Persistence of Vision Fidget Spinner: 8 βήματα (με εικόνες)

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

Πρόκειται για ένα fidget spinner που χρησιμοποιεί το εφέ Persistence of Vision, το οποίο είναι μια οπτική ψευδαίσθηση, σύμφωνα με την οποία πολλαπλές διακριτές εικόνες συνδυάζονται σε μια εικόνα στο ανθρώπινο μυαλό.

Το κείμενο ή τα γραφικά μπορούν να αλλάξουν μέσω του συνδέσμου Bluetooth Low Energy χρησιμοποιώντας μια εφαρμογή υπολογιστή που έχω προγραμματίσει στο LabVIEW ή χρησιμοποιώντας μια ελεύθερα διαθέσιμη εφαρμογή BLE για smartphone.

Όλα τα αρχεία είναι διαθέσιμα. Σχήμα και υλικολογισμικό επισυνάπτονται σε αυτό το Instructable. Τα αρχεία Gerber είναι διαθέσιμα σε αυτόν τον σύνδεσμο, καθώς δεν μπορώ να ανεβάσω αρχεία zip εδώ: Gerbers

Βήμα 1: Διαφορά μεταξύ άλλων συσκευών POV στην αγορά

Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά είναι ότι τα γραφικά που εμφανίζονται δεν εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής χάρη στην καινοτόμο λύση που παρέχει για τη διατήρηση της τροχιάς της γωνίας περιστροφής. Αυτό σημαίνει ότι το απεικονιζόμενο γραφικό γίνεται αντιληπτό το ίδιο τόσο στις μεγαλύτερες όσο και στις χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής (για παράδειγμα, όταν το fidget spinner επιβραδύνεται όταν κρατιέται στο χέρι). Περισσότερα για αυτό στο Βήμα 3.

Αυτή είναι επίσης μια από τις κύριες διαφορές μεταξύ διαφόρων συσκευών POV στην αγορά (ρολόγια POV κλπ.), Οι οποίες πρέπει να έχουν σταθερή ταχύτητα περιστροφής για να εμφανίζεται σωστά η εικόνα. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι όλα τα εξαρτήματα έχουν επιλεγεί για να έχουν τη χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας σε μια προσπάθεια να παραταθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας

Βήμα 2: Τεχνική περιγραφή

Χρησιμοποιεί ενισχυμένο μικροελεγκτή Microchip PIC 16F1619 ως πυρήνα του. Το MCU διαθέτει ενσωματωμένο περιφερειακό γωνιακό χρονόμετρο που χρησιμοποιεί τον πολυπολικό αισθητήρα Hall DRV5033 και έναν μαγνήτη για να παρακολουθεί την τρέχουσα γωνία περιστροφής.

Τα γραφικά εμφανίζονται χρησιμοποιώντας συνολικά 32 LED, 16 διόδους εκπομπής πράσινου και 16 κόκκινου φωτός (ονομαστικό ρεύμα 2mA). Οι δίοδοι κινούνται από δύο προγράμματα οδήγησης σταθερού ρεύματος 16 καναλιών TLC59282 συνδεδεμένα σε αλυσίδα μαργαρίτας. Για να έχετε απομακρυσμένη πρόσβαση στη συσκευή, υπάρχει μια μονάδα Bluetooth Low Energy RN4871 η οποία επικοινωνεί με τον μικροελεγκτή μέσω διεπαφής UART. Η πρόσβαση στη συσκευή μπορεί να γίνει είτε από προσωπικό υπολογιστή είτε από smartphone. Η συσκευή ενεργοποιείται χρησιμοποιώντας ένα χωρητικό κουμπί αφής το οποίο είναι ενσωματωμένο κάτω από τη μάσκα συγκόλλησης στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Η έξοδος από το χωρητικό IC PCF8883 τροφοδοτείται στην OR λογική πύλη BU4S71G2. Η άλλη είσοδος στις πύλες OR είναι ένα σήμα από το MCU. Η έξοδος από τις πύλες OR συνδέεται με το pin Enable ενός μετατροπέα βήμα προς τα κάτω TPS62745. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη ρύθμιση, μπορώ να ενεργοποιήσω/απενεργοποιήσω τη συσκευή χρησιμοποιώντας μόνο ένα κουμπί αφής. Το χωρητικό κουμπί μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αλλαγή μεταξύ διαφορετικών τρόπων λειτουργίας ή για παράδειγμα για ενεργοποίηση του ραδιοφώνου bluetooth μόνο όταν απαιτείται για εξοικονόμηση ενέργειας.

Ο μετατροπέας Step down TPS62745 μετατρέπει το ονομαστικό 6V από τις μπαταρίες σε σταθερό 3,3V. Έχω επιλέξει αυτόν τον μετατροπέα επειδή έχει υψηλή απόδοση με ελαφριά φορτία, χαμηλό ρεύμα ηρεμίας, λειτουργεί με ένα μικρό πηνίο 4,7uH, έχει ενσωματωμένο διακόπτη τάσης εισόδου τον οποίο χρησιμοποιώ για τη μέτρηση της χωρητικότητας της μπαταρίας με ελάχιστη κατανάλωση ρεύματος και η τάση εξόδου είναι χρήστη επιλέξιμο από τέσσερις εισόδους αντί αντίστασης ανάδρασης (μειώνει το BOM). Η συσκευή κοιμάται αυτόματα μετά από 5 λεπτά αδράνειας. Η τρέχουσα κατανάλωση στον ύπνο είναι μικρότερη από 7uA.

