Drukgevoelige vloermatsensor - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

In deze Instructable zal ik een ontwerp delen voor een drukgevoelige vloermat sensoer die kan detecteren wanneer je erop staat. Hoewel het u niet precies kan wegen, kan het bepalen of u er met uw volle gewicht op staat of dat u er gewoon contact mee maakt.

De mat meet mensen met Velostat, een materiaal dat zijn elektrische weerstand verandert op basis van de hoeveelheid druk die erop wordt uitgeoefend. Ik maakte de hele mat voor minder dan € 20 (exclusief het vloerkleed).

Stap 1: Wat heb je nodig?

Dit heb je nodig om de sensor te maken:

• Velostat: om voldoende ruimte onder het vloerkleed te bedekken, heb ik 2 vierkanten van 28 cm (11") gebruikt die ik bij een Adafruit-wederverkoper had gekocht.
• Kopertape: ik gebruikte 5 mm breed en ongeveer 6-7 m tape.
• Een dunne isolatietape: ik gebruikte kaptontape van 25 mm breed.
• Bedrading om het kleed ergens aan vast te haken.
• Een soldeerbout met wat tin.
• Een multimeter om te testen.

Om dit vloerkleed daadwerkelijk te gebruiken met een microcontroller, heb je nodig:

• Een weerstand van 47 ohm (of een vergelijkbare kleine waarde).
• (optioneel, een N-kanaals mosfet met 10k weerstand en 220ohm weerstand).

Stap 2: (Hoe breng je geen kopertape aan op Velostat)

Ik zal beginnen met te vertellen hoe je GEEN kopertape op Velostat moet aanbrengen.

Ik begon door aan te nemen dat de "geleidende lijm" op de tape geleidend was. Dit leek een redelijke aanname, maar ofwel is mijn tape niet van dit "geleidende lijm"-type, of het "geleidende" deel is nauwelijks geleidend.

Ik begon door de 2 vierkanten Velostat aan beide kanten aan elkaar te plakken met kaptontape. Ik sneed toen 25 cm lange stroken kopertape en bracht deze met gelijke tussenpozen aan. De kopertape aan weerszijden zit op exact dezelfde plek, zodat er slechts een dun laagje Velostat tussen het koper zit. In de afbeeldingen een schematische weergave van de mat met een uitsnede voor een overzicht.

Een lange strook kopertape (ongeveer 50 cm) wordt gebruikt om alle rijen aan weerszijden met elkaar te verbinden.

Aan weerszijden werd een draad gesoldeerd en er werd een weerstandsmeting gedaan.

Toen ik het probeerde te testen, schommelden de multimeterwaarden wild tussen 10k en 100ohm. Ook het wel of niet op de mat staan maakte voor de meting weinig uit. Er was iets vreselijk mis. Een snelle meting van de tape wees uit dat de lijm niet echt geleidend was. De sandwich van materialen was koper, lijm, Velostat, lijm, koper en de lijm was een soort isolator.

Moraal van het verhaal: doe kleine tests als je niet zeker weet of het gaat werken.

Stap 3: Kleinschalige test

Terug naar de tekentafel. De lijmkant van de kopertape geleidt duidelijk niet genoeg. De voorkant is echter van puur koper. Wat als ik de tape omdraai zodat de koperen kant naar de Velostat wijst.

Een enkel spoor werd aan beide kanten omgekeerd. Ik nam de tape met de lijmkant naar beneden en plakte deze op een stuk kapton-tape. Het hergebruiken van kopertape is kieskeurig, maar dit spul is iets te duur om zomaar weg te gooien. Dit stuk kaptontape met het koper van de plakkerige kant af gericht was op de Velostat geplakt.

Er is een nieuwe meting gedaan. Dit gaf direct een stabiel resultaat. Eén ding wel. Een enkel spoor leek 24 ohm te zijn als het hoog was en 200 als het laag was. Dit was terwijl ik slechts een kleine hoeveelheid met mijn hand indrukte. Als ik 12 sporen heb en er volledig op sta, kan de mat onder de 1 ohm zakken en veel te veel stroom trekken.

