HackerBox 0035: Elektrochemie - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

HackerBox Hackers onderzoeken deze maand verschillende elektrochemische sensoren en testtechnieken voor het meten van de fysieke eigenschappen van materialen. Deze Instructable bevat informatie om aan de slag te gaan met HackerBox #0035, die hier kan worden gekocht zolang de voorraad strekt. Als u ook maandelijks zo'n HackerBox in uw mailbox wilt ontvangen, schrijf u dan in op HackerBoxes.com en doe mee aan de revolutie!

Onderwerpen en leerdoelen voor HackerBox 0035:

• Configureer de Arduino Nano voor gebruik met de Arduino IDE
• Bedraad en codeer een OLED-module om metingen weer te geven
• Bouw een ademanalyse-demo met alcoholsensoren
• Vergelijk gassensoren om luchtkwaliteitsmetingen uit te voeren
• Bepaal de waterkwaliteit van totaal opgeloste vaste stoffen (TDS)
• Test contactloze en in water dompelbare thermische detectie

HackerBoxes is de maandelijkse abonnementsservice voor doe-het-zelf-elektronica en computertechnologie. Wij zijn hobbyisten, makers en experimenteerders. Wij zijn de dromers van dromen. HACK DE PLANEET!

Stap 1: HackerBox 0035: Inhoud van de doos

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 pixel I2C-scherm
• TDS-3 Waterkwaliteitsmeter
• GY-906 Contactloze temperatuurmodule
• MP503 Luchtkwaliteitsvervuilingssensor
• DS18B20 Waterdichte temperatuursonde
• MQ-3 alcoholsensormodule
• MQ-135 Sensormodule voor luchtgevaar
• DHT11 Vochtigheids- en temperatuurmodule
• KY-008 lasermodule
• Set LED's, 1K-weerstanden en tactiele knoppen
• 400 Punts "Crystal Clear" Breadboard
• Doorverbindingsdraadset - 65 stuks
• MircoUSB-kabel
• Exclusieve HackerBoxes-stickers

Enkele andere dingen die nuttig zullen zijn:

• Soldeerbout, soldeer en standaard soldeergereedschappen
• Computer voor het uitvoeren van softwaretools

Het belangrijkste is dat je een gevoel van avontuur, doe-het-zelf-geest en nieuwsgierigheid van hackers nodig hebt. Hardcore DIY-elektronica is geen triviale bezigheid, en HackerBoxen worden niet afgezwakt. Het doel is vooruitgang, niet perfectie. Als je volhardt en geniet van het avontuur, kan er veel voldoening worden gehaald uit het leren van nieuwe technologie en hopelijk het werkend krijgen van een aantal projecten. We raden aan om elke stap langzaam te doen, op de details te letten en wees niet bang om hulp te vragen.

Er is een schat aan informatie voor huidige en toekomstige leden in de HackerBoxes FAQ.

Stap 2: Elektrochemie

Elektrochemie (Wikipedia) is de tak van de fysische chemie die de relatie bestudeert tussen elektriciteit, als een meetbaar en kwantitatief fenomeen, en een bepaalde chemische verandering of vice versa. De chemische reacties omvatten elektrische ladingen die bewegen tussen elektroden en een elektrolyt (of ionen in een oplossing). Zo houdt elektrochemie zich bezig met de interactie tussen elektrische energie en chemische verandering.

De meest voorkomende elektrochemische apparaten zijn alledaagse batterijen. Batterijen zijn apparaten die bestaan uit een of meer elektrochemische cellen met externe aansluitingen voor het voeden van elektrische apparaten zoals zaklampen, smartphones en elektrische auto's.

Elektrochemische gassensoren zijn gasdetectoren die de concentratie van een doelgas meten door het doelgas bij een elektrode te oxideren of te reduceren en de resulterende stroom te meten.

Elektrolyse is een techniek die gebruik maakt van een gelijkstroom (DC) om een anders niet-spontane chemische reactie aan te drijven. Elektrolyse is commercieel belangrijk als een stap in de scheiding van elementen uit natuurlijk voorkomende bronnen zoals ertsen met behulp van een elektrolytische cel.

Stap 3: Arduino Nano Microcontroller-platform

Een Arduino Nano of een vergelijkbaar microcontrollerbord is een uitstekende keuze voor interfaces met elektrochemische sensoren en weergave-uitgangen naar een computer of videoscherm. De meegeleverde Arduino Nano-module wordt geleverd met header-pinnen, maar deze zijn niet aan de module gesoldeerd. Laat de pinnen er voorlopig af. Voer deze eerste tests van de Arduino Nano-module uit VOORDAT u de header-pinnen van de Arduino Nano soldeert. Het enige dat nodig is voor de volgende paar stappen is een microUSB-kabel en de Nano-module zoals deze uit de tas komt.

