它成熟了吗?检测水果蔬菜成熟的电子设备

2020年3月6日 作者 奇先生 0

 

难度 <! – 7 – >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 需要电子电路元件。有关详细信息,请参阅材料部分。
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 短路会变得非常热。请仔细按照说明操作,以避免短路。

 

摘要

当你去超市时,你如何挑选成熟的水果和蔬菜?您可以查看它们的大小或颜色,或者感觉它们的坚固性。当你挑选出六打苹果时,这可能很容易做到,但想象一下,如果你必须检查在田地里种植的数千株苹果,或者草莓从传送带上下来,准备好包装。突然间,自己做起来要困难得多!如果机器可以为您挑选和分类产品怎么办?在这个项目中,您将通过构建可以区分两种颜色的电路来解决部分问题。

目的

 

以电子方式测量光线从不同颜色的表面反射的方式,并建立一个可以区分红色和绿色产品的电路。

 

积分

 

Ben Finio,PhD,Science Buddies

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

菲尼奥,本。”它是成熟的吗?建立一个检测成熟产品的电路。” 科学伙伴,2019年1月26日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p088/electricity-electronics/build-a-circuit-to-detect-ripe-produce。2019年7月6日访问。

 

APA风格

菲尼奥(2019年1月26日)。它成熟了吗?建立一个检测成熟产品的电路。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p088/electricity-electronics/build-a-circuit-to-detect-ripe-produce

最后编辑日期:2019-01-26

简介

红色和绿色产品

许多水果和蔬菜在成熟时会改变颜色。例如,西红柿,草莓和红辣椒都从绿色变为红色。颜色只是一种方式(连同大小,质地和气味),如果水果或蔬菜已准备好收获或食用,您可以判断它。想象一下,工厂将草莓装入塑料容器,运往全国各地的杂货店。如果有一台机器可以自动拒绝在成熟之前采摘的任何绿色草莓,这可能是有用的。或者,您可能希望农场中的机器能够按颜色自动识别草莓,并且只选择红色的草莓。在这个项目中,您将构建一个使用可见光的电路,它是我们的眼睛可以检测到的电磁光谱的一部分,以自动区分红色和绿色物体。

可见光有彩虹的所有颜色(通过光的波长测量)。光可以被不同的表面反射吸收(或通过透明表面传输)。我们在世界上看到的颜色取决于什么颜色的光反射回我们的眼睛。白光(来自太阳或大多数灯泡)包含许多不同颜色的光。当我们看到被白光照射的表面时,表面会吸收一些颜色,我们会看到反弹的颜色或颜色。例如,我们看到红色的物体主要反射红光并吸收其他颜色(图1,左)。我们看到白色的物体反射所有颜色,我们看到黑色的物体吸收所有颜色。有关人类如何感知颜色的更详细说明,请参阅参考书目。

白色光线从彩色表面反射并被彩色表面吸收
图1。当白光照射在表面上时,一些颜色被吸收,其他颜色被反射回我们的眼睛。

 

如果您只在表面上照射特定颜色的光,而不是白光,会发生什么?例如,如果您在红色表面上发出红光,则该红光将被反射回来。但是,如果在绿色表面上发出红光,红光将被吸收(图2)。如果绿色表面仅被红光照亮,则它将显示为黑色。

红色表面反射的红色光线被绿色表面吸收
图2. 红光被红色表面反射并被绿色表面吸收。

 

您可以使用此信息构建使用发光二极管(LED)光敏电阻的电子颜色检测电路.LED是一种可提供多种不同颜色的微光。光敏电阻是一种特殊类型的电阻。电阻器是抵抗电流流动的电子部件(它们的电阻欧姆[Ω] 测量)。光敏电阻的电阻取决于光 – 它在黑暗中具有高电阻,并且当暴露在光下时其电阻会下降。组合时,可以使用彩色LED和光敏电阻来区分两种不同的颜色,如图3所示(识别任何颜色需要多个不同颜色的LED;参见版本部分了解更多信息)。在这个项目中,您将测量当用红色LED照亮不同颜色的表面时光敏电阻的电阻如何变化,然后使用该信息构建可以区分红色和绿色表面的电路。将此视为构建自动农业机器人的第一步!

