Arduinossa on sisäänrakennettu ominaisuus, jonka ansiosta on helppo toteuttaa maagisia efektejä liikuttelemalla kättä esineiden lähellä ja koskettamalla niitä eri voimakkuuksilla. Tässä tehtävässä tutustutaan kapasitiiviseen anturiin!
Kapasitiivisuus tarkoittaa kykyä varata sähköä ja luovuttaa sitä hitaasti. Tehtävässä kapasitiivisena sensorina voi käyttää alumiinifoliota tai jotain sähköä johtavaa ainetta kuten metalliesineitä, omenaa, sähköäjohtavaa muovailuvahaa tai pehmeän lyijykynän grafiittia.
Tehtävä pähkinänkuoressa:
Alla olevassa videossa sählypallon sisään on laitettu led. Pallon pinta on peitetty folioteipillä, joka on kytketty Arduinon virtapiiriin johdoilla. Koko pallo toimii kapasitiivisena anturina.
Mehackit-boardin tai Arduino UNOn, USB-johdon, kytkentäjohtojen ja -levyn lisäksi tarvitset:
| Osa | Kuva | Selitys |
|---|---|---|
| Alumiinifoliota, metalliesineitä, banaani, omena, sähköäjohtavaa muovailuvahaa tms. | Näitä käytetään tehtävässä sensorin tekemiseen! Voit käyttää mitä tahansa esinettä aluksi, esimerkiksi avainta tai lusikkaa. | |
| vastuksia, 1 MΩ / 10 MΩ |  | Harjoitukseen tarvitaan suuri vastus. Ohjeessa käytetään 1 megaohmin vastusta (ruskea, musta, vihreä, kulta), ja sillä kannattaa aloittaa! Sopivia ovat myös muut vastukset joiden resistanssi on yli 300kΩ. Arduino Starter Kitin 10 megaohmin vastukset sopivat myös. Varaa lähelle useampia vastuksia, sillä näitä voi kytkeä sarjaan. |
| LED |  | Alun esimerkissä on käytetty kirkaskupuista, sinistä lediä, josta lähtee voimakas valo. |
| vastus, 330Ω tai 220Ω |  | Vastus suojaa Arduinon porttia liian suurelta virralta. 330Ω tai 220Ω vastus on sopiva LEDin kanssa käytettäväksi |
| piezo-kaiutin |   | Yksinkertainen summerikaiutin |
Folioteippi toimii tässäkin kokeilussa hyvin.
Johdonpään saa kätevästi työnnettyä vaikka porkkanaan.
Ohjelmointi 1/3: Asenna tarvittava kirjasto Lataa ja asenna kirjasto CapacitiveSensor, jotta saat kapasitiivisen
anturin käyttöön. Kopioi tehtävässä annettu koodinpätkä ja lataa se
Arduinolle. Kosketa virtapiiriin kiinnittämääsi esinettä ja kuuntele,
millaisia ääniä piezosta kuuluu. Katso myös sarjamonitorista,
millaisia arvoja kapasitiivisesta anturista tulee.Vaihe 1
Maalaa ja kopioi allaoleva ohjelma. Mene Arduino IDEen ja poista koodi-ikkunasta kaikki siellä mahdollisesti näkyvä koodi. Liimaa tämä koodi tilalle.
//ks. koodin uusien osien selitys kurssimateriaalissa
#include <CapacitiveSensor.h>
long lukema;
CapacitiveSensor anturi = CapacitiveSensor(4, 2);
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
lukema = anturi.capacitiveSensor(30);
Serial.println(lukema);
delay(10);
tone(7, lukema);
}
Lataa ohjelma Arduinolle ja koskettele virtapiiriin kiinnittämääsi esinettä. Piezosta kuuluvien äänien korkeus nousee kun kosket esineeseen. Äänenkorkeus muuttuu jo silloin, kun viet käden ihan lähelle esinettä.
