fizikai számítástechnika, arduino

"Az érzékelő vagy szenzor olyan elem, amely egy mérendő tulajdonságtól függő jelet szolgáltat. A mérendő tulajdonság és a jel egyaránt lehet fizikai, kémiai, biológiai stb. jellegű. Fontos, hogy a mérendő tulajdonság, és az érzékelő által szolgáltatott jel egymásnak kölcsönösen egyértelmű függvényei legyenek."
http://hu.wikipedia.org/wiki/%C3%89rz%C3%A9kel%C5%91

Amit érzékelhet: fény, mozgás, mágneses tér, távolság, gyorsulás, páratartalom, hőmérséklet, nyomás, érintés, stb. A fizikai, kémiai vagy biológiai változásokat elektromos jelekké alakítják.

Az alábbi lista nem teljes, inkább csak ízelítő:  

Mozgás érzékelése

Mozgásérzékelő

Adott területen érzékeli a mozgást, áltlában infrávörös fénnyel működik. PIR-nek is hívják (passive infrared). Arduinohoz is kapható, 5-12V-on működik:

példa: http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html

Mágneses kapcsoló

Ajtóra, ablakra stb szerelhető. Működése: http://www.hw2sw.com/2012/09/07/connecting-a-magnetic-reed-door-switch-into-arduino/

példa: http://m.instructables.com/id/simpleTweet01python/?ALLSTEPS

Digitális mágneses érzékelő modul

DFR0033 típus.

példa: http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Digital_magnetic_sensor_(SKU:_DFR0033)

(DIY elektromágneses mező érzékelése: http://hackaday.com/2010/12/31/arduino-emf-sensor/)

Digitális dőlés szenzor modul

példa: http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=DFRobot_Tilt_Sensor_(SKU:DFR0028)

Giroszkóp

Tinkerkit 2 tengelyes T000060

példa: http://www.robotshop.com/gorobotics/articles/microcontrollers/arduino-5-minute-tutorials-lesson-7-accelerometers-gyros-imus

Gyorsulásmérő

példa: http://www.robotshop.com/gorobotics/articles/microcontrollers/arduino-5-minute-tutorials-lesson-7-accelerometers-gyros-imus

példa Arduino MEGA-hoz: http://lex.iguw.tuwien.ac.at/toysrus/index.php/Accelerometer_Tinkerkit

Digitális rezgés érzékelő modul

Ebből is több fajta van, pl.

Az utóbbihoz manual itt: http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=DFRobot_Digital_Vibration_Sensor_(SKU:DFR0027)

Érintés vagy megnyomás érzékelése

Nyomásérzékeny ellenállás

FSR = Force Sensitive resistor

példa: http://garagelab.com/profiles/blogs/tutorial-force-sensitive-resistor-and-arduino

DIY verzió: http://www.instructables.com/id/DIY-Force-Sensitive-Resistor-FSR/

Hajlás szenzor (flex, bend)

Példa: flex szenzor LEDsorral: http://arduinobasics.blogspot.hu/2011/05/arduino-uno-flex-sensor-and-leds.html

Nyúlás szenzor (stretch)

DIY verzió: http://www.instructables.com/id/Connecting-a-textile-analog-sensor-to-Arduino/?ALLSTEPS

Kapacitív érzékelő

Az arduino capacitive sensing library-jével akár egy alufólia darabbal is készíthetünk érintés szenzort:

http://www.arduino.cc/playground/Code/CapacitiveSensor

http://arduino.cc/playground/Main/CapacitiveSensor?from=Main.CapSense

Vagy egyéb hardwerekkel felerősíthetjük a jelet, pl. MPR121 (touch senor):

http://bildr.org/2011/05/mpr121_arduino/ 

Érintés érzékelő modul (touch)

Kapacitív érzékelő ez is. 

Másodikhoz példa: http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/DFRobot_Capacitive_Touch_Sensor_(SKU:DFR0030)

Piezoelektromos szenzor

Olyan anyagból készül amiben összenyomás hatására feszültség keletkezik. Burkolattal és anélkl is kapható. 

Példa lejjebb - hang érzékelőknél.

