คู่มือ Flex Sensors: Pinout, หลักการทํางาน, วงจร Arduino และการใช้งาน

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นเป็นวิธีที่ง่ายและใช้งานง่ายในการตรวจจับการดัดงอและการเคลื่อนไหวของมนุษย์โดยใช้หลักการอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน บทความนี้อธิบายวิธีการทํางานของเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น วิธีเชื่อมต่อกับ Arduino และวิธีออกแบบวงจรที่เชื่อถือได้รอบๆ ตั้งแต่รายละเอียดการก่อสร้างไปจนถึงการสอบเทียบและโครงการจริง

ค 1. เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นคืออะไร?

ค 2. พินเอาต์ของ Flex Sensor

ค 3. หลักการทํางานของเซนเซอร์ Flex

ค 4. โครงสร้างเซนเซอร์แบบยืดหยุ่น

ค 5. วงจรเซนเซอร์ Arduino Flex

ค 6. โครงการที่คุณสามารถสร้างได้ด้วย Flex Sensor

ค 7. การเชื่อมต่อ Flex Sensor กับ Arduino

ค 8. ข้อจํากัดของเซนเซอร์แบบยืดหยุ่น

ค 9. Flex Sensor เทียบกับวิธีการตรวจจับการโค้งงอทางเลือก

ค 10. สรุป

ค 11. คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

Flex Sensor คืออะไร?

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นเป็นอุปกรณ์ตรวจจับตัวต้านทานราคาไม่แพงที่วัดการดัดงอหรือการงอ ความต้านทานไฟฟ้าจะต่ําที่สุดเมื่อเซ็นเซอร์ตั้งตรงและเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อโค้งงอ โดยความต้านทานสูงสุดมักเกิดขึ้นใกล้กับการโค้งงอ 90° ขึ้นอยู่กับการออกแบบและความยาวของเซ็นเซอร์

พินเอาต์ของ Flex Sensor

เซ็นเซอร์ความยืดหยุ่นมาตรฐานมีขั้วต่อสองขั้ว ซึ่งโดยทั่วไปจะมีป้ายกํากับว่า P1 และ P2 ทางไฟฟ้าเซ็นเซอร์จะทํางานเหมือนตัวต้านทานพื้นฐานและไม่มีขั้วซึ่งหมายความว่าพินทั้งสองสามารถใช้แทนกันได้

เทอร์มินัลใดขั้วหนึ่งสามารถเชื่อมต่อกับ 5V หรือ GND ได้ ตราบใดที่ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าต่อสายอย่างถูกต้อง การออกแบบที่ไม่มีโพลาไรซ์นี้ทําให้เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นสามารถเข้าถึงได้เป็นพิเศษและง่ายต่อการรวมเข้ากับวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์

หลักการทํางานของเซนเซอร์ยืดหยุ่น

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นทํางานด้วยไฟฟ้าเป็นตัวต้านทานแบบแปรผันซึ่งความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามการดัด เมื่อเซ็นเซอร์แบน กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านชั้นนําไฟฟ้าโดยมีความต้านทานน้อยที่สุด เมื่อเซ็นเซอร์โค้งงอความต้านทานที่มีประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นในลักษณะที่คาดเดาได้แต่ไม่เป็นเชิงเส้น

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นทั่วไปมีความยาวเช่น 2.2" และ 4.5" โดยมีค่าความต้านทานที่แตกต่างกันไปตามผู้ผลิต รูปแบบพฤติกรรมทั่วไปคือ:

• ตําแหน่งแบน: ความต้านทานต่ํา (มักจะอยู่ที่ประมาณ 10 kΩ)

• ตําแหน่ง โค้งงอ: ความต้านทานที่สูงขึ้น (โดยทั่วไป 20 kΩ หรือมากกว่า ขึ้นอยู่กับ มุม โค้งงอ)