Avaa sarjamonitori (serial monitor) ja tarkastele anturin lukemia. Lukemat nousevat aika korkeiksi kun anturiin kosketaan. Myös kosketuksen voimakkuudella on väliä!
anturi. Suluissa
määritellään portit, joiden välistä mitataan anturilukemia (portit 4
ja 2).lukema. Suluissa
oleva numero kertoo mittauksessa otettavien näytteiden määrän - 30
on ihan hyvä ja riittävä.lukema. Eli
mikä ikinä anturin mittaama lukema onkaan, tone-komento saa tuon
arvon ja käyttää sitä äänenkorkeutena.Kokeile kertoa muuttuja
lukema desimaaliluvulla
väliltä 0-1 tai jollain kokonaisluvulla ennen kuin syötät sen
tone-komennolle, esim. näin:
lukema = lukema * 0.6;
tone(7, lukema);
Miten ääni muuttuu?
ONGELMIA? Kurkkaa täältä vinkkejä ongelmanratkaisuun!
Ohjelmointi 2/3: Valo päälle
Nyt säädetään LED kirkastumaan ja himmenemään kosketuksen mukaan!
Komennolla analogWrite voidaan antaa LEDillä kirkkausarvoja välillä
0-255. Jotta anturin lukemat voi syöttää LEDille, ne täytyy muuttaa
välille 0-255 map-komennon avulla. Kirjoita tai kopioi uusi
pätkä koodiin!
Psst: Jos piezo alkaa jo ärsyttää, nykäise siitä johto irti tai
poista ääntä tuottavat komennot...
#include <CapacitiveSensor.h>
long lukema;
CapacitiveSensor anturi = CapacitiveSensor(4, 2);
int kirkkaus;
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
}
void loop() {
lukema = anturi.capacitiveSensor(30);
Serial.println(lukema);
delay(10);
tone(7, lukema);
kirkkaus = map(lukema, 0, 4000, 0, 255);
if (lukema > 4000) {
kirkkaus = 255;
}
analogWrite(9, kirkkaus);
}
kirkkaus = map(lukema, 0, 4000, 0, 255);lukema joka voi
olla välillä 0-4000, muunnetaan välille 0-255. Tämä uusi, muunnettu
arvo tallennetaan muuttujaan kirkkaus.if (lukema > 4000)analogWrite(9, kirkkaus)ONGELMIA? Kurkkaa täältä vinkkejä ongelmanratkaisuun!
#include <CapacitiveSensor.h>
long lukema;
CapacitiveSensor anturi = CapacitiveSensor(4, 2);
int kirkkaus;
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
}
void loop() {
lukema = anturi.capacitiveSensor(30);
Serial.println(lukema);
delay(10);
if (lukema > 100) {
tone(7, lukema);
kirkkaus = map(lukema, 0, 1200, 0, 255);
if (lukema > 2000) {
kirkkaus = 255;
}
analogWrite(9, kirkkaus);
} else {
noTone(7);
analogWrite(9, 0);
}
}
Ääntä kuuluu ja valoa näkyy vain silloin, kun anturi tuottaa lukemia jotka ovat yli kynnysarvon eli suurempia kuin 100.
Muulloin on hiljaista, sillä noTone(7) -komento vaientaa portin 7 ja analogWrite(9, 0) laittaa LEDin pois päältä kun lukema on alle 100.
ONGELMIA? Kurkkaa täältä vinkkejä ongelmanratkaisuun!
Mitkä esineet johtavat sähköä, hyvin tai huonosti? Tutki, millaiset esineet ja materiaalit voi valjastaa antureiksi. Dokumentoi jokin kokeilusi valokuvalla ja liitä se tehtävän palautukseen.
Vinkkejä:
tutki, tunnistaako anturi kosketuksen lasin, puun tai muovin läpi: kokeile kiinnittää johdonpää folioteipillä tms. materiaalin toiselle puolelle.
testaa nesteitä (varo kuitenkin kastelemasta Arduinoa) ja nestepitoisia juttuja kuten huonekasveja, multaa, hedelmiä.
kiinnitä anturi toiseen ihmiseen ja kosketa häntä. Tähän kokeiluun tarvitset kaverin, ei toimi yhdellä henkilöllä!
