HackerBox 0035: ElectroChemistry: 11 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:56

در این ماه ، هکرهای HackerBox در حال بررسی انواع حسگرهای الکتروشیمیایی و آزمایش تکنیک های اندازه گیری خواص فیزیکی مواد هستند. این دستورالعمل حاوی اطلاعاتی برای شروع کار با HackerBox #0035 است ، که می توانید تا آخرین منبع آن را در اینجا خریداری کنید. همچنین ، اگر می خواهید هر ماه یک HackerBox مانند این را در صندوق پستی خود دریافت کنید ، لطفاً در HackerBoxes.com مشترک شوید و به انقلاب بپیوندید!

موضوعات و اهداف آموزشی برای HackerBox 0035:

• Arduino Nano را برای استفاده با Arduino IDE پیکربندی کنید
• سیم کشی و کدگذاری یک ماژول OLED برای نمایش اندازه گیری ها
• با استفاده از حسگرهای الکل یک دموی تنفس بسازید
• سنسورهای گاز را برای اندازه گیری کیفیت هوا مقایسه کنید
• تعیین کیفیت آب از کل جامدات محلول (TDS)
• سنجش حرارتی بدون تماس و غوطه ور در آب را آزمایش کنید

HackerBoxes سرویس جعبه اشتراک ماهانه برای لوازم الکترونیکی DIY و فناوری رایانه است. ما سرگرم کننده ، سازنده و آزمایش کننده هستیم. ما رویای رویاها هستیم. سیاره را هک کنید!

مرحله 1: HackerBox 0035: محتویات جعبه

• آردوینو نانو 5 ولت 16 مگاهرتز MicroUSB
• OLED 0.96 صفحه نمایش 128x64 پیکسل I2C
• دستگاه اندازه گیری کیفیت آب TDS-3
• ماژول دما بدون تماس GY-906
• سنسور آلودگی کیفیت هوا MP503
• پروب دمای ضد آب DS18B20
• ماژول سنسور الکل MQ-3
• ماژول سنسور گاز خطر هوا MQ-135
• ماژول رطوبت و دما DHT11
• ماژول لیزری KY-008
• مجموعه ای از LED ها ، مقاومت های 1K و دکمه های لمسی
• تخته نان 400 نقطه "Crystal Clear"
• ست سیم جامپر - 65 قطعه
• کابل MircoUSB
• برچسب های منحصر به فرد HackerBoxes

برخی موارد دیگر که مفید خواهد بود:

• آهن لحیم کاری ، لحیم کاری و ابزارهای اصلی لحیم کاری
• کامپیوتر برای اجرای ابزارهای نرم افزاری

مهمتر از همه ، شما نیاز به حس ماجراجویی ، روح DIY و کنجکاوی هکرها دارید. سخت افزار الکترونیکی DIY یک امر پیش پا افتاده نیست و HackerBoxes نیز سست نمی شود. هدف پیشرفت است نه کمال. وقتی پافشاری می کنید و از این ماجراجویی لذت می برید ، می توانید رضایت زیادی را از یادگیری فناوری جدید و به امید موفقیت برخی پروژه ها به دست آورید. پیشنهاد می کنیم هر قدم را به آرامی و با توجه به جزئیات بردارید و از درخواست کمک نترسید.

در س FAالات متداول HackerBoxes اطلاعات زیادی برای اعضای فعلی و آینده نگر وجود دارد.

مرحله 2: الکتروشیمی

الکتروشیمی (ویکی پدیا) شاخه ای از شیمی فیزیکی است که رابطه بین الکتریسیته را به عنوان یک پدیده قابل اندازه گیری و کمی و یک تغییر شیمیایی خاص یا برعکس مطالعه می کند. واکنشهای شیمیایی شامل بارهای الکتریکی است که بین الکترودها و یک الکترولیت (یا یونها در محلول) حرکت می کنند. بنابراین الکتروشیمی به تعامل بین انرژی الکتریکی و تغییرات شیمیایی می پردازد.

رایج ترین دستگاه های الکتروشیمیایی باتری های روزمره هستند. باتری ها دستگاه هایی هستند که از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی با اتصالات خارجی برای تغذیه دستگاه های برقی مانند چراغ قوه ، تلفن های هوشمند و اتومبیل های برقی استفاده می شود.

