Grunnleggende sensorteknologi Sensorer for bruk i CanSat Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU CanSat – sept. 2017

Innhold: Grensesnitt Arduinokort Sensorene på kortet Kalibrering CanSat – sept 2017

Miljø- og Romteknologi (CanSat) – m/sensorteknologi (www. ntnu Miljø- og Romteknologi (CanSat) – m/sensorteknologi (www.ntnu.no/skolelab/bla-hefteserie) Montering og installasjon Oppsett av radio for telemetri Oppskyting eller slipp fra ballong Beregning av fallhastighet Simulering Programmering Behandling av data Elektronikk og sensorer Programeksempler

Behandling av informasjon Sensorer satt i system Behandling av informasjon Aktuatorer Sensorer CanSat – sept. 2017

Arduino UNO Digitale porter Rx/Tx Analoge porter CanSat – sept. 2017

Blokkdiagram CanSat – Arduino versjon 3 2 1 3 J2 J3 CanSat – sept. 2017

Programmering og jumpere START variable Setup() loop() Les data Beregn verdier Skriv til monitor Skriv til OpenLog Skriv til radio CanSat – sept. 2017

Hvor finner vi signalene fra sensorene?

Definisjon av sensor og aktuator Definisjon av sensor: En sensor er en komponent som omdanner en fysisk størrelse (eks. temperatur-, trykk-, lys-, fuktighetssensor …) til en elektrisk målbar størrelse (eks. resistans, spenning, strøm …). Definisjon av aktuator: En aktuator er en komponent som omdanner en elektrisk spenning til en fysisk størrelse som kan utføre en oppgave (eks. lysdiode, lydgiver (buzzer), et relé (elektrisk bryter), en motor….) CanSat – sept 2017

Tre typer grensesnitt til sensorer 5V GND Vout GND 5V Rx Tx Fysisk størrelse Rout Fysisk størrelse Dout Fysisk størrelse 10010100101 Seriell digital kommunikasjon Fysisk størrelse Resistans Spenning Fysisk størrelse Lys LDR Temperatur (NTC) Luftfuktighet GPS CO2 Trykk Temperatur

Analog inputs Vout Rfast Rvar +5 V Trykk +5 V Lys +0 V GND +0 V GND 1 +5 V +0 V GND 1 3 2 Trykk +5 V +0 V GND Rvar Rfast Lys Temperatur (NTC) Vout CanSat – sept 2017

Konvertering fra varierende resistans til varierende spenning (Spenningsdeleren) VCC = 5V I U =R • I → I =U / R Rfast I =VCC / (Rfast+Rout) = Vout / Rout Rout (Rfast+Rout) VCC Vout = Vout Rout VSS = 0V = GND CanSat – sept 2017

Digital inputs and outputs pinMode(3, OUTPUT); pinMode(8, INPUT); +5 V 10kΩ 330Ω pinMode(8, INPUT_PULLUP); pinMode(8, INPUT); pinMode(3, OUTPUT); CanSat – sept. 2017

The analog to digital conversion Sd(t) = 685 Sb (t) = 0000001010101101 ADC U(t) Analog voltage from sensor Analog voltage 3,34 V Voltage 5 V (1023) 3,34 V 685 1024 discrete levels 0 V (0) Time S(t) = 685 Digital number rep. the voltage (0 – 1023) Sd(t) 685 U(t) = 5V = 5V = 3,34V 1023 1023 CanSat – sept. 2017 Conversion from dig. number back to voltage

Forslag til innledende loddeprosjekter CanSat – sept. 2017

Wetness detector http://www.ntnu.no/skolelab/bestilling-av-byggesett CanSat – sept. 2017

Lie detector http://www.vitensenteret.com/elektroverksted_distrikt CanSat – sept. 2017

Temperature sensors LM35DZ NTC CanSat – sept. 2017

Measurement of temperature with a temperature sensitive pn-junction (LM35DZ/TMP37) Vout En pn-overgang forspent i lederetning og med konstant strøm (1µA) gir en tilnærmet lineær spenningsvariasjon (1 mV/ºK) som funksjon av temperaturen. 0V CanSat – sept. 2017