由光敏电阻检测到的反射红光
图3. LED和光敏电阻如何通过测量反射光来检测表面颜色的示意图.(光敏电阻和LED图像信誉Fritzing.org)

 

术语和概念

 

 

    • 可见光
    • 电磁频谱

 

    • 波长
    • 反映
    • 吸收
    • 发送

 

    • 发光二极管(LED)

 

    • 光敏
    • 电阻
    • 电阻

 

    • 欧姆(Ω)

 

  • 电位
  • 晶体管

问题

 

    • 水果或蔬菜成熟时有什么不同的方法可以判断?
    • 在某些情况下,让机器判断水果或蔬菜是否成熟会有用吗?
    • 当更多的光线照射在光敏电阻上时,光敏电阻的电阻会上升还是下降?
    • 如果你在蓝色表面发出红光(类似于图3),光敏电阻的电阻是高还是低?

 

 

参考书目

 

 

想要了解更多有关电路的高级学生应阅读以下参考资料:

 

 

材料和设备

 

 

    • 各种彩色建筑纸
    • 瓦楞纸板

 

    • 磁带

 

 

    • 实验室笔记本

 

 

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

 

 

实验程序

构建和测试光测量电路

 

 

  1. 按照幻灯片(确保阅读标题!)和表1所示,在面包板上组装电路。
      1. 如果您之前从未使用过面包板,请在开始制作电路前观看此视频
      2. 请注意,您的跳线套件将提供多种颜色。您不需要使用与图表匹配的颜色。
      3. 建立电路时,请始终将电池组连接好。如果您看到或冒烟,或者电路的任何部分感觉很热,请立即断开电池组。这意味着您发生短路并需要仔细检查接线。

     

blank breadboard47&#x3A9;电阻器清除红色LEDPhotoresistor跳线跳线跳线万用表拨号万用表探测器万用表探测器鳄鱼夹电池组 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<jd到j18 <br=””>方向无关紧要 

</jd到j18> 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

部分 图片 注释
47Ω电阻   

47Ω电阻器
(+)巴士到F13
方向无关紧要
清除红色LED   

 清除红色LED
长腿到J13
J15的短腿方向很重要,如果双腿反转,你的LED不会亮起来!
光敏   

Photoresistor
跳线   

 蓝色跳线
( – )巴士到F15
颜色没关系
跳线   

红色跳线
F16的一端留下另一端免费颜色没关系
跳线   

黑色跳线
F18的一端留下另一端免费颜色没关系
万用表   

DVM810万用表符号
将黑色探头插入COM端口。
使用鳄鱼夹将其连接到F18的跳线 

将红色探头插入VΩMA端口。
使用鳄鱼夹将其连接到F16的跳线

将拨盘设为”20k”

3xAA电池组   

3xAA电池座
黑线到( – )总线(面包板上的蓝线)
红线到(+)总线(面包板上的红线)

表1。电路的组装说明。图片来自Fritzing.org。

 

  1. 设置实验,如图4所示。
      1. 将面包板贴在一块纸板上。
      2. 将距离面包板边缘约1厘米的纸板箱粘上。确切的距离无关紧要,只要它在整个实验过程中保持不变。
      3. 将LED和光敏电阻向侧面弯曲90°,使它们都面向纸板箱。
      4. 剪下一小块黑色建筑纸并将其粘贴在光敏电阻的边缘,这样只露出正面。这将有助于光敏电阻主要测量反射光,而不是来自其他方向的环境光。

     

颜色检测电路的实验设置
图4. 光测量电路的实验设置。

 

  1. 从黑色,白色,红色,蓝色和绿色的建筑纸上切割正方形(大约6×6厘米)。测试你可以将纸的方格平放在纸板箱上而不会掉落。如有必要,您可以使用胶带将它们固定到位.
  2. 即使在其周围缠绕黑色建筑纸,光敏电阻仍然对环境光水平敏感。在环境光线恒定的房间内进行实验非常重要。例如,避免在有大量窗户的房间的阴天进行实验,因为当云层经过太阳前,光线水平可能会波动。
  3. 在实验室笔记本中创建如表2所示的数据表。

