med og testes mot TDS-3.

Trinn 10: Termisk sensing

GY-906 kontaktløs temperatursensormodul

GY-906 termisk sensormodul er utstyrt med en MLX90614 (detaljer). Dette er et brukervennlig, men veldig kraftig enkeltsone infrarødt termometer, som kan registrere objekttemperaturer mellom -70 og 380 ° C. Den bruker et I2C -grensesnitt for å kommunisere, noe som betyr at du bare trenger å bruke to ledninger fra mikrokontrolleren din for å koble til den.

Demo termosensorprosjekt.

Nok et termosensorprosjekt.

DS18B20 vanntett temperatursensor

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

Trinn 11: HAKK PLANET

Hvis du har hatt glede av denne instruksjonsboken og vil ha en kul eske med hackbar elektronikk og datatekniske prosjekter som faller ned i postkassen din hver måned, kan du bli med i revolusjonen ved å surfe over til HackerBoxes.com og abonnere på å motta vår månedlige overraskelsesboks.

Nå ut og del suksessen din i kommentarene nedenfor eller på HackerBoxes Facebook -side. Gi oss beskjed hvis du har spørsmål eller trenger hjelp med noe. Takk for at du er en del av HackerBoxes!