حسّاسات ومشغّلات شائعة

13.1 الحرارة والرطوبة: DHT11 وDHT22 – חיישן טמפרטורה ולחות

المبدأ: داخل الوحدة حسّاس ومتحكّم صغير يقيسان ويرسلان النتيجة أعدادا عبر سلك بيانات واحد. فهو طرف رقمي عادي، لا محوّل فيه من جهتنا. ووحدة dht جزء من البرنامج الثابت على اللوحتين.

import board
import dht
import time
from machine import Pin

sensor = dht.DHT22(Pin(board.DHT))

while True:
    try:
        sensor.measure()
        t = sensor.temperature()
        h = sensor.humidity()
        print("%.1f C  %.1f %%" % (t, h))
    except OSError:
        print("no answer from the sensor")
    time.sleep(2)

24.0 C  55.0 %
24.5 C  56.0 %
25.0 C  57.0 %
...

import board
import dht
import time
from machine import Pin

sensor = dht.DHT22(Pin(board.DHT))

while True:
    try:
        sensor.measure()
        t = sensor.temperature()
        h = sensor.humidity()
        print("%.1f C  %.1f %%" % (t, h))
    except OSError:
        print("no answer from the sensor")
    time.sleep(2)

no answer from the sensor
...

إذا طلب أكثر من جزء في البرنامج الحرارة بسرعة، نضع القيد في صنف يحفظ آخر قراءة:

import board
import dht
import time
from machine import Pin


class Climate:
    def __init__(self, pin, min_ms=2000):
        self.sensor = dht.DHT22(Pin(pin))
        self.min_ms = min_ms
        self.last = None

    def read(self):
        now = time.ticks_ms()
        if (self.last is None
                or time.ticks_diff(now, self.last) >= self.min_ms):
            self.sensor.measure()
            self.last = now
        return self.sensor.temperature()


room = Climate(board.DHT)
for _ in range(5):
    print("%.1f C" % room.read())
    time.sleep(1)

24.0 C
24.0 C
26.0 C
26.0 C
28.0 C

13.2 المسافة: HC-SR04 – מרחק

شرحنا هذا الحسّاس في القسم 4.5: المبدأ، ومجزّئ الجهد على ECHO، والمكتبة hcsr04.py. نرجع إلى هناك للتوصيل، وهنا نستعمل المكتبة مع عتبة:

import board
import time
from hcsr04 import HCSR04

NEAR_CM = 30
sensor = HCSR04(board.TRIG, board.ECHO)

for _ in range(3):
    d = sensor.distance_cm()
    if d is None:
        print("no echo")
    else:
        print("%.1f cm" % d, "NEAR" if d < NEAR_CM else "far")
    time.sleep(1)

20.0 cm NEAR
no echo
100.0 cm far
...

13.3 الشريط الملوّن: NeoPixel – רצועת לדים (NeoPixel, WS2812)

المبدأ: كل ثنائي باعث للضوء في الشريط فيه شريحة صغيرة. البيانات تدخل إلى الأول، فيأخذ ثلاثة بايتات لنفسه: أحمر وأخضر وأزرق، ويمرّر الباقي إلى التالي. لذلك يكفي طرف واحد لكل الشريط. والألوان تتغيّر فقط عند write().

import board
import neopixel
import time
from machine import Pin

COUNT = 8
GREEN = (0, 40, 0)
OFF = (0, 0, 0)

strip = neopixel.NeoPixel(Pin(board.NEOPIXEL, Pin.OUT), COUNT)
pot = board.analog_in(board.POT)

while True:
    lit = pot.read_u16() * (COUNT + 1) // 65536
    for i in range(COUNT):
        strip[i] = GREEN if i < lit else OFF
    strip.write()
    print("lit:", lit)
    time.sleep(1)

lit: 0
lit: 2
lit: 5
lit: 8
[neo]
000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000
002800 002800 000000 000000 000000 000000 000000 000000
002800 002800 002800 002800 002800 000000 000000 000000
002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800
...

