1 SKOLELABORATORIET Grunnleggende sensorteknologi Sensorer for bruk i CanSat Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU CanSat – sept. 2012

2 SKOLELABORATORIET Innhold: Sensor satt i system Grensesnitt Arduinokort Eksempler på sensorer CanSat – sept. 2012

3 SKOLELABORATORIET CanSat – sept Sensorer satt i system Behandling av informasjon Sensorer Aktuatorer Timer

4 SKOLELABORATORIET Arduino UNO CanSat – sept Digitale porter Analoge porter

5 SKOLELABORATORIET Blokkdiagram CanSat – sept. 2012

6 SKOLELABORATORIET Definisjon av sensor og aktuator Definisjon av sensor: En sensor er en komponent som omdanner en fysisk størrelse til en annen fysisk størrelse som er elektrisk målbar. Eks. Temperatur-, trykk-, lys-, fuktighetssensor. Definisjon av aktuator: En aktuator er en komponent som omdanner en fysisk størrelse (ofte elektrisk) til en annen fysisk størrelse som kan utføre en oppgave. Eks. Lysdiode, lydgiver (buzzer), driver et relé, en mekanisk bevegelse … CanSat – aug. 2011

7 SKOLELABORATORIET Definition of sensors and actuators Definition of a sensor: A sensor is a component converting a physical quantity into another physical quantity which is electrically measurable. For inst. temperature, pressure, light, humidity into a voltage... Definition of an actuator: An actuator is a component converting a physical quantity (often electrically) into another physical quantity which can perform an action. For inst. Light diode, buzzer, a relay, a mechanical movement, motor … CanSat – aug. 2011

8 SKOLELABORATORIET Three types of interface Fysisk størrelse Resistans Spenning Fysisk størrelse Luftfuktighet Temperatur (NTC) Lys LDR 5V GND V out Trykk GND 5V Rx Tx Fysisk størrelse Seriell digital kommunikasjon CO 2 GPS Temperatur R out D out Fysisk størrelse Fysisk størrelse

9 SKOLELABORATORIET Analog inputs CanSat – sept V +0 V GND R var R fast 1 +5 V +0 V GND Temperatur (NTC) Lys V out Trykk

10 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2013 R var Konvertering fra varierende resistans til varierende spenning ( Spenningsdeleren) R fix V CC = 5V I I =V CC / (R fix +R var ) V out R var (R fix +R var ) V CC V out = U =R II =U / R → = V out / R var

11 SKOLELABORATORIET Digital innganger +5 V og utganger 10kΩ pinMode(8, INPUT); pinMode(3, OUTPUT); pinMode(8, INPUT_PULLUP);

12 SKOLELABORATORIET The analog to digital conversion CanSat – sept V (1023) 1024 discrete levels S(t) 5V = 1024 U(t) = U(t) Analog voltage from sensor Time 0 V (0) S(t) = 685 Digital number rep. the voltage (0 – 1023) Voltage Conversion from dig. number back to voltage ADC Analog voltage 685 S(t) = 685 3,34 V 685 5V = 3,

13 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2012 Forslag til innledende loddeprosjekter

14 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2013 Small project for introduction to soldering – a proposal

15 SKOLELABORATORIET Fuktighetsdetektor CanSat – sept

16 SKOLELABORATORIET Løgndetektor CanSat – sept

17 SKOLELABORATORIET Aktuelle sensorer Fysisk/kjemisk prinsipp – virkemåte – integrering Temperatursensor (NTC/halvleder) - NTC, LM35 Trykksensor (piezo-resistiv, piezo-kapasitiv, høydemåling) - MPX4115 Akselerasjon - MMA7361L Lyssensor (LDR) - LDR Luftfuktighetssensor (psykometer, kapasitive, resistive) - HiH4000 Gass-sensorer CO 2 - C100 CanSat – sept. 2014

18 SKOLELABORATORIET Temperature sensors NTC LM35DZ CanSat – sept. 2013

19 SKOLELABORATORIET Måling av temperatur med temperaturfølsom pn-overgang (LM35DZ/TMP37) En pn-overgang forspent i lederetning og med konstant strøm (1µA) gir en tilnærmet lineær spenningsvariasjon (1 mV/ºC) som funksjon av temperaturen. µA V V out CanSat – sept V 0V

20 SKOLELABORATORIET V(T) og T(V) Følsomhet 10 mV/K (LM35) og 20 mV/K (TMP37) 10 mV/K V(T) = 0.01 [V/K] * T [C] + ΔV feil T (C) = 100 * V(T) LM35DZ V K Område: ºC Nøyaktighet: +/- 2ºC Responstid: 120 s (90% still air) CanSat – sept ΔV feil