سنسورهای گاز الکتروشیمیایی آشکارسازهای گازی هستند که غلظت گاز مورد نظر را با اکسید یا کاهش گاز هدف در الکترود و اندازه گیری جریان حاصله اندازه گیری می کنند.

الکترولیز تکنیکی است که از جریان مستقیم الکتریکی (DC) برای هدایت واکنش شیمیایی غیر خود به خود استفاده می کند. الکترولیز به عنوان مرحله ای در جداسازی عناصر از منابع طبیعی مانند سنگ معدن با استفاده از یک سلول الکترولیتی اهمیت دارد.

مرحله 3: پلت فرم میکروکنترلر Arduino Nano

آردوینو نانو یا برد مشابه میکروکنترلر ، برای ارتباط با سنسورهای الکتروشیمیایی و نمایش خروجی ها روی صفحه نمایش کامپیوتر یا ویدئو ، یک انتخاب عالی است. ماژول Arduino Nano شامل پین هدر می شود ، اما آنها به ماژول لحیم نمی شوند. فعلا سنجاق ها را کنار بگذارید. این آزمایشات اولیه ماژول Arduino Nano PRIOR را برای لحیم کاری پین های سربرگ Arduino Nano انجام دهید. تنها چیزی که برای مراحل بعدی لازم است یک کابل microUSB و ماژول نانو درست همانطور که از کیف بیرون می آید است.

آردوینو نانو یک برد آردوینو مینیاتوری شده و روی سطح نصب شده و با USB متصل شده است. این برنامه به طور شگفت انگیزی کامل است و هک کردن آن آسان است.

امکانات:

• میکروکنترلر: Atmel ATmega328P
• ولتاژ: 5 ولت
• پین های ورودی/خروجی دیجیتال: 14 (6 PWM)
• پین های ورودی آنالوگ: 8
• جریان DC در هر پین ورودی/خروجی: 40 میلی آمپر
• حافظه فلش: 32 کیلوبایت (2 کیلوبایت برای بوت لودر)
• SRAM: 2 کیلوبایت
• EEPROM: 1 کیلوبایت
• سرعت ساعت: 16 مگاهرتز
• ابعاد: 17 میلی متر در 43 میلی متر

این نوع خاص از آردوینو نانو ، طرح Robotdyn مشکی است. رابط کاربری توسط یک پورت MicroUSB روی صفحه است که با همان کابل های MicroUSB که با بسیاری از تلفن های همراه و رایانه های لوحی استفاده می شود سازگار است.

Arduino Nanos دارای تراشه داخلی USB/Serial Bridge است. در این نوع خاص ، تراشه پل CH340G است. توجه داشته باشید که انواع دیگر تراشه های USB/Serial Bridge در انواع مختلف بردهای آردوینو استفاده می شود. این تراشه ها به شما این امکان را می دهند تا با پورت USB کامپیوتر بتوانید با رابط سریال روی تراشه پردازنده آردوینو ارتباط برقرار کنید.

سیستم عامل رایانه به درایور دستگاه نیاز دارد تا با تراشه USB/Serial ارتباط برقرار کند. راننده به IDE اجازه می دهد تا با برد Arduino ارتباط برقرار کند. درایور دستگاه مورد نیاز بستگی به نسخه سیستم عامل و نوع تراشه USB/سریال دارد. برای تراشه های CH340 USB/Serial ، درایورهای موجود برای بسیاری از سیستم عامل ها (UNIX ، Mac OS X یا Windows) وجود دارد. سازنده CH340 این رانندگان را در اینجا تامین می کند.

هنگامی که برای اولین بار آردوینو نانو را به پورت USB رایانه خود وصل می کنید ، چراغ سبز روشن می شود و اندکی پس از آن LED آبی به آرامی چشمک می زند. این اتفاق می افتد زیرا Nano از قبل با برنامه BLINK بارگیری شده است ، که با نام تجاری جدید Arduino Nano اجرا می شود.

مرحله 4: محیط توسعه یکپارچه Arduino (IDE)

اگر هنوز Arduino IDE را نصب نکرده اید ، می توانید آن را از Arduino.cc بارگیری کنید

اگر می خواهید اطلاعات مقدماتی بیشتری برای کار در اکوسیستم آردوینو داشته باشید ، پیشنهاد می کنیم دستورالعمل های کارگاه راه اندازی HackerBoxes را بررسی کنید.

