- Sensor de fuerza o resistencia sensible a la fuerza
- Componentes requeridos
- Diagrama de circuito y explicación de trabajo
En este proyecto estaremos desarrollando un circuito divertido usando el sensor Force y Arduino Uno. Este circuito genera un sonido relacionado linealmente con la fuerza aplicada sobre el sensor. Para eso vamos a conectar el sensor FORCE con Arduino Uno. En UNO, vamos a utilizar la función ADC (conversión analógica a digital) de 8 bits para hacer el trabajo.
Sensor de fuerza o resistencia sensible a la fuerza
Un sensor de FUERZA es un transductor que cambia su resistencia cuando se aplica presión sobre la superficie. El sensor FORCE está disponible en diferentes tamaños y formas. Vamos a utilizar una de las versiones más económicas porque aquí no necesitamos mucha precisión. FSR400 es uno de los sensores de fuerza más baratos del mercado. La imagen de FSR400 se muestra en la siguiente figura. También se les llama resistencia sensible a la fuerza o FSR ya que su resistencia cambia de acuerdo con la fuerza o presión que se le aplica. Cuando se aplica presión a esta resistencia de detección de fuerza, su resistencia disminuye, es decir, la resistencia es inversamente proporcional a la fuerza aplicada. Entonces, cuando no se aplica presión sobre él, la resistencia de FSR será muy alta.
Ahora es importante tener en cuenta que el FSR 400 es sensible a lo largo, la fuerza o el peso deben concentrarse en el laberinto en el medio del ojo del sensor, como se muestra en la figura. Si la fuerza se aplica en momentos incorrectos, el dispositivo podría dañarse permanentemente.
Otra cosa importante a saber es que el sensor puede conducir corrientes de alto rango. Así que tenga en cuenta las corrientes de conducción durante la instalación. Además, el sensor tiene un límite de fuerza de 10 Newtons. Por lo que podemos aplicar solo 1Kg de peso. Si se aplican pesos superiores a 1 kg, el sensor puede mostrar algunas desviaciones. Si aumenta más de 3Kg. el sensor podría dañarse permanentemente.
Como se dijo anteriormente, este sensor se usa para detectar los cambios de presión. Entonces, cuando el peso se aplica sobre el sensor de FUERZA, la resistencia cambia drásticamente. La resistencia del FS400 al sobrepeso se muestra en el siguiente gráfico,
Como se muestra en la figura anterior, la resistencia entre los dos contactos del sensor disminuye con el peso o la conductancia entre dos contactos del sensor aumenta. La resistencia de un conductor puro viene dada por:
Dónde, p- Resistividad del conductor
l = Longitud del conductor
A = Área del conductor.
Ahora considere un conductor con resistencia “R”, si se aplica algo de presión sobre el conductor, el área del conductor disminuye y la longitud del conductor aumenta como resultado de la presión. Entonces, por fórmula, la resistencia del conductor debería aumentar, ya que la resistencia R es inversamente proporcional al área y también directamente proporcional a la longitud l.
Entonces, con esto para un conductor bajo presión o peso, la resistencia del conductor aumenta. Pero este cambio es pequeño en comparación con la resistencia general. Para un cambio considerable, muchos conductores se apilan juntos. Esto es lo que sucede dentro de los sensores de fuerza que se muestran en la figura anterior. Al mirar de cerca, se pueden ver muchas líneas dentro del sensor. Cada una de estas líneas representa un conductor. La sensibilidad del sensor está en números de conductores.
Pero en este caso la resistencia disminuirá con la presión porque el material utilizado aquí no es un conductor puro. Los FSR aquí son dispositivos robustos de película gruesa de polímero (PTF). Entonces estos no son dispositivos de material conductor puro. Estos están hechos de un material que exhibe una disminución en la resistencia con un aumento en la fuerza aplicada a la superficie del sensor. Este material muestra características como se muestra en el gráfico de FSR.
Este cambio de resistencia no puede servir de nada a menos que podamos leerlos. El controlador en cuestión solo puede leer las posibilidades en voltaje y nada menos, para esto usaremos un circuito divisor de voltaje, con el que podemos derivar el cambio de resistencia como cambio de voltaje.
El divisor de voltaje es un circuito resistivo y se muestra en la figura. En esta red resistiva tenemos una resistencia constante y otra resistencia variable. Como se muestra en la figura, R1 aquí es una resistencia constante y R2 es un sensor de FUERZA que actúa como una resistencia. El punto medio de la rama se toma para medir. Con el cambio de R2, tenemos un cambio en Vout. Entonces con esto tenemos un cambio de voltaje con el peso.
Ahora, lo importante a tener en cuenta aquí es que la entrada que toma el controlador para la conversión de ADC es tan baja como 50 µAmp. Este efecto de carga del divisor de voltaje basado en la resistencia es importante ya que la corriente extraída de Vout del divisor de voltaje aumenta el porcentaje de error aumenta, por ahora no debemos preocuparnos por el efecto de carga.