اخترنا اللون (0, 40, 0) وليس 255: السطوع يكفي، والتيار ينخفض. بقيمة نموذجية نحو 20 mA للون الواحد عند أقصى سطوع، ينخفض تيار الثمانية إلى نحو 25 mA.

13.4 المرحّل: مفتاح لحمل منفصل – ממסר (Relay)

المبدأ: المرحّل (ממסר) فيه ملف يجذب ملامسا (מגע) ميكانيكيا. جانب الملف وجانب الملامس غير متصلين كهربائيا، فيتحكّم تيار صغير في دائرة أخرى منفصلة تماما. لكن تيار الملف أكبر مما يعطيه الطرف، فنحتاج إلى ترانزستور كما في القسم 7.8.

والثنائي الموصول على الملف هو ثنائي الدوران الحرّ: الملف يختزن طاقة، وعند الفصل يقفز جهده قفزة قد تتلف الترانزستور، فيمرّر الثنائي هذا التيار حتى يتلاشى. ولا نستغني عنه.

والبرنامج طرف مخرج عادي. نستعمل هنا board.LED_EXT لأنه طرف حرّ. ونضع بين التشغيل والإيقاف عتبتين وليس واحدة، حتى لا يطقطق الملامس كلما تذبذبت الحرارة حول العتبة:

import board
import dht
import time
from machine import Pin

ON_ABOVE = 28
OFF_BELOW = 26

relay = Pin(board.LED_EXT, Pin.OUT, value=0)
sensor = dht.DHT22(Pin(board.DHT))

while True:
    sensor.measure()
    t = sensor.temperature()
    if t >= ON_ABOVE:
        relay.value(1)
    elif t <= OFF_BELOW:
        relay.value(0)
    print("%.1f C  relay=%d" % (t, relay.value()))
    time.sleep(2)

25.0 C  relay=0
27.0 C  relay=0
28.5 C  relay=1
27.0 C  relay=1
26.0 C  relay=0
27.0 C  relay=0
...

13.5 المسّ: TouchPad – חיישן מגע (Capacitive Touch)

المبدأ: كل جسم موصل يغيّر السعة الكهربائية على الطرف، والشريحة تقيس ذلك. فيكفي سلك وقطعة نحاس، بلا زر. الصنف TouchPad موجود على ESP32 فقط، وبعض أطرافه: 0, 2, 4, 12–15, 27, 32, 33. وعلى Pico W لا يوجد.

import time
from machine import Pin, TouchPad

pad = TouchPad(Pin(14))
limit = pad.read() // 2
print("limit:", limit)

while True:
    value = pad.read()
    print(value, "touched" if value < limit else "free")
    time.sleep(1)

limit: 600
1200 free
1180 free
60 touched
55 touched
1190 free
...

13.6 عصا التحكّم: KY-023 – ג׳ויסטיק (Joystick)

المبدأ: وحدة KY-023 هي مقياسا جهد متعامدان وزر. كل محور جهد نقرؤه بمحوّل، كما في الفصل 6. وفي الوسط الجهد نحو نصف التغذية، أي عدد قريب من 32768.

import board
import time
from machine import Pin

CENTER = 32768
DEAD = 6000

x_axis = board.analog_in(board.POT)
y_axis = board.analog_in(board.LDR)
button = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)


def axis(adc):
    d = adc.read_u16() - CENTER
    return 0 if abs(d) < DEAD else d


def direction(dx, dy):
    if dx == 0 and dy == 0:
        return "center"
    if abs(dx) >= abs(dy):
        return "right" if dx > 0 else "left"
    return "up" if dy > 0 else "down"


while True:
    name = direction(axis(x_axis), axis(y_axis))
    print(name, "pressed" if button.value() == 0 else "")
    time.sleep(1)

center 
right 
up 
left 
center pressed
...

