Виды и примеры ардуино модулей

Подключение датчика давления

Часто в деле предсказания погоды или определения высоты подъёма над уровнем моря требуется решить задачу измерения давления. Здесь на помощь приходят электронные барометры на технологии МЭМС: тензорометрический или пьезорезизстивный метод, связанный с переменностью сопротивления прибора при приложении деформирующих материал сил.

Наиболее популярен датчик BMP085; помимо барометрического давления он регистрирует и температуру. Ему на смену выпустили BMP180, он обладает теми же характеристиками:

• Чувствительность в диапазоне: 300-1100 гПа (если в метрах — 9000 — 500 м над уровнем моря );
• Разрешение : 0,03 гПа или 0,25 м;
• Рабочая температура датчика -40 +85°C, точность измерения в указанном диапазоне — ±2°C;
• Подключение по стандарту i2c;
• V1 использует 3.3 В для питания и логики;
• V2 использует 3.3-5 В для питания и логики.

Подключение датчиков к Ардуино в этом случае стандартно. Понадобится Unified Sensor Driver — его обновлённая версия обеспечивает более высокую точность показаний; кроме того, позволяет работать с несколькими разными подключёнными датчиками давления одновременно. Необходимо также установить Adafrut_Sensor library.

Схема проекта

Схема подключения датчика расхода воды к плате Arduino Uno представлена на следующем рисунке.

Соединения между платой Arduino, ЖК дисплеем 16×2 и датчиком расхода воды представлены в следующих таблицах ниже. Потенциометр подключен к контактам 5V и GND, а его средний контакт подключен к контакту V0 ЖК дисплея.

После сборки проекта на макетной плате у нас получилась конструкция следующего вида:

Некоторые рекомендации

Определение лучше производить, выявив высоту тонов и длительность произношения в каждом конкретном случае, под индивидуальные характеристики голоса человека. Впоследствии, ввести в скетч усреднение полученных данных на аналоговом входе, алгоритмы которых легко можно найти через поисковые системы. Последнее действие нужно для случаев, когда оператор охрип, осип, устал или находится под действием еще каких-либо факторов, изменяющих вокальные характеристики.

Разбор последовательности звуков проводится не точным соответствием, а логическими условиями, по причине пропуска некоторых в разговорной речи. То есть, предположим, существует массив, содержащий последовательность значений гласных и шипящих, аналогичных используемым в самой команде. Тогда разбор голоса будет выглядеть следующим образом:

Для качественного распознавания речи используют различные более сложные алгоритмы. Например нейросетевой с предварительным разложением в ряд Фурье:

1. Разделить фразу на отдельные слова, отслеживая промежутки тишины;
2. Разложить запись каждого отдельного слово в ряд Фурье — таким образом определятся коэффициенты, соответствующие отдельным частотным составляющим;
3. Пропустить вычисленные в п.2 коэффициенты через нейросеть, которая на выходе даст значение слов.

Для выполнения такого обучения на вход сети подают эталонное слово, а затем с помощью специальных алгоритмов (например, обратного распространения ошибки) подбирают значения структурных коэффициентов нейронной сети, при которых нейросеть выдаёт правильное значение на выход.

1Описание и принцип действия ИК датчика препятствий

Инфракрасное (ИК) или infrared (IR) излучение – это невидимое человеческим глазом электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,7 до 2000 мкм. Вокруг нас существуют огромное количество объектов, которые излучают в данном диапазоне. Его иногда называют «тепловое излучение», т.к. все тёплые предметы генерируют ИК излучение.

Длины волн разных типов электромагнитного излучения

Модули на основе ИК излучения используются, в основном, как детекторы препятствий для различного рода электронных устройств, начиная от роботов и заканчивая «умным домом». Они позволяют обнаруживать препятствия на расстоянии от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Расстояние до препятствия при этом определить с помощью ИК-сенсора невозможно.

Если оснастить, для примера, своего робота несколькими такими ИК модулями, можно определять направление приближения препятствия и менять траекторию движения робота в нужном направлении.

