Самодельные датчики для ардуино

Датчики используют в самых разнообразных схема и проектах. Ни одна автоматизация не обходится без них. Нам они интересны, потому что для упрощения проектирования и популяризации электроники создан проект Arduino. Это готовая плата с микроконтроллером и всем необходимым для работы с ней и программирования. В этой статье мы рассмотрим датчики для Ардуино, но они могут и применяться с другими микроконтроллерами.

Какими бывают датчики?

Сенсоры являются глазами, ушами и другими органами чувств микроконтроллера или другого управляющего устройства. Их различают по роду сигнала и по назначению.

По роду сигнала разделяют на:

А по назначению датчики бывают для измерения:

Уровня воды или других веществ;

И другие специализированные компоненты.

Если говорить об Ардуино, то, при получении информации с датчиков, мы обрабатываемых цифровой сигнал, либо измеряем напряжение с аналогового выхода модуля. Как уже было сказано, сенсоры бывают цифровыми и аналоговыми. Некоторые модули для Ардуино имеют и цифровой и аналоговый выход, что унифицирует их.

По устройству они бывают

Фотоэлементы и другие типы.

Датчик света или освещенности

Простейшим способом определить освещённость чего-либо – использовать фоторезистор, фотодиод или фототранзистор. Можно подключить к Ардуино один из перечисленных вариантов или купить специальную плату — датчик освещенности.

В чем преимущества готового решения? Во-первых, для определения изменений освещенности одного фотоэлемента недостаточно, нужен ещё и обычный или подстроечный резистор, возможно её и компаратор, для ступенчатого срабатывания типа "да/нет". Во-вторых, печатная плата, изготовленная в заводских условиях будет надежнее навесного монтажа или пакетной плат, или других способов, которыми пользуются любители.

На алиэкспресс или в других интернет магазинах его можно найти по запросу «PHOTOSENSITIVE-SENSOR» или просто «датчик света».

У этого модуля есть три вывода:

Цифровой выход с компаратора.

Или версия с четырьмя выводами:

Цифровой выход с компаратора;

Так на плате размещен подстроечный резистор для регулировки момента срабатывания компаратора может выдавать цифровой сигнал.

Датчик освещенности для фотореле;

Сигнализация (в паре с излучателем);

Счетчик объектов которые пересекают световой луч и т.д.

Точных значений добиться сложно, так как для корректной отстройки по освещенности понадобится полноценный люксметр. Фоторезисторы подходят скорее для определения абстрактных величин типа «темно или светло».

Кроме такой платы в продаже можно встретить довольно интересный модуль GY-302. Это датчик освещенности на базе интегральной микросхемы BH-1750. Его особенностью является то, что это цифровой модуль, у него разрядность в 16 бит, общается с микроконтроллерами по шине i2c. 16 бит позволяют измерять освещенность от 1 до 65356 Люкс (Лк).

Ниже изображена схема его подключения. Вы можете обратить внимание на то, что SDA и SCL подключены к аналоговым пинам микроконтроллера.

Это связано с тем, что на этих пинах ардуины реализована шина I2C, в чем можно убедится, посмотрев на следующую картинку. Поэтому пусть вас не вводит этот факт в заблуждение, датчик является цифровым.

Преимуществом цифровых сенсоров является то, что не нужно проверять значения каждого экземпляра, составлять таблицы для перевода измеренных величин в реальные шкалы и прочее. В большинстве случаев для цифровых датчиков достаточно просто подключить готовую библиотеку и считывать значения, переведенные в реальные единицы измерения.

Пример скетча для GY-302 (BH-1750):

Как работает скетч?

В начале мы говорим программе о том, что нужно подключить библиотеку Wire.h, которая отвечает за связь по линии I2C, и BH1750. Остальные действия хорошо описаны в комментариях, а в итоге каждые 100мс мы считываем значение с сенсора в Люксах.

