Šta mogu senzori
U PC#239 smo započeli nabrajanje elektronskih senzora, koji su zanimljivi za sve hardverske entuzijaste i hakere. Ovom prilikom kompletiramo tu temu, sa željom da vas podsetimo na mogućnosti koje vam se nude u konstruktorskom i kreativnom radu.
Na tržištu ima toliko različitih senzora da ih nije lako ni nabrojati, a ovde navodimo još nekoliko vrsta koje bi mogle da posluže u eksperimentalnom radu. Opisujemo ih prvenstveno da bismo vam dali ideju kako da ih iskoristite u svojim projektima. Uživajte u projektovanju i kreativnom radu, jer je to najlepši i najkorisniji način da se provede slobodno vreme.
Kvalitet vazduha
Teško je odrediti šta bi moglo da se podvede pod „kvalitet vazduha“ i koji bi parametar mogao da odredi koji je vazduh „kvalitetan“. Čak ni kiseonik, koji je najvažniji za održanje života, u većoj koncentraciji može da bude otrovan, pa i smrtonosan.
Postoji veliki broj senzora koji mere koncentraciju određenih gasova, ali nijedan od njih ne meri samo jedan gas, jer bi za takvo merenje bila potrebna složena i skupa laboratorijska oprema. Zato postoje jeftini i mali senzori koji mere ekvivalentnu količinu nekog gasa, a to znači da ne detektuju samo taj gas, nego i neke druge, pa da u samo jednom rezultatu pokazuju koliko je izmereni gas štetan.
Recimo, senzor IAQ‑CORE‑C je deklarisan za merenje ugljendioksida, ali on meri celu familiju štetnih gasova, pa nam u jednoj veličini pokaže da je izmereni vazduh štetan kao da sadrži, recimo, 2500 ppm ugljendioksida (ppm = parts per milion). Ovo je sasvim prihvatljiv način merenja, pa na neki način čak i bolji, jer bi nam inače za tumačenje svih rezultata za sve moguće gasove bilo potrebno ekspertsko znanje.
Senzori za detekciju kvaliteta vazduha se proizvode zahvaljujući MEMS (Mikro Elektro‑Mehanički Sistemi) tehnologiji, o kojoj smo pisali u aprilu 2016. godine (PC#231). Uglavnom je to minijaturna tanka žica od posebnog metala, kroz koju se propušta strogo kontrolisana struja kako bi se zagrejala na precizno definisanu temperaturu, pa joj se onda meri električni otpor. Veoma je zanimljivo, pa na neki način i poučno, igrati se s ovim senzorima. Izmerićete, recimo, da u solidno provetrenoj prostoriji imate oko 500 ppm ugljendioksida, a ako zatvorite sve prozore, ta koncentracija će se ubrzo udvostručiti. Ako se senzor nalazi na stolu pred vama, zbog vašeg disanja ćete već posle deset minuta očitali oko 2.000 ppm, što je granica posle koje može da nastupi glavobolja, pospanost, mučnina, gubitak koncentracije i ubrzan rad srca. Ako očitavanje pređe 5.000 ppm nastupiće ozbiljniji simptomi, a na 40.000 ppm (što je 4%) nastupa trajno oštećenje mozga, koma i smrt.
Zanimljivo je da se problemu merenja kvaliteta vazduha poklanja tako malo pažnje, a današnji senzori su minijaturni i relativno jeftini, pa se merači lako realizuju. Eto zanimljive ideje za eksperimentisanje i hakersku zabavu!
Vazdušni pritisak
Donedavno smo za merenje atmosferskog vazdušnog pritiska pravili složene i precizne (što znači relativno skupe) merne mostove sa instrumentacionim operacionim pojačivačima, a sad sve to (i za klasu preciznije) imamo u jeftinoj izvedbi, sa A/D konvertorom i digitalnim interfejsom, u pakovanju ne mnogo većem od tablete aspirina. Preciznost ovih senzora je takva da mogu da registruju razliku u atmosferskom pritisku koja nastupa na visinskoj razlici od svega 30 centimetara.
Postoje senzori koji imaju samo jedan ulaz – njima se meri apsolutni pritisak‑ dok su senzori s dva ulaza diferencijalni, dakle oni mere razliku između dva pritiska. I ovaj senzor bi trebalo uvrstiti u neku hipotetičnu kućnu mernu stanicu, jer postoje ljudi koji su osetljivi na promene atmosferskog pritiska.
Protok vazduha
Ponekad je potrebno registrovati da li na nekim mestima postoji protok vazduha, jer bi otkazivanje hlađenja ili ventilacije moglo da dovede do havarija u nekim uređajima. Recimo, sistemi sa električnim grejačima vazduha se, zbog štednje prostora, često projektuju tako da bi, u slučaju otkazivanja ventilatora za forsiran protok, grejač mogao da pregori, pa čak i da se zapali.
Kako registrovati da li u nekom hodniku ili kanalu postoji dovoljan protok vazduha? Rešenje je neočekivano i duhovito. Kroz NTC ili PTC otpornik (za merenje temperature) propusti se konstantna struja, pa se meri napon na njegovim izvodima. Ovo su otpornici koji su namerno napravljeni tako da su temperaturno nestabilni, pa im se sa porastom temperature otpor povećava (to su PTC otpornici, jer su sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom) ili se smanjuje (NTC, negativni temperaturni koeficijent). Solidan protok vazduha će konstantno hladiti otpornik pa struja koja prolazi kroz njega neće izazvati značajno zagrevanje, a njegov otpor se neće mnogo promeniti i napon na izvodima će ostati konstantan. Ako se taj napon promeni (poveća ili smanji, zavisno od toga da li je NTC ili PTC), znači da je protok vazduha nedovoljan ili ne postoji.