Модуль сенсора обычно имеет излучатель (светодиод) и детектор (фотодиод) в инфракрасном диапазоне. Инфракрасный светодиод излучает в пространство ИК излучение. Приёмник улавливает отражённое от препятствий излучение и при определённой интенсивности отражённого излучения происходит срабатывание. Чтобы защититься от видимого излучения, фотодиод имеет светофильтр (он выглядит почти чёрным), который пропускает только волны в инфракрасном диапазоне. Разные поверхности по-разному отражают ИК излучение, из-за чего дистанция срабатывания для разных препятствий будет отличаться. Выглядеть ИК модуль может, например, вот так:

Модуль с ИК излучателем и ИК приёмником

Когда перед сенсором нет препятствия, на выходе OUT модуля напряжение логической единицы. Когда сенсор детектирует отражённое от препятствия ИК излучение, на выходе модуля напряжение становится равным нулю, и загорается зелёный светодиод модуля.

Помимо инфракрасного свето- и фотодиода важная часть модуля – это компаратор LM393 (скачать техническое описание на LM393 можно в конце статьи). С помощью компаратора сенсор сравнивает интенсивность отражённого излучения с некоторым заданным порогом и устанавливает «1» или «0» на выходе. Потенциометр позволяет задать порог срабатывания ИК датчика (и, соответственно, дистанцию до препятствия).

Датчик расстояния в проектах Arduino

Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основано на принципе сонара – посылая пучок ультразвука, и получая его отражение с задержкой, устройство определяет наличие объектов и расстояние до них. Ультразвуковые сигналы, генерируемые приемником, отражаясь от препятствия, возвращаются к нему через определенный промежуток времени. Именно этот временной интервал становится характеристикой помогающей определить расстояние до объекта.

Описание датчика HC SR04

Датчик расстояния Ардуино является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 arduino также входят ресивер и трансмиттер.

Ультразвуковой дальномер HC SR04 имеет такие технические параметры:

• Питающее напряжение 5В;
• Рабочий параметр силы т ока – 15 мА;
• Сила тока в пассивном состоянии -6 с.

Датчик оснащен четырьмя выводами (стандарт 2, 54 мм):

• Контакт питания положительного типа – +5В;
• Trig (Т) – выход сигнала входа;
• Echo (R) – вывод сигнала выхода;
• GND – вывод «Земля».

Схема взаимодействия с Arduino

Для получения данных, необходимо выполнить такую последовательность действий:

• Подать на выход Trig импульс длительностью 10 микросек;
• В ультразвуковом дальномере hc sr04 подключенном к arduino произойдет преобразование сигнала в 8 импульсов с частотой 40 кГц, которые через излучатель будут посланы вперед;
• Когда импульсы дойдут до препятствия, они отразятся от него и будут приняты приемником R, что обеспечит наличие входного сигнала на выходе Echo;
• На стороне контроллера полученный сигнал при помощи формул следует перевести в расстояние.

При делении ширины импульса на 58.2, получим данные в сантиметрах, при делении на 148 – в дюймах.

Подключение HC SR04 к Arduino

Выполнить подключение ультразвукового датчика расстояния к плате Arduino достаточно просто. Схема подключения показана на рисунке.

Контакт земли подключаем к выводу GND на плате Arduino, выход питания соединяем с 5V. Выходы Trig и Echo подсоединяем к arduino на цифровые пины. Вариант подключения с помощью макетной платы:

Библиотека для работы с HC SR04

Для облегчения работы с датчиком расстояния HC SR04 на arduino можно использовать библиотеку NewPing. Она не имеет проблем с пинговыми доступами и добавляет некоторые новые функции.

К особенностям библиотеки можно отнести:

• Возможность работы с различными ультразвуковыми датчиками;
• Может работать с датчиком расстояния всего через один пин;
• Отсутствие отставания на 1 секунду при отсутствии пинга эха;
• Для простой коррекции ошибок есть встроенный цифровой фильтр;
• Максимально точный расчет расстояния.

Скачать бибилотеку NewPing можно здесь

Точность измерения расстояния датчиком HC SR04

Точность датчика зависит от нескольких факторов:

• температуры и влажности воздуха;
• расстояния до объекта;
• расположения относительно датчика (согласно диаграммы излучения);
• качества исполнения элементов модуля датчика.

В основу принципа действия любого ультразвукового датчика заложено явление отражения акустических волн, распространяющихся в воздухе. Но как известно из курса физики, скорость распространения звука в воздухе зависит от свойств этого самого воздуха (в первую очередь от температуры). Датчик же, испуская волны и замеряя время до их возврата, не догадывается, в какой именно среде они будут распространяться и берет для расчетов некоторую среднюю величину. В реальных условиях из-за фактора температуры воздуха HC-SR04 может ошибаться от 1 до 3-5 см.

Фактор расстояния до объекта важен, т.к. растет вероятность отражения от соседних предметов, к тому же и сам сигнал затухает с расстоянием.