Ik heb het ontwerp herzien zodat alleen kleine delen van de tape contact maken met de Velostat. Op deze manier hoopte ik de weerstand tot een beheersbaar bedrag te krijgen.

Stap 4: Kopertape aanbrengen op Velostat

Gewapend met de kennis om dit te laten werken, ging ik op pad om de sensormat te repareren. Op de foto's ziet u dat de oude mat wordt aangepast naar de nieuwe mat.

Het eerste wat ik deed, was kleine stukjes tape als isolator toevoegen. De tape zit aan beide kanten. De openingen tussen de tape moeten enigszins constant zijn en ongeveer 1-3 cm groot, afhankelijk van hoeveel weerstand je wilt. De opening moet aan beide kanten op dezelfde plek zitten.

Pak een strook kopertape en een strook kapton-tape die lang genoeg is om de Velostat te overspannen. De kopertape moet 1-2 cm langer zijn dan de kaptontape. Plak de kopertape op de plakzijde van de kapton-tape, waarbij één kant van de kopertape langs de kapton-tape gaat.

Plak het geheel op de Velostat, over de isolatoren. Zorg ervoor dat het koper aan beide kanten op dezelfde plaats zit. Zorg er ook voor dat het overtollige koper elke keer aan dezelfde kant zit. Vouw het overtollige koper om zodat je een plek hebt om de verbindingsstrip van koper te monteren. Een advies is om het overtollige koper over een geïsoleerd deel van de mat te leggen, zodat het later gemakkelijker te solderen is.

Herhaal deze stap voor alle rijen.

Voeg een bovenste rij kopertape toe die alle eerder gemonteerde stroken koper met elkaar verbindt. Het is verstandig om deze rij te isoleren van de Velostat om ongewenste kortsluiting of lekkage te voorkomen. De bovenste rij sluit aan op de omgevouwen lipjes die in de vorige stappen zijn achtergebleven.

Soldeer voorzichtig alle korte strips aan de bovenste strip. Dit soldeer is nodig omdat de bovenste strip anders geen contact maakt met de rijen koper. Pas op dat u niet te veel warmte aan het koper toevoegt. Het koper is op plastic (Velostat) gemonteerd en smelten door het plastic zou slecht zijn.

Soldeer draden naar de bovenste rijen aan beide zijden. Overal is goed, ik heb een hoek gekozen.

Test de mat om te controleren of deze werkt. Sluit een multimeter aan op de mat en kijk of de weerstand daalt als je op een van de niet-geïsoleerde delen drukt. Controleer ook of de weerstand enigszins stabiel is als je niets doet. Als dit het geval is, gefeliciteerd, de mat werkt nu.

Breng als laatste stap kaptontape aan op al het blootgestelde koper. Hoewel het waarschijnlijk geen kortsluiting zal veroorzaken, is het een slechte vorm om blootgesteld koper te laten.

(In de schematische afbeeldingen wordt de bovenste rij koper niet getoond. De afbeelding dient alleen om de configuratie van kapton en koper te laten zien om deze mat te laten werken.)

Stap 5: De mat testen

De nieuwe mat werd aangesloten op een multimeter om hem opnieuw te testen. Deze keer, zonder belasting, is de weerstand van de mat een stabiele 17-20 ohm.

Als ik volledig op de mat sta, zakt de weerstand naar 4-6 ohm. Eén voet op de mat geeft ongeveer 10 ohm.

Dit is iets lager dan waar ik blij mee ben, maar het is nog steeds een werkbare waarde. Er is veel verschil tussen onbelast en een persoon die op de mat staat. Een observatie is dat de druk niet echt de weerstand definieert. De oppervlakte wel. Als ik met minder gewicht op meer van de mat sta, wordt de weerstand lager dan wanneer ik met al mijn gewicht op één plek sta. Voor waar ik deze sensor voor nodig heb, is dit geweldig, maar houd er rekening mee als je er een bouwt.

Stap 6: bedrading aansluiten

Aangezien de mat slechts een grote variabele weerstand is, is het meten van de mat vrij eenvoudig.

