HackerBox 0035 : Électrochimie : 11 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Ce mois-ci, HackerBox Hackers explore divers capteurs électrochimiques et techniques de test pour mesurer les propriétés physiques des matériaux. Ce Instructable contient des informations pour démarrer avec HackerBox #0035, qui peut être acheté ici jusqu'à épuisement des stocks. De plus, si vous souhaitez recevoir une HackerBox comme celle-ci directement dans votre boîte aux lettres chaque mois, veuillez vous inscrire sur HackerBoxes.com et rejoindre la révolution !

Sujets et objectifs d'apprentissage pour HackerBox 0035:

• Configurer l'Arduino Nano pour une utilisation avec l'IDE Arduino
• Câbler et coder un module OLED pour afficher les mesures
• Construire une démonstration d'alcootest à l'aide de capteurs d'alcool
• Comparez les capteurs de gaz pour effectuer des mesures de la qualité de l'air
• Déterminer la qualité de l'eau à partir du total des solides dissous (TDS)
• Testez la détection thermique sans contact et submersible dans l'eau

HackerBoxes est le service de box d'abonnement mensuel pour l'électronique de bricolage et la technologie informatique. Nous sommes des amateurs, des fabricants et des expérimentateurs. Nous sommes les rêveurs de rêves. HACK LA PLANÈTE !

Étape 1: HackerBox 0035: Contenu de la boîte

• Arduino Nano 5V 16MHz MicroUSB
• Écran OLED 0.96 128x64 pixels I2C
• Compteur de qualité de l'eau TDS-3
• Module de température sans contact GY-906
• Capteur de pollution de la qualité de l'air MP503
• Sonde de température étanche DS18B20
• Module de capteur d'alcool MQ-3
• Module de capteur de gaz dangereux MQ-135
• Module d'humidité et de température DHT11
• Module laser KY-008
• Ensemble de LED, résistances 1K et boutons tactiles
• Planche à pain "Crystal Clear" à 400 points
• Ensemble de fils de cavalier - 65 pièces
• Câble MicroUSB
• Décalcomanies exclusives HackerBoxes

Quelques autres choses qui seront utiles:

• Fer à souder, soudure et outils de soudure de base
• Ordinateur pour exécuter des outils logiciels

Plus important encore, vous aurez besoin d'un sens de l'aventure, d'un esprit de bricolage et d'une curiosité de hacker. L'électronique de bricolage hardcore n'est pas une quête triviale, et les HackerBox ne sont pas édulcorées. Le but est le progrès, pas la perfection. Lorsque vous persistez et profitez de l'aventure, vous pouvez tirer une grande satisfaction de l'apprentissage de nouvelles technologies et, espérons-le, de la réussite de certains projets. Nous vous suggérons de faire chaque étape lentement, de faire attention aux détails et de ne pas avoir peur de demander de l'aide.

Il y a une mine d'informations pour les membres actuels et potentiels dans la FAQ HackerBoxes.

Étape 2: Électrochimie

L'électrochimie (Wikipédia) est la branche de la chimie physique qui étudie la relation entre l'électricité, en tant que phénomène mesurable et quantitatif, et un changement chimique particulier ou vice versa. Les réactions chimiques impliquent des charges électriques se déplaçant entre les électrodes et un électrolyte (ou des ions dans une solution). Ainsi, l'électrochimie traite de l'interaction entre l'énergie électrique et le changement chimique.

Les appareils électrochimiques les plus courants sont les batteries de tous les jours. Les batteries sont des dispositifs constitués d'une ou plusieurs cellules électrochimiques avec des connexions externes fournies pour alimenter des appareils électriques tels que des lampes de poche, des smartphones et des voitures électriques.

Les capteurs de gaz électrochimiques sont des détecteurs de gaz qui mesurent la concentration d'un gaz cible en oxydant ou en réduisant le gaz cible au niveau d'une électrode et en mesurant le courant résultant.

L'électrolyse est une technique qui utilise un courant électrique continu (CC) pour entraîner une réaction chimique autrement non spontanée. L'électrolyse est commercialement importante en tant qu'étape dans la séparation d'éléments à partir de sources naturelles telles que les minerais à l'aide d'une cellule électrolytique.