ไมโครคอนโทรลเลอร์เช่น Arduino ไม่สามารถวัดความต้านทานได้โดยตรง เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าแทน ซึ่งความต้านทานการเปลี่ยนแปลงจะทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกอ่านโดยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ของ Arduino ซึ่งจะแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นค่าดิจิทัล (0–1023 สําหรับ ADC 10 บิตที่ 5 V) ด้วยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้านี้ ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถตรวจจับความเข้มของการดัดงอและแปลเป็นข้อมูลที่ใช้งานได้สําหรับตรรกะการควบคุม

โครงสร้างเซนเซอร์แบบยืดหยุ่น

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นสร้างขึ้นโดยใช้พื้นผิวที่บางและยืดหยุ่นซึ่งเคลือบด้วยหมึกนําไฟฟ้าสูตรพิเศษซึ่งเป็นองค์ประกอบการตรวจจับ ชั้นนําไฟฟ้านี้ได้รับการออกแบบมาให้เปลี่ยนรูปอย่างปลอดภัยภายใต้การดัดงอในขณะที่ยังคงความต่อเนื่องทางไฟฟ้า มีการเพิ่มชั้นป้องกันด้านนอกเพื่อเพิ่มความทนทานและป้องกันเซ็นเซอร์จากความชื้น รอยขีดข่วน และความเครียดเชิงกลซ้ําๆ

เมื่อเซ็นเซอร์โค้งงอ ชั้นหมึกนําไฟฟ้าจะประสบกับความเครียดเชิงกล ความเครียดนี้ทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงด้วยกล้องจุลทรรศน์ในเส้นทางนําไฟฟ้าเพิ่มความต้านทานเมื่อโค้งงอแน่นขึ้น โดยทั่วไป:

•รัศมีการโค้งงอที่ใหญ่ขึ้น (เส้นโค้งที่นุ่มนวล): การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่น้อยลง

•รัศมีการโค้งงอที่เล็กลง (เส้นโค้งที่แคบกว่า): การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่มากขึ้น

เนื่องจากกลไกการตรวจจับขึ้นอยู่กับการเสียรูปทางกายภาพ เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นจึงไวต่อวิธีการและตําแหน่งที่โค้งงอ การดัดงออย่างสม่ําเสมอตามความยาวของเซ็นเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่สม่ําเสมอมากกว่ารอยยับที่แหลมคมหรือจุดเค้นเฉพาะที่ ซึ่งอาจทําให้ชั้นนําไฟฟ้าเสียหายอย่างถาวรและเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของเซ็นเซอร์

วงจรเซนเซอร์ Arduino Flex

ในการอ่านเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นด้วย Arduino โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์จะถูกวางไว้ในวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า เนื่องจาก Arduino ไม่สามารถวัดความต้านทานได้โดยตรงวงจรนี้จะแปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนที่สามารถอ่านได้โดยพินอินพุตแบบอะนาล็อก

ในการกําหนดค่านี้:

• เซ็นเซอร์ยืดหยุ่นทําหน้าที่เป็นตัวต้านทานตัวแปร

• ตัวต้านทานคงที่ (โดยทั่วไป 10 kΩ หรือ 15 kΩ) กําหนดช่วงการวัด

• แรงดันไฟฟ้าที่จุดกึ่งกลางของตัวแบ่งจะเปลี่ยนไปเมื่อเซ็นเซอร์โค้งงอ

เมื่อความต้านทานของเซ็นเซอร์เฟล็กซ์เพิ่มขึ้นเมื่อดัดงอ แรงดันเอาต์พุตของตัวแบ่งก็เปลี่ยนไปในลักษณะที่คาดเดาได้ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ของ Arduino จะสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้านี้และแปลงเป็นค่าดิจิทัลระหว่าง 0 ถึง 1023 (สําหรับ ADC 10 บิตที่มีการอ้างอิง 5 V)

วงจรนี้เป็นรากฐานทางไฟฟ้าสําหรับแอปพลิเคชันเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นที่ใช้ Arduino ทั้งหมด และอ้างอิงในการใช้งานจริงที่อธิบายไว้ในส่วนที่ 7

