استفاده از آردوینو برای علم شهروندی!: 14 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

علم به ما اجازه می دهد تا س pressالات فوری خود را بپرسیم و انواع کنجکاوی ها را بررسی کنیم. با کمی فکر ، سخت کوشی و صبر ، می توانیم از اکتشافات خود برای درک و درک بهتر جهان پیچیده و زیبا پیرامون خود استفاده کنیم.

این آموزش به شما نحوه استفاده از میکروکنترلر Arduino (uno) ، نحوه استفاده از انواع مختلف سنسورها و نحوه جمع آوری و تجسم داده ها را آموزش می دهد. در طول راه ، ما سه پروژه خواهیم ساخت: یک سوئیچ شیب ، یک سنسور دما و رطوبت و یک سنسور نور!

سطح دشواری: مبتدی

زمان مطالعه: 20 دقیقه

زمان ساخت: بستگی به پروژه شما دارد! (پروژه های این آموزش حدود 15 تا 20 دقیقه طول می کشد)

مرحله 1: Pssst ، تفاوت بین شهروند علم و "علم رسمی" چیست؟

بزرگترین تفاوت این است که علم شهروند ، همانطور که دوست دارم بگویم ، "موج دار است" ، به این معنی که خطاها و عدم قطعیت های زیادی وجود دارد و هیچ فرآیند دقیقی برای شناسایی آنها وجود ندارد. به همین دلیل ، نتیجه گیری هایی که از طریق علم شهروندی به دست می آید بسیار کمتر از علم علم است و نباید برای اتهامات یا تصمیمات جدی/زندگی ساز/تهدید کننده زندگی به آنها تکیه کرد.*

گفته می شود ، علم شهروندی یک راه عالی برای ایجاد درک اساسی از انواع پدیده های علمی جذاب است و برای اکثر برنامه های روزمره به اندازه کافی خوب است.

*اگر در حال انجام علم شهروندی هستید و چیزی بالقوه خطرناک را کشف کرده اید (به عنوان مثال سطح بالای سرب در آب) ، مربی خود را مطلع کنید (در صورت وجود) و برای مساعدت با مقامات و متخصصان مربوطه تماس بگیرید.

مرحله 2: آردوینو چیست؟

آردوینو یک برد میکروکنترلر و محیط توسعه یکپارچه ("IDE") است که راهی فانتزی برای گفتن "برنامه نویسی" است. برای مبتدیان ، من تابلوهای Arduino Uno را به شدت توصیه می کنم زیرا بسیار قوی ، قابل اعتماد و قدرتمند هستند.

تابلوهای آردوینو انتخاب خوبی برای پروژه های علمی شهروندی هستند زیرا تعداد زیادی پین ورودی برای خواندن در سنسورهای آنالوگ و دیجیتال دارند (بعداً در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد).

البته ، بسته به نیازها ، توانایی ها و سطح راحتی شما (یا دانش آموزان) می توانید از میکروکنترلرهای دیگر برای علم شهروندی استفاده کنید. در اینجا مروری بر میکروکنترلرها وجود دارد که به شما کمک می کند تصمیم بگیرید چه چیزی برای شما بهتر است!

برای فلش کردن یا برنامه ریزی برد آردوینو ، آن را از طریق USB به برق وصل کنید ، سپس:

1. نوع Arduino مورد استفاده خود را در قسمت Tools -> Boards انتخاب کنید. (عکس 2)

2. پورت (که در آن به رایانه شما متصل است) را انتخاب کنید. (عکس 3)

3. روی دکمه بارگذاری کلیک کنید و بررسی کنید که بارگذاری به پایان برسد. (عکس 4)

مرحله 3: ابزار و مواد

اگر به تازگی کار خود را شروع کرده اید ، تهیه کیت یک راه سریع و آسان برای تهیه دسته ای از قطعات به طور همزمان است. کیتی که من در این آموزش استفاده می کنم Elegoo Arduino Starter Kit است.*

ابزارها

• آردوینو اونو
• کابل USB A به B (معروف به کابل چاپگر)

• سیم های جامپر

  • 3 نر به مرد
  • 3 مرد به زن

• تخته نان

  اختیاری اما توصیه می شود که زندگی شما را آسان تر و سرگرم کننده تر کند:)

مواد

برای پروژه های پوشش داده شده در این آموزش ، به این قطعات از Elegoo Arduino Starter Kit احتیاج دارید:

• سوئیچ شیب
• سنسور دما و رطوبت DTH11
• رهبری
• مقاومت 100 اهم

*افشای کامل: من همین کیت ها را برای کارگاه ها خریداری می کنم ، اما کیت مورد استفاده در این آموزش توسط افراد دوست داشتنی Elegoo اهدا شد.