Также для повышения точности надо правильно направить датчик: сделать так, чтобы предмет был в рамках конуса диаграммы направленности. Проще говоря, “глазки” HC-SR04 должны смотреть прямо на предмет.

Для уменьшения ошибок и погрешности измерений обычно выполняются следующие действия:

• усредняются значения (несколько раз замеряем, убираем всплески, потом находим среднее);
• с помощью датчиков (например, DHT11 или DHT22) определяется температура и вносятся поправочные коэффициенты;
• датчик устанавливается на серводвигатель, с помощью которого мы “поворачиваем голову”, перемещая диаграмму направленности влево или вправо.

Подключение датчика движения

Без данного датчика не обходится ни одна серьёзная охранная система. Инфракрасный датчик — базовый элемент обнаружения присутствия теплокровных.

Также при помощи PIR-датчиков чрезвычайно удобно управлять освещением в зависимости от нахождения рядом человека. Инфракрасные или пироэлектрические датчики просты по внутреннему устройству и недороги. Они крайне надёжны и редко выходят из строя.

Основа датчика — пироэлектрик или диэлектрик, способный создавать поле при изменении температуры. Они устанавливаются попарно, а сверху закрываются куполом с сегментами в виде обычных линз или линзой Френеля. Это позволяет сфокусировать лучи от разных точек проникновения.

При отсутствии излучающих тепло тел в помещении у каждого элемента одинаковая попадающая доза излучения, соответственно, одинаковое напряжение на выходах. При попадании в зону «обзора» датчиков живого теплокровного нарушается равновесие и появляются импульсы, которые и регистрируются.

HC-SR501 — наиболее распространённый и популярный датчик. Он имеет два подстроечных переменных резистора:

• один — для регулировки чувствительности и размера обнаруживаемого объекта,
• второй — для регулировки времени срабатывания (времени генерации импульса после обнаружения).

Схема подключения стандартна и не вызовет затруднений.

37 датчиков за $37 для Arduino и Raspberry Pi

Какие бывают датчики для Arduino и Raspberry Pi? Сколько они стоят? Предлагаем обзор интересного дешевого набора из 37 датчиков за $37.

Разные датчики. Фото с DX.com

Изучая Arduino или Raspberry Pi, самое интересное, что можно сделать (после мигания светодиодами, подключения потенциометра, кнопки, двигателя и др.) — это, конечно, использование датчиков. Датчики позволяют определять, что происходит во внешней среде, и действовать на основе этой информации. Датчики, наверное, можно назвать органами чувств робота.

Какие бывают датчики для Arduino и Raspberry Pi?

Датчиков, называемых также сенсорами, существует огромное множество и в первую очередь они имеют разное назначение.

Разные датчики. Фото с DX.com

Основные датчики (по назначению):

• Датчик давления — используется для обнаружения физического давления, например, при щипках, сжимании, толчках.
• Фотоэлементы — используется для измерения уровня освещенности, обнаружения простого объекта по принципу светлый/темный
• Датчик температуры — используется для определения температуры окружающей среды или, например, жидкости
• Датчик вибрации — используется для обнаружения движения / вибрации и ориентации
• Датчик движения — используется для обнаружения двигательной активности, таких как животных или людей
• Термопары — используется для измерения температуры, как правило,  выше 150°C.
• ИК-приемники — используется для обнаружения  инфракрасных-сигналов от пульта дистанционного управления.

Это далеко не все по назначению датчики. Существуют также датчики определения влажности, огня, дыма и т.д. В принципе, можно подобрать датчики практически под любую задачу.

Все датчики имеют свои собственные методы взаимодействия. Некоторые можно просто подключить к плате, а подключение других требует дополнительных манипуляций. Например, могут потребоваться резисторы или дополнительные источники питания.

Датчики отличаются по типу сигнала на выходе: аналоговый или цифровой.

Выбирая датчики, можно заметить, что чаще всего упоминается совместимость с Arduino и не упоминается совместимость с Raspberry Pi.

Если же датчик выдает аналоговый сигнал, то подключить напрямую такой датчик к Raspberry Pi можно только с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который часто включают в платы расширения Raspberry Pi.

Набор из 37 датчиков для Arduino

Доставка в обоих магазинах бесплатная.