Nano را به کابل MicroUSB و سر دیگر کابل را به یک پورت USB در رایانه وصل کنید ، نرم افزار Arduino IDE را راه اندازی کنید ، پورت USB مناسب را در IDE زیر ابزار> درگاه (احتمالاً نامی با "wchusb" در آن انتخاب کنید)) همچنین "Arduino Nano" را در IDE زیر tools> board انتخاب کنید.

در نهایت ، یک قطعه کد نمونه را بارگذاری کنید:

فایل-> مثالها-> مبانی-> پلک زدن

این در واقع کدی است که از قبل روی Nano بارگیری شده است و باید در حال حاضر اجرا شود تا به آرامی LED آبی چشمک بزند. بر این اساس ، اگر این کد نمونه را بارگذاری کنیم ، چیزی تغییر نمی کند. در عوض ، اجازه دهید کد را کمی تغییر دهیم.

با نگاه دقیق ، می بینید که برنامه LED را روشن می کند ، 1000 میلی ثانیه (یک ثانیه) منتظر می ماند ، LED را خاموش می کند ، یک ثانیه دیگر منتظر می ماند و سپس دوباره همه چیز را برای همیشه انجام می دهد.

کد را با تغییر هر دو عبارت "تاخیر (1000)" به "تاخیر (100)" تغییر دهید. این اصلاح باعث می شود LED ده برابر سریعتر چشمک بزند ، درست است؟

اجازه دهید کد اصلاح شده را با کلیک روی دکمه UPLOAD (نماد پیکان) درست در بالای کد اصلاح شده خود در Nano بارگذاری کنید. در زیر کد اطلاعات مربوط به وضعیت را مشاهده کنید: "کامپایل" و سپس "بارگذاری". در نهایت ، IDE باید "بارگذاری کامل" را نشان دهد و LED شما باید سریعتر چشمک بزند.

اگر چنین است ، تبریک می گویم! شما به تازگی اولین قطعه کد جاسازی شده خود را هک کرده اید.

هنگامی که نسخه چشمک زن سریع شما بارگیری و اجرا می شود ، چرا نمی بینید که آیا می توانید دوباره کد را تغییر دهید تا LED دوبار سریع چشمک بزند و سپس چند ثانیه صبر کنید تا تکرار شود؟ آن را امتحان کنید! در مورد برخی الگوهای دیگر چطور؟ هنگامی که موفق به تجسم یک نتیجه دلخواه ، کدگذاری آن و مشاهده عملکرد مطابق برنامه شده اید ، گام بزرگی در جهت تبدیل شدن به یک هکر سخت افزاری شایسته برداشته اید.

مرحله 5: پین های سرصفحه و OLED در تخته نان بدون سرب

اکنون که رایانه توسعه شما برای بارگذاری کد در Arduino Nano پیکربندی شده است و نانو آزمایش شده است ، کابل USB را از Nano جدا کرده و آماده لحیم پین هدر شوید. اگر اولین شب شما در باشگاه مبارزه است ، باید لحیم کاری کنید! بسیاری از راهنماها و فیلم های عالی در مورد لحیم کاری (به عنوان مثال) آنلاین وجود دارد. اگر احساس می کنید به کمک بیشتری نیاز دارید ، سعی کنید گروه سازندگان محلی یا فضای هکرها را در منطقه خود پیدا کنید. همچنین ، باشگاه های رادیویی آماتور همیشه منابع عالی برای تجربه لوازم الکترونیکی هستند.

دو سرفصل تک ردیف (هر کدام پینزده پین) را به ماژول آردوینو نانو لحیم کنید. اتصال شش پین ICSP (برنامه نویسی سریال در مدار) در این پروژه استفاده نمی شود ، بنابراین فقط آن پین ها را خاموش بگذارید. پس از اتمام لحیم کاری ، پل های لحیم کاری و/یا اتصالات لحیم کاری سرد را به دقت بررسی کنید. در نهایت ، Arduino Nano را به کابل USB متصل کرده و بررسی کنید که همه چیز هنوز درست کار می کند.

برای سیم کشی OLED به نانو ، مطابق شکل هر دو را در تخته نان بدون لحیم وارد کنید و مطابق جدول زیر بین آنها سیم کشی کنید:

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

برای رانندگی صفحه نمایش OLED ، درایور صفحه نمایش SSD1306 OLED موجود در اینجا را در Arduino IDE نصب کنید.

