เซ็นเซอร์ตรวจจับแรงกดบนพื้น: 9 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

ในคำแนะนำนี้ ฉันจะแบ่งปันการออกแบบสำหรับเซ็นเซอร์พรมปูพื้นที่ไวต่อแรงกด ซึ่งสามารถตรวจจับได้เมื่อคุณยืนอยู่บนนั้น แม้ว่าจะไม่สามารถชั่งน้ำหนักคุณได้อย่างแน่นอน แต่ก็สามารถระบุได้ว่าคุณยืนบนน้ำหนักเต็มที่หรือเพียงแค่สัมผัสกับมัน

แผ่นรองวัดผู้คนที่ใช้ Velostat ซึ่งเป็นวัสดุที่เปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าตามปริมาณแรงดันที่ใช้ ฉันทำเสื่อทั้งผืนด้วยราคาต่ำกว่า 20 ยูโร (ไม่รวมพรม)

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งที่คุณต้องการ

นี่คือสิ่งที่คุณจะต้องสร้างเซ็นเซอร์:

• Velostat: เพื่อให้ครอบคลุมพื้นที่ใต้พรมเพียงพอ ฉันใช้ 2 สี่เหลี่ยม 28 ซม. (11") ที่ซื้อจากตัวแทนจำหน่าย Adafruit
• เทปทองแดง: ฉันใช้เทปกว้าง 5 มม. และเทปประมาณ 6-7 ม.
• เทปฉนวนแบบบาง: ฉันใช้เทปแคปตอนกว้าง 25 มม.
• การเดินสายไฟเพื่อขอเกี่ยวพรมกับบางสิ่ง
• หัวแร้งที่มีดีบุก
• มัลติมิเตอร์สำหรับการทดสอบ

ในการใช้พรมผืนนี้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ คุณจะต้อง:

• ตัวต้านทาน 47ohm (หรือค่าที่ใกล้เคียงกัน)
• (เป็นทางเลือก มอสเฟต N-channel ที่มีตัวต้านทาน 10k และตัวต้านทาน 220ohm)

ขั้นตอนที่ 2: (วิธีไม่ใช้เทปทองแดงกับ Velostat)

ฉันจะเริ่มต้นด้วยการบอกว่าจะไม่ติดเทปทองแดงกับ Velostat ได้อย่างไร

ฉันเริ่มโดยสมมติว่า "กาวนำไฟฟ้า" บนเทปนั้นเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า นี่ดูเหมือนเป็นข้อสันนิษฐานที่ยุติธรรม แต่ทั้งเทปของฉันไม่ใช่ประเภท "กาวนำไฟฟ้า" หรือส่วนที่ "นำไฟฟ้า" แทบจะไม่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

ฉันเริ่มต้นด้วยการอัดเทป Velostat 2 ช่องเข้าด้วยกันทั้งสองด้านด้วยเทปแคปตัน จากนั้นฉันก็ตัดเทปทองแดงแถบยาว 25 ซม. แล้วใช้เป็นระยะเท่าๆ กัน เทปทองแดงที่ด้านใดด้านหนึ่งอยู่ในตำแหน่งเดียวกันทุกประการ เพื่อให้มี Velostat เพียงชั้นบางๆ ระหว่างทองแดง ในภาพเป็นแผนผังของแผ่นรองพร้อมช่องตัดสำหรับภาพรวม

ใช้เทปทองแดงแถบยาว (ประมาณ 50 ซม.) เพื่อต่อแถวทั้งหมดเข้าด้วยกันที่ด้านใดด้านหนึ่ง

ลวดถูกบัดกรีที่ด้านใดด้านหนึ่งและทำการวัดความต้านทาน

เมื่อฉันพยายามทดสอบ ค่ามัลติมิเตอร์จะแกว่งไปมาระหว่าง 10k ถึง 100ohm นอกจากนี้ การยืนบนเสื่อหรือไม่ได้สร้างความแตกต่างเพียงเล็กน้อยสำหรับการวัด มีบางอย่างผิดปกติอย่างน่ากลัว การวัดอย่างรวดเร็วของเทปแสดงให้เห็นว่ากาวไม่ได้นำไฟฟ้าจริงๆ แซนวิชของวัสดุคือทองแดง กาว Velostat กาว ทองแดง และกาวเป็นฉนวนชนิดหนึ่ง

คุณธรรมของเรื่อง ทำแบบทดสอบเล็กๆ หากคุณไม่แน่ใจว่ามันจะได้ผลหรือไม่

ขั้นตอนที่ 3: การทดสอบขนาดเล็ก

กลับไปที่กระดานวาดภาพ เห็นได้ชัดว่าด้านกาวของเทปทองแดงนำไฟฟ้าไม่เพียงพอ ด้านหน้าเป็นทองแดงบริสุทธิ์ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าฉันพลิกเทปโดยให้ด้านที่เป็นทองแดงหันไปทาง Velostat