V(T) og T(V) Følsomhet 10 mV/K (LM35) LM35DZ V 10 mV/K ΔVfeil K T (C) = 100 * V(T) + ΔVfeil Område: -55 - +150ºC Nøyaktighet: ± ¼ºC (romtemp.) Responstid: 120 s (90 % still air) CanSat – sept 2017

Resolution (Oppløsning) Minste spenningstrinn = Vref/1023 = 5V/1023 = 4,89 mV Følsomhet for LM35 = 10 mV/K Oppløsning temperatur = 0,49 ˚K analogReference(INTERNAL); Minst spenningstrinn = Vref/1023 = 1,1V/1023 = 1,07 mV Oppløsning temperatur = 0,11 ˚K Typisk temperaturområde: 5 ‒ 40˚C → 0,05 V – 0,4 V CanSat – sept. 2017

Termistorer Temperature sensitive resistor NTC-resistor (Negative Temperature Coefficient) PTC-resistor (Positive Temperature Coefficient) RH16 (for NTC resistor) NTCLE203E3103FB0 R = Resistans @ T Rr = Reference resistans @ Tr T = Actual temperature Tr = Referance temperature B25/85 = B-value, constant 25o - 85o C CanSat – sept. 2017

Termistors (RH16) Timerespons = 90% in 15 sec. 90% 15sek

Temperature measurement with NTC RS = Rr +5 V +5 V ADC ADC RS RNTC RNTC RS Increasing voltage with falling temperature Increasing voltage with increasing temperature Where to put the NTC-resistor? We have now found R(T), but needs V(T) and T(V) CanSat – sept. 2017

Spenning som funksjon av temperatur Vout ADC Vcc = 5 V NTC Temperatur ˚C Resistans Ohm RNTC Rs Vout Rs (RNTC+Rs) VCC Vout = NTC CanSat – sept 2016 Excel

Calibrating the NTC temperature sensor Ønsker å finne en sammenheng mellom avlest digital verdi og virkelig temperatur i ˚C Topunktsformelen: La arduino stå i rommet og les av digital verdi på NTC- motstanden (x1) Les av den samme tempera- turen i ˚C fra LM35 (y1) La utstyret stå kaldt en tid, f.eks. utendørs Les av digital verdi på NTC- motstanden (x2) Mål samme temperatur med i ˚C fra LM35 (y2) Lign. 4 gir oss sammenhengen mellom avleste digitale verdier fra NTC-motstanden og den kalibrerte verdien i ˚C (y – y2)/(x – x2) = (y1 – y2)/(x1 – x2) (lign. 1) y = ((y1 – y2)/(x1 – x2)) * (x – x2) + y2 (lign. 2) y = k * (x – x2) + y2 der k = (y1 – y2)/(x1 – x2) (lign. 3) y = k*x + (y2 – k*x2) (lign. 4) Avlest temperatur LM35 (˚C) y y1 (y – y2) (y1 – y2) y2 (x1 – x2) (x – x2) x2 x1 x Avlest ”temperatur” NTC (digital verdi) CanSat – sept. 2017

Calibrating the NTC temperature sensor TCNTC = ((TCLM1 – TCLM2)/(TdNTC1 – TdNTC2)) * (TdNTC – TdNTC2) + TCLM2 TdNTC1 TdNTC2 TCNTC = ((TCLM1 – TCLM2)/(TdNTC1 – TdNTC2)) * (TdNTC – TdNTC2) + TCLM2 TdNTC TCNTC TCLM1 TCLM2 TdNTC = Målt digital verdi NTC TCNTC = Målt temperatur NTC i ˚C TdNTC1 = Målt digital verdi inne, NTC TCLM1 = Målt temperatur inne, LM35 i ˚C TdNTC2 = Målt digital verdi ute, NTC TCLM2 = Målt temperatur ute, LM35 i ˚C Hopp over

Small project for introduction to temperature sensors – a proposal CanSat – sept. 2017

Temporal temperature scanning 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. 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 energi-tapet fra huden. Siden temperaturtapet avhenger av rom temperaturen må også den måles samtidig. CanSat – sept. 2017

Temperature measurement with IR radiation 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. http://journals.lww.com/journaloftraumanursing/ Abstract/2009/01000/Temporal_Artery_Scanning_Falls_Short_as_a.10.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. http://journals.lww.com/acsm-msse/ Abstract/2007/07000/Temporal_Thermometry_Fails_to_Track_Body_Core.1.aspx CanSat – sept 2016