Étape 3: Plate-forme de microcontrôleur Arduino Nano

Un Arduino Nano, ou une carte de microcontrôleur similaire, est un excellent choix pour l'interfaçage avec des capteurs électrochimiques et des sorties d'affichage vers un ordinateur ou un écran vidéo. Le module Arduino Nano inclus est livré avec des broches d'en-tête, mais elles ne sont pas soudées au module. Laissez les épingles pour l'instant. Effectuez ces tests initiaux du module Arduino Nano AVANT de souder les broches d'en-tête de l'Arduino Nano. Tout ce qui est nécessaire pour les prochaines étapes est un câble microUSB et le module Nano juste au moment où il sort du sac.

L'Arduino Nano est une carte Arduino miniaturisée à montage en surface, compatible avec les maquettes, avec USB intégré. Il est incroyablement complet et facile à pirater.

Caractéristiques:

• Microcontrôleur: Atmel ATmega328P
• Tension: 5V
• Broches d'E/S numériques: 14 (6 PWM)
• Broches d'entrée analogique: 8
• Courant CC par broche d'E/S: 40 mA
• Mémoire Flash: 32 Ko (2 Ko pour le chargeur de démarrage)
• SRAM: 2 Ko
• EEPROM: 1 Ko
• Vitesse d'horloge: 16 MHz
• Dimensions: 17 mm x 43 mm

Cette variante particulière de l'Arduino Nano est la conception noire de Robotdyn. L'interface se fait par un port MicroUSB intégré compatible avec les mêmes câbles MicroUSB utilisés avec de nombreux téléphones mobiles et tablettes.

Les Arduino Nanos disposent d'une puce de pont USB/Série intégrée. Sur cette variante particulière, la puce de pont est la CH340G. Notez qu'il existe divers autres types de puces de pont USB/Série utilisées sur les différents types de cartes Arduino. Ces puces permettent au port USB de votre ordinateur de communiquer avec l'interface série sur la puce du processeur de l'Arduino.

Le système d'exploitation d'un ordinateur nécessite un pilote de périphérique pour communiquer avec la puce USB/série. Le pilote permet à l'IDE de communiquer avec la carte Arduino. Le pilote de périphérique spécifique requis dépend à la fois de la version du système d'exploitation et du type de puce USB/série. Pour les puces USB/Série CH340, il existe des pilotes disponibles pour de nombreux systèmes d'exploitation (UNIX, Mac OS X ou Windows). Le fabricant du CH340 fournit ces pilotes ici.

Lorsque vous branchez pour la première fois l'Arduino Nano sur un port USB de votre ordinateur, le voyant d'alimentation vert devrait s'allumer et peu de temps après, le voyant bleu devrait commencer à clignoter lentement. Cela se produit parce que le Nano est pré-chargé avec le programme BLINK, qui s'exécute sur le tout nouvel Arduino Nano.

Étape 4: Environnement de développement intégré (IDE) Arduino

Si vous n'avez pas encore installé l'IDE Arduino, vous pouvez le télécharger depuis Arduino.cc

Si vous souhaitez des informations d'introduction supplémentaires pour travailler dans l'écosystème Arduino, nous vous suggérons de consulter les instructions de l'atelier de démarrage HackerBoxes.

Branchez le Nano dans le câble MicroUSB et l'autre extrémité du câble dans un port USB de l'ordinateur, lancez le logiciel Arduino IDE, sélectionnez le port USB approprié dans l'IDE sous outils> port (probablement un nom avec "wchusb" dedans). Sélectionnez également "Arduino Nano" dans l'IDE sous tools>board.

Enfin, chargez un exemple de code:

Fichier->Exemples->Bases->Clignote

C'est en fait le code qui a été préchargé sur le Nano et devrait être en cours d'exécution en ce moment pour faire clignoter lentement la LED bleue. Par conséquent, si nous chargeons cet exemple de code, rien ne changera. Au lieu de cela, modifions un peu le code.

En regardant de près, vous pouvez voir que le programme allume la LED, attend 1000 millisecondes (une seconde), éteint la LED, attend encore une seconde, puis recommence - pour toujours.

Modifiez le code en changeant les deux instructions "delay(1000)" en "delay(100)". Cette modification fera clignoter la LED dix fois plus vite, non ?

Chargeons le code modifié dans le Nano en cliquant sur le bouton UPLOAD (l'icône en forme de flèche) juste au-dessus de votre code modifié. Regardez ci-dessous le code pour les informations d'état: "compilation" puis "téléchargement". Finalement, l'IDE devrait indiquer "Téléchargement terminé" et votre LED devrait clignoter plus rapidement.