ร่องรอยเดียวถูกย้อนกลับทั้งสองด้าน ฉันเอาเทปด้านที่มีกาวคว่ำแล้วติดไว้กับเทปแคปตัน การนำเทปทองแดงมาใช้ซ้ำนั้นค่อนข้างพิถีพิถัน แต่สิ่งนี้มีราคาแพงเกินกว่าจะทิ้ง เทป kapton ชิ้นนี้ที่มีทองแดงหันออกจากด้านที่เหนียวเหนอะหนะติดอยู่ที่ Velostat

ได้ทำการวัดใหม่ สิ่งนี้ให้ผลลัพธ์ที่มั่นคงในทันที สิ่งหนึ่งที่แม้ว่า ร่องรอยเดียวดูเหมือนจะเป็น 24 โอห์มเมื่อสูง และ 200 เมื่อต่ำ นี่คือในขณะที่กดเพียงเล็กน้อยด้วยมือของฉัน หากผมมีร่องรอย 12 เส้น และยืนอยู่บนมันจนสุด เสื่ออาจตกลงไปต่ำกว่า 1 โอห์ม ดึงกระแสไฟมากเกินไป

ฉันแก้ไขการออกแบบเพื่อให้ส่วนเล็กๆ ของเทปสัมผัสกับ Velostat ด้วยวิธีนี้ฉันหวังว่าจะได้รับการต่อต้านเป็นจำนวนเงินที่สามารถจัดการได้

ขั้นตอนที่ 4: ใช้เทปทองแดงกับ Velostat

ด้วยความรู้เกี่ยวกับวิธีการใช้งานจริง ฉันจึงออกเดินทางเพื่อซ่อมแซมแผ่นเซ็นเซอร์ ในภาพคุณจะเห็นเสื่อเก่าถูกดัดแปลงเป็นเสื่อใหม่

สิ่งแรกที่ฉันทำคือเพิ่มเทปชิ้นเล็ก ๆ เป็นฉนวน เทปอยู่ทั้งสองด้าน ช่องว่างระหว่างเทปต้องค่อนข้างคงที่และใหญ่ประมาณ 1-3 ซม. ขึ้นอยู่กับความต้านทานที่คุณต้องการ ช่องว่างจะต้องอยู่ที่จุดเดียวกันทั้งสองด้าน

หาแถบทองแดงเทปและแถบเทปแคปตันที่ยาวพอที่จะขยาย Velostat เทปทองแดงต้องยาวกว่าเทปแคปตัน 1-2 ซม. ติดเทปทองแดงด้านเหนียวของเทปแคปตัน โดยให้ด้านหนึ่งของเทปทองแดงผ่านเทปแคปตัน

ติดชุดประกอบกับ Velostat เหนือฉนวน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าทองแดงอยู่ในตำแหน่งเดียวกันทั้งสองด้าน ตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่าทองแดงส่วนเกินอยู่ด้านเดียวกันทุกครั้ง พับทองแดงส่วนเกินเพื่อให้คุณมีที่สำหรับยึดแถบเชื่อมต่อทองแดง คำแนะนำประการหนึ่งคือการมีทองแดงส่วนเกินบนส่วนที่เป็นฉนวนของเสื่อเพื่อให้ง่ายต่อการบัดกรีในภายหลัง

ทำซ้ำขั้นตอนนี้สำหรับแถวทั้งหมด

เพิ่มเทปทองแดงแถวบนที่เชื่อมต่อแถบทองแดงที่ติดตั้งไว้ก่อนหน้านี้ทั้งหมดเข้าด้วยกัน ควรป้องกันแถวนี้จาก Velostat เพื่อป้องกันกางเกงขาสั้นหรือการรั่วไหลที่ไม่ต้องการ แถวบนสุดเชื่อมต่อกับแท็บที่พับทับด้านซ้ายในขั้นตอนก่อนหน้า

ประสานแถบสั้นทั้งหมดเข้ากับแถบด้านบนอย่างระมัดระวัง จำเป็นต้องใช้บัดกรีนี้เพราะมิฉะนั้นแถบด้านบนจะไม่สัมผัสกับแถวของทองแดง ระวังอย่าให้ความร้อนมากเกินไปกับทองแดง ทองแดงติดบนพลาสติก (Velostat) และการหลอมผ่านพลาสติกจะไม่ดี