با بارگذاری مثال ssd1306/snowflakes و برنامه نویسی آن در نانو ، صفحه نمایش OLED را آزمایش کنید.

مثالهای دیگر از کتابخانه SDD1306 برای بررسی استفاده از صفحه نمایش OLED مفید هستند.

مرحله 6: MQ-3 Alcohol Sensor and Breathalyzer Demo

حسگر گاز الکل MQ-3 (برگه داده) یک سنسور نیمه هادی کم هزینه است که می تواند وجود گازهای الکلی را در غلظت های 0.05 میلی گرم در لیتر تا 10 میلی گرم در لیتر تشخیص دهد. ماده سنجش مورد استفاده در MQ-3 SnO2 است که در صورت قرار گرفتن در معرض افزایش غلظت گازهای الکلی ، رسانایی بیشتری را نشان می دهد. MQ-3 نسبت به الکل بسیار حساس است و حساسیت متقاطع کمی به دود ، بخار یا بنزین دارد.

این ماژول MQ-3 خروجی آنالوگ خام نسبت به غلظت الکل را فراهم می کند. این ماژول همچنین دارای یک مقایسه کننده LM393 (برگ داده) برای آستانه خروجی دیجیتال است.

مطابق این جدول ، ماژول MQ-3 می تواند به نانو متصل شود:

MQ-3…. NanoA0 …… A0VCC…..5VGND….. GNDD0 …… استفاده نمی شود

کد نمایشی از ویدئو.

هشدار: این پروژه فقط یک نمایش آموزشی است. این یک ابزار پزشکی نیست. کالیبره نشده است. به هیچ وجه قصد تعیین سطح الکل خون برای ارزیابی محدودیت های قانونی یا ایمنی را ندارد. احمق نباش مشروب نخورید و رانندگی کنید. زنده برسید!

مرحله 7: تشخیص کتون ها

کتونها ترکیبات ساده ای هستند که حاوی گروه کربونیل (پیوند دوگانه کربن-اکسیژن) هستند. بسیاری از کتونها هم در صنعت و هم در زیست شناسی مهم هستند. حلال معمولی استون کوچکترین کتون است.

امروزه بسیاری با رژیم کتوژنیک آشنا هستند. این یک رژیم غذایی مبتنی بر مصرف چربی بالا ، پروتئین کافی و کربوهیدرات کمی است. این باعث می شود بدن به جای کربوهیدرات ها چربی بسوزاند. به طور معمول ، کربوهیدرات های موجود در غذا به گلوکز تبدیل می شوند ، که سپس به سراسر بدن منتقل می شوند و در تقویت عملکرد مغز بسیار مهم است. با این حال ، اگر کربوهیدرات کمی در رژیم غذایی وجود داشته باشد ، کبد چربی را به اسیدهای چرب و بدن کتون تبدیل می کند. اجسام کتونی وارد مغز می شوند و جایگزین گلوکز به عنوان منبع انرژی می شوند. افزایش سطح اجسام کتون در خون منجر به حالتی می شود که به آن کتوز گفته می شود.

نمونه پروژه سنجش کتون

مثال دیگر پروژه سنجش کتون

مقایسه سنسورهای گاز MQ-3 در مقابل TGS822

مرحله 8: سنجش کیفیت هوا

آلودگی هوا زمانی اتفاق می افتد که مقادیر مضر یا بیش از حد مواد از جمله گازها ، ذرات معلق و مولکول های بیولوژیکی به جو وارد شوند. آلودگی ممکن است باعث بیماری ، آلرژی و حتی مرگ انسان شود. همچنین ممکن است به سایر موجودات زنده مانند حیوانات ، محصولات غذایی و به طور کلی محیط زیست آسیب برساند. هم فعالیت های انسانی و هم فرآیندهای طبیعی می توانند آلودگی هوا را ایجاد کنند. آلودگی هوای داخل ساختمان و کیفیت هوای نامناسب شهری به عنوان دو مشکل بدترین آلودگی سمی جهان ذکر شده است.

ما می توانیم عملکرد دو سنسور مختلف کیفیت هوا (یا خطر هوا) را با یکدیگر مقایسه کنیم. اینها MQ-135 (برگه داده) و MP503 (برگه داده) هستند.