Cómo comprobar un sensor FSR
La resistencia de detección de fuerza se puede probar con un multímetro. Conecta los dos pines del sensor FSR al multímetro sin aplicar ninguna fuerza y comprueba el valor de resistencia, será muy alto. Luego aplique algo de fuerza a su superficie y observe la disminución en el valor de resistencia.
Aplicaciones del sensor FSR
Las resistencias sensibles a la fuerza se utilizan principalmente para crear "botones" sensibles a la presión. Se utilizan en una variedad de campos, como sensores de ocupación de automóviles, almohadillas táctiles resistivas, yemas de los dedos robóticos, extremidades artificiales, teclados, sistemas de pronación del pie, instrumentos musicales, electrónica integrada, equipos de prueba y medición, kit de desarrollo OEM y electrónica portátil, deportes.. También se utilizan en sistemas de realidad aumentada, así como para mejorar la interacción móvil.
Componentes requeridos
Hardware: Arduino Uno, fuente de alimentación (5v), condensador de 1000 uF, condensador de 100 nF (3 piezas), resistencia de 100 KΩ, zumbador, resistencia de 220Ω, sensor de fuerza FSR400.
SOFTWARE: Atmel studio 6.2 o Aurdino nightly
Diagrama de circuito y explicación de trabajo
La conexión del circuito para la interfaz de la resistencia de detección de fuerza con Arduino se muestra en el siguiente diagrama.
El voltaje a través del sensor no es completamente lineal; será ruidoso. Para filtrar el ruido, se colocan condensadores a través de cada resistencia en el circuito divisor, como se muestra en la figura.
Aquí vamos a tomar el voltaje proporcionado por el divisor (voltaje que representa el peso linealmente) y lo alimentaremos a uno de los canales ADC de UNO. Después de la conversión, tomaremos ese valor digital (que representa el peso) y lo relacionaremos con el valor PWM para activar el timbre.
Entonces, con el peso, tenemos un valor de PWM que cambia su relación de trabajo según el valor digital. Cuanto mayor sea el valor digital, mayor será la relación de trabajo de PWM, mayor será el ruido generado por el zumbador. Así que relacionamos el peso con el sonido.
Antes de continuar, hablemos del ADC de Arduino Uno. ARDUINO tiene seis canales ADC, como se muestra en la figura. En ellos cualquiera o todos ellos se pueden utilizar como entradas para voltaje analógico. El UNO ADC tiene una resolución de 10 bits (por lo que los valores enteros de (0- (2 ^ 10) 1023)). Esto significa que asignará voltajes de entrada entre 0 y 5 voltios en valores enteros entre 0 y 1023. Entonces, para cada (5/1024 = 4,9 mV) por unidad.
Aquí vamos a utilizar A0 de UNO.
Necesitamos saber algunas cosas.
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En primer lugar, los canales UNO ADC tienen un valor de referencia predeterminado de 5V. Esto significa que podemos dar un voltaje de entrada máximo de 5 V para la conversión de ADC en cualquier canal de entrada. Dado que algunos sensores proporcionan voltajes de 0-2,5 V, con una referencia de 5 V obtenemos menor precisión, por lo que tenemos una instrucción que nos permite cambiar este valor de referencia. Entonces, para cambiar el valor de referencia tenemos ("analogReference ();") Por ahora lo dejamos como.
De forma predeterminada, obtenemos la resolución ADC máxima de la placa que es de 10 bits, esta resolución se puede cambiar usando la instrucción ("analogReadResolution (bits);"). Este cambio de resolución puede resultar útil en algunos casos. Por ahora lo dejamos como.
Ahora, si las condiciones anteriores están configuradas por defecto, podemos leer el valor del ADC del canal '0' llamando directamente a la función "analogRead (pin);" aquí "pin" representa el pin donde conectamos la señal analógica, en este caso sería "A0". El valor de ADC se puede tomar en un número entero como “int SENSORVALUE = analogRead (A0); ”, Por esta instrucción el valor después de ADC se almacena en el entero“ SENSORVALUE ”.
El PWM de Arduino Uno se puede lograr en cualquiera de los pines simbolizados como “~” en la placa PCB. Hay seis canales PWM en UNO. Vamos a utilizar PIN3 para nuestro propósito.
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analogWrite (3, VALOR); |
Desde la condición anterior, podemos obtener directamente la señal PWM en el pin correspondiente. El primer parámetro entre paréntesis es para elegir el número de pin de la señal PWM. El segundo parámetro es para la relación de trabajo de escritura.
El valor PWM de UNO se puede cambiar de 0 a 255. Con "0" como más bajo a "255" como más alto. Con 255 como relación de trabajo, obtendremos 5V en PIN3. Si la relación de trabajo se da como 125, obtendremos 2.5V en PIN3.
Ahora tenemos el valor 0-1024 como salida ADC y 0-255 como relación de trabajo PWM. Entonces, ADC es aproximadamente cuatro veces la relación PWM. Entonces, al dividir el resultado de ADC por 4, obtendremos la relación de trabajo aproximada.
Con eso tendremos una señal PWM cuya relación de trabajo cambia linealmente con el peso. Este dado a zumbador, disponemos de generador de sonido en función del peso.