21 SKOLELABORATORIET Termistorer Temperaturfølsom motstand NTC-motstand (Negative Temperature Coefficient) PTC-motstand (Positive Temperature Coefficient) R = Resistans ved T R r = Referanseresistans ved T r T = Aktuell temperatur T r = Referansetemperatur B 25/85 = B-verdi, konstant 25 o - 85 o C (for NTC-motstand) CanSat – sept

22 SKOLELABORATORIET Termistorer (RH16) Tidsrespons = 90% i løpet av15 sek 90% 15sek

23 SKOLELABORATORIET Temperaturmåling med NTC Økende spenning med fallende temperatur +5 V ADC Økende spenning med økende temperatur ADC NTC +5 V Hvor skal NTC-motstanden plasseres? Vi har nå funnet R(T), men trenger V(T) og T(V) CanSat – sept. 2012

24 SKOLELABORATORIET Spenning som funksjon av temperatur CanSat – sept 2013 NTC Temperatur ˚C Resistans Ohm ADC Vcc = 5 V RsRs (R NTC +R s ) V CC V out = R NTC RsRs V out NTC

25 SKOLELABORATORIET Kalibrering av NTC temperatursensor Ønsker å finne en sammenheng mellom avlest digital verdi og virkelig temperatur i ˚C 1.La arduino stå i rommet og les av målt temperatur med Arduino (x 1 ) 2.Bruk et godt glass- termometer som og les av den samme temperaturen (y 1 ) 3.La utstyret stå kaldt en tid, f.eks. utendørs 4.Mål temperatur med Arduino’en (x 2 ) 5.Mål samme temperaturen med glasstermometeret (y 2 ) 6.Lign. 2 eller 3 gir oss sammenhengen mellom avleste digitale verdier fra Arduinoen og den kalibrerte verdien i ˚C CanSat – sept 2014 Avlest temperatur glasstermometer (˚C) Avlest temperatur NTC (digital verdi) y1y1 y2y2 x2x2 x1x1 Topunktsformelen: (y – y 2 )/(x – x 2 ) = (y 1 – y 2 )/(x 1 – x 2 ) (lign. 1) y = ((y 1 – y 2 )/(x 1 – x 2 )) * (x – x 2 ) + y 2 (lign. 2) y = k * (x – x 2 ) + y 2 der k = (y 1 – y 2 )/(x 1 – x 2 ) (lign. 3) (y 1 – y 2 ) (x 1 – x 2 ) (x – x 2 ) y x (y – y 2 )

26 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2012 Small project for introduction to temperature sensors – a proposal

27 SKOLELABORATORIET Temporal temperaturscanning Infrarød scanning av huden rett over temporal arterien som kommer opp på framsiden av øret og ligger ca. 1 mm under huden i panna og har stabil blodstrøm uavhengig av ytre press. Den infrarøde strålingen indikerer energitapet fra huden. Siden temperaturtapet avhenger av romtemperaturen, må også den måles samtidig.

28 SKOLELABORATORIET Temperaturmåling ved infrarød stråling Exergen TAT-5000 We compared 3 techniques of TA scanning, axillary thermometry, and oral thermometry in critical care patients. Our results indicate that TA scanning methods were, at best, comparable with axillary measurements. In addition, the performance of the TA scanners varied with body mass index, whereas axillary readings did not. Abstract/2009/01000/Temporal_Artery_Scanning_Falls_Short_as_a.10.aspx Abstract/2007/07000/Temporal_Thermometry_Fails_to_Track_Body_Core.1.aspx Conclusion: These results demonstrate that temporal scanning does not track internal temperature, as measured via intestinal temperature, during passive heating. Given these findings, it is recommended that this technique not be used to assess temperature in hyperthermic diaphoretic subjects.

29 SKOLELABORATORIET Peltier-Seebeck-effekten (videregående skole) CanSat – sept IR-sensor

30 SKOLELABORATORIET Trykksensorer MPX4115 CanSat – sept. 2012

31 SKOLELABORATORIET Høyde som funksjon av trykk CanSat – sept – 1050 hPa 7-800m

32 SKOLELABORATORIET Trykkmåling med piezo-resistivt element Utnytter den piezo-resistive effekten. - Lord Kelvin C.G. Smith 1954 (Ge og Si) - Båndgapet endres med mekanisk stress - Elementet i skiva inngår i en målebro CanSat – sept. 2013

33 SKOLELABORATORIET Trykkmåling med piezo-resistivt element V out = V S (P x ) ± (Pressure Error x Temp. factor x x V S ) V S = 5.1 V ± 0.25 V dc Kalibrering? CanSat – sept. 2012