Távolság érzékelése

Infrás távolságérzékelő

Sharp infravörös távolságérzékelő szenzor

"A robotikában használt egyik speciális szenzor a Sharp infravörös távolságérzékelő szenzor. Amint az alábbi képről is jól látható többféle szenzor is létezik, különböző méréstartománnyal. A szenzor az ún. háromszögeléses módszerrel működik. A szenzor egy keskeny infravörös fénnyalábot bocsát ki (az IR fény hullámhossza 850nm ± 70nm). A kibocsátott IR fény a tárgyakról visszaverődik. Az érzékelő egy optikával leképezi a visszavert fényt egy CCD-re. Attól függően hogy milyen messze van a céltárgy, más-más szögben érkezik vissza a visszavert fény, és ennek megfelelően más-más CCD pixelre fókuszálódik. Ebből már meghatározható a távolság. Van analóg és digitális kimenetű szenzor is. Az analóg szenzor egy, a távolsággal fordítottan arányos, nemlineáris, analóg kimeneti feszültségjelet ad."
http://www.hobbielektronika.hu/cikkek/will-i_v20_robotika_es_avr_kezdoknek.html?pg=6

Ultrahangos távolságérzékelő

Tutorial: http://arduino.cc/en/Tutorial/Ping?from=Tutorial.UltrasoundSensor

IR vevő modul

Kell hozzá egy infra kibocsátó egység is amit érzékelni tud, pl. Infra LED. Magában is kapható. Példa az oldal közepén: http://www.diyphonegadgets.com/2012/04/tutorial-how-to-control-ir-helicopter.html

Fény érzékelése

LDR, Fotóellenállás

A fotoellenállások fénytől függő ellenállások. A fényérzékeny rétegek kialakítására nagyon erős fényelektromos tulajdonságokkal bíró anyagokat (kadmium-szulfid CdS, ólomszulfid PbS stb.) használnak. Minél jobban megvilágítunk egy fotoellenállást, annál inkább csökken az ellenállása. A fotoellenállás meghatározott fényerősséghez tartozó ellenállásértéke azonos típusoknál is meghatározott tartományban szór, ez a tartomány az ún. szórási sáv. A fotoellenállás meghatározott fényhullámhossznál éri el a legnagyobb érzékenységet, ezt spektrális érzékenységnek nevezzük. Vannak olyan fotoellenállások amelyek kimondottan speciális hullámhosszra, azaz színekre érzékenyek.

Analóg pinbe kötve analogRead-del kiolvassuk az értékeket. Lehet esetleg kalibrálni is: 
http://arduino.cc/en/Tutorial/Calibration

Modul formában is létezik:

Színszenzor modul

TCS3200, arduino kódja letölthető innen: http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=540#.UKPlTeOe-0I

Hang érzékelése

Piezo elektromos szenzor (lásd feljebb) 

Példa - érzékelőkét: kopogás érzékelése bejegyezés. 
Másik példa- hangforrásként: http://www.adafruit.com/blog/2009/05/19/piezo-with-an-arduino-photoresistor/

Hang érzékelő modul 

példa: http://www.emartee.com/product/42148/Mini%20Sound%20Sensor%20%20Arduino%20Compatible

Hőmérséklet érzékelése

Digitális hőmérő modul

Másodikhoz példa: http://www.emartee.com/product/41849/Arduino%20Temperature%20Sensor%20DS18B20

DS18B20 

DS18B20

Hőmérséklet mérése LM35-tel:

http://www.danielandrade.net/2008/07/05/temperature-sensor-arduino/

Hőmérséklet és páratartalom szenzor

példa: http://garagelab.com/profiles/blogs/tutorial-humidity-and-temperature-sensor-with-arduino

Digitális hőmérséklet és páratartalom szenzor

példa: http://www.elechouse.com/elechouse/index.php?main_page=product_info&cPath=&products_id=450

Analóg páratartalom szenzor

Hozzá az Arduino Library: http://code.google.com/p/arduino-humidity-sensor-library/

HUMIDITY SENSOR HIH4030

4-5.8V

arduino példa kód serial motorral: http://itp.nyu.edu/physcomp/sensors/Reports/ArduinoCode

Nyomásérzékelő 

MPX4115A

példa: http://www.oz9aec.net/index.php/arduino/343-mpx4115a-pressure-sensor-with-arduino

Barometrikus nyomás érzékelő

BMP085 Breakout

példa: http://www.sparkfun.com/tutorials/253

példa: http://garagelab.com/profiles/blogs/tutorial-how-to-use-a-barometric-pressure-sensor-with-arduino

A digitális giroszkóp egy 3d-s gyorsulásérzékelő chip. A Föld mágneses pólusait (Észak, Dél) érzékeli és abból számolja az elmozdulást. Ebben a példában a dölés szöget és az mozdulat sebességét tudjuk kiolvasni serial monitoron.