โครงการที่คุณสามารถสร้างได้ด้วย Flex Sensor

เมื่อสามารถวัดการดัดงอได้อย่างน่าเชื่อถือเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นจะเปิดประตูสู่โครงการที่สร้างสรรค์และใช้งานได้จริงมากมาย เอาต์พุตอะนาล็อกที่เรียบง่ายทําให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับการออกแบบทั้งระดับเริ่มต้นและขั้นสูง

• อินพุตเกม: เซ็นเซอร์ Flex สามารถทําหน้าที่เป็นทริกเกอร์แบบอะนาล็อก ตัวเลื่อน หรือการควบคุมด้วยท่าทาง เพิ่มการโต้ตอบที่เป็นธรรมชาติและปราศจากแรงกดดันให้กับตัวควบคุมเกมแบบกําหนดเอง

• ตัวควบคุมเพลง: ในระบบเพลงดิจิทัล เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นสามารถปรับระดับเสียง ฟิลเตอร์ ระดับเสียง หรือเอฟเฟกต์ สร้างตัวควบคุมที่แสดงออกและเน้นประสิทธิภาพ

• ถุงมือข้อมูล: ด้วยการวางเซ็นเซอร์ไว้ตามนิ้ว คุณสามารถติดตามการงอนิ้วและการเคลื่อนไหวของมือพื้นฐานสําหรับความเป็นจริงเสมือน

• การควบคุมเซอร์โว: เซ็นเซอร์ Flex มักใช้เพื่อขับเคลื่อนเซอร์โวได้อย่างราบรื่น ช่วยให้แขนหุ่นยนต์ กริปเปอร์ หรือแอนิมาทรอนิกส์เลียนแบบการเคลื่อนไหวของมือมนุษย์แบบเรียลไทม์

• ระบบ Raspberry Pi: แม้ว่า Raspberry Pi จะไม่มีอินพุตแบบอะนาล็อกดั้งเดิม แต่เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นก็ยังสามารถใช้กับ ADC ภายนอกสําหรับโครงการควบคุมและตรวจสอบตามการเคลื่อนไหวได้

การเชื่อมต่อ Flex Sensor กับ Arduino

การประกอบฮาร์ดแวร์

ขั้นตอนที่ 1: รวบรวมส่วนประกอบ

เตรียม Arduino Uno (หรือบอร์ดที่เข้ากันได้), เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น, ตัวต้านทาน 10 kΩ หรือ 15 kΩ, เขียงหั่นขนม, สายจัมเปอร์ และสาย USB

ขั้นตอนที่ 2: ติดตั้งเซ็นเซอร์

ใส่ขั้วต่อเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นลงในแถวเขียงหั่นขนมแยกต่างหากเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจร วางเซ็นเซอร์ให้เรียบและปราศจากความเครียดเชิงกลระหว่างการทดสอบ

ขั้นตอนที่ 3: สร้างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

ใช้วงจรที่อธิบายไว้ในส่วนที่ 5 ต่อสายส่วนประกอบดังนี้:

• ขั้วต่อเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น 1 → 5V

• ขั้วต่อเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น 2 → A0 และปลายด้านหนึ่งของตัวต้านทานคงที่

• ปลายอีกด้านของตัวต้านทาน → GND

การจัดเรียงนี้จะแปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ที่ A0

ขั้นตอนที่ 4: ตรวจสอบการเชื่อมต่อ

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายจัมเปอร์ทั้งหมดแน่นหนา การเดินสายหลวมเป็นสาเหตุทั่วไปของการอ่านค่าที่มีเสียงดังหรือไม่เสถียร

การตั้งค่าซอฟต์แวร์

ขั้นตอนที่ 5: กําหนดค่า Arduino IDE

เชื่อมต่อ Arduino เลือกบอร์ดและพอร์ต COM ที่ถูกต้อง แล้วเปิด Serial Monitor ที่ 9600 บอด

ขั้นตอนที่ 6: อ่านค่า ADC ดิบ

ใช้ analogRead (A0) เพื่อยืนยันว่าเซ็นเซอร์ตอบสนองได้อย่างราบรื่นเมื่อโค้งงอ ค่าควรเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ําเสมอก่อนดําเนินการต่อไป

int sensorValue = อะนาล็อกอ่าน(A0);

