راهنمای استفاده از سنسور خمش با برد Arduino

در پست آموزشی سعی داریم در ابتدا سنسور خمش را معرفی کنیم و سپس نحوه اتصال آن به آردوینو را شرح دهیم. این راهنما از مجموعه آموزش های مخترع شوید، می باشد.

معرفی سنسور bending

طراحی سنسور خمش بر اساس اندازه گیری مقدار خیز یا خم است. در حقیقت این سنسور, یک مقاومت متغیر است که بسته به خمیدگی که در آن ایجاد می شود. مقادیر مختلفی را می تواند اندازه گیری می کند. از آن جایی که مقاومت به طور مستقیم با میزان خمیدگی در ارتباط است به آن پتانسیومتر انعطاف پذیر می گویند.

به طور معمول خمش در دو اندازه ساخته می شوند:

2.2 اینچ (5.588 سانتی متر)
4.5 اینچ (11.43 سانتی متر)

انواع سنسور خمش از نظر اندازه طولی — انواع سنسور سنجش خم از نظر اندازه طولی

کاربرد

در دهه 90 میلادی استفاده از سنسور خمش در دستکش هوشمند نینتندو به عنوان رابط بازی، معروف شد. از آن زمان به عنوان گونیامتر برای شناسایی حرکت مفصل، سنسور درب،رابط های کامپیتوری، رابط آلات موسیقی،سیستم های امنیتی سوئیچ سپر برای دیوار یا سنسور فشار در رباتیک استفاده شد. می توان در شاخه مهندسی پزشکی و علوم مکانیکی کاربرد وسیعی دارد .

شرح ساختار سنسور خمش

تشکیل شده از: یک لایه رزین فنولیک یا رزین فنول فرمالدهید که روی آن جوهر رسانا به صورت یک نوار قرار دارد و در نهایت یک رسانای چند بخشی بر روی آنها قرار می گیرد تا یک پتانسیومتر انعطاف پذیر تشکیل دهد که مقدار مقاومت به محض ایجاد خمش یا انحراف تغییر کند. جزئیات ساختار فیزیکی سنسور خمش را در شکل زیر مشاهده می کنید:

ساختار فیزیک سنسور خمش — ساختار فیزیکی ماژول خمش

سنسور خمش در چه جهتی خم می شود؟

طراحی سنسورهای فلکس به گونه ای است که تنها در یک جهت خم می شوند.

نکته 1 : زمانی که در جهت مشخص سنسور را خم می کنید مراقب باشید که محل اعمال خم از جوهر رسانا به دور باشد.

نکته 2 : در قسمتی از سنسور که پین ها متصل می شوند، خم را اعمال نکنید، این قسمت بسیار شکننده و آسیب پذیر است!

نکته 3 : اگر در جهتی به غیر از جهت تعیین شده در طراحی سنسور، خم را اعمال کنید سنسور آسیب میبیند.

نحوه استفاده از سنسور خمش — نحوه استفاده از سنسور فلکس

عملکرد

باید توجه داشته باشید که جوهر رسانا روی سنسور مانند یک مقاومت عمل می کند. هنگامیکه سنسور در حالت مستقیم (تحت زاویه °0) قرار داشته باشد، مقدار مقاومت 25 کیلو اهم است.

با خم شدن سنسور لایه رسانا کشیده شده و در نتیجه سطح مقطع کاهش پیدا می کند و سطح مقطع کاهش یافه منجر به افزایش مقدار مقاومت می شود. به طوریکه در زاویه °90 مقاومت 100 کیلو اهم است. به محض برگشت سنسور به حالت °0، مقاومت نیز به مقدار اصلی برمی گردد.

خواندن و دریافت داده از سنسور خمش

یک راه آسان برای خواندن؛ اتصال آن به یک مقاومت با مقدار ثابت است (غالباً 47 کیلو اهم) که نتیجتاً یک تقسیم ولتاژ ایجاد می شود. برای بستن این مدار ابتدا باید یکی از دو سر انتهایی سنسور را به پاور و سر دیگر را به یک مقاوت pull-down، متصل کنید و سپس نقطه مابین مقاومت ثابت pull-down و سنسور خمش را به پین ورودی ADC برد آردوینو وصل کنید.

به این ترتیب می توانید یک خروجی ولتاژ متغیر که توسط ورودی ADC میکروکنترلر Arduino خوانده میشود، ایجاد کنید.

توجه

ولتاژ خروجی که اندازه می گیرید در واقع ولتاژ حاصل از سنسور خمش نیست بلکه از مقاومت pull-down می باشد.

ولتاژ خروجی را می توانید با معادله زیر محاسبه کنید :

فرمول محاسبه ولتاژ خروجی_سنسور خمش — محاسبه ولتاژ خروجی_سنسور خمش

طبق رابطه بالا ولتاژ خروجی با افزایش زاویه خمش، کاهش می یابد.