Οι μπαταρίες βρίσκονται στο πίσω μέρος όπως φαίνεται στη φωτογραφία.

Βήμα 3: Διατήρηση του ίχνους της περιστροφικής γωνίας

Η γωνία περιστροφής παρακολουθείται "από υλικό" μάλλον από λογισμικό που σημαίνει ότι η CPU έχει πολύ περισσότερο χρόνο στη διάθεσή της για να κάνει άλλες εργασίες. Για αυτό έχω χρησιμοποιήσει περιφερειακό Angular Timer που είναι ενσωματωμένο στον χρησιμοποιημένο μικροελεγκτή PIC 16F1619.

Η είσοδος στον γωνιακό χρονοδιακόπτη είναι ένα σήμα από τον αισθητήρα Hall DRV5033. Ο αισθητήρας Hall παράγει έναν παλμό κάθε φορά που ένας μαγνήτης περνά από αυτόν. Ο αισθητήρας Hall βρίσκεται στο περιστρεφόμενο τμήμα της συσκευής ενώ ο μαγνήτης βρίσκεται σε ένα στατικό μέρος για το οποίο ο χρήστης κρατά τη συσκευή. Δεδομένου ότι χρησιμοποίησα μόνο έναν μαγνήτη αυτό σημαίνει ότι ο αισθητήρας Hall θα παράγει έναν παλμό που επαναλαμβάνεται κάθε 360 °. Ταυτόχρονα, το Angular Timer θα παράγει 180 παλμούς ανά περιστροφή, στους οποίους κάθε παλμός αντιπροσωπεύει 2 ° περιστροφής. Επιλέγω 180 παλμούς, και όχι 360 ° για παράδειγμα, επειδή βρήκα ότι η 2 ° είναι η τέλεια απόσταση μεταξύ των δύο στηλών ενός τυπωμένου χαρακτήρα. Ο γωνιακός χρονοδιακόπτης χειρίζεται όλο αυτό τον υπολογισμό και θα προσαρμοστεί αυτόματα εάν ο χρόνος μεταξύ των δύο παλμών του αισθητήρα αλλάξει λόγω της αλλαγής της ταχύτητας περιστροφής. Η θέση του αισθητήρα μαγνήτη και Hall εμφανίζεται στη συνημμένη φωτογραφία.

Βήμα 4: Απομακρυσμένη πρόσβαση

Wantedθελα έναν τρόπο να αλλάξω το κείμενο που εμφανίζεται δυναμικά και όχι μόνο με σκληρή κωδικοποίηση στον κώδικα. Έχω επιλέξει το BLE επειδή χρησιμοποιεί πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας και το χρησιμοποιούμενο τσιπ RN4871 έχει διάσταση μόνο 9x11,5 mm.

Μέσω του συνδέσμου BT μπορείτε να αλλάξετε το κείμενο που εμφανίζεται και το χρώμα του - κόκκινο ή πράσινο. Η στάθμη της μπαταρίας μπορεί επίσης να παρακολουθείται για να γνωρίζετε πότε είναι ώρα να αντικαταστήσετε τις μπαταρίες. Η συσκευή μπορεί να ελεγχθεί μέσω εφαρμογής υπολογιστή προγραμματισμένη σε περιβάλλον προγραμματισμού γραφικών LabVIEW ή χρησιμοποιώντας ελεύθερα διαθέσιμες εφαρμογές BLE smartphone που έχουν τη δυνατότητα να εγγράφουν απευθείας στα επιλεγμένα χαρακτηριστικά BLE μιας συνδεδεμένης συσκευής. Για την αποστολή των πληροφοριών από υπολογιστή/smartphone στη συσκευή χρησιμοποίησα μία Υπηρεσία με τρία Χαρακτηριστικά, η κάθε μία προσδιοριζόμενη από μια λαβή.

Βήμα 5: Εφαρμογή υπολογιστή

Στην επάνω αριστερή γωνία έχουμε στοιχεία ελέγχου για την εκκίνηση της εφαρμογής διακομιστή BLE των εθνικών οργάνων. Αυτή είναι μια εφαρμογή γραμμής εντολών από τη NI που δημιουργεί μια γέφυρα μεταξύ της μονάδας BLE σε έναν υπολογιστή και του LabVIEW. Χρησιμοποιεί πρωτόκολλο HTTP για επικοινωνία. Ο λόγος για τη χρήση αυτής της εφαρμογής είναι ότι το LabVIEW διαθέτει μόνο εγγενή υποστήριξη για το Bluetooth Classic και όχι για το BLE.