Tutki erikokoisia metalliesineitä. Miten anturi toimii jos sen kiinnittää isoon metallipintaan?
Saat anturin herkemmäksi lisäämällä resistanssia - ks. seuraavan sivun ohjeet. Tällöin anturi voi havaita kosketuksen vähän paksummankin materiaalin läpi!
Seuraile sarjamonitorin arvoja ja muuta map-komennon ja if-lauseiden lukemia tarvittaessa.
Jos anturi toimii oudosti, kurkkaa täältä vinkkejä ongelmanratkaisuun!
Anturi toimii paperin läpi
Johto ja sähköäjohtava folio on jemmattu kääntöpuolelle
Mitä suurempia vastuksia käytät, sitä kauempaa kapasitiivinen anturi havaitsee käden. Voit kytkeä peräkkäin useampia 1 megaohmin vastuksia - vaikka kaikki pakistasi löytyvät. Jos sinulla on 10 megaohmin vastuksia, testaa ihmeessä myös niitä!
Saatat joutua muuttamaan ohjelmasi kynnysarvoa kun virtapiirin resistanssi kasvaa - seuraile sarjamonitorin anturilukemia.
Useita vastuksia kytkettäessä Arduino saattaa alkaa toimia kummallisesti, sillä kapasitiivinen anturi on aika herkkä häiriöille. Kurkkaa täältä vinkit ongelmanratkaisuun.
for-silmukka kuuluu ohjelmoinnin peruskikkoihin milteipä kielessä kuin kielessä. LMHI-elektroniikkapolulla for-silmukkaa ei käydä läpi, mutta voit tutkia sen toimintaa ihan vain kopioimalla allaolevan koodin sekä kurkkaamalla selitykseen linkin takana (johtaa Arduinon sivuille).
#include <CapacitiveSensor.h>
long lukema;
CapacitiveSensor anturi = CapacitiveSensor(4, 2);
int kirkkaus;
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
}
void loop() {
lukema = anturi.capacitiveSensor(30);
Serial.println(lukema);
delay(10);
if (lukema > 100) {
tone(7, lukema);
kirkkaus = map(lukema, 0, 1200, 0, 255);
if (lukema > 2000) {
kirkkaus = 255;
}
for (int i = 0; i < kirkkaus; i++) {
analogWrite(9, i);
delay(20);
}
analogWrite(9, 0);
delay(500);
} else {
noTone(7);
}
}
Useamman kapasitiivisen anturin kytkeminen ja ohjelmointi on aika suoraviivaista. Monella anturilla voi toteuttaa vaikka tällaisen kosketinsoittimen:
Kosketinsoittimen kytkentä on seuraavanlainen:
Ohjelmoitaessa vain määritellään lisää CapacitiveSensor-antureita ja tallennetaan jokaisen arvo omaan muuttujaan. Arvoja käytetään erilaisten toimintojen käynnistämiseen.
#include <CapacitiveSensor.h>
CapacitiveSensor sensor1 = CapacitiveSensor(4,2);
CapacitiveSensor sensor2 = CapacitiveSensor(4,3);
CapacitiveSensor sensor3 = CapacitiveSensor(4,5);
// ja niin edelleen
void setup(){
// käynnistä sarjaliikenne
}
void loop() {
long sensorValue1 = sensor1.capacitiveSensor(30);
long sensorValue2 = sensor2.capacitiveSensor(30);
long sensorValue3 = sensor3.capacitiveSensor(30);
// jne.
// tulosta sensorValue serial monitoriin
// ohjelmoi 10 millisekunnin viive
if (sensorValue1 > 100) {
tone(7,440);
} else if {
}
// ohjelmoi jokaisen anturin arvoille omat toiminnot. noTone(7); viimeisessä ehdossa hiljentää summerin.