Serial.println(เซ็นเซอร์ค่า);

ขั้นตอนที่ 7: แปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นความต้านทาน

เพื่อการสอบเทียบที่ดีขึ้นและความสม่ําเสมอ ให้คํานวณความต้านทานของเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นโดยใช้สมการตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า:

Rflex=Rdiv×(VCC/Vflex-1)

图片

หากต้องการมุมโค้งโดยประมาณ ให้แมปช่วงความต้านทานที่วัดได้เป็นองศา:

มุมลอย = แผนที่ (rFlex, 25000, 125000, 0, 90);

แทนที่ค่าเหล่านี้ด้วยการวัดความต้านทานต่ําสุดและสูงสุดที่สอบเทียบแล้วของคุณเองเพื่อความแม่นยํา

ข้อจํากัดของ Flex Sensors

•ไม่ใช่เซ็นเซอร์มุมที่มีความแม่นยํา มีไว้สําหรับการตรวจจับการดัดงอสัมพัทธ์มากกว่าการวัดมุมที่แน่นอน

•การตอบสนองความต้านทานแบบไม่เชิงเส้นทําให้การคํานวณมุมโดยตรงมีความแม่นยําน้อยลง

•ความแปรผันของหน่วยต่อหน่วยแม้ในเซ็นเซอร์ของรุ่นเดียวกัน

•ความต้านทานดริฟท์เมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากความล้าของวัสดุและการดัดซ้ํา ๆ

•เอฟเฟกต์ฮิสเทรีซิสที่ความต้านทานแตกต่างกันระหว่างการเคลื่อนไหวดัดและไม่งอ

•ความเสถียรในระยะยาวที่จํากัดในการใช้งานที่มีความเครียดเชิงกลคงที่หรือหนัก

•เหมาะที่สุดสําหรับการควบคุมที่ใช้งานง่ายและการตรวจจับด้วยท่าทางไม่ใช่งานวัดที่มีความแม่นยําสูง

• แอปพลิเคชันที่ต้องการการอ่านค่าที่แม่นยําหรือเสถียรอาจต้องใช้เซ็นเซอร์ทางเลือก เช่น ตัวเข้ารหัสหรือ IMU

Flex Sensor เทียบกับวิธีการตรวจจับการโค้งงอทางเลือก

| เซนเซอร์ Flex | Flex Sensor การเปลี่ยนแปลงความต้านทานด้วยการดัด | ความแม่นยําต่ําถึงปานกลาง ไม่เป็นเชิงเส้นและอาจล่องลอยเมื่อเวลาผ่านไป มีความยืดหยุ่นสูง | ต่ํามาก การอ่านแบบอะนาล็อกอย่างง่าย อุปกรณ์สวมใส่, ถุงมือข้อมูล, การควบคุมด้วยท่าทาง, อินเทอร์เฟซกับมนุษย์ที่ใช้งานง่าย

| โพเทนชิออมิเตอร์ | ความต้านทานตัวแปรผ่านการหมุน| ความแม่นยําสูงและความสามารถในการทําซ้ําที่ดี | ไม่ยืดหยุ่น; ต้องมีการเชื่อมโยงทางกล | ต่ําถึงปานกลาง | ข้อต่อโรตารี่ ลูกบิด การวัดมุมเชิงกล | มิซูมิ

| IMU (มาตรความเร่ง + ไจโร) | วัดความเร่งและอัตราเชิงมุม | ปานกลางถึงสูงด้วยการประมวลผล อาจล่องลอยโดยไม่ต้องกรอง | โมดูลที่ไม่ยืดหยุ่น | สูง; ต้องมีการหลอมรวมและการสอบเทียบเซ็นเซอร์ | Synology Inc. การติดตามการเคลื่อนไหว หุ่นยนต์ การตรวจจับการวางแนว | Synology Inc.