Μετά την επιτυχή σύνδεση, η διεύθυνση MAC μιας συνδεδεμένης συσκευής εμφανίζεται στα δεξιά και αυτό το τμήμα δεν είναι πλέον γκριζωπό. Εκεί μπορούμε να ορίσουμε τα κινούμενα γραφικά και το χρώμα του ή απλά να στείλουμε κάποιο μοτίβο για να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε τα LED όταν η συσκευή δεν περιστρέφεται, το έχω χρησιμοποιήσει για σκοπούς δοκιμής.

Βήμα 6: Γραμματοσειρά

Η γραμματοσειρά του αγγλικού αλφαβήτου δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ένα ελεύθερα διαθέσιμο λογισμικό "The Dot Factory", αλλά χρειάστηκε να κάνω μερικές τροποποιήσεις πριν το ανεβάσω στον μικροελεγκτή.

Ο λόγος για αυτό είναι η διάταξη PCB που δεν είναι "σε τάξη", πράγμα που σημαίνει ότι η έξοδος 0 από το πρόγραμμα οδήγησης LED ίσως δεν είναι συνδεδεμένη με το LED 0 στο PCB, το OUT 1 δεν είναι συνδεδεμένο με το LED 1 αλλά μάλλον με το LED15 για παράδειγμα, και κλπ.. Ο άλλος λόγος είναι ότι το λογισμικό επιτρέπεται να παράγει μόνο γραμματοσειρά 2x8bit, αλλά η συσκευή διαθέτει 16 LED για κάθε χρώμα, οπότε χρειάστηκα μια γραμματοσειρά 16bit. Έτσι έπρεπε να φτιάξω ένα λογισμικό που θα μετατοπίσει μερικά bits για να αντισταθμίσει τη διάταξη PCB και να τα συνδυάσω σε μία τιμή 16bit. Εξαιτίας αυτού, ανέπτυξα μια ξεχωριστή εφαρμογή στο LabVIEW που λαμβάνει ως γραμματοσειρά τη γραμματοσειρά που δημιουργείται στο "The Dot Factory" και τη μετατρέπει ώστε να ταιριάζει στις ανάγκες αυτού του έργου. Δεδομένου ότι οι διατάξεις κόκκινου και πράσινου LED PCB είναι διαφορετικές, χρειάστηκε να χρησιμοποιήσω δύο γραμματοσειρές. Η έξοδος για την πράσινη γραμματοσειρά εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα.

Βήμα 7: Προγραμματισμός Jig

Στην εικόνα μπορείτε να δείτε το πρόγραμμα προγραμματισμού που χρησιμοποιήθηκε για τον προγραμματισμό της συσκευής.

Αφού, μετά από κάθε προγραμματισμό, πρέπει να σηκώσω τη συσκευή και να την περιστρέψω για να δω τις αλλαγές που δεν ήθελα να χρησιμοποιήσω τυπικές κεφαλίδες προγραμματισμού ή απλά να κολλήσω τα καλώδια προγραμματισμού. Χρησιμοποίησα καρφίτσες Pogo οι οποίες έχουν ένα μικρό ελατήριο μέσα τους, ώστε να ταιριάζουν πολύ σφιχτά με τα vias στο PCB. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη ρύθμιση, είμαι σε θέση να προγραμματίσω τον μικροελεγκτή πολύ γρήγορα και δεν χρειάζεται να ανησυχώ για τον προγραμματισμό καλωδίων ή την περίσσεια συγκόλλησης μετά την αποκόλληση αυτών των καλωδίων.

Βήμα 8: Συμπέρασμα

Συνοψίζοντας, θα ήθελα να επισημάνω ότι χρησιμοποιώντας το περιφερειακό Angul Timer πέτυχα με επιτυχία μια συσκευή POV που δεν εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής, οπότε η ποιότητα των εμφανιζόμενων γραφικών διατηρείται η ίδια τόσο σε υψηλότερες όσο και σε χαμηλότερες ταχύτητες.

Με προσεκτικό σχεδιασμό κατάφερε να υλοποιήσει μια λύση χαμηλής ενέργειας που θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής των μπαταριών. Όσον αφορά τα μειονεκτήματα αυτού του έργου, θα ήθελα να επισημάνω ότι δεν υπάρχει τρόπος φόρτισης των χρησιμοποιημένων μπαταριών, επομένως απαιτείται αντικατάσταση μπαταρίας κάθε τόσο. Οι μπαταρίες χωρίς όνομα από το τοπικό κατάστημα διήρκεσαν περίπου 1 μήνα με καθημερινή χρήση. Χρήσεις: Αυτή η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς προώθησης ή ως διδακτικό βοήθημα σε μαθήματα ηλεκτροτεχνικής ή φυσικής για παράδειγμα. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως θεραπευτικό βοήθημα για να αυξήσει την προσοχή σε άτομα με Διαταραχή Ελλειμματικής Προσοχής και Υπερκινητικότητας (ΔΕΠΥ) ή να ηρεμήσει τα συμπτώματα άγχους.

Πρώτο Βραβείο στο PCB Design Challenge