مرحله 4: از چه نوع سنسورهایی می توانیم استفاده کنیم؟

هنگام طراحی یک آزمایش علمی ، ما معمولاً با یک سوال شروع می کنیم: گیاهان چقدر CO2 در روز جذب می کنند؟ نیروی ضربه ای یک پرش چقدر است؟ شعور چیست ؟؟

بر اساس س ourال ما ، می توانیم آنچه را که می خواهیم اندازه گیری کنیم شناسایی کنیم و برخی تحقیقات را انجام دهیم تا دریابیم از چه سنسوری می توانیم برای جمع آوری داده ها استفاده کنیم (اگرچه جمع آوری داده ها برای آخرین س questionال کمی دشوار است!).

هنگام کار با وسایل الکترونیکی ، دو نوع اصلی سیگنال داده سنسور وجود دارد: دیجیتال و آنالوگ. در عکس ، دو ردیف اول قسمت ها همه سنسورهای دیجیتال هستند ، در حالی که دو ردیف بالا آنالوگ هستند.

انواع مختلفی از سنسورهای دیجیتال وجود دارد و کار با برخی از آنها دشوارتر از سایرین است. هنگام انجام تحقیقات برای پروژه علمی شهروندی خود ، همیشه نحوه خروج سنسور از داده ها (srsly tho) را بررسی کنید و مطمئن شوید که می توانید یک کتابخانه (Arduino) برای آن سنسور خاص پیدا کنید.

در سه پروژه پوشش داده شده در این آموزش ما از دو نوع سنسور دیجیتال و یک سنسور آنالوگ استفاده خواهیم کرد. بیایید a-learnin بگیریم!

مرحله 5: سنسورهای دیجیتال! قسمت 1: افراد ساده

در اکثر سنسورهایی که از آنها استفاده می کنید یک سیگنال دیجیتال است که سیگنالی است که روشن یا خاموش است. یا غلط اگر بخواهیم تصویری از سیگنال باینری به تصویر بکشیم ، یک موج مربعی مانند عکس 2 خواهد بود.

برخی از سنسورهای دیجیتال مانند سوئیچ ها وجود دارد که اندازه گیری آنها بسیار آسان و ساده است زیرا یا دکمه فشار داده می شود و ما سیگنال دریافت می کنیم (1) ، یا فشار داده نمی شود و هیچ سیگنالی نداریم (0). سنسورهای نشان داده شده در ردیف پایینی عکس اول همه انواع روشن/خاموش ساده ای هستند. سنسورهای ردیف بالا کمی پیچیده تر هستند و پس از اولین پروژه ما پوشش داده می شوند.

دو پروژه اول در این آموزش نحوه استفاده از هر دو نوع را به شما آموزش می دهد! به جلو برای ساخت اولین پروژه ما !!

*روشن یعنی سیگنال الکتریکی به شکل جریان و ولتاژ الکتریکی. خاموش یعنی هیچ سیگنال الکتریکی ندارد!

مرحله 6: پروژه 1: سنسور دیجیتال Tilt Switch

برای اولین پروژه ، اجازه دهید از یک سوئیچ شیب ، آن سنسور استوانه ای مشکی با دو پا استفاده کنیم! مرحله 1: یک پا سوئیچ شیب را در پین دیجیتال آردوینو 13 و پای دیگر را در پین GND درست در کنار پین 13. قرار دهید. مهم نیست

مرحله 2: یک طرح بنویسید که وضعیت پین دیجیتال 13 را بخواند و چاپ کند

یا فقط می توانید از مال من استفاده کنید!

اگر تازه شروع به برنامه نویسی کرده اید ، نظرات را بخوانید تا نحوه عملکرد طرح را بهتر بفهمید و برخی چیزها را تغییر دهید تا ببینید چه اتفاقی می افتد! شکستن چیزها مشکلی ندارد ، این یک راه عالی برای یادگیری است! همیشه می توانید فایل را دوباره بارگیری کرده و از نو شروع کنید:)

مرحله 3: برای مشاهده داده های زنده خود ، روی دکمه Serial Monitor (عکس 2) کلیک کنید

.. ااا و همین! اکنون می توانید از سوئیچ شیب برای اندازه گیری جهت استفاده کنید! آن را طوری تنظیم کنید که بچه گربه شما وقتی چیزی را برانداز می کند ، یا از آن برای پیگیری نحوه حرکت شاخه های درخت در طول طوفان استفاده کنید!.. & احتمالاً برنامه های دیگری نیز در بین این دو حالت وجود دارد.