Набор из 37 датчиков. Фото с Aliexpress

Этот набор содержит датчики и другие модули, позволяющие реализовать  практически любую идею начинающего изучать Arduino, и является хорошим дополнением к наборам Arduino Starter Kit (о том, как выбрать Arduino начинающему и о наборах Arduino Starter Kit мы писали в статье).

Click To Tweet

Подробнее про входящие в этот набор датчики мы напишем отдельно. А сейчас приводим список компонентов, входящий в набор:

1. Пассивный зуммер KY-006
2. Активный зуммер KY-012
3. Двухцветный светодиод KY-029
4. Трехцветный светодиод KY-011
5. Трехцветный светодиод KY-009
6. Трехцветный светодиод KY-016
7. Семицветный светодиод KY-034
8. Датчик удара KY-031
9. Вибровыключатель KY-002
10. Фоторезистор KY-018
11. Фоторезистор-выключатель KY-010
12. Кнопка KY-004
13. Датчик наклона KY-020
14. Датчик наклона KY-017
15. Датчик инфракрасного излучения KY-005
16. Инфракрасный датчик KY-022
17. Датчик температуры KY-013
18. Датчик температуры KY-028
19. Датчик температуры KY-001
20. Датчик температуры и влажности KY-015 (сенсор DHT11. Схема подключения здесь)
21. Датчик звука KY-037
22. Датчик металла KY-036
23. Датчик сердцебиения KY-039
24. Датчик пламени KY-026
25. Геркон KY-021
26. Магнитный датчик KY-003
27. Магнитный датчик KY-035
28. Датчик магнитного поля KY-025
29. Датчик магнитного поля KY-024
30. Датчик магнитного поля KY-033
31. Модуль световых эффектов «магическая чашка» KY-027
32. Датчик угла поворота (энкодер) KY-040
33. Датчик для избегания препятствий KY-032
34. Датчика звука KY-038
35. Лазерный модуль KY-008
36. Реле KY-019
37. Джойстик KY-023

Все цены приведены по состоянию на день выхода статьи.

Фотопрерыватель KY-010

В проектировании устройств с подвижными деталями может оказаться важным подсчитывать число оборотов или факт достижение деталью определенного положения. Подобное можно реализовать с помощью механических концевых выключателей или герконов, но эти элементы имеют механические подвижные части, а значит, будут со временем изнашиваться, залипать и т.п. Для аналогичных целей можно использовать оптопару KY-010 , которая не имеет подвижных частей, а поэтому более надежна.

Модуль фотопрерывателя имеет габариты 24 х 15 мм и массу 1,2 г

Данное устройство представляет собой инфракрасный светодиод с токограничительным резистором. Светодиод освещает фототранзистор, с коллектора которого и снимается полезный сигнал. Модуль имеет три вывода: центральный немаркированный – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный. Потребляемый ток 10 мА.

Модуль надежно срабатывает, будучи подключенным, вместо тактовой кнопки с программой LED_with_button .

KY-008, модуль лазерного светодиода

Датчик уровня жидкости (Water Sensor Arduino)

Рабочее напряжение аналогового сенсора — 5v. Выходное напряжение (показания датчика) зависит от степени погружения датчика в жидкость и от параметров, влияющих на коэффициент передачи напряжения, например, проводимость жидкости. Это простой в использование и недорогой датчик уровня жидкости, который широко применяется в системах автоматизации и при разработке Умного дома.

Подключение к Ардуино датчика воды (Water Sensor)

Как вы уже заметили на фото к этому занятию, датчик уровня жидкости имеет три контакта. Правый контакт (-) подключается к Земле (GND), средний к питанию 5v, а левый к аналоговому входу, например, A0. При полностью сухом датчике выходное напряжение и показания на аналоговом входе будут равны нулю, чем больше датчик будет погружен в воду, тем больше будут его показания (от 0 до 1023).

Подключение цифрового датчика влажности, температуры

Два популярных датчика — DHT11, DHT22 — предназначены для замера влажности и температуры (про подключение датчика температуру мы еще поговорим ниже отдельно); недорогое решение, отлично подходят для простых схем и обучения. Термистор, ёмкостной датчик — основа DHT11 и DHT22. Внутренний чип выполняет АЦП, давая на выходе «цифру», которую поймёт любой микроконтроллер.

DHT11 отличается от DHT22 диапазоном измерения и частотностью опроса:

• влажность — 20-80% для DHT11 и 0-100% для DHT22;
• температура — 0°C до +50°C для DHT11 и -40°C до +125°C для DHT22;
• опрос — ежесекундный для DHT11 и раз в две секунды для DHT22.