34 SKOLELABORATORIET Trykkmåling med piezo-resistivt element CanSat – sept. 2012

35 SKOLELABORATORIET BMP085 Trykk: kPa 0,003kPa (rel) Temp: ‒ ˚C +/- 1˚C Annet: 1,8-3,6V I 2 C-bus 20 $ Sparcfun Måling av trykk og temperatur Trykk- og temperatursensor BMP180 anvendt av Poul Riis

36 SKOLELABORATORIET Akselerometer CanSat – sept. 2012

37 SKOLELABORATORIET Akselerometer MMA7361L Nøkkeldata: Forsyningsspenning V CC = 2,2 til 3,4 V MMA7361L (3 akset) Måleområde: - ±6 g og ± 1,5 g Følsomhet 800 mV/g ved ±1,5 g Følsomhet 206 mV/g ved ±6 g CanSat – sept Anvendelser: Tilt og bevegelsessensor i 3D spill Deteksjon av fritt fall hos HDD MP3 spillere, Laptoper og PC’er Bildestabilisering, elektronisk kompass, oppringing ved bevegelse hos mobiltelefoner Bevegelsessensor i pedometere Bevegelsessensor hos roboter

38 SKOLELABORATORIET Aksellerometerets virkemåte CanSat – sept. 2012

39 SKOLELABORATORIET MMA7361L Jumper J1 (side 24) CanSat – sept 2012

40 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2012 y x Akselerometer MMA7361L Når kortet ligger på bordet z

41 SKOLELABORATORIET Databladet CanSat – sept 2013

42 SKOLELABORATORIET Calibration of the accelerometer +/-1,5 g (option) CanSat – sept g y x z V x = 1,65V V y = 1,65V V z = 0,85V y x z V x = 1,65V V y = 1,65V V z = 2,45V V x = 1,65V V y = 2,45V V z = 1,65V V x = 1,65V V y = 0,85V V z = 1,65V V x = 0,85V V y = 1,65V V z = 1,65V V x = 2,45V V y = 1,65V V z = 1,65V Z OUT Y OUT X OUT

43 SKOLELABORATORIET Lyssensor LDR (Light Dependent Resistor) CanSat – sept. 2012

44 SKOLELABORATORIET Light Dependent Resistor (LDR) Cadmiumsulfid Elektroner eksiteres til ledningsbåndet CanSat – sept. 2012

45 SKOLELABORATORIET Fullt sollys lux (1000 W/m 2 ) Sollyset en tidlig morgen lux Belysningen i et TV-studio lux Et godt opplyst kontor 400 lux Lyset fra en fullmåne 1 lux Lysfølsom motstand (LDR) CanSat – sept. 2012

46 SKOLELABORATORIET Måling av lysstyrke med LDR Økende spenning med økende lysstyrke +5 V ADC Økende spenning med fallende lysstyrke ADC +5 V Hvor skal LDR-motstanden plasseres? LDR CanSat – sept. 2012

47 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2013 Small project for introduction to light sensors – a proposal

48 SKOLELABORATORIET Hagelys Hvordan virker solcelledrevet hagelys CanSat – sept 2012 Miniprosjekt: Utforsk og beskriv virkemåte Lag en hypotese om hvordan den fungerer Plukk fra hverandre Hva ser du? Beskriv! Hvilke deler består den av? Revider hypotesen for virkemåte Klarer du å tegne et koblingsskjema eller blokkdiagram?

49 SKOLELABORATORIET Kolorimeter CanSat – sept 2012

50 SKOLELABORATORIET Gass-sensor C100 (CO 2 ) CanSat – sept. 2012

51 SKOLELABORATORIET Figur 1. Økning i atmosfærens innhold av CO2 (i ppm) fra Mauna Loa, Hawaii (19°N, blå farge) og Baring Head, New Zealand (41°S, rød farge). Målinger fra ulike stasjoner rundt om på kloden viser alle samme trend. (Keeling og Whorf 2005). CO2 - målinger

52 SKOLELABORATORIET CO 2 – utslipp i Norge CanSat – sept 2012 Olje Industri Vei Luft Sjø

53 SKOLELABORATORIET CO 2 sensor (111£ + 34£ (frakt)) NDIR sensor (NonDispersive InfraRead sensor) Målerområde 0–2 000 ppm Nøyaktighet ± 40 ppm Linearitet: < 1 % av full skala Temperaturområde: -25  C – 55  C Fuktighetsområde: 0 – 95 % RH Gasstrykk 950 mbar – 1050 mbar Responstid: 9 sek. – 2 min. Oppvarmingstid: < 3 min. Effektforbruk: 100 mW Forskyningsspenning: 3,3 V - 5,5V God immunitet til H 2 O RS232-grensesnitt Ev. analogt grensesnitt Mer info: CanSat – sept. 2012