مرحله 7: سنسورهای دیجیتال! قسمت 2: PWM و ارتباط سریال

راه های زیادی برای ایجاد سیگنال های دیجیتال پیچیده تر وجود دارد! یکی از روش ها Pulse Width Modulation ("PWM") نامیده می شود که راهی فانتزی برای گفتن سیگنالی است که برای مدت زمان مشخص روشن و برای مدت زمان مشخص خاموش است. سرو موتورها (که می توانند برای اندازه گیری موقعیت استفاده شوند) و سنسورهای اولتراسونیک نمونه هایی از سنسورهایی هستند که از سیگنال های PWM استفاده می کنند.

همچنین سنسورهایی وجود دارند که از ارتباط سریال برای ارسال داده ها به صورت یک بیت یا رقم دوتایی در یک زمان استفاده می کنند. این سنسورها نیاز به آشنایی با خواندن برگه های داده دارند و اگر به تازگی شروع به کار کرده اید می توانند بسیار مشکل باشند. خوشبختانه ، سنسورهای سریال معمولی دارای کتابخانه های کد* و نمونه برنامه هایی هستند که می توانید از آنها استفاده کنید تا بتوانید موارد کاربردی را کنار هم قرار دهید. جزئیات بیشتر در مورد پروتکل های ارتباط سریال خارج از محدوده این آموزش است ، اما در اینجا یک منبع عالی در زمینه ارتباط سریال از SparkFun برای کسب اطلاعات بیشتر است!

برای این پروژه نمونه ، اجازه دهید از سنسور دما و رطوبت (DHT11) استفاده کنیم! این یک مربع آبی با سوراخ و 3 پین است.

ابتدا به چند کتابخانه مخصوص سنسور DHT11 نیاز داریم: کتابخانه DHT11 و کتابخانه Adafruit Unified Sensor. برای نصب این کتابخانه ها (و بیشتر کتابخانه های دیگر آردوینو):

مرحله 1: مدیر کتابخانه Arduino را با رفتن به Sketch -> Libraries -> management Library باز کنید (عکس 2)

مرحله 2: کتابخانه DHT را با جستجوی "DHT" و سپس کلیک روی "نصب برای" کتابخانه DHT Arduino "نصب و فعال کنید (عکس 3)

مرحله 3: کتابخانه Adafruit Unified Sensor را با جستجوی "Adafruit Unified Sensor" و کلیک روی install نصب و فعال کنید.

مرحله 4: با رفتن به Sketch -> Libraries و کلیک روی "DHT Arduino Library." (عکس 4) کتابخانه DHT را در طرح باز خود وارد کنید. (عکس 4) این کار چند خط جدید را در بالای طرح شما قرار می دهد ، که به معنی ما است. کتابخانه در حال حاضر فعال و آماده استفاده است! (عکس 5)

*درست مانند کتابخانه محلی مورد علاقه شما ، کتابخانه های کد نیز دارای دانش و کار سخت دیگران است که می توانیم از آنها برای سهولت زندگی خود استفاده کنیم.

مرحله 8: پروژه 2: سنسور سریال دیجیتال دما و رطوبت

3 سیم جهنده مرد به زن را از Elegoo Arduino Starter Kit بگیرید و ما آماده حرکت هستیم!

مرحله 1: با پین هدر رو به روی شما ، راست ترین پین هدر را روی DHT11 به پین زمینی آردوینو ("GND") وصل کنید.

مرحله 2: پین هدر وسط را به پین خروجی آردوینو 5 ولت وصل کنید.

مرحله 3: پین هدر سمت چپ را به پین دیجیتال Arduino 2 وصل کنید

مرحله 4: در نهایت ، کتابخانه DHT را بخوانید و دست خود را در نوشتن یک طرح امتحان کنید! Oooor شما می توانید از نقشه من یا نمونه آزمایش DHT در آردوینو استفاده کنید -> مثالها!

وقتی کار را شروع کردید ، جلو بروید و دما و رطوبت همه چیز را اندازه بگیرید!.. مانند تنفس حیوانات ، گلخانه یا محل صعود مورد علاقه شما در زمان های مختلف سال برای پیدا کردن دمای ارسال * مناسب *.