Vetar
U meteorologiji, poljoprivredi i u saobrađaju se redovno prati brzina i pravac vetra, pa je za tu svrhu razvijen veliki broj merača, takozvanih anemometara. Standardni mehanički merači sa obrtnim lopaticama ili elisom („vetruške“) sve češće se zamenjuju senzorima bez pokretnih delova.
Ti senzori, najjednostavnije rečeno, rade na principu merenja brzine zvuka u vazduhu. U horizontalnoj ravni se nalaze tri ili četiri davača ultrazvuka i mikrofona, u uglovima jednakostraničnog trougla ili kvadrata. Svako kretanje vazduha će izazvati promenu vremena potrebnog da impuls stigne do susednih mikrofona, a iz te promene će mikrokontroler lako izračunati brzinu i pravac vetra. Uz takve senzore obavezno postoje i merači temperature i relativne vlažnosti vazduha, jer od tih parametara zavisi brzina zvuka u vazduhu, pa ih, za tačno merenje, treba uzetii u obzir.
Za senzor za merenje brine i pravca vetra ne važi ono što je rečeno za ostale senzore, da su jeftini. Cena ovih uređaja može da bude prilično visoka.
GPS
Doskora u domenu naučne fantastike, GPS (Global Positioning System) senzori su danas dostupni za amatersko eksperimentisanje i igranje. Na tržištu se nalaze u kompaktnim kućištima veličine kocke šećera (ponekad i sa ugrađenom antenom), a od spoljnih priključaka imaju samo kontakte za napajanje i serijsku komunikaciju. Dobro razvijeni standardni protokoli omogućavaju lak pregled niza informacija. Tu su, pre svega, geografska širina i dužina kao i nadmorska visina, zatim vreme (najtačnije koje je danas raspoloživo), datum i još nekoliko podataka koji su od važnosti za navigaciju. Ovi moduli uglavnom imaju ugrađen softver za merenje brzine i pređenog puta.
Princip rada GPS senzora ima nekih dodirnih tačaka sa ultrazvučnim senzorima za merenje brzine i smera vetra. Sateliti, koji se nalaze u geostacionarnoj orbiti, emituju mirotalasne signale koji stižu do prijemnika u senzoru, pa se iz razlike u vremenu registrovanja signala izračunava relativna pozicija u odnosu na te satelite.
Preciznost izmerene pozicije na bilo kojoj tački na Zemljinoj kugli iznosi nekoliko metara. Problemi postoje u prostorijama gde, zbog automatskog podizanja pojačanja prijemnika, šum ima nešto viši nivo, pa signali nemaju dovoljnu preciznost za tačno merenje.
Cena ovih senzora je dovoljno niska da se isplati stavljati ih i u satove. Pritom se iz protokola ignorišu svi podaci osim vremena, pa je lako napraviti sat koji nikad ne treba doterivati. U ovom slučaju je prijem u prostorijama manje kritičan, jer se za prijem vremena ne zahteva tako visok kvalitet signala. Od svih komandi na takvom satu potrebno je imati samo podešavanje vremenske zone i letnjeg i zimskog vremena, jer u standardne protokole još uvek nije uveden taj podatak, mada je njegovo uvođenje najavljeno.
Težina i mehanički pritisak
Kad se neki provodnik izloži mehaničkom naprezanju, njegove fizičke karakteristike se menjaju, a samim tim i električni otpor. Ma kako mala ta promena bila, postoje dovoljno osetljiva električna kola koja će promene pojačati, pa će očitavanje biti precizno.
Tako rade senzori za težinu u kućnim ili profesionalnim elektronskim vagama. Isti senzori su nezamenljivi i u razvoju i ispitivanju proizvoda iz domena saobraćaja i građevinske i rudarske mehanizacije, jer se merne trake lepe na sva kritična mesta prototipa ili uređaja koji je u eksploataciji, čime se u realnom vremenu precizno prate sva naprezanja.
Prašina
Prašina, dim i ostale čestice koje zagađuju vazduh uglavnom se detektuju optičkim putem, mada treba razlikovati refleksioni od apsorpcionog metoda. Refleksioni metod je dobar za niske novoe zagađenja. Princip je jednostavan: jedna usmerena svetleća dioda (LED) osvetljava prostor u tamnoj komori, a fotoreceptor (fotodioda), koji je postavljen tako da nije direktno osvetljen, meri količinu reflektovanog svetla. Izborom talasne dužine svetla može selektivno da se utiče na veličinu čestica koje se detektuju.
Apsorpcioni metod je pogodniji za merenje visokog stepena zagađenja, jer se svetlosni snop propušta kroz stub zaprljanog gasa i meri se koliko svetla su čestice apsorbovale. Ovaj metod se koristi za merenje dimnosti izduvnih gasova kod dizel vozila, koncentracija čestica u dimu gorionika i slično.
Nezamenljive igračke za hakere
Postoji još dosta senzora koji ovde nisu pomenuti, pa je polje za eksperimentisanje i konstruktorsku zabavu nepregledno. Cene su uglavnom takve da bezbolno možemo da ih kupimo i gradimo svoje projekte.
Na našem tržištu je najlakše pronaći senzore tako što ćemo otvoriti neku od Web stranica sa oglasima, pa pretražiti ponudu po ključnoj reči „Arduino“. Naravno da nijedan senzor nije pravljen baš za Arduino sistem – naprotiv, svi su univerzalni, ali su ponuđači shvatili da će ih tako najlakše prodati. Tržište senzora „za Arduino“ je tako naraslo, da su cene uglavnom pale na zanemarljive cifre.
Sve u svemu, ovo je dobro vreme za konstruktore. Iskoristite priliku!
Voja Antonić