Характеристики GY-302 BH1750:

Связь с микроконтроллером по I2C

Спектральная характеристика подобна чувствительности глаза

Минимизированы погрешности вызванные ИК-излучением

Диапазон измерения 0-65535 Lux

Напряжение питания: 3-5 В

Малый потребляемый ток и функция спящего режима

Фильтрация световых шумов 50/60 Гц

Максимальное число сенсоров на 1 шине I2C – 2 штуки.

Не требует калибровки

Ток потребления – 120 мкА

В спящем режиме – 0,01 мкА

Измеряемая длина волны – 560 нм

В режиме высокого разрешения – 1 Лк

В режиме низкого разрешения – 4 Лк

Время, за которое выполняются измерения:

В режиме высокого разрешения – 120 мс

В режиме низкого разрешения – 16 мс

Датчик препятствия

Я выбрал этот датчик следующим к рассмотрению, потому что один из его вариантов работает на базе фотодиода или фототранзистора, которые по принципу действия схожи с рассмотренным в предыдущем разделе фоторезистором.

Его название «оптический датчик препятствия». Основным функциональным элементом является фотодиод и светодиод излучающие и принимающие в ИК спектре (поэтому не виден человеческому глазу, а также пороговый узел, собранный, например, на компараторе с регулятором чувствительности. С его помощью регулируется расстояние, на котором срабатывает датчик, кстати он цифровой.

Пример схемы подключения:

Пример программы обработки сигнала с датчика.

Здесь, если на выходе с датчика «1», что значит «есть препятствие», – зажжется светодиод, встроенный в плату Ардуино, либо подключенный к 13 пину (одно и то же). Наиболее часто используется в робототехнике и сигнализациях.

Датчик расстояния

Предыдущий экземпляр состоят из приемника, — фотодиода, и излучателя, — светодиода. Ультразвуковой датчик расстояния также состоит из приемника и излучателя УЗ волн. Его название – HC SR04.

Читайте также:  Рейтинг чистящих средств для унитаза

Характеристики HC SR04:

Питающее напряжение 5В

Рабочий параметр силы т ока – 15 мА

Сила тока в пассивном состоянии Как обрабатывать показания?

1. На вход TRIG посылаем импульс длительностью в 10 мкс;

2. Внутри модуля импульс преобразуется в пачку из 8 импульсов, которые следуют друг за другом с частотой в 40 кГц и посланы через излучатель;

3. Отраженные от препятствия импульсы приходят на приёмник и выводятся на вывод ECHO;

4. Длительность импульса, полученного с вывода ECHO нужно разделить на 58.2, чтобы получить расстояние в сантиметрах и на 148, если нужно перевести в дюймы.

Пример программного кода:

Измеряем температуру

Простейший способ измерения температуры с помощью микроконтроллера – использовать термопару или терморезистор. Термопары используются для измерения высоких температур, для измерения комнатной и уличной – подойдет тот, о котором я расскажу немного ниже, а пока давайте рассмотрим термопару.

Для каждого вида термопар свой подход для работы с микроконтроллером. Например, есть термопара К-типа, или как её еще называют – хромель-алюмелевая, с диапазоном измеряемых температур от -200 до +1400 градусов Цельсия с чувствительностью 41 мВ/градус Цельсия. А для неё есть специальный преобразователь на базе ИМС max6675, в нем есть функция компенсации температуры холодного спая и прочее.

Работать с этим модулем можно с помощью одноименной библиотеки для Ардуино. На рисунке ниже вы видите пример программного кода для этого случая.

Тогда на монитор последовательного порта выводится следующее.

Но также есть и цифровой датчик температуры DS12B20, его можно назвать классическим, так как он уже много лет используется в любительски проектах, причем еще задолго до появления Ардуино.

Это цифровая интегральная микросхема её внутреннее устройство изображено на рисунке ниже:

Схема подключения к плате:

Основные характеристики и сведения о DS18b20:

Погрешность – меньше 0,5 С (в диапазоне температур от -10С до +85С).