Si oui, félicitations ! Vous venez de pirater votre premier morceau de code intégré.

Une fois que votre version à clignotement rapide est chargée et en cours d'exécution, pourquoi ne pas voir si vous pouvez modifier à nouveau le code pour que la LED clignote rapidement deux fois, puis attendez quelques secondes avant de répéter ? Essaie! Que diriez-vous d'autres modèles? Une fois que vous avez réussi à visualiser le résultat souhaité, à le coder et à l'observer fonctionner comme prévu, vous avez fait un énorme pas en avant pour devenir un pirate informatique compétent.

Étape 5: Broches d'en-tête et OLED sur la planche à pain sans soudure

Maintenant que votre ordinateur de développement a été configuré pour charger le code sur l'Arduino Nano et que le Nano a été testé, déconnectez le câble USB du Nano et préparez-vous à souder les broches de l'en-tête. Si c'est votre première nuit au Fight Club, vous devez souder ! Il existe de nombreux guides et vidéos en ligne sur le soudage (par exemple). Si vous pensez avoir besoin d'une aide supplémentaire, essayez de trouver un groupe de fabricants locaux ou un espace de hacker dans votre région. De plus, les clubs de radio amateur sont toujours d'excellentes sources d'expérience en électronique.

Soudez les deux en-têtes à une rangée (quinze broches chacun) au module Arduino Nano. Le connecteur ICSP (programmation série en circuit) à six broches ne sera pas utilisé dans ce projet, alors laissez simplement ces broches désactivées. Une fois la soudure terminée, vérifiez soigneusement les ponts de soudure et/ou les joints de soudure à froid. Enfin, raccordez l'Arduino Nano au câble USB et vérifiez que tout fonctionne toujours correctement.

Pour câbler l'OLED au Nano, insérez les deux dans une maquette sans soudure comme indiqué et câblez entre eux selon ce tableau:

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

Pour piloter l'écran OLED, installez le pilote d'écran SSD1306 OLED trouvé ici dans l'IDE Arduino.

Testez l'écran OLED en chargeant l'exemple ssd1306/snowflakes et en le programmant dans le Nano.

D'autres exemples de la bibliothèque SDD1306 sont utiles pour explorer l'utilisation de l'écran OLED.

Étape 6: Démo du capteur d'alcool et de l'alcootest MQ-3

Le capteur de gaz d'alcool MQ-3 (fiche technique) est un capteur à semi-conducteur à faible coût qui peut détecter la présence de gaz d'alcool à des concentrations de 0,05 mg/L à 10 mg/L. Le matériau de détection utilisé dans le MQ-3 est le SnO2, qui présente une conductivité croissante lorsqu'il est exposé à des concentrations croissantes de gaz d'alcool. Le MQ-3 est très sensible à l'alcool avec très peu de sensibilité croisée à la fumée, à la vapeur ou à l'essence.

Ce module MQ-3 fournit une sortie analogique brute relative à la concentration d'alcool. Le module dispose également d'un comparateur LM393 (fiche technique) pour seuiller une sortie numérique.

Le module MQ-3 peut être câblé au Nano selon ce tableau:

MQ-3…. NanoA0……A0VCC…..5VGND….. GNDD0……Non utilisé

Code de démonstration de la vidéo.

ATTENTION: Ce projet n'est qu'une démonstration pédagogique. Ce n'est pas un instrument médical. Il n'est pas calibré. Il n'est en aucun cas destiné à déterminer les niveaux d'alcool dans le sang pour l'évaluation des limites légales ou de sécurité. Ne soyez pas stupide. Ne pas boire et conduire. Arrivez vivant !

Étape 7: Détection des cétones

Les cétones sont des composés simples qui contiennent un groupe carbonyle (une double liaison carbone-oxygène). De nombreuses cétones sont importantes à la fois dans l'industrie et dans la biologie. L'acétone solvant commun est la plus petite cétone.

Aujourd'hui, beaucoup connaissent le régime cétogène. Il s'agit d'un régime basé sur une consommation élevée de graisses, de protéines adéquates et peu de glucides. Cela oblige le corps à brûler les graisses plutôt que les glucides. Normalement, les glucides contenus dans les aliments sont convertis en glucose, qui est ensuite transporté dans le corps et est particulièrement important pour alimenter les fonctions cérébrales. Cependant, s'il y a peu de glucides dans l'alimentation, le foie convertit les graisses en acides gras et en corps cétoniques. Les corps cétoniques passent dans le cerveau et remplacent le glucose comme source d'énergie. Un niveau élevé de corps cétoniques dans le sang entraîne un état connu sous le nom de cétose.