MQ-135 به متان ، اکسیدهای نیتروژن ، الکلها ، بنزن ، دود ، CO2 و سایر مولکولها حساس است. رابط کاربری آن مشابه رابط MQ-3 است.

MP503 نسبت به گاز فرمالدئید ، بنزن ، مونوکسید کربن ، هیدروژن ، الکل ، آمونیاک ، دود سیگار ، بوهای زیاد و سایر مولکول ها حساس است. رابط کاربری آن بسیار ساده است و دو خروجی دیجیتالی برای تعیین چهار سطح غلظت آلاینده ها ارائه می دهد. کانکتور پیش فرض MP503 دارای یک سربرگ پلاستیکی با روکش پلاستیکی است که می توانید آن را جدا کرده و با یک سربرگ استاندارد 4 پین (موجود در کیسه) برای استفاده با تخته های نان بدون لحیم ، بلوزهای DuPont یا اتصالات متداول مشابه جایگزین کنید.

مرحله 9: سنجش کیفیت آب

تستر کیفیت آب TDS-3

مجموع جامدات محلول (TDS) مقدار کل یونهای متحرک متحرک ، شامل مواد معدنی ، نمکها یا فلزات محلول در حجم معینی از آب است. TDS که بر اساس رسانایی است بر حسب واحد در میلیون (ppm) یا میلی گرم بر لیتر (mg/L) بیان می شود. مواد جامد محلول شامل هر عنصر غیر آلی رسانا است که به غیر از مولکولهای آب خالص (H2O) و جامدات معلق موجود است. حداکثر میزان آلودگی EPA TDS برای مصرف انسان 500 ppm است.

انجام اندازه گیری TDS

1. کلاه محافظ را بردارید.
2. متر TDS را روشن کنید. کلید روشن/خاموش روی صفحه قرار دارد.
3. متر را تا حداکثر در آب/محلول فرو ببرید. سطح غوطه وری (2 ").
4. متر را کمی هم بزنید تا هرگونه حباب هوا از بین برود.
5. منتظر بمانید تا صفحه ثابت شود. پس از ثبات قرائت (حدود 10 ثانیه) ، دکمه HOLD را فشار دهید تا قرائت خارج از آب مشاهده شود.
6. اگر متر نماد "x10" را نشان می دهد ، خواندن را در 10 ضرب کنید.
7. پس از استفاده ، آب اضافی متر خود را تکان دهید. درپوش را تعویض کنید.

منبع: برگه کامل آموزش

آزمایش: TDS متر ساده خود را بسازید (پروژه با فیلم در اینجا) که می تواند با TDS-3 کالیبره شده و در برابر آن آزمایش شود.

مرحله دهم: تشخیص حرارتی

ماژول سنسور دما بدون تماس GY-906

ماژول سنجش حرارتی GY-906 مجهز به MLX90614 است (جزئیات). این دماسنج مادون قرمز یک منطقه ای بسیار ساده ، اما بسیار قدرتمند است که می تواند دمای اجسام را بین 70- تا 380 درجه سانتی گراد تشخیص دهد. برای برقراری ارتباط از رابط I2C استفاده می کند ، به این معنی که شما فقط باید دو سیم از میکروکنترلر خود را برای ارتباط با آن اختصاص دهید.

پروژه سنجش دمای حرارتی

یکی دیگر از پروژه های حسگر حرارتی

سنسور دما DS18B20 ضد آب

سنسور دمای یک سیم DS18B20 (جزئیات) می تواند دما را از -55 ℃ تا 125 ℃ با دقت 5 ± اندازه گیری کند.

مرحله 11: هک سیاره

اگر از این دستورالعمل لذت برده اید و می خواهید هر ماه یک جعبه جالب از پروژه های الکترونیکی قابل هک و فناوری رایانه بر صندوق پستی شما فرود بیاید ، لطفاً با جستجوی HackerBoxes.com و عضویت در دریافت جعبه سوپرایز ماهانه ما ، به انقلاب بپیوندید.

با ما در ارتباط باشید و موفقیت خود را در نظرات زیر یا در صفحه فیس بوک HackerBoxes به اشتراک بگذارید. در صورت داشتن هرگونه سوال یا نیاز به راهنمایی در هر مورد ، مطمئناً به ما اطلاع دهید. از اینکه بخشی از HackerBoxes هستید متشکریم!