A tinkerkit library-t is telepíteni kel hozzá, innen:
http://tinkerkit.com/en/Tutorials/Home

Hivatkozások:

TKGyro gyro(I0,I1,TK_4X);gyro.getXAxis();
//x tengely értéke 0-1023gyro.getYAxis();
//y tengely értéke 0-1023gyro.getXAxisRate();
//x tengely fizikai helyzete: -6000°/s-tól 6000°/s-iggyro.getYAxisRate();
//y tengely fizikai helyzete: -6000°/s-tól 6000°/s-ig

TinkerKit Gyroscope 2 Axis sensitivity 1X

Bekötése:

x tengely A0

y tengely A1

+ pinek 5V-ba mindkettő

- pinek Gnd-be mindkettő

Arduino kód a hivatalos Manual-ból:

/* TinkerKit! Gyroscope [T000060-64]
 *
 * This sketch shows how to read this 2-axis gyroscope, 
 * turning in a given angular velocity and then converting it 
 * in the simplest way in an angular position (/inclination).
 *
 * Connect: the X-axis to the Analog Input Pin 0 (I0) 
 *          the Y-axis to the Analog Input Pin 1 (I1)
 * Optional: connect a servo to Analog Output Pin 9 (O2)
 *
 * created by Federico Vanzati / f.vanzati@arduino.cc
 * in September 2011
 *
 * inspired from www.arduino.cc/playground/Main/Gyro 
 * by eric barch / ericbarch.com
 */

#include <Servo.h> 

// Pin used in this example
#define SERVO 9
#define X_GYRO 0
#define Y_GYRO 1

#define ADCresolution 4.89f  // = 5000mV/1023counts: Arduino analog pins resolution expressed in mV/count
#define Sensitivity 0.67f  // [mV/dps] sensitivity of the sensor, took from datasheet (4x output mode)
// Conversion coefficient, we do here because is a constant! so we'll not do the calculation every loop
#define K ADCresolution/Sensitivity  // the constant!
#define nrSamples 6  // Number of samples that we take for each measure

Servo myservo;  // create servo object to control a servo 
// a maximum of eight servo objects can be created 

// Timing variables
unsigned long  time, sampleTime = 12; 
unsigned long printTime = 0, serialRefresh_time = 500; 
float deltaT = (float)sampleTime*nrSamples/1000;

//Gyroscope variables  
int roll_zeroVoltage, pitch_zeroVoltage;    
int roll_rawADC[nrSamples], pitch_rawADC[nrSamples];  // store 3 values...just to avverage
float roll_rate, pitch_rate;  //
float roll_angle = 0, pitch_angle = 0;
int c=0;  // just a counter to count the samples

int pos;    // variable to store the servo position

void setup() 
{ 
  delay(1000); 
  myservo.attach(SERVO);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object 
  myservo.write(pos);

  Serial.begin(57600);
  Serial.print("TinkerKit! Gyroscope [T000062] Test Example\n\n");

  int correctionY=0, correctionX=0;

  for (int i=0; i<50; i++)
  {
    correctionY += analogRead(Y_GYRO);
    correctionX += analogRead(X_GYRO);
    delay(20);
  }
  roll_zeroVoltage = correctionY/50;
  pitch_zeroVoltage = correctionX/50;
  Serial.print(roll_zeroVoltage);
  Serial.print("    ");
  Serial.println(pitch_zeroVoltage);

  time = millis();
} 


void loop() 
{ 
  // Every 40ms take a sample from gyro
  if(millis() - time > sampleTime)
  {
    time = millis();   
    roll_rawADC[c] = analogRead(Y_GYRO);
    pitch_rawADC[c] = analogRead(X_GYRO);
    c++;
  }
  if(c==nrSamples) // Well, we have 3 samples
  {
    // Transform the raw data into an angular velocity
    roll_rate = (filterGyro(roll_rawADC) - roll_zeroVoltage) * K;
    pitch_rate = (filterGyro(pitch_rawADC) - pitch_zeroVoltage)*K;

    // Integrate the angular veloity to obtain angular position (or inclination)
    // Using the trapeziod method for numerical integration
    //                                                                 sampleTime*nrSamples
    // The variable that take mind of the integration time is deltaT = -------------------- 
    //                                                                         1000
    //  - we multiply for nrSamples because  
    //  - divide for 1000 because angular velocity is expessed in seconds,
    //    but sampleTime is expressed in milliseconds
    roll_angle += roll_rate*deltaT/2;
    pitch_angle += pitch_rate*deltaT/2;

    //Keep our angle between 0-359 degrees
    if (roll_angle < 0)
      roll_angle += 360;
    else if (roll_angle > 359)
      roll_angle -= 360;

    if (pitch_angle < 0)
      pitch_angle += 360;
    else if (pitch_angle > 359)
      pitch_angle -= 360;