De Arduino Nano is een op het oppervlak te monteren, breadboard-vriendelijk, geminiaturiseerd Arduino-bord met geïntegreerde USB. Het is verbazingwekkend volledig uitgerust en gemakkelijk te hacken.

Functies:

• Microcontroller: Atmel ATmega328P
• Spanning: 5V
• Digitale I/O-pinnen: 14 (6 PWM)
• Analoge ingangspennen: 8
• Gelijkstroom per I/O-pin: 40 mA
• Flash-geheugen: 32 KB (2KB voor bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Kloksnelheid: 16 MHz
• Afmetingen: 17 mm x 43 mm

Deze specifieke variant van de Arduino Nano is het zwarte Robotdyn-ontwerp. De interface is via een ingebouwde MicroUSB-poort die compatibel is met dezelfde MicroUSB-kabels die worden gebruikt met veel mobiele telefoons en tablets.

Arduino Nano's hebben een ingebouwde USB/seriële bridge-chip. Op deze specifieke variant is de bridge-chip de CH340G. Merk op dat er verschillende andere soorten USB/seriële bridge-chips worden gebruikt op de verschillende soorten Arduino-kaarten. Met deze chips kan de USB-poort van uw computer communiceren met de seriële interface op de Arduino-processorchip.

Het besturingssysteem van een computer vereist een apparaatstuurprogramma om te communiceren met de USB/seriële chip. De driver zorgt ervoor dat de IDE kan communiceren met het Arduino-bord. Het specifieke apparaatstuurprogramma dat nodig is, hangt af van zowel de versie van het besturingssysteem als het type USB/seriële chip. Voor de CH340 USB/Serial-chips zijn er drivers beschikbaar voor veel besturingssystemen (UNIX, Mac OS X of Windows). De maker van de CH340 levert die drivers hier.

Wanneer u de Arduino Nano voor het eerst aansluit op een USB-poort van uw computer, moet het groene aan / uit-lampje gaan branden en kort daarna moet de blauwe LED langzaam beginnen te knipperen. Dit gebeurt omdat de Nano vooraf is geladen met het BLINK-programma, dat draait op de gloednieuwe Arduino Nano.

Stap 4: Arduino Integrated Development Environment (IDE)

Als je de Arduino IDE nog niet hebt geïnstalleerd, kun je deze downloaden van Arduino.cc

Als je aanvullende inleidende informatie wilt over het werken in het Arduino-ecosysteem, raden we je aan de instructies voor de HackerBoxes Starter Workshop te bekijken.

Steek de Nano in de MicroUSB-kabel en het andere uiteinde van de kabel in een USB-poort op de computer, start de Arduino IDE-software, selecteer de juiste USB-poort in de IDE onder tools>port (waarschijnlijk een naam met "wchusb" erin). Selecteer ook "Arduino Nano" in de IDE onder tools>board.

Laad ten slotte een stukje voorbeeldcode op:

Bestand->Voorbeelden->Basis->Knipperen

Dit is eigenlijk de code die vooraf op de Nano was geladen en nu zou moeten lopen om de blauwe LED langzaam te laten knipperen. Als we deze voorbeeldcode laden, verandert er dus niets. Laten we in plaats daarvan de code een beetje aanpassen.

Als je goed kijkt, kun je zien dat het programma de LED aanzet, 1000 milliseconden (één seconde) wacht, de LED uitschakelt, nog een seconde wacht en dan alles opnieuw doet - voor altijd.

Wijzig de code door beide "delay(1000)"-instructies te wijzigen in "delay(100)". Deze aanpassing zorgt ervoor dat de LED tien keer sneller knippert, toch?

Laten we de gewijzigde code in de Nano laden door op de knop UPLOADEN (het pijlpictogram) net boven uw gewijzigde code te klikken. Bekijk hieronder de code voor de status info: "compileren" en dan "uploaden". Uiteindelijk zou de IDE "Uploading Complete" moeten aangeven en zou uw LED sneller moeten knipperen.

Zo ja, gefeliciteerd! Je hebt zojuist je eerste stukje embedded code gehackt.

Als uw snel knipperende versie eenmaal is geladen en actief is, waarom zou u dan niet kijken of u de code opnieuw kunt wijzigen zodat de LED twee keer snel knippert en dan een paar seconden wacht voordat u dit herhaalt? Probeer het eens! Wat dacht je van andere patronen? Als je er eenmaal in bent geslaagd om een gewenst resultaat te visualiseren, te coderen en te observeren om te werken zoals gepland, heb je een enorme stap gezet om een competente hardware-hacker te worden.