Калибровка не требуется

Диапазон измерений – от -55 С до +125С

VCC, напряжение питания 3,3-5В.

разрешающая способность до 0,0625С, задается программно;

Разрядность – 12 бит

Каждому экземпляру присваивается уникальный серийный код. Это нужно для того, чтобы без проблем использовать несколько штук в одном проекте

Интерфейс для связи – 1-Wire

Обвязка не требуется

Максимальное число датчиков на одной линии — 127 штук

Режим паразитного питания – в этом случае датчик питается напрямую от линии связи. При этом не гарантируется измерение температуры выше, чем 100С

Ниже вы видите таблицу перевода двоичного кода с DS18b20 в значения температуры в градусах Цельсия.

Пример программы для считывания значений температуры.

Датчики атмосферного давления

Электронные барометры собираются на базе датчиков атмосферного давления. Широкое распространение получили следующие варианты:

Если два предыдущих экземпляры были подобны друг другу, то датчик BME280 – это миниатюрная метеостанция. В ней встроено 3 датчика:

Его технические характеристики:

Размеры 2,5 х 2,5 х 0,93 мм;

Металлический LGA-корпус, оснащенный 8-ю выходами;

Напряжение питания 1,7 – 3,6В;

Наличие интерфейсов I2C и SPI;

Потребляемый ток в режиме ожидания 0,1 мкА.

Эти примеры являются МЕМС-барометрами. МЕМС расшифровывается, как микроэлектромеханический. Это механическая микроструктура, которая для своей работы использует емкостные явления и другие принципы. Ниже вы видите пример такого датчика в разрезе.

Пример схемы подключения:

И пример программного кода:

Логика программы несложная:

1. Вызов подпрограммы (функции) считывания с датчика.

2. Запрос показаний встроенного в барометр датчика температуры.

3. Ждем время для оценки датчиком температуры;

4. Считываем результат измерений температуры;

5. Запрос значения давления;

6. Ждем время измерения давления;

7. Считываем значение давления;

8. Возвращаем значение давления из функции.

Интересен тот факт, что возможно четыре варианта считывания значений, они задаются в качестве аргумента в функции startPressure, вторым знаком от 0 до 3, где 0 – грубая оценка, а 3 – точная.

Датчик движения

Самым распространенным датчиком движения для Ардуино является модуль HC SR501 на базе ИК—сенсора. Особенностью этого модуля является то, что у него есть регулировка расстояния срабатывания и времени задержки выходного сигнала после срабатывания.

1. Напряжение питания 4,5 – 20 В.

2. Ток покоя ≈ 50 мкА;

3. Напряжение выходного сигнала (логический уровень): 3.3 В;

4. Диапазон рабочих температура – от -15° C до 70° C;

5. Размеры: 32*24 мм;

6. Поле зрения – 110°;

7. Максимальная дистанция срабатывания – от 3 до 7 м (регулируется); При температуре более 30° C это расстояние может уменьшаться.

Как с ним работать мы рассматривали в статье, опубликованной ранее: Схемы датчиков движения, принцип их работы и схемы подключения

Датчик уровня воды

Предназначен для индикации уровня жидкости.

1. Напряжение питания 3-5В

2. Ток потребления >20 ма

4. Размеры измерительной зоны 40×16 мм

5. Допустимая влажность 10%- 90%

Пример программного кода:

Выходные значения от 0 (в сухом состоянии) до 685 (может отличаться фактически зависит от проводимости воды). Не забывайте об электролизе, при измерениях уровня соленной или жесткой воды его разъест.

Читайте также:  Самодельные станки и приспособления для домашней столярной

Датчик протечки

Модуль состоит из двух частей – сам датчик и компаратор, может быть построен на LM393, LM293 или LM193.

Благодаря компаратору происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой.