13.7 حسّاسات I2C: BMP280 وAHT20 – חיישני I2C

المبدأ: هذان الحسّاسان يعملان على الناقل الذي عرفناه في الفصل 9. BMP280 يقيس الضغط والحرارة، وAHT20 الحرارة والرطوبة، بعنوانين مختلفين: 0x76 أو 0x77 للأول، و0x38 للثاني، فيعملان معا على السلكين نفسيهما.

كتبنا لكل منهما مكتبة قصيرة: common/bmp280.py وcommon/aht20.py، وهما مع مكتبات الكتاب. مكتبة BMP280 تطبّق قوانين التصحيح من ورقة بيانات الشركة المصنّعة، لأن كل شريحة تأتي بمعاملات معايرة خاصة بها، فهي تقرؤها أولا ثم تحسب.

import board
from bmp280 import BMP280

i2c = board.i2c()
print("found:", [hex(a) for a in i2c.scan()])

sensor = BMP280(i2c)
t, p = sensor.read()
print("%.2f C" % t)
print("%.1f hPa" % (p / 100))

found: ['0x76']
25.08 C
1006.5 hPa

import board
from aht20 import AHT20

sensor = AHT20(board.i2c())
t, h = sensor.read()
print("%.1f C  %.1f %%" % (t, h))

برنامج AHT20 وحده لم يُشغَّل في بناء الكتاب، لأن المُحاكي لا يملك هذه الشريحة، وقد مرّ بالترجمة فقط. فلنجرّبه أولا على اللوحة.

13.8 مشروع: نافذة دفيئة – מערכת קטנה: חממה

نجمع الآن حسّاسا وعتبتين وعرضا ومشغّلا. الدفيئة (חממה) تفتح نافذتها إذا ارتفعت الحرارة، واللون يبيّن الحالة. المحرّك المؤازر من القسم 7.4 مع مكتبته servo.py.

import board
import dht
import neopixel
import time
from machine import Pin
from servo import Servo

WARM = 26
HOT = 30
GREEN, AMBER, RED = (0, 40, 0), (40, 20, 0), (40, 0, 0)

sensor = dht.DHT22(Pin(board.DHT))
strip = neopixel.NeoPixel(Pin(board.NEOPIXEL, Pin.OUT), 8)
window = Servo(board.pwm(board.SERVO, 50))


def decide(t):
    if t >= HOT:
        return RED, 90
    if t >= WARM:
        return AMBER, 45
    return GREEN, 0


while True:
    try:
        sensor.measure()
    except OSError:
        print("sensor error")
        time.sleep(2)
        continue
    t = sensor.temperature()
    color, angle = decide(t)
    strip.fill(color)
    strip.write()
    window.angle(angle)
    print("%.1f C  window %d" % (t, angle))
    time.sleep(2)

24.0 C  window 0
27.0 C  window 45
31.0 C  window 90
28.0 C  window 45
24.0 C  window 0
[neo]
002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800
281400 281400 281400 281400 281400 281400 281400 281400
280000 280000 280000 280000 280000 280000 280000 280000
281400 281400 281400 281400 281400 281400 281400 281400
002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800 002800
...

13.9 كيف نختار الحسّاس؟ – בחירת חיישן

القاعدة: نبدأ بما نحتاج إليه فعلا: المجال، وسرعة القراءة، وجهد العمل، وطريقة الاتصال. وكل رقم نأخذه من ورقة البيانات وليس من موقع البيع.

أهمّ أفكار الفصل:

• لكل قطعة: المبدأ، التوصيل، الشيفرة، المصيدة.
• DHT22: measure أولا، ومرة كل ثانيتين فقط، مع try.
• الشريط الطويل لا يُغذّى من اللوحة، ونحسب تياره قبل التوصيل.
• المرحّل عبر ترانزستور، ومعه ثنائي الدوران الحرّ دائما، ولا جهد شبكة في تجاربنا.
• نفحص الجهد على كل طرف: 3.3 V هو الحد، حتى إذا كُتب 5 V على الوحدة.
• نفصل القرار عن العتاد، فيصبح النظام سهل الفحص.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: