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. Tehtävässä kapasitiivisena sensorina voi käyttää alumiinifoliota tai jotain sähköä johtavaa kappaletta kuten omenaa tai banaania. Kun virtapiiri suljetaan, sensori kerää sähkövarausta itseensä. Jos sensoriin koskee, sen varastointikyky eli kapasitanssi kasvaa entisestään. Tällöin kestää pidempään täyttää käden ja metallin muodostama systeemi sähkövarauksella.
Alla olevassa videossa sählypallon sisään on laitettu led, ja pinta on peitetty folioteipillä. Folio on osa Arduinon virtapiiriä ja koko pallo toimii kapasitiivisena anturina. Kun virtapiirissä on tarpeeksi paljon resistanssia, palloon ei tarvitse edes koskea vaan käden vieminen lähelle riittää.
Mehackit boardin (tai Arduinon), USB-johdon, koekytkentälevyn ja johtimien lisäksi tarvitset seuraavat komponentit.
| Osa | Kuva | Kuvaus |
|---|---|---|
| Alumiinifoliota, metalliesine, banaani, omena tms. | Tätä käytetään tehtävässä sensorin tekemiseen! Voit käyttää mitä tahansa esinettä aluksi, esimerkiksi avainta tai lusikkaa. | |
| Vastuksia, 1 MΩ |  | Harjoitukseen tarvitaan suuri vastus, koska piirissä ei sen lisäksi ole muuta kuormaa. Mehackit Maker Kitin suurin vastus on 1 megaohmia (ruskea, musta, vihreä, kulta), mutta sopivia ovat myös muut vastukset joiden resistanssi on yli 300kΩ. Varaa lähelle useampia 1MΩ vastuksia, sillä näitä voi kytkeä sarjaan. |
| LED |  | Pidempi jalka (kuvassa mutkallinen) eli anodi + -napaan eli Arduinon porttiin. Lyhyempi jalka eli katodi miinus-napaan eli maahan. |
| Vastus 330 Ω |  | Vastus vastustaa sähkövirran kulkua. Vastuksen arvo mitataan ohmeissa (Ω) ja ilmoitetaan komponentissa eri värisinä raitoina (tässä oranssi, oranssi, ruskea ja kulta. |
| Piezo-kaiutin |  | Elektroninen komponentti, jota voi käyttää värähtelyn havaitsemiseen sekä äänten tuottamiseen. |
Ohjelma perustuu kapasitiivista anturia varten koodattuun kirjastoon Capacitive Sensing.
Yksi Arduinon sisäänrakennetuista kapasitiivisista antureista seuraa, kuinka suuri sähkövaraus varastoituu porttien 2 ja 4 välille. Kapasitanssiarvo muunnetaan äänenkorkeudeksi ja ledin kirkkausarvoksi. Lisäksi ohjelmoidaan kynnysarvo, jotta ääni ja valo eivät ole kaiken aikaa toiminnassa.
Tutut komennot
Uudet komennot
Uudet komennot perustuvat CapacitiveSensor-kirjastoon, jonka tarkempaan dokumentaatioon voit tutustua täällä.
Asenntaan kirjasto CapacitiveSensor, jotta saat kapasitiivisen anturin kätevästi toimintaan.
Lataa tästä linkistä koneellesi zip-tiedostopaketti, joka sisältää kirjaston.
Lisää zip-kirjasto Arduino IDE:n valikosta Sketch (tai Sketsi) > Include library > Add .ZIP library… Etsi lataamasi zip-paketti tietokoneeltasi (esim. kansiosta Lataukset tai Downloads)
#include <CapacitiveSensor.h>
CapacitiveSensor sensor = CapacitiveSensor(4, 2);
void setup(){
// käynnistä sarjaliikenne
}
void loop() {
long sensorValue = sensor.capacitiveSensor(30);
// tulosta sensorValue serial monitoriin
// ohjelmoi 10 millisekunnin viive
tone(7,sensorValue);
}
Kun lataat ohjelman Arduinolle, kuulet matalia ääniä piezosta, kun kapasitiiviseen anturiin ei kosketa. Kosketus saa äänen nousemaan.