VCC – питание, должно соответствовать питания платы Апдуино, в большинстве случаев это 5В;

GND – общий провод;

АO – аналоговый сигнал;

DO — цифровой сигнал.

На плате компаратора есть подстроечный резистор, он устанавливает чувствительность датчика. Может выступать в качестве сигнализации дождя или протечки чего либо, а в паре с таким краном может работать как защита от протечки трубопровода в квартире:

На видео показано как он работает:

Датчик влажности

Обычно используется в проектах автоматического полива, для определения влажности почвы, также как и предыдущий состоит из электродов и платы с компаратором.

Может работать как в аналоговом, так и цифровом режимах. Пример схемы подключения для системы автоматического полива с краном на базе двигателя:

И пример программного кода для обработки цифрового сигнала с датчика влажности:

Заключение

Мы рассмотрели популярные датчики, однако есть еще и масса других. Это разнообразные датчики вибрации, гироскопы, акселерометры, датчики излучений и прочее.

Целью статьи было собрать в одном месте разнообразные элементы, которые могут быть полезны начинающему электронщику для реализации своих проектов. Если вам интересен тот или иной датчик – пишите в комментариях и мы рассмотрим его подробнее.

Для большего удобства, мы собрали для вас таблицу с ориентировочной стоимостью и перечень популярных датчиков для Ардуино, в том порядке, в котором они были рассмотрены в статье: Датчики для Ардуино

Цены взяты из интернет-магазинов РФ или Украины. В Китае они стоят в 2 и более раз дешевле.

Решил таки сделать свою версию метеостанции-часов-календаря на Arduino с кучей датчиков и различными крутыми штуками! Проект уместился в корпусе G909G из магазина Чип и Дип, питается от micro-USB и выглядит весьма неколхозно! =)

  • Большой дешёвый LCD дисплей
  • Вывод на дисплей:
  • Большие часы
  • Дата
  • Температура воздуха
  • Влажность воздуха
  • Атмосферное давление (в мм.рт.ст.)
  • Углекислый газ (в ppm)
  • Прогноз осадков на основе изменения давления
  • Построение графиков показаний с датчиков за час и сутки
  • Индикация уровня CO2 трёхцветным светодиодом (общий анод/общий катод, настраивается в прошивке)
  • Переключение режимов сенсорной кнопкой
  • Версия 1.5
    – Добавлено управление яркостью
    – Яркость дисплея и светодиода СО2 меняется на максимальную и минимальную в зависимости от сигнала с фоторезистора
    Подключите датчик (фоторезистор) по схеме. Теперь на экране отладки справа на второй строчке появится величина сигнала
    с фоторезистора. Пределы яркости устанавливаются в настройках прошивки.

    ПОДРОБНОЕ ВИДЕО ПО ПРОЕКТУ

    В данном видео показан полный и максимально подробный процесс разработки и изготовления устройства, а также обзор его возможностей и функций.

    Понятные схемы, OpenSource прошивки с комментариями и подробные инструкции это очень большая работа. Буду рад, если вы поддержите такой подход к созданию Ардуино проектов! Основная страница пожертвовать – здесь.

    СХЕМЫ, ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

    КОРПУСА ПОД 3D ПЕЧАТЬ

    Несколько вариантов 3D-печатных корпусов для этого проекта с инструкциями по сборке есть в ветке обсуждения часов-метеостанции на форуме сообщества

    МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ

    Ссылки на магазины, с которых я закупаюсь уже не один год

    Вам скорее всего пригодится:

    Первые ссылки – в основном магазин Great Wall, вторые – WAVGAT. Покупая в одном магазине, вы экономите на доставке!

