HackerBox 0035: Elektrochemie - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Diesen Monat erforschen HackerBox Hacker verschiedene elektrochemische Sensoren und Testtechniken zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Materialien. Dieses Instructable enthält Informationen für den Einstieg in HackerBox # 0035, die hier erworben werden können, solange der Vorrat reicht. Wenn Sie jeden Monat eine solche HackerBox direkt in Ihre Mailbox erhalten möchten, abonnieren Sie bitte HackerBoxes.com und schließen Sie sich der Revolution an!

Themen und Lernziele für HackerBox 0035:

• Konfigurieren Sie den Arduino Nano für die Verwendung mit der Arduino IDE
• Verdrahten und codieren Sie ein OLED-Modul, um Messungen anzuzeigen
• Erstellen Sie eine Alkoholtest-Demo mit Alkoholsensoren
• Vergleichen Sie Gassensoren, um Luftqualitätsmessungen durchzuführen
• Bestimmen Sie die Wasserqualität aus dem Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS)
• Testen Sie die berührungslose und in Wasser eintauchbare thermische Sensorik

HackerBoxes ist der monatliche Abo-Box-Service für DIY-Elektronik und Computertechnik. Wir sind Bastler, Macher und Experimentatoren. Wir sind die Träumer der Träume. HACK DEN PLANETEN!

Schritt 1: HackerBox 0035: Lieferumfang

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• OLED 0,96 128x64 Pixel I2C-Display
• TDS-3 Wasserqualitätsmesser
• GY-906 Kontaktloses Temperaturmodul
• MP503 Luftqualitäts-Verschmutzungssensor
• DS18B20 Wasserdichter Temperaturfühler
• MQ-3 Alkoholsensormodul
• MQ-135 Luftgefahren-Gassensormodul
• DHT11 Feuchte- und Temperaturmodul
• KY-008 Lasermodul
• Set aus LEDs, 1K-Widerständen und taktilen Tasten
• 400 Punkte "Kristallklares" Steckbrett
• Überbrückungsdraht-Set - 65 Stück
• MircoUSB-Kabel
• Exklusive HackerBoxes-Aufkleber

Einige andere Dinge, die hilfreich sein werden:

• Lötkolben, Lötzinn und grundlegende Lötwerkzeuge
• Computer zum Ausführen von Softwaretools

Am wichtigsten sind Abenteuerlust, DIY-Geist und Hacker-Neugier. Hardcore-DIY-Elektronik ist kein triviales Unterfangen, und HackerBoxes werden nicht verwässert. Das Ziel ist Fortschritt, nicht Perfektion. Wenn Sie hartnäckig bleiben und das Abenteuer genießen, können Sie viel Befriedigung daraus ziehen, neue Technologien zu lernen und hoffentlich einige Projekte zum Laufen zu bringen. Wir empfehlen, jeden Schritt langsam zu machen, die Details zu beachten und keine Angst davor zu haben, um Hilfe zu bitten.

In den HackerBoxes FAQ finden Sie eine Fülle von Informationen für aktuelle und zukünftige Mitglieder.

Schritt 2: Elektrochemie

Elektrochemie (Wikipedia) ist der Zweig der physikalischen Chemie, der den Zusammenhang zwischen Elektrizität als messbarem und quantitativem Phänomen und einer bestimmten chemischen Veränderung oder umgekehrt untersucht. Bei den chemischen Reaktionen bewegen sich elektrische Ladungen zwischen Elektroden und einem Elektrolyten (oder Ionen in einer Lösung). So beschäftigt sich die Elektrochemie mit der Wechselwirkung zwischen elektrischer Energie und chemischer Veränderung.

Die gebräuchlichsten elektrochemischen Geräte sind Alltagsbatterien. Batterien sind Geräte, die aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen mit externen Anschlüssen bestehen, um elektrische Geräte wie Taschenlampen, Smartphones und Elektroautos mit Strom zu versorgen.

Elektrochemische Gassensoren sind Gasdetektoren, die die Konzentration eines Zielgases messen, indem sie das Zielgas an einer Elektrode oxidieren oder reduzieren und den resultierenden Strom messen.