مرحله 9: سنسورهای آنالوگ

پس از شیرجه رفتن دشوار به سنسورهای دیجیتال ، حسگرهای آنالوگ می توانند نسیمی به نظر برسند! همانطور که در عکس دوم نشان داده شده است ، سیگنالهای آنالوگ یک سیگنال پیوسته هستند. بیشتر جهان فیزیکی به صورت آنالوگ وجود دارد (به عنوان مثال دما ، سن ، فشار و غیره) ، اما از آنجا که رایانه ها دیجیتال هستند*، اکثر سنسورها یک سیگنال دیجیتالی تولید می کنند. برخی از میکروکنترلرها مانند برد های آردوینو نیز می توانند در سیگنال های آنالوگ بخوانند **.

برای اکثر سنسورهای آنالوگ ، ما قدرت سنسور را می دهیم ، سپس با استفاده از پین های ورودی آنالوگ ، سیگنال آنالوگ را می خوانیم. برای این آزمایش ، از یک راه حل ساده تر برای اندازه گیری ولتاژ یک LED هنگام تاباندن نور به آن استفاده می کنیم.

*رایانه ها از سیگنال های دیجیتال برای ذخیره و انتقال اطلاعات استفاده می کنند. این امر به این دلیل است که تشخیص سیگنال های دیجیتال آسان تر و قابل اطمینان تر است ، زیرا تنها چیزی که باید نگران آن باشیم دریافت سیگنال یا عدم نگرانی در مورد کیفیت/دقت سیگنال است.

** برای خواندن سیگنال آنالوگ در دستگاه دیجیتال ، باید از مبدل آنالوگ به دیجیتال یا ADC استفاده کنیم که با مقایسه ورودی با ولتاژ شناخته شده دستگاه ، سیگنال آنالوگ را تقریب زده و سپس مدت زمان آن را شمارش می کند. طول می کشد تا به ولتاژ ورودی برسد. برای اطلاعات بیشتر ، این سایت مفید است.

مرحله 10: پروژه 3: LED به عنوان سنسور نور

یک LED (هر رنگی به جز سفید) ، یک مقاومت 100 اهم و 2 کابل بلوز بگیرید. اوه ، و یک تخته نان!

مرحله 1: LED را در پای نان قرار دهید و پای بلندتر آن در سمت راست باشد.

مرحله 2: یک سیم جامپر را از پین آنالوگ Arduino A0 و پایه LED بلندتر وصل کنید

مرحله 3: مقاومت را بین پایه LED کوتاهتر و ریل قدرت منفی تخته نان (در کنار خط آبی) وصل کنید.

مرحله 4: پین Arduino GND را به ریل قدرت منفی روی تخته نان متصل کنید.

مرحله 5: یک طرح بنویسید که در Analog Pin A0 خوانده شده و در Serial Monitor چاپ می شود

در اینجا یک نمونه کد برای شروع کار وجود دارد.

مرحله 11: تجسم داده ها: Arduino IDE

Arduino IDE دارای ابزارهای داخلی برای تجسم داده ها است. ما قبلاً اصول Serial Monitor را بررسی کرده ایم که به ما اجازه می دهد مقادیر حسگر را چاپ کنیم. اگر می خواهید داده های خود را ذخیره و تجزیه و تحلیل کنید ، خروجی را مستقیماً از Serial Monitor کپی کرده و در ویرایشگر متن ، صفحه گسترده یا سایر ابزارهای تجزیه و تحلیل داده قرار دهید.

دومین ابزاری که می توانیم برای مشاهده داده های خود در برنامه آردوینو استفاده کنیم Serial Plotter است ، یک نسخه بصری (با نام مستعار گراف) Serial Monitor. برای استفاده از Serial Plotter ، به Tools Serial Plotter بروید. نمودار در عکس 2 خروجی LED به عنوان سنسور نور از پروژه 3 است!*

طرح بصورت خودکار مقیاس می یابد و تا زمانی که از Serial.println () برای سنسورهای خود استفاده می کنید ، تمام سنسورهای شما را نیز در رنگ های مختلف چاپ می کند. هورا! خودشه!

*اگر به انتها نگاه کنید ، یک الگوی موج فوق العاده جالب وجود دارد که احتمالاً به دلیل جریان متناوب ("AC") در چراغ های بالای سر ما است!

مرحله 12: تجسم داده ها: Excel! قسمت 1

برای تجزیه و تحلیل داده های جدی تر ، یک افزونه فوق العاده جالب (و رایگان!) برای اکسل به نام Data Streamer*وجود دارد ، که می توانید از اینجا بارگیری کنید.

این افزونه از پورت سریال خوانده می شود ، بنابراین ما می توانیم از همان روش کدگذاری چاپ داده ها در سریال برای دریافت مستقیم داده ها در Excel استفاده کنیم.