}
Kuva: Kapasitiivisen soittimen koskettimet paperin alla
Symbolilla (~) merkittyjä portteja voi käyttää ulostulona, jolla jäljitellään analogista signaalia. Porteille voi asettaa komennolla analogWrite arvoja, jotka ovat välillä 0-255. Esim:
analogWrite(5, 155); // portti 5 saa arvon 155
Analogisen signaalin jäljittely on nimeltään PWM (Pulse-Width Modulation eli pulssinleveysmodulaatio).
Arduinon ulostuloina käytettävät portit 0-13 pystyvät tuottamaan vain 5V jännitettä tai 0 volttia - olemaan vain tilassa HIGH tai LOW.
Kuinka sitten on mahdollista tuottaa vaihtelevaa valon kirkkautta?
Arduinon portit pystyvät vuorottelemaan 5V ja 0V välillä hyvin nopeasti
Tämä ei kuitenkaan riitä, kun tarvitaan vaihtelevaa kirkkautta. PWM (~) -portit pystyvät paitsi menemään päälle ja pois hyvin nopeasti, myös vaihtelemaan sitä, kuinka pitkään portti on täysillä.
Periaate tiivistettynä:
Voit lukea lisää pulssinleveysmodulaatiosta Arduinon sivulta.
Poikkeuksia PWM-porttien toiminnassa
Arduinon kapasitiivisessa anturissa yksi portti (esimerkeissä 4) toimii lähettäjänä ja toinen vastaanottimena. Vastaanottajaportti mittaa, kuinka kauan kestää, että lähettäjästä tuleva sähkövirta pääsee perille. Signaalin kulkuun kuluva aika riippuu virtapiiriin kytketyn sähköäjohtavan aineen ja sitä koskettavan käden aiheuttamasta kapasitanssista, eli kyvystä varastoida sähkövarausta.
Jos käyttöön on otettu useita kapasitiivisia antureita, lähettäjäportti voi olla sama näille kaikille.
Kapasitiivisen anturin ja kirjaston toiminta (Arduinon sivuilla)
Oheisessa työssä on yhdistetty sähköäjohtavalla maalilla tehty maalaus, Arduinon kapasitiivinen anturi sekä maalaukseen projisoidut Processing-animaatiot. Arduinon vastaanottama anturidata voi ohjata Processing-ohjelmaa sarjaliikenteen avulla
Arduinon avulla on siis mahdollista toteuttaa aika hienostunutta vuorovaikutusta!
Awake - An Interactive Painting from Sofia Aronov on Vimeo.
Tähän projektiin tarvitaan hyvin suuria vastuksia - mitä suurempi resistanssi, sitä kauempaa anturi havaitsee käden:
Tekstitykset
Kapasitiivinen anturi on herkkä häiriöille. Joskus anturin arvot jäävät kosketuksen jälkeen omituisen korkealle, esimerkiksi jos anturia koskee pitkään tai jos kytkentöjä muutetaan virran ollessa päällä. Voit kokeilla seuraavia toimenpiteitä:
resetoi Arduino tai ota siitä virrat pois
lisää setup-osaan komento:anturi.set\_CS\_AutocaL\_Millis(300);
Tämä komento pakottaa anturin kalibroimaan itsensä 300
millisekunnin välein.
maadoita anturi: laita sen alle reilu pala foliota ja yhdistä folio lattiaan tai esimerkiksi pöydänjalkaan johdolla. Laita foliopalan ja anturina toimivan esineen väliin eristykseksi paperia.
kommentoi Serial.begin ja Serial.println -komennot pois päältä koodistasi
Anturi toimii eri lailla riippuen siitä, onko Arduino kiinni ulkoisessa virtalähteessä vai tietokoneessa. Jos tietokoneen virtalähde ei ole seinässä, kokeile kytkeä se!
Jos anturi ei toimi yhtään, tarkista kytkennät - esim. anturin johto (kaaviossa lila) täytyy olla porttiin 2 menevän johdon kanssa samassa rivissä.