 

 

 

  电阻(kΩ)
纸张颜色 试验1 试验2 试验3 平均
       
       
红色        
绿色        
       

表2. 记录电阻值的数据表。

 

  1. 仔细检查您的电路。确保电池组已打开,LED指示灯亮,并且万用表已连接并设置为测量20kΩ范围内的电阻。
  2. 在电阻器和LED前面的盒子上放置一块黑色方形的建筑纸。读取万用表的电阻并将其记录在数据表中。
  3. 对其他每种颜色重复步骤7.
  4. 重复步骤7-8两次,每种颜色总共进行三次试验。
  5. 计算每种颜色的平均电阻值,并绘制结果的条形图.
  6. 分析您的结果。
      1. 你看到任何两种颜色之间的电阻差异很大吗?
      2. 任何颜色都有相同的阻力吗?
      3. 想象一下,电阻值是您可用的唯一信息(您实际上无法看到您测量的表面)。你能从这个值中识别出表面的颜色吗?

     

建立一个区分红绿产品的电路

 

在本节中,您将使用您在上一节中学到的信息来构建可以区分红色和绿色产品的电路。当红色产品放在它前面时,它将点亮第二个LED,当绿色产品放在它前面时,LED将保持关闭状态(图5)。您需要进行一些调整才能使电路完美运行。有关电路如何工作的更详细说明,请参阅技术说明(您无需完全了解电路如何工作以完成项目)。

LED颜色检测电路的概念
图5. 用于分离成熟(红色)和未成熟(绿色)产品的颜色检测电路的概念。

 

技术说明  

图6显示了该电路的电路图。它使用了您在第一个电路中未使用的几个附加部件。请参阅参考书目的高级部分,详细了解这些组件。

 

 

    • A 电位计是一种可变电阻。可以通过扭动旋钮来调节其阻力。电位计用于调节电路对光的敏感度。
    • 电位计与光敏电阻组合以形成分压器。分压器使用两个电阻来获取输入电压(图6中的V 1 )并将其减少(或”除” )一定量。输出电压(V 2 )取决于两个电阻的值。在这个电路中,这些电阻取决于光线击中光敏电阻的程度,以及如何分别调节电位器旋钮。当更多光线照射到光敏电阻时,输出电压会上升.
    • 分压器的输出被发送到晶体管的输入端。晶体管就像一个阀门,可以控制通过其他东西的电流,如电机,蜂鸣器或LED。在这个电路中,当晶体管的输入电压超过某个阈值时(当光线被反射回光敏电阻时会发生这种情况),它将导致第二个LED点亮。

 

 

颜色检测电路原理图
图6. 颜色检测器电路的原理图。如果您不知道这些符号的含义,请参阅参考书目中的”如何阅读原理图” 参考。

 

  1. 按照幻灯片(确保阅读标题!)和表3所示组装新电路。在构建新电池时断开电池组的连接电路,并在最后重新连接。

第一个电路中的部件跳线跳线跳线跳线跳线Transistor 漫射红色LED47&#x3A9; resistorPotentiometer电池组 


 

 

<jd到j18 <br=””>方向无关紧要 

</jd到j18> 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

部分 图片 注释
光敏   

Photoresistor
47Ω电阻   

47Ω电阻器
(+)巴士到F13
方向无关紧要
清除红色LED   

 清除红色LED
长腿到J13
J15的短腿方向很重要;如果让两条腿反转,你的LED不会亮起来!
跳线(总共6个)   

 蓝色跳线
( – )巴士到F15
(+)巴士到F16
( – )巴士到A20
( – )巴士到F27
E19至F18
G18至G25
颜色没关系
晶体管   

 transister mosfet
书写朝向左侧,H25,H26,H27中的针脚方向很重要!
漫射红色LED   

漫射红色LED
长腿到E26
到F26的短腿
方向很重要!
47Ω电阻   

47Ω电阻器
(+)巴士到A26
方向无关紧要
电位   

电位计符号
孔D18,D19,D20
3xAA电池组   

3xAA电池座
黑线到( – )总线(面包板上的蓝线)
红线到(+)总线(面包板上的红线)