    // Now we control the servo: home position is setted in the center at 90 degrees
    if(roll_angle >= 0 && roll_angle <= 90) // counterclockwise rotation of the gyro...
      pos = 90 + (int)roll_angle;           // ...produces rotation from 90 to 180 deg on servo                     
    if(roll_angle >= 270)                   // clockwike rotation of the gyro...
      pos = (int)roll_angle - 270;          // ...produces rotation from 90 to 0 deg on servo

    myservo.write(pos);  // send the position to servo

    if(millis() - printTime > serialRefresh_time)
    {
      printTime = millis();
      Serial.print("Roll speed: "); Serial.print((int)roll_rate);
      Serial.print("\t Angle: "); Serial.print((int)roll_angle);
      Serial.print("\t Pitch speed: ");Serial.print((int)pitch_rate);
      Serial.print("\t Angle: ");Serial.println((int)pitch_angle);
      Serial.print("Servo: "); Serial.println(pos);
    }
    c=0;  // reset the counter
  }
}

int filterGyro(int buffer[])
{
  int mean=0;
  for(byte i=0; i<nrSamples; i++)
    mean += buffer[i];
  mean /= nrSamples;
  return mean;
}
 

Egy példa, grafikus interfész processingben, ami a giró adatait mutatja: http://scuola.arduino.cc/en/content/realizziamo-uninterfaccia-grafica-modulo-giroscopio-tinkerkit 

forrás

http://www.tinkerkit.com/bp/reference/, http://tinkerkit.com/en/Tutorials/Home, http://sensorwiki.org/doku.php/sensors/gyroscope

10-80 cm között mér. Feszültség ellátás 4.5-5.5 V és áramfogyasztás 30mA.

Bekötése:

Datasheet: http://www.sharpsma.com/webfm_send/1489

balról jobbra: analóg 0, földelés, 5V

Adat kiolvasása Serial Monitorral:

int sensorpin = 0;
// az analóg 0-ba van kötve a sharp szenzor
int val = 0;
// változó ami a szenzor értékeit tárolja
// inicializáljuk 0-ként

void setup(){
Serial.begin(9600);
// serial monitor elindítása
}

void loop(){
val = analogRead(sensorpin);
// érték kiolvasása a szenzorból
Serial.println(val);
// érték kiírása serial monitorral
delay(500);
// fél mp vár mielőtt újra kiolvassa az értéket
}

void

A függvények deklarálásához használt kulcsszó. Saját függvényt írhatunk vele, amit csak meghívunk egy másik helyen a kódban.

http://arduino.cc/en/Reference/Void

char myChar = 'A';
char myChar = 65; //a két sor ugyanaz jelenti

unsigned char myChar = 240;

byte b = B10010;  // "B" bináris formázó (B10010 = 18 tizes számrendszerben) 

int var = val; // integer változóneve = értékmegadás

int a = 5;        // binary: 0000000000000101
int b = a << 14;  // binary: 0100000000000000

unsigned int var = val; // előjeles integer változóneve = értékmegadás

unsigned int x
   x = 0;
   x = x - 1;       // x most65535 - negatív irányba ugrott érték
   x = x + 1;       // x most 0 - pozitív irányba ugrott érték

 word w = 10000; 

long speedOfLight = 186000L;   // 'L' kifejezést az Integer Állandók-nál nézd meg

long var = val;

unsigned long var = val;

short var = val;

float var = val;

  char Str1[15];
  char Str2[8] = {'a', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o'};
  char Str3[8] = {'a', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o', '\0'};
  char Str4[ ] = "arduino";
  char Str5[8] = "arduino";
  char Str6[15] = "arduino";

  int myInts[6];
  int myPins[] = {2, 4, 8, 3, 6};
  int mySensVals[6] = {2, 4, -8, 3, 2};
  char message[6] = "hello";

mySensVals[0] = 10;

x = mySensVals[4];

DC motor= egyenáramú motor, villanymotor
A villanymotor egy motorként működő villamos forgógép, amely az elektromágneses indukció elvén alapuló eszköz, az elektromos áram energiáját mechanikus energiává, forgó mozgássá alakítja.
Ha egy mágneses térben elhelyezett tekercsbe elektromos áramot vezetnek a benne kialakuló mágneses mező
kölcsönhatásba lép az állandó mágnesek közötti mágneses mezővel és elfordítja a tekercset (a motor forgórészét).