    ПРОШИВКА И НАСТРОЙКА

    Загружать прошивку желательно до подключения компонентов, чтобы убедиться в том, что плата рабочая. После сборки можно прошить ещё раз, плата должна спокойно прошиться. В проектах с мощными потребителями в цепи питания платы 5V (адресная светодиодная лента, сервоприводы, моторы и проч.) необходимо подать на схему внешнее питание 5V перед подключением Arduino к компьютеру, потому что USB не обеспечит нужный ток, если например лента его потребует. Это может привести к выгоранию защитного диода на плате Arduino. Гайд по скачиванию и загрузке прошивки можно найти под спойлером на следующей строчке.

    ИНСТРУКЦИЯ ПО ЗАГРУЗКЕ ПРОШИВКИ

    1. Если это ваше первое знакомство с Arduino, внимательно изучите гайд для новичков и установите необходимые для загрузки прошивки программы.

    2. Скачайте архив со страницы проекта. Если вы зашли с GitHub – кликните справа вверху Clone or download, затем Download ZIP. Это тот же самый архив!

    3. Извлеките архив. Содержимое папки libraries перетащите в пустое место папки с библиотеками Arduino C:/Program Files (x86)/Arduino/libraries/

    4. Папку с прошивкой из firmware положите по пути без русских букв . Если в папке с прошивкой несколько файлов – это вкладки, они откроются автоматически.

    5. Настройте прошивку (если нужно), выберите свою плату, процессор. Подключите Arduino к компьютеру, выберите её COM порт и нажмите загрузить.

    6. При возникновении ошибок или красного текста в логе обратитесь к 5-ому пункту гайда для новичков – “Разбор ошибок загрузки и компиляции“.

    Содержимое папок в архиве

    • libraries – библиотеки проекта. Заменить имеющиеся версии
    • firmware – прошивки для Arduino
    • schemes – схемы подключения компонентов

    Как показал эксперимент, снаружи корпуса датчик температуры показывает на 0.5 градуса меньше, чем внутри! Нужно более удачно компоновать электронику, отводить и экранировать тепло от греющихся элементов…

    Читайте также:  Ремонт без больших затрат

    Если дисплей показывает слишком тускло/на белом фоне
    На плате драйвера дисплея (к которой подключаются провода) есть крутилка контрастности, с её помощью можно подстроить контраст на нужный. Также контрастность зависит от угла взгляда на дисплей (это же LCD) и можно настроить дисплей на чёткое отображение даже под углом “дисплей на уровне пупка, смотрим сверху”. А ещё контрастность сильно зависит от питания: от 5V дисплей показывает максимально чётко и ярко, тогда как при питании от USB через Arduino напряжение будет около 4.5V (часть падает на защитном диоде по линии USB), и дисплей показывает уже не так ярко. Вывод настраивайте крутилкой при внешнем питании от 5V!

    Если датчик CO2 работает некорректно (инфа от Евгения Иванова)
    Ну там в папке библиотеки сенсора в examples есть скетчи для калибровки. также ее можно запустить втупую замкнув на землю разъем “HD” на 7+ секунд.
    Само собой вот прямо на улице на морозе этим заниматься не обязательно… можно просто в бутылку набрать свежего воздуха с датчиком внутри и запечатать. калибровка проводится минимум 20 минут..
    По-умолчанию датчик поставляется с включенной автокалибровкой, которая происходит каждый день, и если датчик используется в невентелируемом помещении, то эта калибровка быстро уводит значения от нормы за горизонт, потому ее нужно обязательно отключать.
    Документация.

    Автокалибровка датчика CO2 отключена в скетче!

    Если у вас не работает датчик BME280, скорее всего у него отличается адрес. В проекте используется библиотека Adafruit_BME280, у которой нет отдельной функции смены адреса, поэтому адрес задаётся вручную в файле библиотеки Adafruit_BME280.h почти в самом начале файла (лежит в папке Adafruit_BME280 в вашей папке библиотек, вы должны были её туда установить), у моего модуля был адрес 0x76. Как узнать адрес своего модуля BME280? Есть специальный скетч, называется i2c scanner. Его можно нагуглить, можно скачать с моего FTP. Прошиваете данный скетч, открываете порт и получаете список адресов подключенных к шине i2c устройств. Чтобы остальные модули вам не мешали – можно их отключить и оставить только BME280. Полученный адрес указываем в библиотеке, сохраняем файл и загружаем прошивку метео-часов. Всё!