De eenvoudigste manier is het gebruik van een spanningsdeler. Voeg een weerstand toe voor de druksensormat (in het schema R_mat genoemd) en meet het punt tussen de weerstand en de mat (genaamd MatA1). Ik heb 47 ohm gebruikt, maar je mat heeft misschien iets anders nodig. Mijn logisch niveau is 3,3 V, je kunt gebruiken wat je logisch vermogen ook is.

Ik heb een optioneel aan-uit-circuit aan mijn mat toegevoegd. Ik wilde niet de constante 50mA-trekking op mijn mat. Ik weet gewoon niet hoe Velostat van een constante stroom door de mat houdt en ik verwacht dat dit slecht is voor de levensduur van de mat. De schakeling bestaat uit een N-kanaals mosfet met de benodigde weerstanden. Wanneer ik een meting wil doen, zet ik de mosfet aan. De rest van de tijd is de mosfet uitgeschakeld en heeft de mat geen kracht om er doorheen te gaan.

Stap 7: Hoe het te gebruiken?

Het gebruik van de mat met een Arduino (of een andere microcontroller) is eenvoudig. Als u alleen de spanningsdeler heeft, bevestigt u eenvoudig uw mat aan een analoge pin, stelt u de pin waarop u de mat bevestigt als invoer in en gebruikt u een analoog leescommando. De waarde die u hiervan krijgt, zal dalen afhankelijk van het gewicht dat op de mat wordt toegepast.

Als je de mosfet hebt geïnstalleerd, vergeet dan niet om de invoer van de mosfet hoog te maken voordat je een meting uitvoert. Anders meet je gewoon de spanning die je voor de mat hebt gebruikt (3,3V in mijn geval).

De waarde die je terugkrijgt van de mat verandert niet veel in de tijd. Ik gebruik gewoon een drempelwaarde om te bepalen of er iets op de mat staat en na een maand continu gebruik werkt de mat nog steeds prima.

Stap 8: Wat ik de volgende keer anders zou doen

Een belangrijk projectgerelateerd ding is dat ik eerst een kleinschalige versie van de mat goed zou testen. Ik heb inderdaad een klein stukje koper op de Velostat gedaan, cijfers op de multimeter gezien en aangenomen dat alles werkte. Dit was een vergissing.

Een punt gerelateerd aan de mat is dat ik kleinere stukjes koper zou gebruiken. Ik heb momenteel 48 pleisters van 2-3 cm koper. Dit geeft een weerstand van 20 ohm in rust en rond de 5 ohm als ik erop sta. Hoewel dit een werkbaar aantal is, zou het gemakkelijker zijn als het een beetje lager was. 1 cm blootgesteld koper zou meer dan genoeg zijn voor deze mat. Ik ga dit niet meer op de mijne doen, maar misschien kan iemand anders die dit wil maken hiervan profiteren.

Stap 9: Hoe ik het gebruik?

Waarom heb ik specifiek deze drukgevoelige mat gemaakt? Ik heb een mooie ESP32-wekker gemaakt. Hij is verbonden met mijn Domoticz-systeem, kan sensorwaarden zoals CO2 en temperatuur teruggeven en kan mijn verlichting aansturen. Het geeft ook de tijd aan en heeft een alarm.

Dit is waar de sensormat binnenkomt. Ik heb geen echt probleem om wakker te worden. Ik word wakker met wake-up light en ben meestal wakker als ik eruit moet. Ik heb echter een probleem om uit bed te komen. De mat dwingt me uit bed te komen. De wekker gaat pas uit als ik daadwerkelijk op de mat ga staan (of de stekker uit de wekker trek). Dit dwingt me mijn bed uit en als ik eenmaal uit bed ben, kom ik er zelden meer in. Hoewel het een beetje een overdreven oplossing is voor een probleem dat veel andere oplossingen heeft, ben ik er blij mee. Tot nu toe ben ik ongeveer een maand lang elke ochtend op tijd uit bed gekomen. Vroeger bleef ik tot een uur in bed.

20 minuten voordat mijn alarm afgaat, wordt de mat actief. De mat wordt ingeschakeld, er wordt een spanningsmeting uitgevoerd en de mat wordt weer uitgeschakeld. Dit gebeurt elke seconde. Als ik op de mat sta, voor of tijdens het alarm, wordt het alarm uitgeschakeld.