Peltier-Seebeck-effect (Upper scondary school) + - IR-sensor CanSat – sept. 2017

Pressure sensors MPX4115 CanSat – sept. 2017

Pressure measurement with piezo-resistivt elements Utnytter den piezo-resistive effekten. Lord Kelvin 1856 C.G. Smith 1954 (Ge og Si) Båndgapet endres med mekanisk stress Elementet i skiva inngår i en målebro CanSat – sept. 2017

Pressure -Calculations VP = 5,0 (0,009 P – 0,095) Output voltage as a function of pressure in kPa P = 22,222 • Vp + 10,556 + ΔPkal [kPa]

Pressure as a function of the height 34 hPa fra 0 ‒ 300m

Resolution in height Minst spenningstrinn = Vref/1023 = 5V/1023 = 4,89 mV Typisk normaltrykk ved havnivå = 101,3 kPa Typisk trykk ved 300 moh. = 97,9 kPa VP = 5,0 V (0,009 P – 0,095) Typisk spenning ved normaltrykk havnivå = 4,08 V Typisk spenning ved 300 moh = 3,93 V Speningsvariasjon over 300 m = 153 mV Kvantiseringsnivå spenning = 4,89 mV Antall spenningsnivåer fra 0 – 300 m = 31 Oppløsning meter = 9,6 m

The importance of calibration 980 – 1050 hPa CanSat – sept 2013 CanSat – sept. 2017

Pressure measurement with piezo-resistive elements CanSat – sept. 2017

Accelerometer CanSat – sept. 2017

Accelerometer MMA7361L Key data: Applications: Voltage supply VCC = 2,2 to 3,4 V MMA7361L (3 axes) Range: - ±6 g and ± 1,5 g Sensebility 800 mV/g @ ±1,5 g (removed) Sensebility 206 mV/g @ ±6 g Applications: Tilt and motion sensors in 3D play Detection of free fall of HDD MP3 players, Laptops and PC’s Picture stabilisation, electronic compass, calling when mobilephones are in motion Motion sensor in pedometers Motion sensor in robots CanSat – sept. 2017

The function of the accelerometer CanSat – sept. 2017

MMA7361L Jumper J1 CanSat – sept 2012

Accelerometer Calculations Supplyspenning VCC = 3,3 V Følsomhet 800 mV/g ved ±1,5g (Sg1,5) 0 g har en typisk utspenning på 1,65 V ± 0,165V + 1 g har en typisk utspenning på 1,65V + 0,80V = 2,45 V ± 0,165V ‒ 1 g har en typisk utspenning på 1,65V – 0,80V = 0,85V ± 0,165V Akselerasjonen (g) = (Målt spenning (V) – 1,65V + ΔV)/0,8 V/g ΔV målt avvikende spenning fra forventet g-verdi

Data sheet CanSat – sept. 2017

Accelerometer MMA7361L When the shield card lays flat on the table z x CanSat – sept. 2017

Accelerometer Calibration in z-direction gz Vz = 2,45 V Vz = 0,85 V

Accelerometer Calibration in y-direction gy Vy = 0,85 V Vy = 2,45 V

Accelerometer Calibration in x-direction gx Vx = 2,45 V Vx = 0,85 V

Gas-sensor C100 (CO2) CanSat – sept. 2017

CO2 - measurements 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 – utslipp i Norge CanSat – sept 2017

CO2 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 H2O RS232-grensesnitt Ev. analogt grensesnitt Mer info: https://www.gassensing.co.uk/media/1050/cozir_ambient_datasheet_gss.pdf CanSat – sept. 2017

Integrated 3 axis gyro IMU3000 https://www.sparkfun.com/products/10251 3 akse gyro Vibratory MEMS rate gyroscopes 250 – 2000 grad/sek Registrerer dreining Grensesnitt: I2C Pris: $ 39,95 MEMS – Micro ElektroMechanical Systems

GY80 3 akse akselerometer 3 akse gyrometer 3 akse magnetometer Barometer Termometer CanSat – sept 2015

Ressurshefter http://www.ntnu.no/skolelab/sl-bla-bokserie https://www.sparkfun.com/products/11581