บัดกรีลวดไปที่แถวบนสุดทั้งสองด้าน ที่ไหนก็ได้ ผมเลือกมุม

ทดสอบเสื่อเพื่อให้แน่ใจว่าใช้งานได้ ต่อมัลติมิเตอร์เข้ากับแผ่นรอง และดูว่าความต้านทานลดลงหรือไม่หากคุณกดชิ้นส่วนใดๆ ที่ไม่มีฉนวน ตรวจสอบด้วยว่าแนวต้านค่อนข้างคงที่หรือไม่ถ้าคุณไม่ทำอะไรเลย หากเป็นกรณีนี้ ยินดีด้วย ตอนนี้เสื่อใช้งานได้แล้ว

ขั้นตอนสุดท้าย ให้ติดเทปแคปตันกับทองแดงที่เปิดอยู่ทั้งหมด แม้ว่าจะไม่ทำให้เกิดกางเกงขาสั้น แต่ปล่อยให้ทองแดงเปิดทิ้งไว้ในรูปแบบที่ไม่ดี

(ในภาพแผนผัง แถวบนสุดของทองแดงไม่แสดง ภาพแสดงเฉพาะการกำหนดค่าของแคปตันและทองแดงเพื่อให้เสื่อนี้ทำงานได้)

ขั้นตอนที่ 5: ทดสอบเสื่อ

แผ่นรองใหม่เชื่อมต่อกับมัลติมิเตอร์เพื่อทดสอบอีกครั้ง คราวนี้เมื่อไม่มีโหลด ความต้านทานของแผ่นรองจะคงที่ 17-20 โอห์ม

เมื่อฉันยืนบนเสื่อจนสุด ความต้านทานจะลดลงเหลือ 4-6 โอห์ม เท้าข้างหนึ่งบนเสื่อให้ประมาณ 10 โอห์ม

มันต่ำกว่าที่ฉันพอใจเล็กน้อย แต่ก็ยังเป็นค่าที่ใช้การได้ มีความแตกต่างมากมายระหว่างการไม่มีสัมภาระและบุคคลที่ยืนอยู่บนเสื่อ การสังเกตที่เกิดขึ้นคือความดันไม่ได้กำหนดความต้านทานจริงๆ พื้นที่ผิวไม่ ถ้าฉันยืนบนเสื่อมากขึ้นโดยที่น้ำหนักน้อยกว่า แรงต้านจะต่ำกว่าถ้าฉันยืนโดยให้น้ำหนักทั้งหมดของฉันอยู่ที่จุดเดียว สำหรับสิ่งที่ฉันต้องการเซ็นเซอร์นี้ มันดีมาก แต่อย่าลืมว่าถ้าคุณสร้างมันขึ้นมา

ขั้นตอนที่ 6: การเดินสายไฟ

เนื่องจากแผ่นรองเป็นเพียงตัวต้านทานปรับค่าได้ขนาดใหญ่ การวัดจากแผ่นรองจึงค่อนข้างง่าย

วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า เพิ่มตัวต้านทานก่อนแผ่นเซ็นเซอร์ความดัน (เรียกว่า R_mat ในแผนผัง) และวัดจุดระหว่างตัวต้านทานและแผ่นรอง (เรียกว่า MatA1) ฉันใช้ 47 โอห์ม แต่เสื่อของคุณอาจต้องการอย่างอื่น ระดับลอจิกของฉันคือ 3.3V คุณสามารถใช้ระดับพลังตรรกะของคุณได้

ฉันเพิ่มทางเลือกในการปิดวงจรให้กับเสื่อของฉัน ฉันไม่ต้องการให้วาด 50mA คงที่บนเสื่อของฉัน ฉันไม่รู้ว่า Velostat ชอบกระแสคงที่ผ่านมันอย่างไร และฉันคาดว่ามันจะไม่ดีสำหรับอายุการใช้งานของเสื่อ วงจรประกอบด้วยมอสเฟต N-channel พร้อมตัวต้านทานที่ต้องการ เมื่อใดก็ตามที่ฉันต้องการอ่านหนังสือ ฉันจะเปิดมอสเฟต เวลาที่เหลือ mosfet จะปิดอยู่ และแผ่นรองไม่มีแรงทะลุผ่าน

ขั้นตอนที่ 7: วิธีใช้งาน

การใช้แผ่นรองกับ Arduino (หรือไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นๆ) เป็นเรื่องง่าย หากคุณมีเพียงตัวแบ่งแรงดันไฟ ให้ต่อแผ่นรองเข้ากับขาอนาล็อก ตั้งค่าพินที่คุณต่อแผ่นรองเป็นอินพุต และใช้คำสั่งอ่านแบบแอนะล็อก มูลค่าที่คุณได้รับจะลดลงตามน้ำหนักที่ใช้กับเสื่อ