Оба датчика DHT имеют стандартных 4 вывода:

1. Питание датчиков.
2. Шина данных.
3. Не задействован.
4. Земля.

Вывод данных и питания требует подключения между ними резистора 10 кОм.

Для DHT-датчиков разработана библиотека DHT.h. При загрузке скетча в контроллер монитор порта должен отобразить текущие значения влажности, температуры. Проверить работоспособность просто — достаточно подышать на датчик и взять его в руки: температура и влажность должны поменяться.

Возможен вывод значений на экран LCD 1602 I2C, если включить его в систему.

При помощи этих датчиков можно соорудить автоматизированную систему полива почвы на открытом воздухе, в теплице и даже на подоконнике. Или организовать систему сушки ягод — последние обдуваются или нагреваются в зависимости от влажности ягод.

Также некоторые акватеррариумы требуют особых условий влажности, которые легко контролировать при помощи DHT1 и DHT22.

Что такое Ардуино

Фирма Arduino Software выпускает различные модели микропроцессоров и других электронных устройств. Однако, если в разговоре упоминается об Ардуино, в виду чаще всего имеется микрокомпьютер Arduino Uno. Это небольшая плата, на которой установлен процессор и электронные компоненты. По своим функциональным возможностям это устройство близко к материнским платам компьютеров, хоть и с урезанными возможностями.

Специфической особенностью микроконтроллера Ардуино является удачное сочетание простоты и большого функционального потенциала. Arduino Uno изначально создавался для широкого использования и может быть вполне успешно освоен людьми со слабой подготовкой. При этом, для опытных компьютерщиков это устройство предоставляет массу возможностей, позволяет создавать сложные системы управления различными процессами.

Где используются

Микропроцессоры Ардуино уже успели стать незаменимыми во множестве систем и комплексов:

• управление различными датчиками;
• мультитестеры;
• квадрокоптеры;
• светофоры;
• системы умного дома;
• робототехнические системы;
• вентиляционные комплексы;
• охранные системы;
• метеорологические системы и так далее.

Этот список нельзя назвать исчерпывающим, поскольку новые устройства под управлением Ардуино появляются практически ежедневно.

Инфракрасный датчик движения Ардуино можно использовать не только в управляющих, технологических или охранных комплексах. Датчики движения встречаются в устройствах декоративного, развивающего или информационного характера:

• игрушки;
• оснащение предметов или аттракционов в квест-румах;
• интерактивные арт-инсталляции и так далее.

Единственным ограничением является необходимость составления специальных программ для микропроцессора. Они закачиваются в него с обычного компьютера через интерфейс USB, для чего надо предварительно написать код. Это доступно только программистам, владеющим языком С++. Однако, в сети немало готовых программ для Ардуино, которые можно использовать для решения разных задач.

Пример программы

Простейший скетч для датчика движения Ардуино выглядит следующим образом:

Текст скетча можно скачать здесь: здесь

Это самая простая программа, которая плохо подходит для выполнения практических задач. Чаще всего ее используют для тестирования датчиков и проверки их работоспособности. Основным недостатком этого скетча является отсутствие возможности определить количество и размер регистрируемых объектов, что будет приводить к ложным срабатываниям. Для практического использования составляют более сложные скетчи, которые включают увеличенное количество команд (строк кода).

Основные принципы работы

Пироэлектрик представляет собою материал, при изменении своей температуры генерирующий электрическое поле. В простом PIR-сенсоре два таких элемента, подключенных с разными полярностями.

Предположим, что гаджет смонтирован в помещении.

1. Если комната пуста, все элементы получают одинаковую порцию теплового излучения, напряжение на них также постоянно (на левой части рисунка ниже).
2. Когда в комнате появляется человек, он оказывается в зоне действия элемента 1. Тот генерирует положительный электроимпульс (на центральной части картинки).
3. Перемещение человека приводит и к движению его «теплового пятна», улавливаемого элементом 2. Второй элемент создает отрицательный импульс (правая часть).
4. Схема датчика регистрирует оба импульса, делая вывод о наличии человека в «поле зрения». А логика контроллера по этому сигналу выполняет заложенное пользователем действие — включает свет, активирует сигнализацию и так далее.

Как правило, для защиты соединений и компонентов от электронных и тепловых шумов, воздействия влаги и высокой температуры их помещают в герметичный корпус. Верхняя часть его содержит прямоугольное «окно» из ИК-прозрачного материала для свободного доступа теплового излучения.