Stap 5: Header Pins en OLED op Solderless Breadboard

Nu uw ontwikkelcomputer is geconfigureerd om code naar de Arduino Nano te laden en de Nano is getest, koppelt u de USB-kabel los van de Nano en maakt u zich klaar om de headerpinnen te solderen. Als het je eerste avond in een vechtclub is, moet je solderen! Er zijn veel geweldige handleidingen en video's online over bijvoorbeeld solderen. Als je denkt dat je extra hulp nodig hebt, probeer dan een lokale makersgroep of hackerruimte bij jou in de buurt te vinden. Ook zijn amateurradioclubs altijd uitstekende bronnen van elektronica-ervaring.

Soldeer de twee enkele rij headers (elk vijftien pinnen) aan de Arduino Nano-module. De zes-pins ICSP-connector (in-circuit serial programming) wordt in dit project niet gebruikt, dus laat die pinnen er gewoon af. Controleer na het solderen zorgvuldig op soldeerbruggen en/of koude soldeerverbindingen. Sluit ten slotte de Arduino Nano weer aan op de USB-kabel en controleer of alles nog goed werkt.

Om de OLED op de Nano aan te sluiten, plaatst u beide in een soldeerloze breadboard zoals weergegeven en sluit u ze aan volgens deze tabel:

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

Om het OLED-scherm aan te sturen, installeert u het SSD1306 OLED-schermstuurprogramma dat u hier vindt in de Arduino IDE.

Test het OLED-scherm door het voorbeeld ssd1306/sneeuwvlokken te laden en in de Nano te programmeren.

Andere voorbeelden uit de SDD1306-bibliotheek zijn handig om het OLED-scherm te verkennen.

Stap 6: MQ-3 Alcohol Sensor en Breathalyzer Demo

De MQ-3 Alcohol Gas Sensor (datasheet) is een goedkope halfgeleidersensor die de aanwezigheid van alcoholgassen kan detecteren in concentraties van 0,05 mg/L tot 10 mg/L. Het meetmateriaal dat in de MQ-3 wordt gebruikt, is SnO2, dat een toenemende geleidbaarheid vertoont bij blootstelling aan toenemende concentraties alcoholgassen. De MQ-3 is zeer gevoelig voor alcohol met zeer weinig kruisgevoeligheid voor rook, damp of benzine.

Deze MQ-3-module biedt een onbewerkte analoge output ten opzichte van de alcoholconcentratie. De module beschikt ook over een LM393 (datasheet) comparator om een digitale uitgang te drempelen.

De MQ-3-module kan volgens deze tabel op de Nano worden aangesloten:

MQ-3…. NanoA0……A0VCC…..5VGND….. GNDD0……Niet gebruikt

Democode van video.

WAARSCHUWING: Dit project is slechts een educatieve demonstratie. Het is geen medisch instrument. Het is niet gekalibreerd. Het is op geen enkele manier bedoeld om het alcoholgehalte in het bloed te bepalen voor de evaluatie van wettelijke of veiligheidslimieten. Wees niet dom. Niet drinken en rijden. Kom levend aan!

Stap 7: ketonen detecteren

Ketonen zijn eenvoudige verbindingen die een carbonylgroep bevatten (een dubbele koolstof-zuurstofbinding). Veel ketonen zijn belangrijk in zowel de industrie als de biologie. Het gebruikelijke oplosmiddel aceton is het kleinste keton.

Tegenwoordig zijn velen bekend met het ketogene dieet. Het is een dieet gebaseerd op het consumeren van vetrijke, voldoende eiwitten en weinig koolhydraten. Dit dwingt het lichaam om vetten te verbranden in plaats van koolhydraten. Normaal gesproken worden de koolhydraten in voedsel omgezet in glucose, dat vervolgens door het lichaam wordt getransporteerd en dat vooral belangrijk is voor het stimuleren van de hersenfunctie. Als er echter weinig koolhydraten in de voeding zitten, zet de lever vet om in vetzuren en ketonlichamen. De ketonlichamen gaan naar de hersenen en vervangen glucose als energiebron. Een verhoogd niveau van ketonlichamen in het bloed resulteert in een toestand die bekend staat als ketose.