نحوه استفاده از افزونه Data Streamer:

1. هنگامی که آن را نصب کردید (یا اگر O365 دارید) ، روی برگه Data Streamer (راست سمت راست) در Excel کلیک کنید.

2. Arduino خود را وصل کرده و روی "Connect Device" کلیک کنید ، سپس Arduino را از منوی کشویی انتخاب کنید. (عکس 1)

3. برای شروع جمع آوری داده ها روی "Start Data" کلیک کنید! (عکس 2) سه ورق جدید را مشاهده خواهید کرد: "Data In" ، "Out Out" و "Settings".

داده های زنده در برگه Data In چاپ می شود. (عکس 3) هر ردیف مربوط به یک سنسور خوانده شده است که جدیدترین مقدار در آخرین ردیف چاپ شده است.

به طور پیش فرض ما فقط 15 ردیف داده دریافت می کنیم ، اما می توانید با رفتن به "تنظیمات" این را تغییر دهید. ما می توانیم تا 500 ردیف جمع کنیم (محدودیت به دلیل پهنای باند Excel است - در پس زمینه اتفاقات زیادی رخ می دهد!).

*افشای کامل: اگرچه این آموزش وابسته نیست ، من با تیم Microsoft Hacking STEM که این افزونه را توسعه داده کار می کنم.

مرحله 13: تجسم داده ها: Excel! قسمت 2

4. یک طرح از داده های خود را اضافه کنید! تجزیه و تحلیل داده ها را انجام دهید! نمودارهای پراکندگی به شما نشان می دهد که چگونه خوانش سنسور در طول زمان تغییر می کند ، این همان چیزی است که ما در پلاتر سریال Arduino مشاهده کردیم.

برای افزودن طرح پراکندگی:

به Insert -> Charts -> Scatter بروید. وقتی نمودار ظاهر شد ، روی آن راست کلیک کرده و "Select Data" و سپس Add را انتخاب کنید. ما می خواهیم داده های ما در محور y و "زمان"* در محور x نمایش داده شود. برای انجام این کار ، روی پیکان کنار محور y کلیک کنید ، به برگه Data In بروید و همه داده های سنسور ورودی را انتخاب کنید (عکس 2).

ما همچنین می توانیم محاسبات و مقایسه ها را در Excel انجام دهیم! برای نوشتن فرمول ، بر روی یک سلول خالی کلیک کنید و علامت برابر ("=") را تایپ کنید ، سپس محاسبه ای را که می خواهید انجام دهید. بسیاری از دستورات داخلی مانند متوسط ، حداکثر و حداقل وجود دارد.

برای استفاده از یک فرمان ، علامت مساوی ، نام فرمان و یک پرانتز باز را تایپ کنید ، سپس داده های مورد تجزیه و تحلیل را انتخاب کرده و پرانتز را ببندید (عکس 3)

5. برای ارسال بیش از یک ستون داده (AKA بیش از یک حسگر) ، مقادیر را در همان خط جدا شده با کاما ، با آخرین خط خالی جدید ، مانند این ، چاپ کنید:

Serial.print (sensorReading1) ؛

Serial.print ("،") ؛ Serial.print (sensorReading2) ؛ Serial.print ("،") ؛ Serial.println ()؛

*اگر می خواهید زمان واقعی روی محور x باشد ، زمان بندی ستون A را در برگه Data In برای مقادیر محور x در نمودار پراکندگی خود انتخاب کنید. در هر صورت ، ما داده های خود را می بینیم که در طول زمان تغییر می کند.

مرحله 14: به جلو بروید و همه چیز را اندازه بگیرید

خوب مردم ، این همه! وقت رفتن به بیرون و بالا رفتن است! از این به عنوان پایه ای برای شروع کاوش حسگرها ، کدگذاری آردوینو و تجزیه و تحلیل داده ها استفاده کنید تا سوالات ، کنجکاوی ها و اسرار مورد علاقه خود را در این دنیای بزرگ و زیبا بررسی کنید.

به یاد داشته باشید: افراد زیادی وجود دارند که در این راه به شما کمک می کنند ، بنابراین اگر سوالی دارید لطفاً نظر دهید!

به ایده های بیشتری نیاز دارید؟ در اینجا نحوه ایجاد سوئیچ تغییر حالت پوشیدنی ، سنسور دمای از راه دور خورشیدی و مقیاس صنعتی متصل به اینترنت وجود دارد!

این آموزش را دوست دارید و می خواهید بیشتر ببینید؟ از پروژه های ما در Patreon حمایت کنید!: D