مثال : اگر در رابطه بالا ولتاژ تغذیه را 5V و مقاومت pull-down را 47K قرار دهیم،با در نظر گرفتن حالت مسطح (°0)؛مقدار مقاومت حاصل به نسبت کم می باشد(حدود25 کیلو اهم) ولتاژ خروجی به صورت زیر حساب می شود:

اگر در سنسور با موقعیت °90 خم شده باشد، مقاومت pull-down را 100K در نظر بگیریم؛ مقدار ولتاژ خروجی به صورت زیر محاسبه می شود:

وایرینگ

قبل از شروع اتصال اگر آشنایی کافی با آردوینو ندارید به لینک های زیر مراجعه کنید:

برای اتصال این سنسور به آردوینو ابتدا باید مقاومت 47 کیلو اهمی pull-down را به صورت سری با سنسور خمش بر روی برد بورد ببندید تا مدار تقسیم ولتاژ ایجاد شود. سپس نقطه ای بین مقاومت pull-down و حسگر خمش به ورودی A0 ADC آردوینو متصل شود.

تمامی قطعات الکترونیکی خود را می توانید از فروشگاه ایوینک تهیه کنید.

شرح کدنویسی

در اینجا برای توضیح نحوه کد نویسی در آردوینو یک مدل طرح شده داریم، که دیتا سنسور را از پین Arduino’s ADC می خواند و خروجی را بر مانیتور سریال نمایش می دهد.

</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const int flexPin = A0; // Pin connected to voltage divider output</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">// Change these constants according to your project's design</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float VCC = 5; // voltage at Ardunio 5V line</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float R_DIV = 47000.0; // resistor used to create a voltage divider</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float flatResistance = 25000.0; // resistance when flat</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float bendResistance = 100000.0; // resistance at 90 deg</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">void setup() {</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">Serial.begin(9600);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">pinMode(flexPin, INPUT);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">}</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">void loop() {</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">// Read the ADC, and calculate voltage and resistance from it</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">int ADCflex = analogRead(flexPin);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">float Vflex = ADCflex * VCC / 1023.0;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">float Rflex = R_DIV * (VCC / Vflex - 1.0);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">Serial.println("Resistance: " + String(Rflex) + " ohms");</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">// Use the calculated resistance to estimate the sensor's bend angle:</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">float angle = map(Rflex, flatResistance, bendResistance, 0, 90.0);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">Serial.println("Bend: " + String(angle) + " degrees");</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">Serial.println();</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">delay(500);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">}</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">

const int flexPin = A0; // Pin connected to voltage divider output

// Change these constants according to your project's design

const float VCC = 5; // voltage at Ardunio 5V line

const float R_DIV = 47000.0; // resistor used to create a voltage divider

const float flatResistance = 25000.0; // resistance when flat

const float bendResistance = 100000.0; // resistance at 90 deg

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(flexPin, INPUT);

}

void loop() {

// Read the ADC, and calculate voltage and resistance from it

int ADCflex = analogRead(flexPin);

float Vflex = ADCflex * VCC / 1023.0;

float Rflex = R_DIV * (VCC / Vflex - 1.0);

Serial.println("Resistance: " + String(Rflex) + " ohms");

// Use the calculated resistance to estimate the sensor's bend angle:

float angle = map(Rflex, flatResistance, bendResistance, 0, 90.0);

Serial.println("Bend: " + String(angle) + " degrees");

Serial.println();

delay(500);

}

پس از کپی و آپلود کد، با اعمال خمیدگی به سنسور تغییرات مقاومت resistance و زاویه خم بر مانیتور سریال نمایش داده می شود:

شرح جزئیات کدنویسی

طرح با راه اندازی پین آردوینو که سنسور خمش و مقاومت 47K pulldown به آن متصل هستند. اجرا می شود.

</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const int flexPin = A0;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">

const int flexPin = A0;

ثابت VCC(ولتاژ سیستم) و R_DIV(مقاومتی که برای تقسیم ولتاژ استفاده شد) را تعریف کنید. flatResistance و bendResistance مقاومت سنسور خمش در دو حالت مسطح °0 و °90 هستند.

</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float VCC = 5;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float R_DIV = 47000.0;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float flatResistance = 25000.0;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">const float bendResistance = 100000.0;</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">

const float VCC = 5;

const float R_DIV = 47000.0;

const float flatResistance = 25000.0;

const float bendResistance = 100000.0;

در عملگر setup ، ارتباط سریالی با PC شروع می شود. flexPin را به عنوان INPUT ست کنید:

</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">void setup() {</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">Serial.begin(9600);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">pinMode(flexPin, INPUT);</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">}</span>
<span style="font-family: Tahoma, Arial, Helvetica, sans-serif; font-size: 14pt;">