Voorbeeld ketondetectieproject

Nog een voorbeeld van een ketondetectieproject

MQ-3 vergelijken met TGS822 gassensoren

Stap 8: Luchtkwaliteitsdetectie

Luchtverontreiniging treedt op wanneer schadelijke of buitensporige hoeveelheden stoffen, waaronder gassen, deeltjes en biologische moleculen, in de atmosfeer worden gebracht. Vervuiling kan ziekten, allergieën en zelfs de dood van mensen veroorzaken. Het kan ook schade toebrengen aan andere levende organismen zoals dieren, voedselgewassen en het milieu in het algemeen. Zowel menselijke activiteit als natuurlijke processen kunnen luchtverontreiniging veroorzaken. Luchtvervuiling binnenshuis en slechte luchtkwaliteit in steden worden genoemd als twee van 's werelds grootste problemen met giftige vervuiling.

We kunnen de werking van twee verschillende sensoren voor luchtkwaliteit (of luchtgevaar) vergelijken. Dit zijn de MQ-135 (datasheet) en de MP503 (datasheet).

De MQ-135 is gevoelig voor methaan, stikstofoxiden, alcoholen, benzeen, rook, CO2 en andere moleculen. De interface is identiek aan de MQ-3 interface.

De MP503 is gevoelig voor formaldehydegas, benzeen, koolmonoxide, waterstof, alcohol, ammoniak, sigarettenrook, veel geuren en andere moleculen. De interface is vrij eenvoudig en biedt twee digitale uitgangen om vier niveaus van verontreinigende concentraties aan te duiden. De standaardconnector op de MP503 heeft een met plastic omhulde mannelijke header, die kan worden verwijderd en vervangen door een standaard 4-pins header (meegeleverd in de zak) voor gebruik met soldeerloze breadboards, DuPont-jumpers of soortgelijke gewone connectoren.

Stap 9: Waterkwaliteitsdetectie

TDS-3 Waterkwaliteitstester

Totaal opgeloste vaste stoffen (TDS) zijn de totale hoeveelheid mobiele geladen ionen, inclusief mineralen, zouten of metalen opgelost in een bepaald volume water. TDS, gebaseerd op geleidbaarheid, wordt uitgedrukt in delen per miljoen (ppm) of milligram per liter (mg/L). Opgeloste vaste stoffen omvatten elk geleidend anorganisch element dat aanwezig is, behalve de zuivere watermoleculen (H2O) en gesuspendeerde vaste stoffen. Het EPA maximale verontreinigingsniveau van TDS voor menselijke consumptie is 500 ppm.

TDS-metingen uitvoeren

1. Verwijder de beschermkap.
2. Zet de TDS-meter aan. De AAN/UIT-schakelaar bevindt zich op het paneel.
3. Dompel de meter onder in het water/oplossing tot de max. onderdompelingsniveau (2”).
4. Roer de meter lichtjes om eventuele luchtbellen te verwijderen.
5. Wacht tot het display stabiliseert. Zodra de meting stabiliseert (ongeveer 10 seconden), drukt u op de HOLD-knop om de meting vanuit het water te bekijken.
6. Als de meter een knipperend 'x10'-symbool weergeeft, vermenigvuldigt u de meetwaarde met 10.
7. Schud na gebruik het overtollige water van uw meter. Vervang de dop.

Bron: Volledig instructieblad

Experiment: Bouw je eigen eenvoudige TDS-meter (project met video hier) die kan worden gekalibreerd met en getest tegen de TDS-3.

Stap 10: thermische detectie

GY-906 Contactloze temperatuursensormodule

De GY-906 thermische sensormodule is uitgerust met een MLX90614 (details). Dit is een eenvoudig te gebruiken, maar zeer krachtige infraroodthermometer met één zone, die objecttemperaturen tussen -70 en 380°C kan detecteren. Het gebruikt een I2C-interface om te communiceren, wat betekent dat u slechts twee draden van uw microcontroller hoeft te gebruiken om ermee te communiceren.

Demo thermo-sensing project.

Nog een thermo-sensing project.

DS18B20 waterdichte temperatuursensor

De DS18B20 eendraads temperatuursensor (details) kan temperatuur meten van -55℃ tot 125℃ met een nauwkeurigheid van ±5.

Stap 11: HACK DE PLANEET

Als je van deze Instructable hebt genoten en elke maand een coole doos met hackbare elektronica- en computertechnologieprojecten in je mailbox wilt hebben, neem dan deel aan de revolutie door naar HackerBoxes.com te surfen en je te abonneren om onze maandelijkse verrassingsbox te ontvangen.

Reik uit en deel uw succes in de opmerkingen hieronder of op de HackerBoxes Facebook-pagina. Laat het ons zeker weten als je vragen hebt of ergens hulp bij nodig hebt. Bedankt dat je deel uitmaakt van HackerBoxes!