Lukemia Serial monitorista seuratessasi huomaat, että lukemat nousevat hyvin korkeiksi, kun anturiin kosketaan. Capacitive Sensor-kirjasto mittaa porttien 2 ja 4 välisen viestin kulkeutumiseen menevää aikaa. Siksi arvo ei ole automaattisesti väliltä 0-1023, kuten analogisten porttien kanssa työskenneltäessä.
tone-komento tarvitsee parametreiksi portin (jota ei tarvitse edes alustaa ulostuloksi) ja taajuuden. Kapasitanssin voi syöttää tone-komennolle sellaisenaan.
Ohjelmoidaan seuraavaksi lediä. Siinä missä tone-komennolle voi antaa parametrinä hyvinkin korkeita arvoja, ledin kirkkautta voi ohjata vain lukuarvoilla 0-255. Kapasitiivisen anturin arvoa ei voi siis syöttää ledille sellaisenaan.
#include <CapacitiveSensor.h>
CapacitiveSensor sensor = CapacitiveSensor(4, 2);
void setup(){
// käynnistä sarjaliikenne
// määrittele portti 9 ulostuloksi
}
void loop() {
long sensorValue = sensor.capacitiveSensor(30);
// tulosta sensorValue serial monitoriin
// ohjelmoi 10 millisekunnin viive
tone(7,sensorValue);
int kirkkaus = map(sensorValue, 0, 2000, 0, 255);
// laita led päälle komennolla analogWrite. Käytä muuttujaa kirkkaus.
}
Koodin map-komennossa on laitettu anturin antamien arvojen ylärajaksi 2000, vaikka todellisuudessa lukemat voivat olla korkeampia. Voit myös kokeilla laittaa ylärajaksi suuremman luvun. Jos anturin koko arvoalue huomioidaan, led palaa suurimman osan ajasta hyvin himmeästi. Kun anturin arvot menevät yli map-komennossa määritellystä rajasta, led palaa arvaamattomasti.
void loop() {
long sensorValue = sensor.capacitiveSensor(30);
// tulosta sensorValue serial monitoriin
// ohjelmoi 10 millisekunnin viive
tone(7,sensorValue);
int kirkkaus = map(sensorValue, 0, 2000, 0, 255);
if (sensorValue > 2000) {
kirkkaus = 255;
}
// laita led päälle komennolla analogWrite - käytä muuttujaa kirkkaus
}
void loop() {
long sensorValue = sensor.capacitiveSensor(30);
// tulosta sensorValue serial monitoriin
// ohjelmoi 10 millisekunnin viive
if (sensorValue > 100) {
tone(7,sensorValue);
int kirkkaus = map(sensorValue, 0, 2000, 0, 255);
if (sensorValue > 2000) {
kirkkaus = 255;
}
// laita led päälle komennolla analogWrite - käytä muuttujaa kirkkaus
} else {
noTone(7);
// laita led pois päältä
}
}
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:
sensor.set_CS_AutocaL_Millis(300);
Kapasitiivisen anturin avulla voi kehitellä hyvin monenlaisia projekteja. Erityisen kätevä ominaisuus on, että anturi ei vaadi suoraa kosketusta metalliin! Voit siis tehdä anturin avulla “nappeja”, joita käytetään vaikkapa ikkunan, paperin tai muovin läpi.
Oheisia töitä ei ole tarkoitus toteuttaa juuri nyt, mutta ne voivat toimia ideoiden lähteenä kun suunnittelet projektityötäsi.
Videon esimerkissä on kytketty Arduinoon kuusi kapasitiivista anturia.
Useamman kapasitiivisen anturin kytkeminen ja ohjelmointi on aika suoraviivaista. Videolla nähdyn 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(4,6);
CapacitiveSensor sensor3 = CapacitiveSensor(4,8);
// 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
Arduinon kapasitiivisessa anturissa toinen portti (esimerkeissä portti 4) toimii lähettäjänä ja toinen vastaanottimena. Vastaanottajaportti mittaa, kuinka kauan kestää, että lähettäjästä tuleva sähkövirta pääsee perille. Signaalin kulkuun kuluva aika riippuu virtapiiriin kytketyn folion ja sitä koskettavan käden aiheuttamasta kapasitanssista, eli sähkövarauksen varastointikyvystä.
Jos käyttöön on otettu useita kapasitiivisia antureita, lähettäjäportti voi olla sama näille kaikille.