表3. 电路的组装说明。图片来自Fritzing.org。

 

  • 现在您将进行一些调整以使电路正常工作。如技术说明中所述,当电路中的电压V 2 超过某个阈值时,扩散的LED将导通。此电压取决于两个不同的因素:
    1. 电位器的电阻,您可以通过旋转旋钮进行调节。这使您可以调整电路对光的敏感度。转动电位器的顺时针方向越远,打开扩散LED所需的光线就越多.
    2. 光敏电阻的电阻,当更多光线照射时,它会变低。当光敏电阻的电阻足够低时,扩散的红色LED将亮起。撞击光敏电阻的确切光量取决于许多因素,例如:
        1. 到被测表面的距离。
        2. 被测表面的角度(如果表面垂直于LED的光线,则会反射更多的光线,而不是锐角处的光线。)
        3. 光敏电阻和透明红色LED的相对位置和方向。
        4. 房间内的环境光线水平。

       

      1. 如何从环境光屏蔽光敏电阻(例如,使用黑色建筑纸),并从透明红色LED屏蔽(而不是反射)光.

 

  1. 您的目标是调整电路,使得当您在透明红色LED和光敏电阻前面拿着一块红色产品时,漫射红色LED将点亮,但是当您使用时不会如图5所示,这是一种绿色产品。通过查看LED,您可以快速确定一件产品是否成熟。您可以想象这样一台机器如何在工厂或农场中有用,可以快速自动地识别,收获或分拣成熟的水果和蔬菜。尝试调整上一步中的一些因素,看看是否可以让电路工作以识别红色和绿色产品。首先用红色和绿色建筑纸的方块练习可能会有所帮助。你的电路有多可靠?它是否会产生假阳性(将绿色产品标识为红色)或假阴性(将红色产品标识为绿色)?有关如何改进或修改电路的更多信息,请参阅各种变体部分。

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变体形式

 

    • 使用不同颜色的LED尝试此项目。例如,使用超亮绿色LED(Jameco part#2077079 ,与68Ω电阻一起使用, part#690582 )或蓝色LED(Jameco部件号183222 ,与47Ω电阻一起使用, part#690540 )。请注意,这些LED具有较高的正向压降,因此您需要更换电路中的120Ω电阻,如上所述。如果使用不同颜色的LED,您的结果会如何变化?
    • 尝试在更广泛的彩色表面(黄色,青色,品红色,橙色,粉红色等)上测试电路。什么颜色导致类似的电阻值?什么颜色会产生不同的电阻值?您可以使用哪种颜色来清晰区分电路?
    • 您的结果如何随着环境光线水平的变化而变化?电路是否在阳光直射下工作?在一个人们走过的繁忙房间里,在电路上投下阴影怎么样?在不同的设置中使用电路有多么现实,例如控制照明(工厂内)与室外区域(如场地)的设置?
    • 此项目中的电路并非旨在识别所有可能的颜色。它旨在区分两种已知颜色(意味着您假设您只显示红色或绿色西红柿的电路,并且您永远不会将其显示为蓝色西红柿)。你能设计一个可以检测任何颜色的电路吗?提示:您的电路将需要三个LED(材料列表中的红色LED,第一个变体中列出的蓝色和绿色LED),或单个RGB LED(内置红色,绿色和蓝色LED的LED)相同的包装)。使用微控制器(如流行的Arduino™)可以轻松完成此任务。在线搜索”Arduino色彩检测器电路” 或”Arduino色彩传感器” ,你会发现很多例子。
    • 您可以使用网络摄像头和计算机视觉而不是电路来完成颜色检测吗?每种方法有哪些优点和缺点?
    • 正如背景中所讨论的,还有其他方法可以判断产品是否成熟,如尺寸,坚固度或气味。您能设计一种使用这些方法之一来检测成熟产品的不同电路吗?光敏电阻是测量光的电子传感器的示例。有许多其他传感器可以测量距离,压力或某些气体的存在。对这些传感器进行一些研究并确定可以使用哪些传感器。