    Если отстают часы, проблема скорее всего в питании схемы. Если при смене блока питания на более качественный проблема не уходит, повесьте конденсатор по питанию RTC модуля (прям на плату на VCC и GND паять): обязательно керамический, 0.1-1 мкФ (маркировка 103 или 104, смотрите таблицу маркировок). Также можно поставить электролит (6.3V, 47-100 мкФ)

    Доброго времени суток. В сегодняшней статье, поговорим о том, как изготовить самодельную плату Arduino своими руками. На МозгоЧинах уже выкладывалась похожая статья, кто заинтересовался прошу сюда. С практической точки зрения – проще купить готовую плату и не заморачиваться, но навыки, полученные при изготовлении данной поделки, в дальнейшем могут пригодиться.

    Процесс изготовления любой самоделки начинается с подготовки материально-технической базы.

    Радиодетали:

    • ATmega328;
    • 2 электролитических конденсатора ёмкостью 10 uf (микрофарад);
    • 2 конденсатора в круглом керамическом корпусе ёмкостью 22 pf (пикофарада);
    • регулятор напряжения L7805;
    • кварцевый резонатор 16 MГц;
    • тактовая кнопка;
    • светодиоды;
    • панелька для микросхемы;
    • регулятор напряжения LM1117T-3.3 (по желанию);
    • 2 танталовых конденсатора ёмкостью 10 uf (микрофарад) (по желанию).

    Инструменты:

    После того, как приобрели все радиодетали, пришло время произвести монтаж, но перед этим нужно сказать пару слов насчёт atmega328. Существуют два типа микросхем: с boot-loader (бутлоударом, он же загрузчик) и без него. Разница в цене микросхем не значительная, но если приобретёте «микруху» с бутлоударом, то сможете проскочить несколько шагов из данной статьи. Если же купите без загрузчика, то необходимо в точности выполнить всё, что описано в последующих шагах.

    Загрузчик необходим для загрузки кода с Arduino IDE в микросхему.

    Для этого шага будет нужна плата Arduino UNO. Следуя схеме, припаяем радиодетали на монтажную плату. На данной этапе, нет необходимости включать в схему регуляторы напряжения, так как Arduino обеспечит необходимое напряжение.

    Настроим плату Аrduino UNO, как ISP. Это нужно сделать для того, чтобы плата прошила микроконтроллер ATmega, а не саму себя. Не подключайте ATmega, пока идёт загрузка кода.

    • Подключим Arduino к ПК;
    • Откроем Arduino IDE;
    • Откроем > Примеры > Arduino ISP;
    • Загрузим прошивку.

    После того, как все элементы схемы соединены воедино, открываем IDE.

    • Выбираем Arduino328 из Tools > Board
    • Выбираем Arduino, как ISP из Tools > Programmer
    • Выбираем Burn Bootloader

    После успешной записи, вы получите «Done burning bootloader».

    После прошивки загрузчика, завершим изготовлении платы. Регулятор напряжения L7805 – это важная деталь схемы. Распиновка следующая (смотрим на лицевую сторону): крайняя левая нога – вход, центральная нога – земля, а крайняя правая нога – выход.

    Следуя схеме присоединим регулятор напряжения к arduino.

    Данный шаг выполняется по желанию. Регулятор используется только для питания внешних шилдов/модулей, которым нужно 3.3В.

    Как только завершим сбоку, пришло время загрузить первый код. Для прошивки удалим родной микроконтроллер ATmega 328 с платы UNO и заменим его новой микрухой. Как только загрузим код, поменяем микросхемы местами.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

    Adblock detector