Stepper motor, léptetőmotor
A léptetőmotorok lényeges tulajdonsága, hogy egy körülforduláshoz hány lépés szükséges. Ezt megadhatják
fokban, ekkor az egy lépésre eső szögelfordulást adják meg. Illetve megadhatják az egy körülforduláshoz szükséges lépésszámot. Természetesen fontos paraméter a motor terhelhetősége, teljesítménye és nyomatéka is. A léptetőmotort digitális jellel kell vezérelni. Ennek a motortípusnak hatalmas előnye, hogy a jel hatására adott, előre meghatározott pozícióba fordul. Elsősorban olyan helyeken alkalmazzák e motorokat, ahol amúgy is digitális jelekkel dolgoznak, illetve ahol lényeges a pontos pozícióba állás. Tehát megtalálhatók a számítógép perifériákban (nyomtató, floppy, winchester, scanner, CD-rom), az ipari termelés sok területén, valamint a modellezésben.

Servo motor, szervó motor
Két irányba mozgatható, vezérléssel működik, programozni kell. A szervók impulzusszélesség vezérelt motorok. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a motornak egy impulzus szélességgel lehet megadni, hogy milyen pozícióba álljon. A motor vezérlőjének első része egy impulzusszélesség ->feszültség konverter. Ez megméri a kapott impulzus szélességét, majd annak alapján egy adott feszültséget generál. A vezérlőbe be van égetve a minimum impulzus szélesség (minIW) és a maximum impulzus szélesség (maxIW). A generált feszültség maximális értéke közel megegyezik a bejövő tápfeszültséggel. Ezt a maxIW elérésekor adja ki magából. A motor nem ezzel a feszültséggel lesz meghajtva. Ez csak egy referencia feszültség. A szervó tengelyén egy potmétert helyeztek el. Ahogy fordul a tengely, úgy változik ellenállása. A poti egyik vége V+ a másik pedig GND-re van kötve. A középső lábán pedig egy referencia feszültséget kapunk. Na most már van 2 referencia feszültségünk. Az egyik referencia feszültésg a motor aktuális pozícióját jelzi, a másik pedig a jövőbeni pozícióját. A cél, hogy a két referencia feszültség egyenlő nagyságú legyen, tehát a motor elérje a kívánt pozíciót. Ehhez ez a két feszültség rá van engedve egy harmadik egységre, ami összehasonlítja a két feszültséget. Ez a harmadik egység képes a feszültségkülönbségek alapján meghatározni, hogy a motort jobbra vagy balra kell forgatni ahhoz, hogy a két referenciafeszültség egyforma legyen. A referencia összehasonlító közvetlenül vezérel egy H-hidat ami a motornak szükséges áramot adja.

Mi a H-hid?
A H-hid egy olyan áramkör, ami lehetővé teszi hogy a feszültséget minkét irányba alkalmazhassuk, robottechnikában gyakran alkalmazzák DC motorokhoz hogy előre és hátrafelé is lehessen forgatni. Integrált áramkör formájában is elérhetőek, de külön alkatrészekből is összeszerelhetőek.

Mi az a PWM?
A PWM (pulse-width moderation) impulzus szélesség modulációs eljárás igen elterjedt a vezérléstechnikában. Lényege, hogy mikrovezérlő vagy más elektronikai eszköz segítségével modulált jelet hozunk létre és a tekercset ezzel a jellel gerjesztjük, nem pedig egyenárammal. A PWM jellemzői az alapfrekvencia és a kitöltési tényező. Az alapfrekvencia meghatározza, hogy a modulált jel hányszor változik másodpercenként. Bevett szokás, hogy az alapfrekvenciát 20KHz felettire választják, mert ez a frekvencia az emberi fül számára már nem hallható. A kitöltési tényező azt határozza meg, hogy egy perióduson belül a négyszögjel a teljes periódusidő hány százalékában vesz fel logikai 1-es értéket.

LINKEK:

-villanymotor http://hu.wikipedia.org/wiki/Villanymotor

-elektromágnesesség http://hu.wikipedia.org/wiki/Elektrom%C3%A1gness%C3%A9g

-léptető motor http://qtp.hu/elektro/leptetomotor_mukodese.php
http://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

-léptető motor és PWM: http://www.hun.cncdrive.com/tudasbazis/stp.htm

-szervó motor, servo motor: http://www.seattlerobotics.org/guide/servos.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Servo_motor#RC_servos

-szervó motor vezérlése http://myprojects.hu/pic/szervo-motorok-vezerlese.html

-H-hid http://www.hobbielektronika.hu/kapcsolasok/h-hid_avagy_egyszeru_motorvezerles.html?pg=1
http://en.wikipedia.org/wiki/H-bridge