کار با سنسورها و پروژهٔ پایانی

سنسور قطعه‌ای است که کمیت فیزیکی — نور، دما، فاصله — را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. تا اینجای دوره همهٔ ابزار لازم را دارید: خواندن آنالوگ، PWM و گفت‌وگوی سریال. در این درس سه سنسور پرتکرار را می‌شناسید و همهٔ آموخته‌ها را در یک پروژهٔ پایانی کنار هم می‌گذارید.

خانوادهٔ سنسورها

سنسورها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: آنالوگ که ولتاژ پیوسته می‌دهند و با analogRead خوانده می‌شوند، و دیجیتال که پالس یا دادهٔ کدشده می‌دهند:

سنسور نور LDR با مقسم ولتاژ

LDR (Light Dependent Resistor) مقاومتی است که با افزایش نور، مقاومتش کم می‌شود. ADC آردوینو ولتاژ می‌خواند نه مقاومت؛ پس با یک مقاومت ۱۰ کیلواهم «مقسم ولتاژ» می‌سازیم:

هرچه نور بیشتر، مقاومت LDR کمتر و ولتاژ نقطهٔ میانی بالاتر می‌شود؛ پس عدد analogRead مستقیماً معیار روشنایی محیط است.

سنسور دمای LM35

LM35 سنسور دمای آنالوگ است که به ازای هر درجهٔ سلسیوس ۱۰ میلی‌ولت خروجی می‌دهد. تبدیل عدد ADC به دما:

$T = \frac{reading \times 5.0}{1023} \times 100$

const int lm35Pin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int reading = analogRead(lm35Pin);
  float temperature = reading * 5.0 / 1023.0 * 100.0;
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" C");
  delay(1000);
}

خروجی این برنامه به دمای واقعی محیط شما بستگی دارد و قطعی نیست؛ خودتان در سریال مانیتور دنبال کنید و عدد را با یک دماسنج معمولی مقایسه کنید.

سنسور فاصله HC-SR04

HC-SR04 با صدا کار می‌کند: پین TRIG یک پالس ۱۰ میکروثانیه‌ای می‌گیرد، سنسور یک بستهٔ موج فراصوتی می‌فرستد و پین ECHO به اندازهٔ زمان برگشت پالس HIGH می‌ماند. سرعت صوت حدود ۰٫۰۳۴ سانتی‌متر بر میکروثانیه است و صدا مسیر رفت و برگشت را می‌رود، پس فاصله:

$d = \frac{t \times 0.034}{2}$

پروژهٔ پایانی: هشدار فاصله با نور

پروژه‌ای می‌سازیم که فاصله را اندازه می‌گیرد: هرچه جسم نزدیک‌تر، LED پین ۹ روشن‌تر و هرچه دورتر، خاموش‌تر؛ وضعیت هم در سریال گزارش می‌شود. این ترکیب، نمونهٔ کوچک همان منطقی است که حسگر پارک خودرو دارد:

const int trigPin = 7;
const int echoPin = 8;
const int ledPin = 9;    // PWM pin

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  // Send a 10-microsecond pulse to TRIG
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);   // Return time in microseconds
  float distance = duration * 0.034 / 2.0;  // Centimeters

  int brightness = map(constrain(distance, 0, 100), 0, 100, 255, 0);
  analogWrite(ledPin, brightness);

  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.print(" cm | Brightness: ");
  Serial.println(brightness);
  delay(200);
}

نکته‌های کد:

1. pulseIn(echoPin, HIGH) منتظر می‌ماند تا پالس ECHO برسد و طولش را به میکروثانیه برمی‌گرداند.
2. constrain(distance, 0, 100) فاصله را به بازهٔ ۰ تا ۱۰۰ سانتی‌متر محدود می‌کند تا map با عدد بزرگ خراب نشود.
3. بازهٔ مقصد map معکوس است (۲۵۵ به ۰) تا جسم نزدیک LED را روشن‌تر کند.

تمرین‌ها

// Write your code here

const int lm35Pin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int reading = analogRead(lm35Pin);
  float temperature = reading * 5.0 / 1023.0 * 100.0;
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" C");
  if (temperature > 30.0) {
    Serial.println("Warning: temperature is above 30 degrees");
  }
  delay(1000);
}

::: :::

خلاصه

• سنسورهای آنالوگ ولتاژ پیوسته می‌دهند و با analogRead خوانده می‌شوند؛ سنسورهای دیجیتال پالس یا دادهٔ کدشده می‌دهند.
• LDR با مقسم ولتاژ (مقاومت ۱۰ کیلواهم) به ولتاژ قابل‌خواندن تبدیل می‌شود.
• LM35 به ازای هر درجهٔ سلسیوس ۱۰ میلی‌ولت می‌دهد؛ دما از عدد ADC با ضریب مناسب به‌دست می‌آید.
• HC-SR04 زمان رفت‌وبرگشت صدا را می‌سنجد و فاصله از $d = \frac{t \times 0.034}{2}$ حساب می‌شود.
• بارهای پرجریان را هرگز از پین ۵ ولت برد تغذیه نکنید؛ منبع جدا و زمین مشترک، قاعدهٔ طلایی است.

با این پروژه، دورهٔ «اصول آردوینو» را کامل کرده‌اید؛ از این‌جا می‌توانید سنسورهای دیگر (مثل DHT11 با کتابخانه)، نمایشگرها و موتورها را با همان الگوی همیشگی اضافه کنید: بخوان، تصمیم بگیر، عمل کن.