Elektrolyse ist eine Technik, die einen elektrischen Gleichstrom (DC) verwendet, um eine ansonsten nicht spontane chemische Reaktion anzutreiben. Die Elektrolyse ist als ein Schritt bei der Trennung von Elementen aus natürlich vorkommenden Quellen wie Erzen unter Verwendung einer Elektrolysezelle kommerziell wichtig.

Schritt 3: Arduino Nano-Mikrocontroller-Plattform

Ein Arduino Nano oder eine ähnliche Mikrocontroller-Platine ist eine gute Wahl für die Verbindung mit elektrochemischen Sensoren und Anzeigeausgängen zu einem Computer oder Videodisplay. Das mitgelieferte Arduino Nano-Modul wird mit Header-Pins geliefert, die jedoch nicht mit dem Modul verlötet sind. Lassen Sie die Stifte vorerst weg. Führen Sie diese ersten Tests des Arduino Nano-Moduls durch, bevor Sie die Header-Pins des Arduino Nano verlöten. Für die nächsten Schritte benötigt man nur noch ein microUSB-Kabel und das Nano-Modul so wie es aus der Tasche kommt.

Das Arduino Nano ist ein oberflächenmontierbares, Steckbrett-freundliches, miniaturisiertes Arduino-Board mit integriertem USB. Es ist erstaunlich voll funktionsfähig und leicht zu hacken.

Merkmale:

• Mikrocontroller: Atmel ATmega328P
• Spannung: 5V
• Digitale I/O-Pins: 14 (6 PWM)
• Analoge Eingangspins: 8
• Gleichstrom pro E/A-Pin: 40 mA
• Flash-Speicher: 32 KB (2 KB für Bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Taktfrequenz: 16 MHz
• Abmessungen: 17 mm x 43 mm

Diese besondere Variante des Arduino Nano ist das schwarze Robotdyn-Design. Die Schnittstelle besteht aus einem integrierten MicroUSB-Anschluss, der mit den gleichen MicroUSB-Kabeln kompatibel ist, die bei vielen Mobiltelefonen und Tablets verwendet werden.

Arduino Nanos verfügen über einen integrierten USB/Seriell-Bridge-Chip. Bei dieser speziellen Variante ist der Brückenchip der CH340G. Beachten Sie, dass es verschiedene andere Arten von USB / seriellen Brückenchips gibt, die auf den verschiedenen Arten von Arduino-Boards verwendet werden. Diese Chips ermöglichen es dem USB-Port des Computers, mit der seriellen Schnittstelle auf dem Prozessorchip des Arduino zu kommunizieren.

Das Betriebssystem eines Computers erfordert einen Gerätetreiber, um mit dem USB/Seriell-Chip zu kommunizieren. Der Treiber ermöglicht es der IDE, mit dem Arduino-Board zu kommunizieren. Der benötigte spezifische Gerätetreiber hängt sowohl von der Betriebssystemversion als auch vom Typ des USB/Seriell-Chips ab. Für die CH340 USB/Seriell-Chips stehen Treiber für viele Betriebssysteme (UNIX, Mac OS X oder Windows) zur Verfügung. Der Hersteller des CH340 liefert diese Treiber hier.

Wenn Sie den Arduino Nano zum ersten Mal an einen USB-Port Ihres Computers anschließen, sollte die grüne Betriebsanzeige aufleuchten und kurz darauf sollte die blaue LED langsam zu blinken beginnen. Dies geschieht, weil der Nano mit dem BLINK-Programm vorinstalliert ist, das auf dem brandneuen Arduino Nano läuft.

Schritt 4: Arduino integrierte Entwicklungsumgebung (IDE)

Wenn Sie die Arduino IDE noch nicht installiert haben, können Sie sie von Arduino.cc herunterladen

Wenn Sie zusätzliche einführende Informationen zum Arbeiten im Arduino-Ökosystem wünschen, empfehlen wir Ihnen, die Anleitung zum HackerBoxes Starter Workshop zu lesen.

Stecken Sie den Nano in das MicroUSB-Kabel und das andere Ende des Kabels in einen USB-Port des Computers, starten Sie die Arduino IDE-Software, wählen Sie den entsprechenden USB-Port in der IDE unter tools>port (wahrscheinlich ein Name mit "wchusb" darin)). Wählen Sie auch in der IDE unter Tools>Board "Arduino Nano" aus.

Laden Sie zum Schluss einen Beispielcode hoch:

Datei->Beispiele->Grundlagen->Blinken

Dies ist eigentlich der Code, der auf dem Nano vorgeladen wurde und jetzt laufen sollte, um die blaue LED langsam zu blinken. Dementsprechend ändert sich nichts, wenn wir diesen Beispielcode laden. Lassen Sie uns stattdessen den Code ein wenig ändern.

Wenn Sie genau hinsehen, können Sie sehen, dass das Programm die LED einschaltet, 1000 Millisekunden (eine Sekunde) wartet, die LED ausschaltet, eine weitere Sekunde wartet und dann alles wieder tut - für immer.

Ändern Sie den Code, indem Sie beide "delay(1000)"-Anweisungen in "delay(100)" ändern. Diese Änderung führt dazu, dass die LED zehnmal schneller blinkt, oder?

Laden wir den geänderten Code in den Nano, indem Sie auf die Schaltfläche HOCHLADEN (das Pfeilsymbol) direkt über Ihrem geänderten Code klicken. Beobachten Sie unten den Code für die Statusinfo: "Kompilieren" und dann "Hochladen". Schließlich sollte die IDE "Uploading Complete" anzeigen und Ihre LED sollte schneller blinken.

Wenn ja, herzlichen Glückwunsch! Sie haben gerade Ihren ersten eingebetteten Code gehackt.

Wenn Ihre Fast-Blink-Version geladen ist und ausgeführt wird, können Sie den Code erneut ändern, damit die LED zweimal schnell blinkt, und dann einige Sekunden warten, bevor Sie den Vorgang wiederholen. Versuche es! Wie wäre es mit anderen Mustern? Sobald es Ihnen gelungen ist, ein gewünschtes Ergebnis zu visualisieren, zu codieren und zu beobachten, dass es wie geplant funktioniert, haben Sie einen enormen Schritt in Richtung eines kompetenten Hardware-Hackers getan.

Schritt 5: Header-Pins und OLED auf lötfreiem Steckbrett

Nachdem Ihr Entwicklungscomputer so konfiguriert wurde, dass er Code auf den Arduino Nano lädt und der Nano getestet wurde, trennen Sie das USB-Kabel vom Nano und machen Sie sich bereit, die Header-Pins zu löten. Wenn es Ihre erste Nacht im Fight Club ist, müssen Sie löten! Es gibt viele tolle Anleitungen und Videos online zum Beispiel zum Löten. Wenn Sie das Gefühl haben, dass Sie zusätzliche Hilfe benötigen, versuchen Sie, eine lokale Maker-Gruppe oder einen Hacker-Space in Ihrer Nähe zu finden. Außerdem sind Amateurfunkclubs immer ausgezeichnete Quellen für Elektronikerfahrungen.

Löten Sie die beiden einreihigen Header (jeweils fünfzehn Pins) an das Arduino Nano-Modul. Der sechspolige ICSP-Anschluss (In-Circuit Serial Programming) wird in diesem Projekt nicht verwendet, also lassen Sie diese Pins einfach weg. Nach dem Löten sorgfältig auf Lötbrücken und/oder kalte Lötstellen prüfen. Schließen Sie schließlich den Arduino Nano wieder an das USB-Kabel an und überprüfen Sie, ob alles noch ordnungsgemäß funktioniert.

Um die OLED mit dem Nano zu verbinden, stecken Sie beide wie gezeigt in ein lötfreies Steckbrett und verdrahten Sie sie gemäß dieser Tabelle:

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

Um das OLED-Display anzusteuern, installieren Sie den hier gefundenen SSD1306-OLED-Display-Treiber in der Arduino IDE.

Testen Sie das OLED-Display, indem Sie das Beispiel ssd1306/snowflakes laden und in den Nano programmieren.

Andere Beispiele aus der SDD1306-Bibliothek sind nützlich, um die Verwendung des OLED-Displays zu erkunden.

Schritt 6: MQ-3 Alkoholsensor und Alkoholtest Demo

Der Alkoholgassensor MQ-3 (Datenblatt) ist ein kostengünstiger Halbleitersensor, der das Vorhandensein von Alkoholgasen in Konzentrationen von 0,05 mg/L bis 10 mg/L erkennen kann. Das im MQ-3 verwendete Sensormaterial ist SnO2, das eine zunehmende Leitfähigkeit aufweist, wenn es steigenden Konzentrationen von Alkoholgasen ausgesetzt wird. Der MQ-3 ist hochempfindlich gegenüber Alkohol mit sehr geringer Querempfindlichkeit gegenüber Rauch, Dampf oder Benzin.

Dieses MQ-3-Modul bietet eine analoge Rohausgabe relativ zur Alkoholkonzentration. Das Modul verfügt außerdem über einen Komparator LM393 (Datenblatt), um einen digitalen Ausgang zu schwellen.

Das MQ-3-Modul kann gemäß dieser Tabelle mit dem Nano verdrahtet werden:

MQ-3…. NanoA0……A0VCC…..5VGND….. GNDD0……Nicht verwendet

Democode aus dem Video.

WARNUNG: Dieses Projekt ist lediglich eine pädagogische Demonstration. Es ist kein medizinisches Instrument. Es ist nicht kalibriert. Es ist in keiner Weise dazu gedacht, den Blutalkoholspiegel zur Beurteilung gesetzlicher oder sicherheitstechnischer Grenzwerte zu bestimmen. Sei nicht dumm. Nicht trinken und fahren. Lebendig ankommen!

Schritt 7: Ketone erkennen

Ketone sind einfache Verbindungen, die eine Carbonylgruppe (eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung) enthalten. Viele Ketone sind sowohl in der Industrie als auch in der Biologie wichtig. Das gängige Lösungsmittel Aceton ist das kleinste Keton.

Heutzutage sind viele mit der ketogenen Ernährung vertraut. Es ist eine Diät, die auf dem Verzehr von fettreichem, ausreichendem Protein und wenig Kohlenhydraten basiert. Dies zwingt den Körper, Fette statt Kohlenhydrate zu verbrennen. Normalerweise werden die in der Nahrung enthaltenen Kohlenhydrate in Glukose umgewandelt, die dann im Körper transportiert wird und besonders wichtig für die Gehirnfunktion ist. Wenn jedoch wenig Kohlenhydrate in der Nahrung enthalten sind, wandelt die Leber Fett in Fettsäuren und Ketonkörper um. Die Ketonkörper gelangen ins Gehirn und ersetzen Glukose als Energiequelle. Ein erhöhter Ketonkörperspiegel im Blut führt zu einem Zustand, der als Ketose bekannt ist.

Beispiel für ein Ketonsensor-Projekt

Ein weiteres Beispiel für ein Ketonsensor-Projekt

Vergleich von MQ-3 vs. TGS822 Gassensoren

Schritt 8: Luftqualitätsmessung

Luftverschmutzung tritt auf, wenn schädliche oder übermäßige Mengen von Substanzen, einschließlich Gasen, Partikeln und biologischen Molekülen, in die Atmosphäre gelangen. Umweltverschmutzung kann beim Menschen zu Krankheiten, Allergien und sogar zum Tod führen. Es kann auch anderen lebenden Organismen wie Tieren, Nahrungspflanzen und der Umwelt im Allgemeinen schaden. Sowohl menschliche Aktivitäten als auch natürliche Prozesse können zu Luftverschmutzung führen. Die Luftverschmutzung in Innenräumen und die schlechte Luftqualität in den Städten werden als zwei der weltweit schlimmsten Probleme durch toxische Umweltverschmutzung aufgeführt.