54 SKOLELABORATORIET Sensor for måling av luftfuktighet HiH4000 CanSat – sept. 2012

55 SKOLELABORATORIET Relativ fuktighet Når luft inneholder null vanndamp har den 0 % relativ fuktighet. Når den inneholder så mye vann den klarer å holde på har den 100 % relativ fuktighet. Den maksimale mengden vanndamp som kan opptas i lufta avhenger av: Lufttemperaturen Lufttrykket CanSat – sept. 2012

56 SKOLELABORATORIET Relative humidity When air contains no vapor of water the relative humidity is zero. When the air contains as much vapor of water as it can bear at that temperature, relative humidity is 100 %. The maximum amount of vapor in the air depends on the: Air temperature Air pressure CanSat – sept. 2012

57 SKOLELABORATORIET Psykometeret

58 SKOLELABORATORIET Temperatur tørt termometer o C Temperatur vått termometer o C Molliere-diagram 40% 65%

59 SKOLELABORATORIET Capacitive humidity sensor Kapasitivt hygrometer CanSat – sept. 2013

60 SKOLELABORATORIET CanSat – aug Luftfuktighetsdetektor Kapasitiv fuktighetssensor (HiH4000 – ELFA kr. 223,-) Kapasitiv Intern elektronikk kapasitet -> spenning Typisk tidsrespons 15 sek. (1/e)

61 SKOLELABORATORIET Leverer en spenning mellom 0,75 – 4,75 V CanSat – aug Økende spenning med økende luftfuktighet Luftfuktighetsdetektor Laboratorium 1 - Kapasitiv fuktighetssensor (HiH4000) ADC 5 V U out Gass

62 SKOLELABORATORIET CanSat – sept 2012 Luftfuktighetsdetektor Laboratorium 1 - Kapasitiv fuktighetssensor (HiH4000)

63 SKOLELABORATORIET Ulike sensorer C100 (CO 2 ) CanSat – sept. 2012

64 SKOLELABORATORIET Alkoholsensor – MQ-3 MQ-3: Supply spenning 5V Effektforbruk 750 mW Pris: $ 4,95 mg/L

65 SKOLELABORATORIET Barometer – BMP085 BMP085 Område: 30 – 110 kPa Følsomhet: 0,003kPa (0,25 m) Supply: 1,8 – 3,6 V I 2 C buss Pris: $ 19,95 mg/L

66 SKOLELABORATORIET Miniatyr kamera TCM 8230 Toshiba 640 x 480 pix 30 fps Seriell datakom. Pris 10 $ hos Sparkfun 2,8 V og 1,5V Må være netthendt 6 x 6 x 4,5 mm

67 SKOLELABORATORIET Farge-filmkamera 32KM PAL Oppløsning: Følsomhet: 0,2 Lux Lukkerhast. 1/50 – 1/ sek Supply: V (50 12V) Pris: $ 31,95

68 SKOLELABORATORIET Fargesensor ADJD-S311-CR999 ADJD-S311-CR999 Størrelse: 21.6x12.7mm Farger: RGB + Clear Oppløsning:10 bits Supply: 2,5 V 2 linjers serie grensesnitt Pris: $ 14,95

69 SKOLELABORATORIET Magnetisk kompass, HMC HMC6352 Oppløsning: 0,5 grad. Stabilitet: 1 grad Oppdateringsrate: 1 – 20 #/sek Supply: 2,7- 5,2 V (1 3V) I 2 C grenesnitt Pris: $ 34,95

70 SKOLELABORATORIET Integret 3 akse gyro IMU IMU akse gyro Vibratory MEMS rate gyroscopes 250 – 2000 grad/sek Registrerer dreining Grensesnitt: I 2 C Pris: $ 39,95 MEMS – Micro ElektroMechanical Systems

71 SKOLELABORATORIET Geigerteller Geiger teller Størrelse: 4.15"x1.75"x1" Pris: 149,95

72 SKOLELABORATORIET Flere sensorer Trykksensor: Piezoresistiv Ved trykk MΩ-50kΩ Pris: $24,95 Flekssensor: Res. 25kΩ - 120kΩ Pris: $7,95 Geophone: Følsomhet: 28.8 V/m/s Pris: $ 59,95

73 SKOLELABORATORIET Ressurshefter