Exemple de projet de détection des cétones

Un autre exemple de projet de détection des cétones

Comparaison des capteurs de gaz MQ-3 et TGS822

Étape 8: Détection de la qualité de l'air

La pollution de l'air se produit lorsque des quantités nocives ou excessives de substances, notamment des gaz, des particules et des molécules biologiques, sont introduites dans l'atmosphère. La pollution peut provoquer des maladies, des allergies et même la mort chez les humains. Il peut également nuire à d'autres organismes vivants tels que les animaux, les cultures vivrières et l'environnement en général. L'activité humaine et les processus naturels peuvent générer de la pollution atmosphérique. La pollution de l'air intérieur et la mauvaise qualité de l'air urbain sont répertoriés comme deux des pires problèmes de pollution toxique au monde.

Nous pouvons comparer le fonctionnement de deux capteurs différents de qualité de l'air (ou de danger de l'air). Il s'agit du MQ-135 (fiche technique) et du MP503 (fiche technique).

Le MQ-135 est sensible au méthane, aux oxydes d'azote, aux alcools, au benzène, à la fumée, au CO2 et à d'autres molécules. Son interface est identique à l'interface MQ-3.

Le MP503 est sensible au gaz formaldéhyde, au benzène, au monoxyde de carbone, à l'hydrogène, à l'alcool, à l'ammoniac, à la fumée de cigarette, à de nombreuses odeurs et à d'autres molécules. Son interface est assez simple, fournissant deux sorties numériques pour désigner quatre niveaux de concentrations de polluants. Le connecteur par défaut du MP503 a un en-tête mâle gainé de plastique, qui peut être retiré et remplacé par un en-tête standard à 4 broches (fourni dans un sac) pour une utilisation avec des cartes d'essai sans soudure, des cavaliers DuPont ou des connecteurs communs similaires.

Étape 9: Détection de la qualité de l'eau

Testeur de qualité de l'eau TDS-3

Les solides dissous totaux (TDS) sont la quantité totale d'ions chargés mobiles, y compris les minéraux, les sels ou les métaux dissous dans un volume d'eau donné. Le TDS, qui est basé sur la conductivité, est exprimé en parties par million (ppm) ou en milligrammes par litre (mg/L). Les solides dissous comprennent tout élément inorganique conducteur présent autre que les molécules d'eau pure (H2O) et les solides en suspension. Le niveau maximal de contaminants de l'EPA pour le TDS pour la consommation humaine est de 500 ppm.

Prendre des mesures TDS

1. Retirez le capuchon de protection.
2. Allumez le compteur TDS. L'interrupteur ON/OFF est situé sur le panneau.
3. Immerger le compteur dans l'eau/la solution jusqu'au max. niveau d'immersion (2").
4. Remuez légèrement le compteur pour déloger les bulles d'air.
5. Attendez que l'affichage se stabilise. Une fois la lecture stabilisée (environ 10 secondes), appuyez sur le bouton HOLD pour afficher la lecture hors de l'eau.
6. Si le compteur affiche un symbole « x10 » clignotant, multipliez la lecture par 10.
7. Après utilisation, secouez tout excès d'eau de votre compteur. Remettez le capuchon.

Source: feuille d'instructions complète

Expérience: Construisez votre propre compteur TDS simple (projet avec vidéo ici) qui peut être calibré avec et testé par rapport au TDS-3.

Étape 10: Détection thermique

Module de capteur de température sans contact GY-906

Le module de détection thermique GY-906 est équipé d'un MLX90614 (détails). Il s'agit d'un thermomètre infrarouge monozone simple à utiliser mais très puissant, capable de détecter des températures d'objets comprises entre -70 et 380°C. Il utilise une interface I2C pour communiquer, ce qui signifie que vous n'avez besoin de consacrer que deux fils de votre microcontrôleur pour s'interfacer avec lui.

Projet de démonstration de thermo-détection.

Un autre projet de thermodétection.

Capteur de température étanche DS18B20

Le capteur de température à un fil DS18B20 (détails) peut mesurer la température de -55 à 125 avec une précision de ± 5.

Étape 11: HACKER LA PLANÈTE

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