Wir können den Betrieb von zwei verschiedenen Luftqualitäts- (oder Luftgefährdungs-) Sensoren vergleichen. Dies sind der MQ-135 (Datenblatt) und der MP503 (Datenblatt).

Der MQ-135 ist empfindlich gegenüber Methan, Stickoxiden, Alkoholen, Benzol, Rauch, CO2 und anderen Molekülen. Die Schnittstelle ist identisch mit der MQ-3 Schnittstelle.

Der MP503 ist empfindlich gegenüber Formaldehydgas, Benzol, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Alkohol, Ammoniak, Zigarettenrauch, vielen Gerüchen und anderen Molekülen. Die Benutzeroberfläche ist recht einfach und bietet zwei digitale Ausgänge zur Angabe von vier Schadstoffkonzentrationen. Der Standardanschluss des MP503 verfügt über einen kunststoffummantelten Stecker, der entfernt und durch einen standardmäßigen 4-Pin-Header (im Beutel mitgeliefert) zur Verwendung mit lötfreien Steckplatinen, DuPont-Jumpern oder ähnlichen gängigen Anschlüssen ersetzt werden kann.

Schritt 9: Wasserqualitätsmessung

TDS-3 Wasserqualitätstester

Total Dissolved Solids (TDS) ist die Gesamtmenge der beweglichen geladenen Ionen, einschließlich Mineralien, Salze oder Metalle, die in einem bestimmten Wasservolumen gelöst sind. TDS, das auf der Leitfähigkeit basiert, wird in Teilen pro Million (ppm) oder Milligramm pro Liter (mg/L) ausgedrückt. Gelöste Feststoffe umfassen alle leitfähigen anorganischen Elemente, die mit Ausnahme der reinen Wassermoleküle (H2O) und Schwebstoffe vorhanden sind. Der EPA-Höchstgehalt an Kontaminanten von TDS für den menschlichen Verzehr beträgt 500 ppm.

TDS-Messungen durchführen

1. Entfernen Sie die Schutzkappe.
2. Schalten Sie das TDS-Messgerät ein. Der EIN/AUS-Schalter befindet sich auf dem Bedienfeld.
3. Tauchen Sie das Messgerät bis zur max. Eintauchtiefe (2”).
4. Rühren Sie das Messgerät leicht um, um alle Luftblasen zu entfernen.
5. Warten Sie, bis sich die Anzeige stabilisiert hat. Sobald sich der Messwert stabilisiert hat (ca. 10 Sekunden), drücken Sie die HOLD-Taste, um den Messwert aus dem Wasser zu sehen.
6. Wenn das Messgerät ein blinkendes „x10“-Symbol anzeigt, multiplizieren Sie den Messwert mit 10.
7. Schütteln Sie nach Gebrauch überschüssiges Wasser von Ihrem Messgerät ab. Ersetzen Sie die Kappe.

Quelle: Vollständiges Anleitungsblatt

Experiment: Konstruieren Sie Ihr eigenes einfaches TDS-Messgerät (Projekt mit Video hier), das mit dem TDS-3 kalibriert und getestet werden kann.

Schritt 10: Thermische Erfassung

GY-906 Kontaktloses Temperatursensormodul

Das thermische Sensormodul GY-906 ist mit einem MLX90614 ausgestattet (Details). Dies ist ein einfach zu bedienendes, aber sehr leistungsstarkes Einzonen-Infrarot-Thermometer, das Objekttemperaturen zwischen -70 und 380°C messen kann. Es verwendet eine I2C-Schnittstelle, um zu kommunizieren, was bedeutet, dass Sie nur zwei Drähte von Ihrem Mikrocontroller verwenden müssen, um mit ihm zu kommunizieren.

Demo-Projekt zur Thermosensorik.

Ein weiteres Thermosensor-Projekt.

DS18B20 Wasserdichter Temperatursensor

Der Eindraht-Temperatursensor DS18B20 (Details) kann Temperaturen von -55℃ bis 125℃ mit einer Genauigkeit von ±5 messen.

Schritt 11: HACK DEN PLANETEN

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