หากคุณได้ติดตั้งมอสเฟตไว้ อย่าลืมใส่มอสเฟตให้สูงก่อนที่จะทำการตรวจวัด มิฉะนั้น คุณจะวัดแรงดันไฟฟ้าที่คุณใช้สำหรับแผ่นรอง (3.3V ในกรณีของฉัน)

มูลค่าที่คุณได้รับกลับจากเสื่อจะไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเวลาผ่านไป ฉันแค่ใช้ค่าธรณีประตูเพื่อดูว่ามีบางอย่างติดอยู่ที่แผ่นรองหรือไม่ และหลังจากใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลาหนึ่งเดือน แผ่นรองก็ยังทำงานได้ดี

ขั้นตอนที่ 8: สิ่งที่ฉันจะทำแตกต่างออกไปในครั้งต่อไป

สิ่งสำคัญอย่างหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับโปรเจ็กต์คือ ฉันจะทดสอบเสื่อรุ่นเล็กก่อนอย่างเหมาะสม ฉันทำทองแดงชิ้นเล็ก ๆ บน Velostat จริงๆ เห็นตัวเลขบนมัลติมิเตอร์ และสันนิษฐานว่าทุกอย่างใช้งานได้ นี่เป็นความผิดพลาด

จุดที่เกี่ยวข้องกับเสื่อคือฉันจะใช้ทองแดงเป็นหย่อมเล็กๆ ตอนนี้ฉันมีทองแดง 2-3 ซม. 48 แผ่น ซึ่งให้ความต้านทาน 20 โอห์มเมื่อไม่ได้ใช้งาน และประมาณ 5 โอห์มเมื่อฉันยืนบน แม้ว่าตัวเลขนี้เป็นตัวเลขที่ใช้การได้ แต่จะง่ายกว่าหากต่ำกว่านี้เล็กน้อย ทองแดงเปลือย 1 ซม. ก็เพียงพอสำหรับเสื่อนี้ ฉันจะไม่ทำสิ่งนี้กับฉันอีกต่อไป แต่บางทีใครก็ตามที่ต้องการทำสิ่งนี้สามารถได้รับประโยชน์จากสิ่งนี้

ขั้นตอนที่ 9: ฉันใช้มันอย่างไร

เหตุใดฉันจึงทำเสื่อที่ไวต่อแรงกดนี้โดยเฉพาะ ฉันทำนาฬิกาปลุก ESP32 สุดเก๋ มันเชื่อมต่อกับระบบ Domoticz ของฉัน มันสามารถคืนค่าเซ็นเซอร์ เช่น CO2 และอุณหภูมิ และสามารถควบคุมแสงของฉันได้ อีกทั้งยังบอกเวลาและมีเสียงเตือน

นี่คือที่มาของแผ่นเซ็นเซอร์ ฉันไม่มีปัญหาในการตื่นจริงๆ ฉันตื่นนอนด้วยไฟปลุก และมักจะตื่นเมื่อฉันต้องการออกไป อย่างไรก็ตาม ฉันมีปัญหาในการลุกจากเตียง เสื่อบังคับให้ฉันลุกจากเตียง นาฬิกาปลุกจะปิดลงเมื่อฉันยืนบนเสื่อจริงๆ เท่านั้น (หรือดึงปลั๊กออกจากนาฬิกาปลุก) สิ่งนี้บังคับให้ฉันลุกจากเตียง และเมื่อฉันลุกจากเตียงแล้ว ฉันแทบจะไม่ได้กลับเข้าไปอีก แม้ว่ามันจะเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เกินความจำเป็นสำหรับปัญหาที่มีวิธีแก้ไขอื่นๆ มากมาย แต่ฉันพอใจกับมัน จนถึงตอนนี้ ฉันลุกจากเตียงตรงเวลาทุกเช้าเป็นเวลาประมาณหนึ่งเดือน เมื่อก่อนฉันนอนอยู่บนเตียงนานถึงหนึ่งชั่วโมง

20 นาทีก่อนที่นาฬิกาปลุกของฉันจะดับ เสื่อจะทำงาน แผ่นรองเปิดขึ้น ใช้การอ่านค่าแรงดันไฟฟ้า และแผ่นรองจะปิดอีกครั้ง สิ่งนี้เกิดขึ้นทุกวินาที เมื่อฉันยืนบนเสื่อ ไม่ว่าจะก่อนหรือระหว่างนาฬิกาปลุก ระบบจะปิดนาฬิกาปลุก