| ตัวเข้ารหัสออปติคัล | การตรวจจับตําแหน่งตามแสง | Syntuda Thailand ความแม่นยําสูงมากและความเสถียรในระยะยาว | KUKA AG ไม่ยืดหยุ่น | ปานกลาง | ข้อเสนอแนะตําแหน่งมอเตอร์ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม | มิซูมิ

| ตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก | การตรวจจับสนามแม่เหล็กสําหรับตําแหน่ง | ความแม่นยําสูงมากและทนทานต่อการสวมใส่ | ไม่ยืดหยุ่น | ปานกลาง | การควบคุมมอเตอร์ การวัดการหมุนที่แม่นยํา | มิซูมิ

สรุป

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นเหมาะที่สุดสําหรับอินพุตที่ใช้งานง่ายและขับเคลื่อนโดยมนุษย์มากกว่าการวัดที่มีความแม่นยําสูง เมื่อเข้าใจโครงสร้าง พฤติกรรมทางไฟฟ้า และข้อจํากัด คุณสามารถรวมเข้ากับ Arduino และโครงการฝังตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการติดตั้ง การเลือกตัวต้านทาน และการสอบเทียบที่เหมาะสม เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นช่วยให้อุปกรณ์สวมใส่ที่ตอบสนอง ตัวควบคุมที่สร้างสรรค์ และระบบโต้ตอบที่มีความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์น้อยที่สุด

คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นมีอายุการใช้งานนานแค่ไหนเมื่อดัดซ้ํา?

อายุการใช้งานของเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นขึ้นอยู่กับรัศมีการโค้งงอ ความถี่ และคุณภาพการติดตั้ง เมื่องอภายในขีดจํากัดที่แนะนําและติดตั้งอย่างถูกต้องเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นส่วนใหญ่สามารถทนต่อรอบได้หลายหมื่นรอบ รอยยับที่แหลมคม การโค้งงอมากเกินไป หรือการคลายความเครียดที่ไม่ดีจะลดความทนทานลงอย่างมาก

สามารถใช้เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นกับไมโครคอนโทรลเลอร์ 3.3V แทน Arduino ได้หรือไม่

ใช่. เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นทํางานร่วมกับระบบ 3.3V เช่น ESP32, ESP8266 และ STM32 คุณอาจต้องปรับค่าตัวต้านทานคงที่และปรับเทียบการอ่านใหม่เพื่อพิจารณาแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่ต่ํากว่าและลักษณะ ADC

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นจําเป็นต้องมีการกรองสัญญาณเพื่อการอ่านค่าที่เสถียรหรือไม่?

ในหลายกรณีใช่ เทคนิคซอฟต์แวร์ง่ายๆ เช่น ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่หรือฟิลเตอร์ความถี่ต่ําช่วยลดเสียงรบกวนที่เกิดจากการสั่นสะเทือนทางกลหรือการเคลื่อนไหวของมือเล็กน้อย การกรองช่วยเพิ่มความเสถียร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่สวมใส่ได้หรือใช้ท่าทางสัมผัส

สามารถใช้เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นหลายตัวพร้อมกันบน Arduino เครื่องเดียวได้หรือไม่

แน่นอน. เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นแต่ละตัวต้องใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและพินอินพุตแบบอะนาล็อกของตัวเอง ตราบใดที่มีพินอะนาล็อกเพียงพอและมีการสอบเทียบที่เหมาะสมต่อเซ็นเซอร์ ก็สามารถอ่านเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นได้หลายตัวพร้อมกันโดยไม่มีปัญหา

เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นปลอดภัยสําหรับโครงการที่สวมใส่ได้และชีวการแพทย์หรือไม่?

โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นจะปลอดภัยสําหรับการสร้างต้นแบบและโครงการสวมใส่แบบไม่รุกราน อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ส่วนประกอบเกรดทางการแพทย์ สําหรับการใช้งานทางคลินิกหรือชีวการแพทย์ที่มีความสําคัญต่อความปลอดภัย ควรใช้เซ็นเซอร์ที่ผ่านการรับรองซึ่งออกแบบมาสําหรับสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมแทน